DSP的IIR数字滤波器的设计 .docx

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1、精品名师归纳总结封面可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结作者： PanHongliang仅供个人学习高通 IIR 滤波器的设计及 DSP实现1 绪论1.1 基于 DSP的 IIR 滤波器设计课题背景可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结随着集成电路技术的进展，各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现， 集成电路技术与运算机技术结合在一起，使得数字信号处理系统的功能越来越强。数字信号处理技术逐步进展成为一门主流技术，数字信号处理技术就是基于 VLSI 技术和运算机技术进展起来的一门重要技术。 DSP 技术已在通信、把握、信号处理、仪器外表、医疗、家电等很多领域得到了越来越

2、广泛的应用。数字滤波器在各种数字信号处理中发挥着特别重要的作用，用数字滤波器设计始终是信号处理领域的重要争论课题。常用的数字滤波器有IIR滤波器和FIR 滤波器，其中 IIR滤波器因具有结构简洁、占用储备空间少、运算速度快、较高的运算精度和能够用较低的阶数实现、较好的选频特性等优点，得到了广泛应用。1.2 本设计主要争论内容与方法主要是在学习信号分析与处理的基础学问后，应用MATLAB软件、 CCS软件结合来设计基于 DSP 的 IIR 滤波器设计。应用 MATLAB软件设计 IIR数字滤波器：应用MATLAB中的工具FDATOOL 工具设计滤波器的系数。在MATLAB中编译 M 文件，产生输

3、入数据。应用 DSP 芯片的汇编语言与 C 语言进行编写程序，应用DSP 集成软件开发环境 CCS 调试汇编程序与 C 程序，并用 TMS320C54 结合软件开发环境 CCS 来实现了 IIR 数字滤波的仿真。2IIR 数字滤波器的设计2.1 IIR数字滤波器的基本概念无限脉冲响应滤波器是数字滤波器的一种，简称IIR 数位滤波器 infinite impulse response filter。由于无限脉冲响应滤波器中存在反馈回路，因此对于脉冲输入信号的响应是无限连续的。 iir滤波器有以下几个特点1 IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。2 IIR数字滤波器接受递归型结构，即结

4、构上带有反馈环路。iir滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生脆弱的寄生振荡。3 IIR数字滤波器在计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对运算工具的要求不高。在设计一个iir数字滤波器时，我们依据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过确定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数 字滤波器的公式。4IIR 数字滤波器的相位特性不好把握，对相位要求较高时，需加相位校准网络。5 IIR单位响

5、应为无限脉冲序列 fir单位响应为有限的6 IIR幅频特性精度很高，不是线性相位的，可以应用于对相位信息不敏捷的音频信号上。FIR 幅频特性精度较之于 iir低，但是线性相位，就是不同频率重量的信号经过 FIR 滤波器后他们的时间差不变。这是很好的性质。无限脉冲响应滤波器的缺点：（1） 脉冲响应为无限长：造成当输入数位讯号为有限长的时候，输出数位可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结讯号会变成无限长。（2） 比有限脉冲响应滤波器较不易正确化。（3） ）不愿定是稳固的：由于 Z 转换后全部的极点不愿定都在单位圆内2.2 IIR滤波器的结构IIR 数字滤波器的单位脉冲响应 hn是无限长的

6、，结构上有输出到输入的反馈（频率采样结构除外），是递归型。滤波器的系统函数为：（ 2.1） 由传递函数可知，用两个向量就可以对一个IIR 滤波器进行表征。实现 IIR滤波器可以接受直接形式、级联形式和并联形式3 种结构。2.2.1 直接型直接型 :IIR滤波器的系统函数（2.3）对应的差分方程为从上式可以看出，是有两部分相加构成的: 第一部分是一个对输入信号的节延时结构，每节延时抽头后加权相加，这是一个实现零点的横向结构网络。其次部 分是一个对的延时结构，每级延时抽头后加权相加，因此是一个反馈网络。直接型： IIR滤波器的系统函数又可写为可视为分子多项式与分母多项式的倒数所构成的两个子系统函数

