《DSP实验讲义》PPT课件

数字信号处理实验讲义,XDTIDSPLAB,认识实验软硬件设备,数字式示波器,信号发生器,实验电路板、仿真器,计算机,CCS软件,如何实现数字信号实验？,DSP,DAC,PhoneIN,PhoneOUT,模拟信号输入,模拟信号输出,ADC,C5402,采样量化,恢复滤波,运行程序实现数字信号处理,串行数字信号,AD50C芯片采样/转换率可编程设定,+5VIN,如何实现数字信号实验？,DSP,C5402,JTAG调试口,JTAG仿真器,借助仿真器，编制好的程序可在线装载至DSP芯片中运行，DSP芯片内部的数据也可通过计算机以多种形式显示出来。,DSP开发软件,模拟信号的生成和测量,DAC,PhoneIN,PhoneOUT,模拟信号输入,模拟信号输出,ADC,FuncOut,见桌面上的操作说明,见桌面上操作说明,冬季人体易产生静电，电路板加电后不要用手或异物触摸电路板上的芯片！防止由于静电使电路板损坏。保持电路板周围的桌面整洁干净！避免杂物使电路板短路造成损坏！,注意事项！,注意事项！,小心操作！爱惜实验设备！禁止使用U盘！实验期间保持安静！遇到自己不能解决的问题请示意辅导老师。,实验一CCS的使用及信号的时域形式和频域形式之间的关系,实验目的,学会如何连接PC机与实验电路板掌握使用CCS软件编制DSP程序的流程学会在线装载并运行DSP程序学会使用CCS显示DSP内部数据结果时域图形频域图形验证信号时域形式和频域形式间的关系,实验步骤,第一步连接实验板并给实验板加电；第二步双击桌面上的CCSC50002.0图标，运行CCS软件。,实验步骤以下步骤请跟随演示一起操作,第三步学习并记住DSP程序开发流程；第四步装载编制好的程序到电路板并运行；第五步使用CCS以图形化方式显示出DSP芯片运行后得到的数据结果（存放于DSP芯片内部存储器中）。显示数据的波形（即时域图形）显示数据的频域图形（由CCS软件自动对数据进行FFT变换得到）,实验步骤,第六步按照以下要求修改main函数代码；在1024点缓冲区data2中生成一个非周期序列，形式为前8点为1，其余为零。在1024点缓冲区data3中生成一个周期为8的周期序列，形式任意。在1024点缓冲区data4中生成一个周期为16的周期序列，形式任意。第七步重新Build整个project，成功后装载到电路板，紧接着运行。显示出缓冲区data14中四种序列的时域图形和频域图形（共8个）。第八步观察结果并与理论知识互相验证。第九步示意老师检查登记，并口述所得结论。,实验二信号采样与采样定理,实验目的,实现信号采样（模拟信号数字化）验证采样定理,实验原理,DSP,PhoneIN,用信号发生器生成频率为Fc的模拟信号,ADC,C5402,采样量化,运行程序对ADC进行配置，并获取采样数据,串行通信,AD50C芯片采样频率Fs最大可编程为16KHz,采样频率(Fs)要大于等于2倍的连续信号的最高频率(Fc)才不会造成频谱混叠现象，才能无失真地恢复原连续信号。,实验步骤,第一步使用CCS建立新的project,添加如下文件到project中：D:DSPEXPagc_audio.cmdD:DSPEXPrts.libD:DSPEXPdatasample.c第二步Build整个project；第三步读datasample.c中的代码，读agc_func.h中的代码,确认代码对ADC的采样率配置；第四步装载Build好的程序到电路板并运行，观察运行是否正常（LED灯闪烁为正常）；,实验步骤,第五步使用信号发生器产生模拟信号（峰峰值小于1V的正弦信号），送至实验板PhoneIN端口中；第六步在CCS上观察DSP内存中1024点实时采样序列的时域图形及其频域图形；第七步想一想在不改变采样频率的前提下应该如何验证采样定理，按照自己的想法继续实验以验证采样定理；第八步示意老师检查登记，演示你对采样定理的验证，说出采样定理背后的理论解释。,实验三快速傅立叶变换FFT的应用,实验目的,利用FFT求IDFT利用FFT求序列的线性卷积和循环卷积利用FFT得到采样序列的幅度谱,实验原理,DFT：在DFT计算中，不论是乘法和加法，运算量均与N2成正比。因此当N较大时，运算量十分巨大。FFTDFT的快速算法利用的周期性和对称性，把大点数的DFT运算依次分解为若干个小点数的DFT，从而减少了运算量。