开题报告文献综述.doc

开题报告表课题名称基于DSP的IIR数字滤波器设计课题来源自选课题类型CY指导教师 任景英学生姓名郭超霞学 号1专 业电子信息工程设计目的：随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理己成为一门极其重要的学科和技术领域，数字滤波在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用，数字滤波作为数字信号处理的重要组成部分有着十分广泛的应用前景。用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受外界影响等优点外，还具有灵活性好的特点，可对芯片编程来实现数字滤波的参数修改，进而十分方便地修改滤波器的特性。因此基于DSP的数字滤波被广泛应用于语音、图像、软件无线电等领域，具有广阔的发展空间。通过本设计可以使学生系统的掌握所学过的数字信号处理的知识，熟练的应用DSP器件。内容及要求：1. 熟悉MATLAB的编程语言和数字信号处理的相关知识。2. 研究在MATLAB环境下IIR数字滤波器的模型。3. 设计一个价格低、功耗小、精度高的IIR数字滤波器系统。4研究IIR滤波器在DSP中的具体实现方法。编写一套可行高效的数字滤波器程序。思路与预期成果：1、 数字滤波器的基本理论：数字滤波的发展前景、结构、表达方式及实现方法；2、 滤波器技术指标的确定；3、 数字滤波器的MATLAB实现：MATLAB程序设计与仿真；4、 数字滤波器在DSP上的实现：MATLAB与DSP的连接、DSP周边电路的连接、DSP程序设计及 仿真。 任务完成的阶段内容及时间安排：第1周第2周：图书馆查找资料，消化资料第3周第4周：翻译英文材料第5周第8周：熟悉MATALB语音和DSP芯片及编程语言 第9周第12周：硬件及程序设计第13周第15周：完成论文指导教师签名： 日期： 文献综述1引言数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛地应用于各个科学技术领域, 例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。数字滤波器按实现的网络结构或者从单位脉冲响应，分为IIR（无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）滤波器。如果IIR滤波器和FIR滤波器具有相同的性能，那么通常IIR滤波器可以用较低的阶数获得高的选择性，执行速度更快，所有的储存单元更少，所有既经济又高效。本课题主要应用MATLAB软件设计IIR数字滤波器，并对所设计的滤波器进行仿真；应用DSP集成开发环境CCS调试汇编程序，文章介绍IIR数字滤波器在DSP中的实现方法。DSP芯片是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器，主要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法。用DSP 芯片实现IIR数字滤波器，不仅具有精确度高、不受环境影响等优点，而且因DSP 芯片的可编程性，可方便地修改滤波器参数，从而改变滤波器的特性，设计十分灵活。2 主要内容 2.1 数字IIR滤波器的理论设计分析数字滤波器实际上是一个采用有限精度算法实现的线性非时变离散系统，滤波器的功能实现实际上是通过大量的加法运算和乘法运算完成的。IIR数字滤波器差分方程的一般形式为： （1） 从IIR数字滤波器的实现来看，有直接型、级联型、并联型和格型等基本网络结构。不同的结构形式会有不同的运算误差，其稳定性、运算速度、所占用的存储空间等也有所不同3。其中直接型仅需要N级延迟单元，且可作为级联型和并联型结构中的基本单元，是最常用的IIR数字滤波器结构之一。IIR数字滤波器的设计方法有两类4，一类是借助于模拟滤波器的设计方法设计出模拟滤波器，利用冲激响应不变法或双线性变换法转换成数字滤波器，然后用硬件或软件实现；另一类是直接在频域或时域中进行设计，设计时需要计算机作辅助工具。