基于D_SP的IIR数字滤波器的设计_毕业设计.doc

摘要 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理已经成为高速实时处理的一项关 键技术，广泛应用在语音识别、智能检测、工业控制等各个领域。数字滤波器是对数字 信号实现滤波的线性时不变系统。数字滤波实质上是一种运算过程，实现对信号的运算 处理。dsp 数字信号处理(digital signal processing，简称 dsp)是一门涉及许多学科而 又广泛应用于许多领域的新兴学科。20 世纪 60 年代以来，随着计算机和信息技术的飞 速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。传感器数字信号处理是利用传 感器对模拟信号或数字信号进行采集并把其转换成计算机可识别的电信号，并利用计算 机对信号进行处理以达到计算机辅助控制或是计算机自动控制的目的。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。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，文章结合 tm320c5509 的结构特点，介绍了一种 iir 滤波器在 tm320c5509 中的实现方法。 关键字：iir；数字滤波器；dsp； tm320c5509；matlab 1 目录 摘要i 第 1 章 绪论. 3 1.1 数字滤波器研究的背景.3 1.2 数字滤波器研究的现状.3 1.3 数字滤波器研究的内容与方法.5 第 2 章 系统方案设计及论证7 2.1 iir 数字滤波器的设计步骤. 7 2.2 iir 数字滤波器的基本原理. 7 2.3 iir 数字滤波器的流程框图. 8 第 3 章 基于 dsp 的 iir 数字滤波器设计9 3.1 dsp 系统的特点. 9 3.2 dsp 系统的设计流程. 9 3.3 基于 dsp 的 iir 数字滤波器设计总框图. .10 第 4 章 软件设计12 4.1 ccs 平台介绍. 12 4.2 仿真结果.13 第 5 章 结论15 参考文献16 附录 a：源代码.17 2 致谢20 3 第 1 章 绪论 1.1 数字滤波器研究的背景 当今，数字信号处理（dsp：digtal signal processing）技术正飞速发展，它不但自 成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科。它与国民经济息息相关，与国防 建设紧密相连。它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们普遍的关注。数 字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基 础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、 导航信号、射电天文信号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械 振动信号、遥感遥测信号等。上述这些信号大部分是拟信号，也有小部分是数字信号。 模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维或多维的。大多数 情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化（采样）和幅度上的离散化 （量化） ，这类模拟信号便成为一维数字信号。因此，数字信号实际上是用数字序列表 示的信号，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个一维离散时间序列，而图 像信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散空间序列。数字信号处理，就 是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。例 如，对数字信号进行滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰，或将他们与其它信号进行 分离；对信号进行频谱分析或功率谱分析以了解信号的频谱组成，进而对信号进行识别； 对信号进行某种变换，使之更适合于传输，存储和应用；对信号进行编码以达到数据压 缩的目的等。 数字滤波技术是数字信号分析、处理技术的重要分支。无论是信号的获取、传输， 还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号安全可靠和有效灵活地传输是至关 重要的。在所有的电子系统中，使用最多且最复杂的技术要算数字滤波器了。数字滤波 器的优劣直接决定产品的优劣。 1.2 数字滤波器研究的现状 在信号处理过程中，所处理的信号往往混有杂音，从接收到的信号中消除或减弱噪 音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音的不同特性，提取有用信 号的过程成为滤波，实现滤波功能的系统称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统 4 中，数字滤波器应用极为广泛，这里只列举部分应用最成功的领域。 