可分为时间抽取法和频率抽取法两类算法。IDFT：利用FFT也可以方便的实现快速的IDFT运算。,实验原理,对等式两边同时取两次共轭：,IFFT计算可分三步：将X(k)取共轭（虚部乘以-1）；对的结果作FFT；对FFT的结果取共轭并乘以1/N，得x(n)。,所以，只需要编制一个FFT函数代码模块，就能够实现快速DFT和快速IDFT运算,实验原理,利用FFT计算序列的循环卷积循环卷积既可以在时域直接计算，也可以先对要循环卷积的序列进行DFT，转换到频域相乘，再经过IDFT得到结果。由于DFT和IDFT可借助快速算法FFT实现，减少了原始运算中的大量冗余，所以当序列很长时在频域的计算速度要快很多。,实验原理,利用FFT计算序列的线性卷积有限长序列X(n)和Y(n)长度分别是N和M，它们的线性卷积和循环卷积等价的条件是:卷积长度L=N+M-1,实验内容（1）利用FFT计算序列循环卷积,第一步使用CCS建立新的project，添加：D:DSPEXPagc_audio.cmdD:DSPEXPrts.libD:DSPEXPcirclejuanji.c第二步读circlejuanji.c中的代码；第三步Buildproject、装载Build好的程序到电路板并运行。用CCS观察DSP内存中卷积结果的时域图形；第四步示意老师检查登记。,实验内容（2）利用FFT计算序列线性卷积,第一步使用CCS建立新的project，project中需要添加的源文件：D:DSPEXPagc_audio.cmdD:DSPEXPrts.libD:DSPEXPfastjuanji.c第二步修改fastjuanji.c中的代码，按下列要求初始化参与运算的序列：序列1：正弦序列x(n)=sin(/8n)，序列长度为64序列2：单位采样序列(n)，序列长度为64第三步Build、装载到电路板并运行，用CCS观察DSP内存中线性卷积结果的时域图形。第四步示意老师检查登记。,实验内容（3）利用FFT对采样数据进行谱分析,第一步使用CCS建立新的project，添加源文件：D:DSPEXPagc_audio.cmdD:DSPEXPrts.libD:DSPEXPsignalfft.c第二步读signalfft.c中的代码，Build整个project，装载Build好的程序到电路板并运行，观察运行是否正常（LED灯闪烁为正常）第三步使用信号发生器产生不同的模拟信号（峰峰值1V的正弦、方波、三角波）送至实验板；第四步在CCS上观察DSP内存中1024点实时采样序列的时域图形及其频域图形，以及利用FFT计算得到的幅度谱图形；第五步示意老师检查登记。,实验四窗函数法设计FIR数字滤波器,需要写实验报告，注意记录实验数据！,实验目的,了解窗函数法设计FIR数字滤波器的原理掌握FIR数字滤波器设计与实现的具体过程、实现其应用。,实验原理,FIRDF（有限脉冲响应数字滤波器）的系统函数：h(n)即是FIRDF的单位脉冲响应序列，FIRDF的输出y(n)=x(n)*h(n)。极点全部在Z=0处（单位圆内）所以是因果稳定系统。能够实现线性相位滤波。无反馈运算，运算误差小。无法利用模拟滤波器的设计结果，一般无解析设计公式，要借助计算机辅助设计程序完成。,实验原理,IIRDF（无限脉冲响应数字滤波器）的系统函数：有极点，可轻易达到陡峭的过渡带特性，而FIRDF则需要增加阶数获得更陡峭的过渡带特性，计算量更大一些。要实现线性相位滤波必须附加复杂的相位校正网络，但是难以做到严格线性相位。可利用模拟滤波器的设计结果进行设计。,窗函数法设计FIRDF的具体步骤,FIRDF的设计方法：如果希望得到的滤波器的理想频率响应为，那么FIR滤波器的设计就在于寻找一个传递函数去逼近，逼近方法有三种：窗函数设计法（时域逼近）频率采样法（频域逼近）最优化设计（等波纹逼近）,窗函数法设计FIRDF的思路,窗函数设计法是从单位脉冲响应序列着手，使h(n)逼近理想的单位脉冲响应序列hd(n)。理想频响通常具有片段常数特性，因此hd(n)是无限长非因果序列，不能作为FIRDF的单位脉冲响应。窗函数设计法就是截取hd(n)为有限长的一段因果序列，并用合适的窗函数进行加权后作为FIRDF的单位脉冲响应h(n)。截取长度和加权窗函数的类型直接影响逼近精度。