dsp实验报告-有限脉冲响应滤波器(FIR)实验.doc

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1、实验四数字信号处理算法实验实验4.1：有限脉冲响应滤波器（FIR）算法实验一实验目的1掌握窗函数法设计FIR滤波器的Matlab实现，为CCS提供滤波系数。2掌握采用C语言在VC5509开发板上实现混频信号的FIR滤波。二实验设备计算机，ICETEK-VC5509-A实验箱及电源。三实验原理1. 窗函数法设计FIR滤波器（详细理论请看数字信号处理原理书籍）本实验要求：设计一个低通滤波器，通带截止频率fp=10kHz，阻带截止频率fs1=22kHz，阻带衰减ap=75dB，采样频率fs=50kHz,计算出滤波系数fHn,并对混频信号（高频+低频正弦波）fIn进行滤波,得输出波形fOut。解：过渡

2、带宽度=fs1-fp=12kHz；截止频率：f1=fp+(过渡带宽度)/2=16kHzf1对应的数字频率：1=2f1/fs=0.64(rad)-理想低通滤波器单位脉冲响应：hdn=sin(0.64(n-a)/(n-a) 其中a=(N-1)/2 (n=0N-1)-根据阻带衰减要求选择布莱克曼窗，窗函数长度N为：N=5.98fs/过渡带宽度25则窗函数为：wn=0.42-0.5cos(2n/24)+0.08cos(4n/24)滤波器脉冲响应为：hn=hdnwn (n=0N-1) -根据上面各式计算出hn。2. FIR滤波FIR滤波器的差分方程为： 其中，hi-滤波器系数；x(n)-滤波器的输入；y

3、(n)- 滤波输出。根据公式，得本例对应FIR滤波器的差分方程为：yn=-0.001xn-2-0.002xn-3-0.002xn-4+0.01xn-5-0.009xn-6-0.018xn-7-0.049xn-8-0.02xn-9+0.11xn-10+0.28xn-11+0.64xn-12+0.28xn-13-0.11xn-14-0.02xn-15+0.049xn-16-0.018xn-17-0.009xn-18+0.01xn-19-0.002xn-20-0.002xn-21+0.001xn-22 (n=0,1,2,.)采用线性缓冲区法（原理见备课笔记）解此差分方程，得FIR滤波结果y(n)。3

4、程序流程图：四实验内容1.实验准备2.利用Matlab编程计算滤波系数fHn。%程序：FIRditong.mclearclcN=25; %滤波器的阶数n=0:1:N-1;wc=0.64*pi; %理想低通滤波器的截止频率m=n-(N-1)/2+eps;hd=sin(wc*m)./(pi*m); %理想低通滤波器hd(n)wn=0.42-0.5*cos(2*pi*n/24)+0.08*cos(4*pi*n/24);%布拉克曼窗fHn=hd.*wn %滤波系数fHn实验要求：(1)在matlab软件中运行该程序，在命令窗口下显示滤波系数fHn。则 fHn = Columns 1 through 6

5、 0.0000 -0.0000 0.0008 -0.0016 -0.0019 0.0100 Columns 7 through 12 -0.0087 -0.0180 0.0492 -0.0204 -0.1095 0.2800 Columns 13 through 18 0.6400 0.2800 -0.1095 -0.0204 0.0492 -0.0180 Columns 19 through 24 -0.0087 0.0100 -0.0019 -0.0016 0.0008 -0.0000 Column 25 0.0000 将此fHn与三.2部分的fHn相比，体会FIR滤波器设计原理。3.打开

6、工程:C:ICETEKVC5509AeVC5509AeLab0501-FIRFir.pjt。/主程序：FIR.c #include myapp.h#include ICETEK-VC5509-EDU.h#include scancode.h#include #define FIRNUMBER 25 /滤波器阶数#define SIGNAL1F 1000 /输入信号1的频率#define SIGNAL2F 4500 /输入信号2的频率#define SAMPLEF 10000 /采样频率#define PI 3.1415926 float InputWave(); / 输入信号产生子程序声明 f

7、loat FIR(); / FIR滤波子程序声明 float fHnFIRNUMBER= 0.0,0.0,0.001,-0.002,-0.002,0.01,-0.009, -0.018,0.049,-0.02,0.11,0.28,0.64,0.28, -0.11,-0.02,0.049,-0.018,-0.009,0.01, -0.002,-0.002,0.001,0.0,0.0 ; /低通滤波器系数 float fXnFIRNUMBER= 0.0 ; float fInput,fOutput;float fSignal1,fSignal2;float fStepSignal1,fStepSi

