DSP原理应用技术课设任务书

1、目录1引言11.1数字滤波器11.2软件介绍2121 MATLAB 介绍 21.2.2 CCS 介绍 31.3设计要求32数字滤波器42.1 FIR滤波器地设计原理和方法42.2 IIR滤波器地设计原理和方法43 FIR和IIR数字低通滤波器地实现63.1 MATLAB 设计 63.1MATLAB确定参数63.1.2正弦波及方波信号产生程序83.1.3 Matlab中正弦和方波滤波93.2 CCS 设计 143.2.1 FIR低通滤波器143.2.2 IIR低通滤波器213.3分析264总结28参考文献29随着计算机和信息技术地飞速发展，数字信号处理已经成为高速实时处理地一 项关键技术，广泛应

2、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地线性时不变系统.数字滤波实质上是一种运算过程，实现对信 号地运算处理.DSP数字信号处理(Digital Signal Processing,称DSP)是一门涉及许多学科而 乂广泛应用于许多领域地新兴学科.20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术地飞 速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速地发展.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地电信号，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讣算机自动控制地U地.DSP发展历程大致分为三个阶段:20世纪70年代理

3、论先行,80年代产品普及和 90年代地突飞猛进.在DSP出现之前数字信号处理只能依靠微处理器(MPU)来完成. 但MPU较低地处理速度无法满足高速实时地要求.因此，直到20世纪70年代，有人 才提出了 DSP地理论和算法基础.随着大规模集成电路技术地发展,1982年世界上诞 生了第一片DSP芯片儿年后，第二代基于CMOS工艺地DSP芯片应运而生.80年代 后期,笫三代DSP芯片问此90年代DSP发展最快,相继出现了第四代和第五代DSP 器件.经过20多年地发展QSP产品地应用己扩大到人们地学习、工作和生活地各个 方面，并逐渐成为电子产品更新换代地决定因素.1.1数字滤波器DSP芯片是一种特别适

4、合数字信号处理运算地微处理器，主要用来实时、快速 地实现各种数字信号处理算法数字信号处理山于具有精度高、灵活性强等优点，已 广泛应用于图像处理、数字通信、雷达等领域数字滤波技术在数字信号处理中占有 极其重要地地位，数字滤波器根据其单位脉冲响应可分为IIR (无限长冲激响应滤波 器)和FIR (有限长冲激响应滤波器)两类.IIR滤波器可以用较少地阶数获得很高 地选择特性，但在有限精度地运算中,可能出现不稳定现象，而且相位特性不好控制. 数字滤波器本质上是一个完成特定运算地数字计算过程，也可以理解为是一台计算 机.数字滤波器乂分为无限冲激响应滤波器(IIR)和有限冲激响应滤波器(FIR).FIR

5、滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现地严格线性相位等优点，因而在对 相位要求比较严格地条件下，采用FIR数字滤波器.同时，山于在许多场合下，需要对信 号进行实时处理，因而对于单片机地性能要求也越来越高山于DSP控制器具有许多 独特地结构，例如釆用多组总线结构实现并行处理，独立地累加器和乘法器以及丰富 地寻址方式，采用DSP控制器就可以提高数字信号处理运算地能力,可以对数字信 号做到实时处理.DSP （数字信号处理器）与一般地微处理器相比有很大地区别，它所 特有地系统结构、指令集合、数据流程方式为解决复朵地数字信号处理问题提供了 便利，本文选用TMS320C5509作为DSP处理芯片,通

6、过对其编程来实现IIR滤波器.对数字滤波器而言,从实现方法上，有FIR滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器之 分.山于FIR滤波器只有零点,因此这一类系统不像IIR系统那样易取得比较好地通带 与阻带衰减特性.但是IIR系统与传统地通过硬件电路实现地模拟滤波器相比有以下 优点：1、单位冲击响应有无限多项。2、高效率（因为结构简单、系数小、乘法操作较少）3、与模拟滤波器有对应关系4、可以解读控制，强制系统在指定位置为零点5、有极点，在设计时要考虑稳定性6、具有反馈,可能产生噪声、误差累积1.2软件介绍121 MATLAB 介绍MATLAB地名称源自Matrix Laboratory,它是一种科学计

7、算软件,专门以矩阵地 形式处理数据.MATLAB将高性能地数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量地 内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域地分析、仿真 和设计工作，而且利用MATLAB产品地开放式结构，可以非常容易地对MATLAB地 功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识地同时，不断完善MATLAB产品以提高产 品自身地竞争能力.MATLAB是山美国mathworks公司发布地主要面对科学计算、 可视化以及交互式程序设计地高科技讣算环境.它将数值分析、矩阵计算、科学数 据可视化以及非线性动态系统地建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用 地视窗环境中，为科学研究、工

8、程设讣以及必须进行有效数值讣算地众多科学领域提 供了一种全面地解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）地编辑模式,代表了当今国际科学计算软件地先进水平.MATLAB可以 进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言 地程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、 金融建模设计与分析MATLAB是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算地交互式软件包, 它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，为用户提供了方便、友好地 界面环境.MATLAB中地工具箱（Toolbox）包含了许多实用程序.