7、的乘积， 这相应与子系统级联。第一个子系统实现零点，其次个子系统实现极点，而且已知一个线性时不变系统，假如交换其子系统的次序，系统函数不发生转变。这种结构形式称为直接型。2.2.2 级联型将 IIR 滤波器的系统函数的分子分母表达为因子的形式，即由于系统函数的系数都是实系数，故零、极点只有两种情形：或者是实根，或者是共轭复根。式中A 为归一化常数， , ,表示实零点，表示实极点， 每一对共轭因子合并起来，就可以构成一个实系数的二阶因子。因此，任意系统均可由一阶和二阶子系统级联构成。级联结构的一个重要的优点是储备单元比较少，用硬件实现时，可以用一个二阶进行分时复用。级联结构的另一个特点是，其每一

8、个基本节都关系到滤波器的一对极点和一对零点。2.2.3 并联型将 IIR 滤波器的系统函数展成部分分式之和，即式中, 由于系统函数的系数都是实系数，故 , 假如 MN,就上式不包括项。假如 M=N，就项变为。一般 IIR 系统皆中意 MN的条件。当 M=N时，上式变为总系统函数为各部分悉数函数之和时，就表示其为各相应子系统的并联。所以上式可懂得为一阶和二阶系统的并联组合。明显，并联结构速度快，也可以单独调整极点位置，但不能像级联那样直接调整零极点，由于并联型各二阶网络的零点，并非整个系统函数的零点。因此，当要求精确传输零点时，以接受级联型为宜。另外，并联型各基本节的误差互不影响。可编辑资料 -

9、 - - 欢迎下载精品名师归纳总结3 信号产生程序设计应用说明：例：设计内容及要求 ：要求设计一个基于 DSP的 IIR高通滤波器，把 f11滤掉，保留 f12 。IIR 高通滤波器的系数由 Matlab 中的fdatool产生，信号也由 Matlab 产生已知x1n=sin2*pi*f11*n*T。X2n=0.5*sin2*pi*f12*n*T。xn = x1n+ x2n其中： f11=500Hz。 f12=4000Hz 。 fs=10000Hz 。程序：f11=500 。 %/Hz f12=4000 。 %/Hz fs=10000 。 %/ 采样 Hz N=1000 %数据个数T=1/fs

10、 。 %采样周期n=0:N。x11=sin2*pi*f11*n*T。x12=0.5*sin2*pi*f12*n*T。x_base=x11+x12 。%待滤波信号波形figure1 plotx_base%待滤波信号频谱figure2 yff=absfftx_base df=n*fs/N plotdf,yffxout=x_base/maxx_base 。%归一化xto_ccs=round32767*xout fid=fopeninput.dat,w。%打开文件fprintffid,1651 1 0 0 0n。%输出文件头fprintffid,%dn,xto_ccs。%输出fclosefid。频谱图

11、和时域图分别如下图：4.IIR高通滤波器滤波程序设计#include stdio.h#include C:MATLAB6p5externincludetmwtypes.h #define LEN 200 /待滤波的数据长度可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结#define IIRORDER 2 float yn。float yb。float ya。int inputLEN。 /输入缓冲，在仿真时将从内存载入float outputLEN。 /输出缓冲，直接存放在内存中float bIIRORDER+1= 1.0000,-2.0000,1.0000。float aIIRORDER+1

12、= 1.0000, 1.0622,0.3786。void mainint j,i。fori=0。iIIRORDER。i+outputi = inputi。forj=IIRORDER。jLEN。j+yb=0。ya=0。fori=0。i=IIRORDER。i+yb+= bi*floatinputj-i。fori=0。i=IIRORDER-1 。i+ya+= ai+1*floatoutputj-i-1。yn= yb-ya 。outputj = yn。while1。5 DSP、 CCS 和 MATLAB的有关介绍5.1 DSP 特点可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结数字信号处理器与数字信