,窗函数法设计FIRDF的具体步骤,（1）构造希望逼近的频率响应函数，以低通线性FIRDF为例，选择截止角频率为c，延时为的线性相位理想低通滤波器，即（2）求出hd(n)，即对上式进行IFT得到,窗函数法设计FIRDF的具体步骤,（3）加窗得到FIRDF的单位脉冲响应h(n)式中w(n)为窗函数，长度为N。如果要设计严格线性相位FIRDF，则要求h(n)关于(N-1)/2点偶对称，而hd(n)是关于点偶对称的，所以延时：，同时w(n)也要关于(N-1)/2点偶对称。,矩形窗设计FIRDF的时频域示意图,矩形窗的卷积过程（P95的图4.5来说明）,加矩形窗引起的幅度逼近误差,在处形成过渡带，宽为，近似等于WRg()的主瓣宽度。在处幅度衰减6dB（幅度下降1/2）。在通带和阻带均有波纹，由WRg()的旁瓣引起，旁瓣幅度相对主瓣越大，波纹幅度就越大，旁瓣越多，波纹起伏密度就越大。截取长度N的变化会影响过渡带的宽度变化，而不会影响通带和阻带波纹的最大起伏幅度。截取长度N的改变不能改变主瓣与旁瓣的比例关系，只能改变WRg()的绝对值大小和起伏的密度，当N增加时，幅值变大，频率轴变密，而最大起伏幅度永远为8.95%，这种现象称为吉布斯（Gibbs）效应。,举例：矩形窗设计的6dB截止c=/2FIRDF的幅度响应,通过窗函数形式改善波纹幅度,波纹幅度的大小决定了滤波器通带内的平稳程度和阻带内的衰减，所以对滤波器的性能有很大的影响。改变窗函数的形状，可改善滤波器的特性，窗函数有许多种，但要满足以下两点要求：窗谱主瓣宽度要窄，以获得较陡的过渡带；相对于主瓣幅度，旁瓣要尽可能小，使能量集中在主瓣中，这样就可以减小肩峰（通带波纹）和余振（阻带波纹），提高通带平稳性和阻带衰减。但实际上这两点不能兼得，一般总是通过增加主瓣宽度来换取对旁瓣的抑制。,常用窗函数,矩形窗汉宁窗（升余弦窗）三部分矩形窗频谱相加，使旁瓣互相抵消，能量集中在主瓣，旁瓣大大减小，主瓣宽度增加1倍，为。,常用窗函数,汉明窗（改进的升余弦窗）对汉宁窗的改进，在主瓣宽度相同的情况下，旁瓣进一步减小，可使99.96%的能量集中在窗谱的主瓣内。,常用窗函数,布莱克曼窗（三阶升余弦窗）增加一个二次谐波余弦分量，可进一步降低旁瓣，但主瓣宽度进一步增加，为。,几种常用窗函数时域图形,四种常用窗函数的频谱N=51，A=20lg|W()/W(0)|,四种常用窗函数在同一设计指标下的滤波器的频率特性,四种常用窗函数的基本参数,实验步骤,第一步明确并理解设计指标：使用窗函数法设计数字低通滤波器，数字频率域指标为：通带截止频率：0.25，通带最大衰减：0.2db，阻带截止频率：0.325，阻带最小衰减：40db第二步理解设计指标：数字频率域指标到模拟频率域指标的转化（通过采样率相互联系），设采样率为8KHz（对应2），则模拟频率域指标为：通带截止频率：1KHz，通带最大衰减：0.2db，阻带截止频率：1.3KHz，阻带最小衰减：40db1KHz频点的衰减不大于0.2dB(对数值0-0.2dB)1.3KHz频点的衰减不小于40dB(对数值小于-40dB)。,实验步骤,第三步确定设计参数：根据阻带最小衰减40db,选择汉明窗根据通带0.2db截止频率为0.25，取6dB截止频率，可取初始值可先取N=31第四步使用CCS建立新的project，添加文件：D:DSPEXPagc_audio.cmdD:DSPEXPrts.libD:DSPEXPFIRfilter.c第五步读FIRfilter.c中的代码，修改参数#defineN31wc=0.34*pi；Build整个project，装载程序到电路板并运行。,实验步骤,第六步观察设计出的FIRDF的频率响应（对数坐标）；第七步调整参数N和wc使滤波器频响满足：1KHz频点的衰减不大于0.2dB(对数值0-0.2dB)；1.3KHz频点的衰减不小于40dB(对数值小于-40dB)。注意每次修改代码需要重新Build、Load、Run。每次调整，记录下调整的参数值，以及频响在关键频点的衰减。第八步调整完毕后示意老师检查登记,实验步骤,第九步使用信号发生器产生模拟信号（峰峰值小于1V的正弦信号，频率自行考虑确定），送至实验板PhoneIN端口中；第十步读main函数内容，注意程序中对采样信号叠加了随机噪声后，通过FIRDF低通滤波器，并将结果输出。加噪前后的信号和滤波后的信号存放在三个不同的数组中。第十一步