1语音处理 语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论发展 的领域之一。该领域只要包括五个方面的内容：第一，语音信号分析。即对语音信号的 波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算；第二，语音合成。即利用专用数字硬 件或在通用计算机上运行软件来产生语音；第三，语音识别。即用专用硬件或计算机识 别人讲的话，或者识别说话的人；第四，语音增强。即从噪音或干扰中提取被掩盖的语 音信号。第五，语音编码。主要用于语音数据压缩，目前已经建立了一系列语音编码的 国际标准，大量用于通信和音频处理。近年来，这五方面都取得了不少研究成果，并且， 在市场上已经出现了一些相关的软件和硬件产品，例如，盲人阅读机、哑人语音合成器、 口授打印机、语音应答机，各种会说话的仪器和玩具，以及通信和视频产品大量使用的 音频压缩编码技术。 2图像处理 数字滤波技术以成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪 音和干扰、图像识别以及层析 x 射线摄影，还成功地应用于雷达、声纳、超声波和红 外信号的可见图像成像。 3通信 在现代通信技术领域内，几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、 信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等，都广泛地采用数字滤波 器，特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中，离开了数字滤波 器，几乎是寸步难行。其中，被认为是通信技术未来发展方向的软件无线电技术，更是 以数字滤波技术为基础。 4电视 数字电视取代模拟电视已是必然趋势。高清晰度电视的普及指日可待，与之配套的 视频光盘技术已形成具有巨大市场的产业，可视电话和会议电视产品不断更新换代。视 频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作，促成了电视领域产业的蓬勃发展， 而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。 5雷达 雷达信号占有的频带非常宽，数据传输速率也非常高，因而压缩数据量和降低数据 5 传输速率是雷达信号数字处理面临的问题。于是数字器件的出现促进了雷达信号处理技 术的进步。在现代雷达系统中，数字信号处理部分是不可缺少的，因为从信号的产生、 滤波、加工到目标参数的估计和目标成像都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波 器是当今十分活跃的研究领域之一。生物医学信号处理数字滤波器在医学中的应用日益 广泛，如对脑电图和心电图的分析、层析 x 射线摄影的计算机辅助分析、胎儿心音的 自适应检测等。 6音乐 数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面，在对音乐信号进行编译、合成、以及在 音乐中加入交混回响、合声等特殊效果特殊方面，数字滤波技术都显示出了强大的威力。 数字滤波器还可用于作曲、录音和播放，或对旧录音带的音质进行恢复等。 7其他领域 数字滤波器的应用领域如此广泛，以至于想完全列举他们是根本不可能的，除了以 上几个领域外，还有很多其他应用领域。例如，在军事上被大量应用于导航、制导、电 子对抗、战场侦察；在电力系统中被应用于能源分布规划和自动检测；在环境保护中被 应用于对空气污染和噪声干扰的自动监测；在经济领域中被应用于股票市场预测和经济 效益分析等。 1.3 数字滤波器研究的内容与方法 目前数字滤波器的主要实现方法有： 1在通用的微型计算机上用软件实现。 软件可以是自己编写的，也可以使用现成的软件包，这种方法的缺点是速度太 慢，不能用于实时系统，只能用于教学和算法的仿真研究。比如用 matlab 就几乎可 以实现所有数字滤波器的仿真。而且在 matlab 下的部分仿真程序还可以通过转化为 c 语言，再通过 dsp 的 c 编译器直接在 dsp 硬件上运行。 2用 dsp(digital signal processing)处理器实现 dsp 处理器是专为数字信号处理而设计的，如 ti 公司的 tms320c54x 系列，ad 公司的 adsp2ix，adsp210x 系列等。它的主要数字运算单元是一个乘累加器 (multiply-accumulator，mac)，能够在一个机器周期内完成一次乘累加运算，配有适合 于信号处理的指令，具备独特的循环寻址和倒序寻址能力。这些特点都非常适合数字信 6 号处理中的滤波器设计的有效实现，并且它速度快、稳定性好、编程方便。 3用固定功能的专用信号处理器实现 专用信号处理器采用专用集成电路 asic(application specific integrated circuits)实 现，适用于过程固定而又追求高速的信号处理任务，是以指定的算法来确定它的结构， 使用各种随机逻辑器件组成的信号处理器。