13、号处理有着密不行分的关系，我们通常说的 “ DSP”可以指信号处理（ digital signal processing），也可以代表数字信号处理器（ digital signal processor），本文中均指数字信号处理器。DSP 是一种特别的微处理器是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0 或 1 的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯 片。它的强大数据处理才能和高运行

14、速度，是最值得称道的两大特色。DSP 已经成为信号处理技术的主流。由于与早期的模拟信号相比，数字信号处理有着巨大的优势。早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有一个很明显的问题是不灵敏、不稳固，参数修改困难，需要接受多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数。而且对四周环境变化的敏捷性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的转变而数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵敏性。由于数字电路接受厂二值规律，只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路规律的翻转，数字电路都可以不受影响的完成工作，因此具

15、有很好的稳固性。5.2 DSP 在本设计中的运用本设计是基于 DSP的 FIR 滤波器的设计，是在 DSP芯片上实现的，在模拟 DSP芯片上进行仿真，需要用到DSP芯片的汇编语言，及的址支配，和处理数据精度等方面的学问，总之， DSP是本设计的基础。5.3 CCS 特点CCS，即 code composer studio，是 TI 公司在 1999 年推出的一个开放、具有强大集成开发环境，它最初是由GO DSP 公司为 TI 的 C6000 系列 DSP 开发的。在 TI 收购了 GO DSP 后，将 CCS 扩展到了其他系列。现在全部TI 犯人DSP 都可以使用 CCS 进行开发，但是其中的

16、DSP/BIOS 功能只有C5000 和C6000 的 CCS中才供应。以前的 DSP 软件开发都是在一个分散的开发环境新进行，程序的编写、代码的生成以及调试等都是通过命令来完成，类似于以前的 Dos，特别烦杂。而CCS 的显现是 DSP 开发软件的一个革命性的变化， CCS 主要有代码生成工具， CCS 集成开发环境、 DSP/BIOS 和 API 函数以及 RTDX 组成。5.5 MATLAB的有关介绍与应用20 世纪 70 岁月，美国新墨西哥高校运算机科学系主任Cleve Moler 为了减轻同学编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB 。1984 年由Little 、 Mo

17、ler 、 Steve Bangert合 作 成 立 了 的 MathWorks公 司 正 式 把MATLAB推向市场。到 20 世纪 90 岁月， MATLAB已成为国际把握界的标 准运算软件MATLAB是矩阵试验室（ MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，运用于算法开发、数据分析、数据可视化以及数值运算的高级技术运算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink 两大部分。5.5.1 MATLAB 在本文中应用在本文中运用到 MATLAB 的的方主要有三处：（1） 在 MATLAB中编译 M 文件，并储存，产生输入数据（在节中

18、有详可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结解）（2） 运用 MATLAB中的 fdatool 工具，依据滤波器指标要求，设计滤波器，并储存，以头文件的形式导入ccs编译过程（在节中有详细介绍）（3） 在 CCS 编译成功，生成 .out 文件后，导入 MATLAB中的产生的数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结据。6 仿真结果6.1 在 MATLAB中启动 FDATOO及L设置 FDATOOL可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结点击桌面上的，启动 MATLA，B 在 MATLAB的左下角点击“ Start ”, 选择 “ Toolsboxes Filter d

19、esign Filter Design &Analyis Tool FDATOOL ”, 启动 FDATOO，L如图 5-2 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结6.2 使用 MATLAB生成输入数据图 5-2 FDATOOL界面可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结点击桌面上的，启动 MATLA，B 生成输入数据的方法有两种。（一）直接在 MATLAB界面中直接输入程序，在输完程序后点击回车，将会产生设计所需的输入文件，并储存在程序中所设定的文件中，本设计设定的是 “ input文件”。（二）编译 M文件，在 M文件中直接运行和修改，按程序产生所需输入文件，储存在

20、程序中所指定的文件中。第一种方法简洁直观，运行便利但修改麻烦，其次种方法简洁修改，运行便利。本设计中接受编译 M文件， M文件在附录中。6.3 通过 CCS查看滤波结果查看滤波结果步骤如下：步骤一： 打开“ View Graph Time/Frequency”，弹出图形属性 对话框（ Graph Property Dialog ）。其中包括 Display Type（显示类型）、 Graph Title（图形名称）、 Start Address（开头的址）、 Page、Acquisition Buffer Size （采样缓冲器大小）、 Display Data Size（显示数据多少）、 D