对系统传递函数为 （2）的IIR数字波滤器来说，设计的任务就是寻求一种因果关系和物理上可实现的系统传递函数H(z)，使其频率响应H(ej)能够满足所希望得到的频域指标。2.2 IIR数字滤波器的MATLAB实现根据以上IIR数字滤波器理论分析，下面运用双线性变换法基于MATLAB设计一个IIR带通滤波器，其中带通的中心频率为p0=0.5，;通带截止频率p1=0.4,p2=0.6;通带最大衰减p=3dB;阻带最小衰减s=15dB;阻带截止频率s2=0.7(1)根据任务,确定性能指标:在设计带通滤波器之前,首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标:带通滤波器的阻带边界频率关于中心频率p0几何对称，因此ws1=wp0- (ws2-wp0)=0.3通带截止频率wc1=0.4,wc2=0.6;阻带截止频率wr1=0.3，wr2=0.7；阻带最小衰减s=3dB和通带最大衰减p=15dB;(2)用=2/T*tan(w/2)对带通数字滤波器H(z)的数字边界频率预畸变，得到带通模拟滤波器H(s)的边界频率主要是通带截止频率p1,p2;阻带截止频率s1，s2的转换。为了计算简便，对双线性变换法一般T=2s通带截止频率wc1=(2/T)*tan(wp1/2)=tan(0.4/2)=0.7265wc2=(2/T)*tan(wp2/2)=tan(0.6/2)=1.3764阻带截止频率wr1=(2/T)*tan(ws1/2)=tan(0.3/2)=0.5095wr2=(2/T)*tan(ws2/2)=tan(0.7/2)=1.9626阻带最小衰减s=3dB和通带最大衰减p=15dB;(3)运用低通到带通频率变换公式=(2)-(02)/(B*)将模拟带通滤波器指标转换为模拟低通滤波器指标：normwc，normwr，p，s(4)设计模拟低通原型滤波器。用模拟低通滤波器设计方法得到模拟低通滤波器的传输函数Ha(s);借助巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chebyshev)滤波器、椭圆(Cauer)滤波器、贝塞尔(Bessel)滤波器等。(5)调用lp2bp函数将模拟低通滤波器转化为模拟带通滤波器。(6)利用双线性变换法将模拟带通滤波器Ha(s)转换成数字带通滤波器H(z). 低通原型的每一个边界频率都映射为带通滤波器两个相应的边界频率。根据通带截至频率和阻带截至频率与频谱函数曲线比较，满足设计要求。MATLAB程序设计流程图如图：2.3 IIR数字滤波器在DSP上的实现数字信号处理器(Digital Signal Processor)是一种适合对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，其主要用来实时快速地实现各种数字信号处理算法。在当今的数字化时代，DSP己成为通信设备、计算机和其它电子产品的基础器件。作为嵌入式芯片的一种，DSP芯片是一种非常适合于进行数字信号处理的微处理器芯片，已经广泛应用于实现各种数字信号处理运算。具有指令灵活、可操作性强、速度快以及支持并行运算和C语言等的性价比较高的一类DSP的CPU结构主要包括四种功能单元：即指令缓冲单元（I单元），程序流程单元（P单元），地址数据流程单元（A单元）和数据计算单元（D单元）。其显著特点可以归纳如下：1哈佛结构2流水线3专用的硬件乘法器4特殊的DSP指令5快速的指令周期6.拥有简便的单片内存和内存接口7.采用多总线结构。功耗低，速度快，因而在通信设备中得到了广泛的应用。IIR数字滤波器在DSP上的设计过程如下：(1)根据指标确定滤波器的类型，设计出滤波器的参数；低通IIR数字滤波器的参数如下：采样率为16000Hz，截止频率为500Hz，采用butterworth模型设计时阶数为7阶。从理论上说，可以用高阶IIR数字滤波器实现良好的滤波效果。但由于DSP本身有限字长和精度的因素，加上IIR滤波器在结构上存在反馈回路，是递归型的，再者高阶滤波器参数的动态范围很大。这样一来造成两个后果：结果溢出和误差增大，从而导致算法无法在DSP上实现。