它们体积小、保密性好，具有极高的性能， 但灵活性差。 4用 fpga 等可编程器件来开发数字滤波算法。 由于 fpga 产品的迅速发展，人们可以利用 atera、xilinx 等产品，使用其相 关开发工具和 vhdl 等硬件开发语言，通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法。 这一方法由于具有通用性的特点并可以实现算法的并行运算，无论是作为独立的数字信 号处理器，还是作为 dsp 芯片的协处理器，目前都是比较活跃的研究领域。 iir 滤波器的设计内容就是寻求一个物理上可实现的系统函数 h(z)，使其频率响应 h(z)满足所希望得到的频域指标，即符合给定的通带截止频率、阻带截止频率、通带衰 减系数和阻带衰减系数。 7 第 2 章 系统方案设计及论证 2.1 iir 数字滤波器的设计步骤 数字滤波器的设计一般有两种方法：一个是借助模拟滤波器的设计方法进行。其设 计步骤是，先设计模拟滤波器，再按照某种方法转换成数字滤波器。这种方法比较容易 一些，因为模拟滤波器的设计方法已经非常成熟，不仅有完整的设计公式，还有完善的 图表供查阅；另外一种直接在频率或者时域内进行，由于需要解联立方程，设计时需要 计算机做辅助设计。其设计步骤是：先设计过渡模拟滤波器得到系统函数 ha(s)，然后 将 ha(s)按某种方法转换成数字滤波器的系统函数 h(z)。这是因为模拟滤波器的设计方 法已经很成熟，不仅有完整设计公式，还有完善的图表和曲线供查阅；另外，还有一些 典型的优良滤波器类型可供我们使用。为了保证转换后的 h(z)稳定且满足技术指标要 求，对转换关系提出两点要求： 1. 因果稳定的模拟滤波器转换成数字滤波器，仍是因果稳定的。 2. 数字滤波器的频率相应模仿模拟滤波器的频响特性，s 平面的虚轴映射为 z 平面的单位圆，相应的频率之间呈线性关系。 利用模拟滤波器成熟的理论设计 iir 数字滤波器的过程是： 1. 确定数字低通滤波器的技术指标：通带边界频率、通带最大衰减、阻 p p 带截止频率、阻带最小衰减。 s s 2. 将数字低通滤波器的技术指标转换成相应的模拟低通滤波器的技术指标。 3. 按照模拟低通滤波器的技术指标设计过渡模拟低通滤波器。 4. 用所选的转换方法，将模拟滤波器 ha(s)转换成数字低通滤波器系统函数 h(z)。 2.2 iir 数字滤波器的基本原理 数字滤波器是利用离散系统的特性对系统输入信号进行加工和变换，改变输入序列 的频谱或信号波形，让有用的频率分量通过，抑制无用的信号分量输出，根据其频率特 性同样可以分为低通、高通、带通和带阻。如果要处理的信号是模拟信号，就可以通过 a/d 或者 d/a 转换，在信号形式上进行匹配转换，同样可以使用数字滤波器对模拟信 号进行滤波。数字滤波器滤波的数学表达式：y(n)=x(n)*h(n)。 如果滤波器的输入输出 信号都是离散信号，那么该滤波器的脉冲响应也一定是离散信号，这样的滤波器就成为 8 了数字滤波器。其频域特性为：其中，分别是数字滤波器的输出序列和)( jw ey)( jw ex 输入序列的频域响应，是数字滤波器的单位取样响应的频谱，又称为数字滤波)( jw eh 器的频域响应。输入序列的频谱经过滤波后，因此只要按照输入)( jw ex)( jw ex)( jw eh 信号的频谱特点和处理信号的目的适当选择滤波器的频域响应，使得滤波后的)( jw eh 输出信号满足设计性能要求。 2.3 iir 数字滤波器设计流程框图 iir 数字滤波器设计流程图如图2.3所示。 所示。 图 2.3 iir 数字滤波器设计流程框图 9 第 3 章 基于 dsp 的方案设计 3.1 dsp 系统的特点 dsp 系统是以数字信号处理为基础的，因此不但具有数字处理的全部优点而且还 具有以下特点： 1. 接口方便：dsp 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互 兼容的，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多。 2. 编程方便：dsp 应用系统中的可编程 dsp 芯片，能灵活方便地进行修改和升 级。 3. 稳定性好：dsp 应用系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小、 可靠性高、无器件老化现象。 4. 精度高：16 位数字系统可以达到 10-5 级的精度。 5. 可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 6. 集成方便：dsp 应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理也存在一些缺点。例如，对于简单信号处理任务，若采用 dsp 则使成本增加。dsp 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而 且 dsp 系统消耗的功率也较大。此外，dsp 技术更新速度快，对于数学知识要求高， 开发和测试工具还有待进一步完善。 