8、gnal2;float f2PI;int i;float fIn256,fOut256; / 输入信号fIn和滤波输出信号fOut int nIn,nOut; /输入和输出信号的下标变量main()nIn=0; nOut=0; f2PI=2*PI;fSignal1=0.0;fSignal2=PI*0.1;fStepSignal1=2*PI/30;fStepSignal2=2*PI*1.4;while ( 1 ) /无限循环fInput=InputWave(); /调入输入信号的1个值,存入fInnInfInnIn=fInput;nIn+; nIn%=256; / nIn=nIn+1;nIn除2

9、56取余 fOutput=FIR(); fOutnOut=fOutput;/调用FIR滤波子程序，将本次滤波输出存入fOutnOutnOut+;/* break point */ / nOut=nOut+1 if ( nOut=256 )nOut=0;float InputWave()for ( i=FIRNUMBER-1;i0;i- ) / 循环 fXni=fXni-1; / 将上一个采样时间的输入信号向量延迟1个单元，空出 1个单元（以便将新值放入） fXn0=sin(double)fSignal1)+cos(double)fSignal2)/6.0; /混频正弦信号fSignal1+=f

10、StepSignal1; if ( fSignal1=f2PI )fSignal1-=f2PI;fSignal2+=fStepSignal2;if ( fSignal2=f2PI )fSignal2-=f2PI;return(fXn0); / 返回当前采样时间的输入信号 fXn0 float FIR() /FIR滤波子程序float fSum;fSum=0;for ( i=0;iGraph-Time/Frequency，分别进行如下图(a)(b)设置： (a) (b)分别显示输入波形fIn及其幅频谱（示例）： 2将Start Address改为fOut,分别显示输出波形fout的波形及幅频谱：

11、3将Start Address改为fHn,分别显示滤波系数fHn的波形及幅频谱(设置如下图)： (a) (b)4通过观察频域和时域图，得知：输入波形中的低 (低/高)频分量通过了滤波器，而高 (低/高)频部分则大部分被滤除。六问题与思考题修改上述程序，将其改为高通滤波器，滤掉输入中的低频分量，写出matlab设计滤波系数程序、ccs程序中滤波系数fHn并显示高通滤波输出波形fOut。提示：高通滤波器h(n)=sin(n-a)/(n-a)-sinc(n-a)/(n-a)实验4.2 ：无限冲激响应滤波器(IIR)算法实验一实验目的1掌握双线性变换法设计IIR滤波器的Matlab实现，为CCS提供滤

12、波系数。2掌握采用C语言在VC5509开发板上实现混频信号的IIR滤波。二实验设备PC兼容机一台，操作系统为WindowsXP,安装CCS3.3软件。三实验原理1. 双线性变换法设计IIR滤波器（详细理论看数字信号处理书籍）本实验要求：采用双线性变换法设计低通巴特沃斯滤波器，通带截止频率fp1=1kHz，阻带截止频率fs1=12kHz，通带波动ap=-3dB,阻带衰减ap=-30dB，采样频率fs=25kHz,计算出滤波系数fAn,fBn,并对混频信号（高频+低频正弦波）fIn进行滤波,得输出波形fOut。解：数字频率:p1=2fp1/fs=21000/25000=0.08(rad)s1=2f

13、s1/fs=212000/25000=0.96(rad)模拟角频率：wp1=2fs tan(p1/2)=6316.5(rad/s)=ws1ws1=2fs tan(s1/2)=794727.2(rad/s)由已给定的阻带衰减as=-20logs确定阻带边缘增益s=0.03162计算所需滤波器的阶数：一阶模拟巴特沃斯滤波器传输函数为：H(s)=wp1/(s+wp1)=6316.5/(s+6316.5)由双线性变换定义s=2fs(z-1)/(z+1)得数字滤波器的传输函数为：得IIR滤波器差分方程为：yn=0.7757yn-1+0.1122xn+0.1122xn-1。设滤波系数:fBn= 0.0,

14、0.7757 ;fAn= 0.1122, 0.1122 ;5程序流程图：四实验内容1实验准备： 设置软件仿真模式，参看：第二部分、第一章、四、1。2打开工程C:ICETEKVC5509AeVC5509AeLab0502-IIRIIR.pjt。设置断点：在有注释“break point”的语句设置软件断点。选择“Debug”-“Animate”项，或按Alt+F5键运行该程序。实验要求：1选择View-Graph-Time/Frequency，分别进行如下图(a)(b)设置： (a) (b)分别显示输入波形fIn及其幅频谱：2将Start Address改为fOut,分别显示输出波形fout的波

