《数字信号插值》PPT课件

1 时域测试技术综合实验 数字示波器中的信号插值 电子测试技术及仪器教育部工程研究中心潘卉青 2 信号插值 为什么插值 显示所需采样率大于ADC最高采样率 显示所需的两个点的时间间隔小于ADC输出的采样点的时间间隔时 需要插值 时基 3 实验内容 实验内容使用Matlab设计一个插值倍数I 4倍的数字插值滤波器 通过DSP实现对采样数据的4倍插值 在VisualDSP 中完成调试 并送屏幕显示 确认运算结果的正确性 4 实验目的 实验目的掌握基于DSP的数字信号处理基本流程 掌握信号插值数字滤波器的基本设计方法 掌握数字信号插值在DSP中的实现流程 实验设备与工具硬件 PG1000嵌入式开发平台 PC机 信号发生器 软件 VisualDSP Environment Matlab 5 5 主要内容 信号插值的基本原理数字滤波器基于Matlab的信号插值滤波器设计DSP中数字滤波器的实现 6 信号插值 为什么插值 显示所需采样率大于ADC最高采样率 显示所需的两个点的时间间隔小于ADC输出采样点的时间间隔时 需要插值 常用插值方式 7 信号插值 线性内插 线性内插已知直线上两点的坐标 x1 y1 和 x2 y2 在由这两点决定的直线上插入若干个给定点的x的值y由直线的两点式公式 得线性插值公式 8 正弦内插 多抽样频率下信号的处理称为 多抽样率信号处理 MultirateSignalProcessing 信号插值 正弦内插 9 信号插值 正弦内插 正弦内插 10 将x n 的采样频率增加I倍 整数倍 相邻两点之间等间隔插入I 1个零点 I称为插值因子内插后的序列 信号插值 正弦内插 11 信号插值 正弦内插 采样频率转换 信号抽取前后频域的关系 X ej 周期 XI ej 周期 I I 12 信号插值 正弦内插 低通滤波器 通带内幅度 I 截止频率 1 I 13 主要内容 信号插值的基本原理数字滤波器基于Matlab的信号插值滤波器设计DSP中数字滤波器的实现 14 DigitalSignalProcessing 数字信号处理信号用数字或符号表示的序列 通过计算机或通用 专用 信号处理设备 用数字的数值计算方法处理 例如滤波 变换 压缩 增强 估计 识别等 以达到提取有用信息便于应用的目的 15 模拟滤波器 用电阻 电容 电感及有源器件等构成滤波器对信号进行滤波数字滤波器 通过对输入信号的进行数值运算来实现滤波优点 高精度 稳定 体积小 重量轻 灵活 不要求阻抗匹配 可实现特殊滤波功能 数字滤波器 16 16 DSP在数字存储示波器中的应用 信号滤波 减噪 信号插值频域补偿 幅度平坦化 带宽增强 相位校正等 信号重建 非均匀校正等 17 数字滤波器的分类 IIR数字滤波器 可以利用模拟滤波器设计 但相位非线性 FIR数字滤波器 可以严格线性相位 又可任意幅度特性 因果稳定系统 可用FFT计算 但阶次比IIR滤波器要高得多 18 信号插值 低通滤波 低通滤波器窗函数设计法频率抽样设计法 通带内幅度 I 截止频率 1 I 通带内幅度 I 截止频率 1 I 19 19 主要内容 数字滤波器信号插值基于Matlab的信号插值滤波器设计DSP中数字滤波器的实现 20 MATLAB启动与运行 菜单栏 工具栏 文件编辑窗口 工作空间 历史命令窗口 Start菜单 命令窗口 命令提示符 21 具有很好的帮助功能 提供十分详细的帮助文件 PDF HTML demo文件 联机查询指令 help指令 例 helpelfun helpexp helpsimulink lookfor关键词 例 lookforfourier doc指令 例 docconv 大量的网上资源和用户社区 MATLAB特点 22 具有若干功能强大的应用工具箱 MATLAB主工具箱符号数学工具箱SIMULINK仿真工具箱控制系统工具箱信号处理工具箱图象处理工具箱通讯工具箱系统辨识工具箱神经元网络工具箱金融工具箱 MATLAB特点 23 SignalProcessingToolbox FilterAnalysis FIRFilterDesign 24 FIR数字滤波器 窗函数设计法 滤波器系数的确定Window basedfiniteimpulseresponsefilterdesignb fir1 n wn ftype window b fir1 N Wn 若wn为标量 则设计低通滤波器 若wn是1 2的向量 则用来设计带通滤波器 若wn是1 L的向量 则可用来设计L带滤波器b fir1 N Wn high b fir1 N Wn stop 在上述格式中 若不指定窗函数的类型 fir1自动选择Hamming窗 