3.2 dsp 系统的设计流程 一个 dsp 系统的设计过程大概要有以下几个步骤： 1根据系统的任务要求，确定系统处理精度要求、速度要求、实时性要求等性能 指标。 2根据系统的要求进行高级语言的算法模拟，比如使用 matlab 等仿真工具， 验证算法的可行性，得出最佳的处理方法。 3dsp 的系统设计，主要分为硬件设计和软件设计。硬件设计是指根据系统要求 选择合适的 dsp 芯片，然后设计相应的外围电路。软件设计主要是指根据系统的要求 和选用的 dsp 芯片编写相应的程序。程序的编写可以使用汇编语言，汇编语言编写的 10 程序效率高，但比较烦杂；也可采用 c 语言，dsp 的 c 语言基本上是标准 c 语言，编 写比较简单，但效率低。在实际系统开发时往往是两种语言结合编写，在算法运算量大 的地方使用汇编语言，在运算量小的地方使用 c 语言，这样既能缩短软件的开发周期， 提高程序的可读性和可移植性，又满足了系统的实时性要求。 3.3 基于 dsp 的 iir 数字滤波器的设计总框图 本文设计的 iir 带通滤波器是从低通变换过来的，利用的是双线性变换以及切比雪 夫 ii 滤波器的原型，其具体的设计流程为下图所示。 首先根据题目要求确定带通滤波器的技术指标，先要进行频率的预畸变，并且归一 化频率，再设计出切比雪夫 ii 模拟低通滤波器，并求出其阶数等相关参数。其次利用 双线性变换法设计数字带通滤波器，再调用函数进行双线性变换，并求出分子、分母的 系数向量。最后通过画图求出其幅频响应、相频响应、幅度特性曲线与零极点，并画出 波形图。最后进行验证，看所设计的滤波器能否达到要求的指标，若能达到，则说明该 滤波器设计符合要求。 基于 dsp 的 iir 数字滤波器的总体方案设计步骤： 1. 利用 matlab 来确定 iir 滤波器的参数。 2. 启动 ccs,在 ccs 中建立一个汇编源文件、建立一个 c 源文件和一个命令文件, 并将这三个文件添加到工程,再编译并装载程序。 3. 设置波形时域观察窗口,得到其滤波前后波形变化图。 4. 设置频域观察窗口,得到其滤波前后频谱变化图。 11 图 3.3 基于 dsp 的 iir 数字滤波器设计总框图 12 第 4 章 软件设计 4.1 ccs 平台介绍 ccs 是一种针对 tms320 系列 dsp 的集成开发环境，在 windows 操作系统下，采 用图形接口界面，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。ccs 有两种工作模式，即软件仿真器模式：可以脱离 dsp 芯片，在 pc 机上模拟 dsp 的指 令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试；硬件在线编程模式：可以实时运行在 dsp 芯片上，与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。 ccs 的开发系统主要由以下组件构成：tms320c54x 集成代码产生工具；ccs 集 成开发环境；dsp/bios 实时内核插件及其应用程序接口 api；实时数据交换的 rtdx 插件以及相应的程序接口 api；由 ti 公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。 ccs 的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而 且支持 c/c+和汇编的混合编程，其主要功能如下： 1具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写 c、汇编、.cmd 文 件等。 2含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化 c 编译器、链接器等，将代码的编 辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中。 3高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发 现语法错误。 4工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过 程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理。 5基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等 功能，并支持 c 源代码级调试。 6断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设 置。 7探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等。 8分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代 码执行的时钟。 9数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示，包括显示时域/频域波形、 13 眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新。 