15、形及幅频谱：3在Memory窗口中显示IIR滤波系数fAn和fBn: 实验4.4 : FIR滤波器的信号滤波一实验目的1掌握A/D转换的基本过程和程序处理过程。2学习通过对AD采样值进行计算产生混频波形。3熟悉FIR滤波器参数的调整,并采用CCS中的DSPLIB库进行FIR滤波。二实验设备计算机，ICETEK-VC5509-A实验箱及电源。三实验原理1AD原理：参见实验2.5、三、1。2混频波形的产生：将接收到的两路AD采集信号（均取低12位）相加，并对结果幅度进行限制，从而产生混合后的输出波形。3. FIR滤波器工作原理及参数计算：参见实验4.1。本实验滤波器参数：采样频率20364.8Hz

16、，带通滤波500Hz-5kHz，增益40dB，阶数64。4本实验程序在主循环中对AD进行连续采样，每次采样首先设置AD转换控制寄存器(ADCCTL)，发送转换通道号和启动命令，然后循环等待转换结果，最后将结果保存。由于需要进行实时混频，所以交替转换通道0和通道1(ICETEK-VC5509-A实验箱上ADCIN2和ADCIN3),混频波形通过FIR滤波器（采用DSPLIB库中的函数编程实现），得到输出波形。由于采用了带通滤波，输入频率在500Hz-5kHz之间的才能通过滤波器。程序流程图：四实验内容1实验准备： 连接实验设备：参看本书第二部分、第一章、二。 准备信号源进行AD输入。取出2根实验

17、箱附带信号线(如下图，两端均为单声道语音插头)。将信号线1一端插入信号源波形输出A端口，另一端插入试验箱上ADCIN2端口。将信号线2一端插入信号源波形输出B端口，另一端插入试验箱上ADCIN3端口。将波形输出A波形选择调为正弦波，频率调整调至100-1KHz。 将波形输出B波形选择调为正弦波，频率调整调至1K-10KHz。设置Code Composer Studio 3.3在硬件仿真(Emulator)方式下运行。2打开工程文件：C:ICETEKVC5509AeVC5509AeLab0507-MixerFIRAD.pjt。此工程中原文件filter.cmd有误，请换成 ICETEK-VC55

18、09-A.cmd。/主程序 main.c中的重要语句：while ( 1 )for ( i=0;i=1;/ 限幅，混频后仍然产生12位数据xi=uWork; / 把uwork的数据存入xi fir2(x, h, r, db, NX, NH);/ 调用dsplib库中的FIR滤波程序计算当前输出，滤波系数h在fir.h中/x输入；h滤波系数；r滤波输出；NXx的长度；NHh的长度3下载运行该程序。选择菜单Debug-Go Main，使程序运行到main函数入口位置。打开源程序main.c，在有注释“在此加软件断点”的行上加软件断点。实验要求：(1)在空格中填入注释。(2)将信号源A的“频率选择”

19、旋钮调节到“100Hz-1kHz”档，调节“频率微调”旋钮到最大，信号源A输出保持1kHz频率。将信号源B的“频率选择”旋钮调节到“10Hz-100Hz”档，调节“频率微调”旋钮到最大，信号源B输出保持100Hz频率。-选择View-Graph-Time/Frequency(或FFT Magnitude)，进行如下设置： (a) (b)注：采样频率改为20464.8Hz。(a)显示AD0波形及幅频谱：（示例）(b)显示AD1波形及幅频谱：-选择菜单View-Graph-Time/Frequency(或FFT Magnitude):按“F5”键运行到断点显示混频波形及幅频谱：-选择菜单View-

20、Graph-Time/Frequency(或FFT Magnitude):显示滤波输出波形及幅频谱:结论：输出保留 AD0 （AD0/AD1），而滤除 AD1 （AD0/AD1）波形。-选择菜单View-Graph-Time/Frequency(或FFT Magnitude):显示滤波器h的波形及幅频谱：(3)调节信号源输出,观察滤波器输出：选择Debug-Animate，运行程序，同时改变信号源输入的波形、频率参数，观察动态效果。将信号源B的“频率选择”旋钮调节到“1kHz-10kHz”档，顺时针旋转信号源B的“频率微调”旋钮，当其超过5kHz后，则 AD0 (AD0/AD1)波形被滤除。(4)选择File-Workspace-Save Workspace As，存为FIR1.wks，将环境设置保存在工程目录中。