(2)根据DSP的特点（字长、精度等）对参数进行取舍、量化，然后进行仿真；(3)根据仿真结果对滤波器的结构、参数再次进行调整,直到满足要求为止；(4)在DSP上用语言实现滤波器功能。系统总体框图定点DSP芯片，既可以做定点运算，也可以做浮点运算。一个算法，既可以用汇编语言编程实现，也可以用高级语言（C，C+）实现。而一个IIR数字滤波器是否可以在DSP上实现，最终要看此算法是否满足两个条件：执行时间和精度。一个算法的精度再高，如果做不到实时，也没有实用价值；相反，如果执行时间很快，但精度满足不了要求，也就无从实现滤波功能。IIR数字滤波器在DSP上的实现思路，应该是在满足上面两个条件的前提下，找到尽可能简易的实现方法。DSP程序流程图如下： 3总结 通过对IIR数字滤波器的设计，了解了数字滤波是信号处理中的重要部分，研究了数字滤波器的基本理论、实现方法。学习数字滤波器理论，掌握了各种数字滤波器的原理和特性，为数字滤波器的实现急今后的学习与工作奠定了理论基础。熟悉了MATLAB的运行环境，掌握MATLAB语言在数字信号处理中一些基本库函数的调用和编写基本程序等应用；熟悉了滤波器设计的一般原理，对滤波器有了一个感性的认识；学会了数字低通滤波器设计的一般步骤；加深了对滤波器设计中产生误差的原因以及双线性变换法优缺点的理解和认识。IIR数字滤波器以它优越的性能，在电力、通信和测控等领域得到广泛应用。针对TI公司的DSP，叙述IIR数字滤波器的理论设计及在DSP的硬件以及软件实现过程。思考讨论MATLAB与DSP之间的连接，使系数快速传递。根据其实现思路设计出符合要求的滤波器。IIR数字滤波器以它优越的性能，在电力、通信和测控等领域得到广泛应用。针对TI公司的DSP，叙述IIR数字滤波器的理论设计及在DSP的硬件以及软件实现过程。 4 主要参考文献1、高西全，丁玉美.数字信号处理.西安电子科技大学出版社，2008.82、吴冬梅，电子通信系列实用规划教材.北京大学出版社，2006.83、李哲英，骆丽，刘元盛.DSP基础理论与应用技术.航空航天大学出版社，2001 4、朱铭浩，赵勇，甘泉.DSP应用系统设计.北京：电子工业出版社，20025、郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统（第2版）.高等教育出版社，20076、刘泉，阙大顺.数字信号处理原理与实现.电子工业大学出版社，2005.87、文玮玮，董金明.数字滤波器在定点DSP上的实现.遥测遥控，20028、郑佳春.数字滤波器的MATLAB设计与DSP上的实现.20039、张雄伟，陈亮.DSP芯片原理与开发应用.电子工业出版社.200310、程佩青.数字信号处理教程(第三版).清华大学出版社.2010.511、陈厚金.信号与系统.高等教育出版社.2007.1212、邹彦、唐东等.DSP原理及其应用.高等教育出版社.200813、黄席椿 高顺良.滤波器综合法设计原理.北京:人民邮电出版 社,1978.309-316,261-270. 14、程佩青.数字滤波与快速傅里叶变换.北京:清华大学出版社,1990.15、彭启琮. DSP集成开发环境CCS及DSP/BIOS的原理与应用. 电子工业出 版社，2004.16、沈永欢 梁在中 等.实用数学手册.北京:科学出版社,2001.726-732.17、TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 3: Algebraic Instruction Set18、邢培育.崔克清.一种基于TMS320C5402的数字IIR滤波器设计.数据采集与 处理.200219、Farokh Marvasti,Tsun Jen Lee. Analysis and recovery of sample-and-hold and linearly interpolated signals with irregular samples . IEEE Trans.on signal processing . 1992.20、杨达亮,王巨丰. 基于DSP的IIR数字滤波器的设计与实现J. 电子技术应 用. 2006(11)