10提供 gel 工具。利用 gel 扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单， 设置 gel 菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等。 11支持多 dsp 的调试。 12支持 rtdx 技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现 dsp 与其他应用 程序的数据交换。 13提供 dsp/bios 工具，增强对代码的实时分析能力。 4.2 仿真结果 噪声正弦波的输入如下图 4.2.1。 图 4.2.1 噪声正弦波的输入图 14 噪声正弦波的滤波输出如下图 4.2.2。 图 4.2.2 噪声正弦波的滤波输出图 由噪声正弦波的输入输出波形比较得到，在输入的基础上滤除了高频成分，得到了 设计所要求的频率段的波形，说明滤波器正常工作了，实现了对输入信号的滤波处理。 平时我们通常将 iir 滤波器设计的过程如下：首先根据滤波器参数要求设计对应的 模拟滤波器（如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等等） ，然后通过映射（如脉冲响应 不变法、双线性映射等等）将模拟滤波器变换为数字滤波器，从而决定 iir 滤波器的参 数。iir 滤波器的重大缺点在于，由于存在反馈其稳定性不能得到保证。另外，反馈还 使 iir 滤波器的数字运算可能溢出。不过这次我们的系统仿真,我们还是得到了我们满 意的结果。 15 第 5 章 结论 通过这次的 dsp 课程设计，我深深的体会到了自身的不足，一个软件就让我试了 好多次才调出来结果，还不是实际的做一个东西，但是我也加深了对 dsp 的理解。了 解了 ccs 的用法，充实了我的知识，让我收益颇丰。这次课程设计还让我了解了数字 滤波器的用处。 在写作过程中也不是一帆风顺的，我也遇到很多问题。本次课程我主要负责方案设 计工作，所以在最初的方案设计中很多细节没有考虑周到。比如在比较设计滤波器的方 法上首先应该明确其技术指标以及某些参数的实际意义。比如在用双线性变换法设计数 字带通滤波器时，必须先将频率归一化，并且进行频率预畸变，然后设计模拟滤波器， 再利用频率变换法将模拟低通变为模拟带通，最后经过双线性变换法将模拟带通变换为 数字带通。如果不进行频率预畸变，那么设计出来的带通滤波器的幅频特性与相频特性 将会产生很严重的畸变，使设计的结果不满足给定的要求，在实际中会造成很严重的危 害。但是遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家 的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。每一次遇到问题的时候心情都会有 点低落，但是每一次经过自己的努力解决好了问题就会感到十分的高兴。我相信其中的 酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。 虽然刚开始时上机时什么都不知道，不知道怎么使用软件，不会建立源文件，不会 汇编，不会连接。好不容易弄好了以后，运行时总是显示说程序有错误，经过和同学讨 论，并仔细的阅读了程序，终于发现了问题。后来请教了老师，才解决了这一问题。经 过几天的奋斗终于做出来了，完成了所有的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏 上的毕业设计稿件我的心里是甜的，心情非常的激动，这些让我很有成就感，我觉得这 一切都值了。总之这次课程设计让我充实了自己，也让我发现了很多问题和不足，对以 前所学的知识理解的不够深刻，对知识点掌握的不够牢靠等，我以后会好好注意这方面。 对我个人而言，知识上的收获重要，但能力上的提高上更为可喜。在这里我要特别 感谢我的指导老师和刘老师的热心指导。在老师的启发下，使我自己少走弯路，使自己 才能顺利的完成此次毕业设计。在我以后的工作中，我一定更加努力的学习，充分发挥 16 自己的优势和特长。 参考文献 1 何苏勤，王忠勇. tms320c2000 系列 dsp 原理及实用技术. 北京:电子工业出版社，2003. 2 江思敏等. tms320lf240x dsp 硬件开发教程. 北京：机械工业出版社，2003. 3 清源科技. tms320lf240x dsp 应用程序设计教程. 北京：机械工业出版社，2003. 4 胡广书，崔子经. 数字信号处理一门正在蓬勃发展的新学科. 电子科技导报，1995 年第 1 期. 5 邹传云，敖发良，张得琨. dsp 微处理器的基础特征. 电子科技导报，1995 年第 11 期. 6 王天祥. 数字信号处理器（dsp）及其支持芯片的选择 . dsp 开发与应用，1996 年第 1 期. 7 张雄伟.，陈亮，徐光辉. dsp 集成开发与应用实例. 北京:电子工业出版社，2002. 17 附录 a：源代码 （1）iir.c #define signal_sample_f 25000 #define pi 3.1415926 double