21、SP Data Size（ DSP 数据类型） 等。步骤二：查看滤波前的输入数据的时域波形。打开图形对话框后，各属性设置如以下图，点击“ OK”后显现如以下图的输入数据的时域波形图 6-13图形属性对话框图 6-14时域波形图步骤三：查看输入数据的频域波形图，打开图形对话框后，各属性设置如 图 6-15 所示。点击“ OK”后显现显现如图所示的输入数据的频域波形图所示。图 6-15图形属性对话框图 6-16频域波形图步骤四：重复步骤一到步骤三，在步骤二和步骤三中把“Start Address”由“ input”改为“ output”，把“ Graph Title ”由“ input”改为“ o

22、utput”，显示可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的滤波后的时域和频域波形如图6-17 和图 6-18 所示。图 6-17 和 6-18 及为经过滤波后的波形。图 6-17时域波形图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结7 结论图 6-18频域波形图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结本设计是基于 DSP的 FIR 滤波器设计，当下滤波器设计技术已相当成熟， 在前人的基础上，本设计接受的分块处理的方法。一共将设计的成天分为了三可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结大部分部分： MATLAB产生输入数据、由 FDATOO产L仿真滤波。生滤波器系数、

23、由 CCS进行可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结基于 DSP的 FIR 滤波器的设计只是一个计 算过程，牢靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一样性等问题。由 FDATOOL产生滤波器系数且可修改，所以 只要适当转变滤波器设计有关参数，就能便利的转变滤波特性，因此数字滤波使用时便利灵敏。DSP 运算速度快，具有可编程特性和接口灵敏的特点，所以只要转变数字滤波程序有关参数，便可快速实现滤波成效。通过本次设计，使我明白到了数字滤波器在信号处理技术中的重要位置，学习了数字滤波器的基本理论学问，以及实现方法，学习了FIR 滤波器的结构、设计理论，把握了 FIR 滤波器的原理和特性。复

24、习了MATLAB的相关学问。对 DSP有进一步的学习和熟识。学习了CCS的有关编程和仿真的学问。 把握了参考文献的查阅方法和科技论文的写作方法，进一步巩固了Microsoft Office Word 的操作方法，提高了独立分析、动手和理论联系实际的才能，为今后的学习和工作打下了良好的基础。数字信号处理作为一门新兴的学科，越来越引起人们的关注，现已广泛运用到各个领域，随着运算机和信息技术的飞速进展，数字信号处理技术应用而 生，并得到快速的进展，数字信号处理的实现是理论与应用之间的桥梁，数字 信号处理 DSP 是以众多学科理论的基础，它涉及的面及其广泛，所以，不仅要完善以上的 MATLAB的运用，

25、更要学会利用多种途径设计各种DSP系统，熟识 C语言编程。由于时间仓促和本人水平有限，虽已基本上达到了毕业设计的要求，但文中错误和不足之处在所难免，本设计仍需要不断的加以完善、改进。同时，敬请老师批判指正。8 参考文献1. 陈德树 .运算机继电爱惜原理与技术【 M】北京：水利电力出版社， 1992.2. 蒋志凯 .数字滤波与卡尔曼滤波【 M】北京：中国科学技术出版社，19933. 蒙以正 . MATLAB5.X 应用与技巧【 M】北京：科学出版社， 1999.4 胡广书.数字信号处理：理论、算法与实现【 M】. 北京：清华高校出版社，1997.5楼顺天、李博菡 .基于 MATLAB的系统分析与

26、设计信号处理【 M】西安电子科技高校出版社， 1998.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。版权为潘宏亮个人全部This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is Pan Hongliangs personal ownership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习、争论或观看，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律的规定，不得侵害本网站及相关权益人的合法权益。除此以 外，

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