DSP课程设计-FIR滤波器设计

DSP 课程设计报告 题目 FIR滤波器设计 学院 电气信息学院 专业 通信工程 姓名 学号 指导老师 曹玉英 DSP 课程设计报告 2 2 4 2 3 一 设计目标一 设计目标 设计一个 FIR 高通滤波器 通带边界频率为 2khz 通带纹波小于 1dB 采 样频率为 8khz 实现当多个频率的输入信号输入时只保留大于 2khz 的信号功 能 其中 FIR 滤波器的设计可以用 MATLAB 窗函数法进行 二 算法研究二 算法研究 1 1 FIRFIR 的原理和参数生成公式的原理和参数生成公式 FIR 数字滤波器是非递归性的线性时不变因果系统 这样的系统的差分方 程可以表示为 2 1 1 0 令输入信号 x n n 代入 2 1 式 有 1 0 a0 n a1 n 1 an 1 n N 1 2 2 这时的 y n 即为冲激响应 h n 由 2 2 式很容易得到 h 0 a0 h 1 a1 h N 1 an 1 又由 2 2 式可知 当 nN 1 时 h n 0 即这个系统的冲激响应 是有限长度的 这样的滤波器就叫做有限冲激响应 FIR 滤波器 将 ai h i i 0 1 N 1 代入 2 2 式 得到 1 0 将 2 3 式的两边进行 z 变换后 可以得到 FIR 滤波器的系统函数 1 0 1 0 又由 2 4 式 有 0 1 1 2 2 1 Z 1 因此 FIR 滤波器的系统函数 H z 的极点都位于 z 0 处 为 N 1 阶极点 而 N 1 个零点由冲激响应 h n 决定 一般来说 可以位于有限 z 平面的任何位 置 由于 FIR 数字滤波器的极点都集中在单位圆内的原点 z 0 处 与系数 h n 无 关 因此 FIR 滤波器总是稳定的 这是 FIR 数字系统的一大优点 2 2 利用利用 MATLABMATLAB 计算滤波系数计算滤波系数 用来设计标准频率响应的基于窗函数的 FIR 滤波器 可实现加窗线性相位 FIR 数字滤波器的设计 语法 b fir1 n Wn b fir1 n Wn ftype b fir1 n Wn Window DSP 课程设计报告 3 b fir1 n Wn ftype window n 滤波器的阶数 Wn 滤波器的截止频率 ftype 用来决定滤波器的类型 当 ftype high 时 可设计高通滤波器 当 ftype stop 时 可设计带阻滤波器 Window 用来指定滤波器采用的窗函数类型 其默认值为汉明窗 3 3 编写产生滤波器输入信号的程序编写产生滤波器输入信号的程序 输入信号应该至少包含两种频率成分的正弦信号 一种信号频率小于 2000hz 一种信号频率大于 2000hz 可以再 MATLAB 中产生 也可编写 DSP 程 序产生 三 开发平台三 开发平台 1 MATLAB1 MATLAB MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件 用于算法开发 数据 可视化 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分 MATLAB 是 matrix xto ccs round sin 2 pi i 800 8000 sin 2 pi i 2500 8000 32768 DSP 课程设计报告 5 2 fid fopen input dat w 打开文件 fprintf fid 1651 1 0 0 0 n 输出文件头 fprintf fid d n xto ccs 输出 fclose fid 单击编译后生成 input dat 文件 五 源程序五 源程序 1 c1 c 语言主程序 语言主程序 include stdio h include fdacoefs h 滤波系数文件 define N 111 FIR 滤波器的级数 1 本例中滤波器级数为 110 define LEN 200 待滤波的数据长度 long yn int input LEN 输入缓冲 在仿真时将从内存载入 int output LEN 输出缓冲 直接存放在内存中 void main int i j int x for j 0 j LEN 1 j x yn 0 for i 0 i 15 while 1 2 cmd2 cmd 连接器文件连接器文件 MEMORY PAGE 0 EPROG o 0 x1400 l 0 x7c00 VECT o 0 xff90 l 0 x80 PAGE 1 USERREGS o 0 x60 l 0 x1c BIOSREGS o 0 x7c l 0 x4 IDATA o 0 x80 l 0 