25 FIR数字滤波器 窗函数设计法 滤波器系数的确定Window basedfiniteimpulseresponsefilterdesignb fir1 n wn ftype window b fir1 15 1 I b I b 26 FIR数字滤波器 频率抽样设计法 滤波器系数的确定Frequencysampling basedfiniteimpulseresponsefilterdesignb fir2 n f m f 归一化频率向量 其值在0 1之间 m 与f相对应的期望幅频响应 27 FIR数字滤波器 频率抽样设计法 滤波器系数的确定Frequencysampling basedfiniteimpulseresponsefilterdesignb fir2 15 01 I1 I1 II00 28 频率响应freqz num den n freqz num den n Fs 其中 num 系统传递函数分子系数组成的行向量den 系统传递函数分母系数组成的行向量n 是频率响应的点数 最好为2的幂缺省值512Fs 采样频率 FIR数字滤波器 FilterAnalysis b fir1 15 1 I H w freqz b 1 512 plot w pi abs H1 29 Filter滤波 因果LSI系统的的零状态响应 在matlab中可以用函数y filter num den x 其中 num 系统传递函数分子系数组成的行向量den 系统传递函数分母系数组成的行向量x 输入的离散序列y 输出的离散序列 y的长度与x的长度一样 30 MATLAB FDATool MATLAB中提供的滤波器设计辅助设计软件 在命令窗口中键入 fdatool 即可启动 定点化 Simulink 产生HDL 幅度响应相位响应 31 MATLAB LowPassFilter 低通滤波器的设计规范 32 主要内容 数字滤波器信号插值基于Matlab的信号插值滤波器设计DSP中数字滤波的实现 33 基本数据采集系统 本实验原理框图ADC AD9481 250MSPSFPGA Xilinx公司的Spartan 3A系列的XC3S400A 4 开发工具 ISEDSP ADI公司的Blackfin系列BF531开发工具 VisualDSP 34 数字滤波的实现 卷积 设两序列x n h n 则其卷积和定义为 群延时多相 35 数字滤波的实现 convolve 卷积 convolveconvolutionSynopsis includevoidconvolve fr16 constfract16input x intlength x constfract16input y intlength y fract16output 36 Fract16 Float FLOAT TO FR16Function Convertafloating pointvaluetoafract16Synopsis includefract16float to fr16 floatx FR16 TO FLOATFunction Convertafract16toafloating pointvalueSynopsis includefloatfr16 to float fract16x 基本流程图 38 Matlab示例 I 4 N filter 16 h1 fir1 N filter 1 1 I hamming N filter h1 I h1 sum h1 H1 w1 freqz h1 1 512 figure 1 plot w1 pi abs H1 xlabel NormalizedFrequency times pirad sample ylabel Magnitude disp sprintf 4f h1 1 N filter 1 sprintf 4f h1 N filter 39 DSP示例 include includestaticconstfloatSinX I4 16 float 16 xxx xxx xxx constshort InPtr floatIbuffer 1200 0 输入fract16Ibuffer fr16 1200 0 输入shortLen 300 插值前信号点数fract16SinX I4 16 fr16 16 0 插值系数shortObuffer 1215 0 输出fract16Obuffer fr16 1215 0 输出InPtr short gOriginBuffer 40 DSP示例 对输入信号归一化 插入零值 完成数据类型的转换 完成插值系数的类型转换 对Ibuffer fr16低通滤波