x1380 EDATA o 0 x1400 l 0 x8000 EDATA1 o 0 x9400 l 0 x4c00 DSP 课程设计报告 6 SECTIONS vectors VECT PAGE 0 sysregs BIOSREGS PAGE1 trcinit EPROG PAGE 0 gblinit EPROG PAGE 0 frt EPROG PAGE 0 text EPROG PAGE 0 cinit EPROG PAGE 0 print EPROG PAGE 0 sysinit EPROG PAGE 0 bss IDATA PAGE 1 far IDATA PAGE 1 const IDATA PAGE 1 switch IDATA PAGE 1 sysmem IDATA PAGE 1 cio IDATA PAGE 1 MEM obj IDATA PAGE 1 sysheap IDATA PAGE 1 stack IDATA PAGE 1 六 调试过程六 调试过程 1 1 编译程序编译程序 新建工程文件 liuying0202 按照五中要求输入 c 语言源程序及 cmd 文 件 将 c cmd lib 加入工程中 rebuild all 调试结果如图 6 1 示 图 6 1 rebuild all 结果 2 2 导入程序导入程序 点击 file 按钮 选择 load program 添加刚刚生成的 liuying0202 out 文件 如图 6 2 示 图 6 2 加入 out 文件 3 3 导入数据导入数据 DSP 课程设计报告 7 点击 file 按钮 选择 data 中的 load 选项 将利用 MATLAB 生成的 inpu t dat 文件导入输入的信号波形文件 如图 6 3 示 点击确定后 弹出设置对 话框 将导入的数据文件的起始地址设置为 input 数据长度为 200 page 选择 data 具体如图 6 4 示 图 6 3 导入数据文件 图 6 4 设置导入数据格式 4 4 设置观察窗口设置观察窗口 点击 view 按钮 选择 graph 中的 time frequency 进行设置 起始地址 分别设置为 input 和 output 数据大小设置为 200 采样频率设置为 8Khz 如图 6 5 示 图 6 5 设置观察窗口 七 实验结果及分析七 实验结果及分析 1 1 输入信号输入信号 如图 7 1 是输入信号时域波形 图 7 2 是输入信号频域波形 2 2 输出信号输出信号 如图 7 3 是输出信号时域波形 图 7 4 是输出信号频域波形 DSP 课程设计报告 8 图 7 1 输入信号时域波形 图 7 2 输入信号频域波形 图 7 3 输出信号时域波形 图 7 4 输出信号频域波形 3 3 结果分析结果分析 通过四个观察窗口可以明显的观察到 本次设计的滤波器将频率为 800hz 的信号滤除 只留下了频率为 2500hz 的信号 实现了高通滤波器的滤波功能 但滤波的效果未达到最好 有一定干扰存在 DSP 课程设计报告 9 八 总结八 总结 采用 MATLAB 软件来辅助 DSP 平台实现 FIR 高通数字滤波器 大大简化了数 字滤波器的设计 通过 MATLAB 的 FDATOOL 将滤波器的设计可视化 使设计滤波 器变得简单易行 最后通过 CCS 软件的仿真图形说明了该设计验证的方法都是 可行的 该设计成功的实现了高通滤波器的功能 通过本次课程设计 加深了对 DSP 课程概念的理解 巩固了课堂上所学的 理论知识 并能很好的理解和掌握数字信号处理中的基本概念 基本原理 基 本方法 同时掌握编程方法和解决实际问题的技巧 DSP 课程设计报告 10 参考资料 1 周利清等 数字信号处理 北京邮电大学出版社 2014 年 2 邹彦等 DSP 原理及应用 电子工业出版社 2014 年 3 曹玉英 实验指导书 西南石油大学 2014 年 4 王秀芳等 基于 MatLab 与 DSP 的滤波器的快速设计方法 现代计算机 2008 总第二七七期 97 99 5 craftor FIR 滤波器的设计 使用 Matlab 和 CCS 2009 年 DSP 课程设计报告 11 补充部分补充部分 一 修改程序实现低通滤波器 一 修改程序实现低通滤波器 1 滤波系数文件修改如图补 1 1 示 图补 1 1 2 输入信号为 f1 800hz f2 3500hz 利用 MATLAB 生成 3 仿真结果如图补 1 2 示 图补 1 2 二 修改程序实现带通滤波器二 修改程序实现带通滤波器 1 修改滤波系数文件如图补 2 1 示 DSP 课程设计报告 12 图补 2 1 2 输入信号为