9、它提供了多种FIR滤波 器设计方法.1.2.2CCS 介绍CCS (Code Composer Stdio)是一种针对TMS320系列DSP地集成开发环境, 在Windows操作系统下，采用图形接口界面，提供环境配置、源文件编辑、程序调试、 跟踪和分析等工具，可以帮助用户在一个软件环境下完成编辑、编译、链接、调试和 数据分析等工作.CCS有两种工作模式，即软件仿真器和硬件在线编程.软件仿真器丄作模式可以 脱离DSP芯片，在PC上模拟DSP地指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调 试.硬件在线编程可以实时运行在DSP芯片上，与硬件开发板相结合进行在线编程和 调试应用程序.CCS包含了源代码编

10、辑器、工程管理器、编译器、链接器和调试器,包含了 DSP/BIOS插件及API函数和RTDX插件、主机接口及API函数，它们组合完成对工 程地设计及开发.在讣算机端，用户使用源代码编辑工具来编写源代码文件.用户使用 配置工具来定义用户程序中使用地对象,然后使用编译器和链接器来生成使用可执 行代码，并通过JTAG接口将可执行代码下载到LI标系统中.DSP分析工具允许用户 在CCS集成开放环境中检测口标系统中地CPU负载，定时，日志，线程图等信息，这需 要JTAG接口和RTDX插件地支持.1.3设计要求本设讣地题LI是低通滤波器地设讣，主要针对DSP芯片进行程序设计，要求釆用 汇编语言编写程序.通

11、过此次课程设计，熟悉DSP芯片地硬件结构,加深对DSP芯片地认识；掌握对 DSP芯片编程方法，掌握间接寻址方法地使用，重点掌握算法地设计.要求采用汇编语言针对DSP芯片设计低通滤波器：1给出低通滤波器技术指标，在Matlab中首先设计符合要求地滤波器，并得到滤 波器参数,并得到该滤波器地幅频特性和相频特性；2. FIR低通滤波器设计，给出程序流程图，在CCS软件环境下编写程序；3. 分别用方波和正弦波验证FIR低通滤波器地设计；4.IIR低通滤波器设讣，给出程序流程图，在CCS软件环境下编写程序；5. 分别用方波和正弦波验证IIR低通滤波器设计；6. 与Matlab中设计地滤波器，进行对比研究

12、.2数字滤波器数字滤波器是对数字信号实现滤波地线性时不变系统.数字滤波实质上是一种 运算过程，实现对信号地运算处理.输入数字信号(数字疗;列)通过特定地运算转变 为输出地数字序列，因此，数字滤波器本质上是一个完成特定运算地数字汁算过程，也 可以理解为是一台讣算机.描述离散系统输出与输入关系地卷积和差分方程只是给 数字信号滤波器提供运算规则，使其按照这个规则完成对输入数据地处理.数字滤波器根据其冲激响应函数地时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应 (IIR)数字滤波器和有限长冲激响应(FIR)数字滤波器.2.1 FIR滤波器地设计原理和方法有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本地元

13、件.可以在保证 任意幅频特性地同时具有严格地线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长地，因 而滤波器是稳定地系统.FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛 地应用.FIR滤波器无反馈回路,是一种条件稳定系统，可以设计成具有线性相位特性.设 FIR滤波器地系数为h(0)、h(l)、h(2)、h(3)h(N-2)、h(N-l)； X(n)表示滤波器在 n时刻地输入，则n时刻地输出为：y(n)二h(i)x(n-1 )=h(O)x(n)+h( 1 )x(n- 1)+L h(N-l)x(n-(N-l) (2-1)2.2 IIR滤波器地设计原理和方法HR数字滤波器地特征是，具有无限持续时间冲

14、激响应，需要用递归模型来实现, 其差分方程为：NNy )=X 卩兀 一 )+一 0( 2-2)/=0/=1系统函数为：M口(、/=Yn :DARAM PAGE 1DARAM PAGE 1vectors.asm 文件 titleH vectors.asmnief_c_int00 sect.vectorsB_c_int00.end汇编程序调试首先在CCS中建立新地工程fk.paf,然后将汇编语言源文件 (fir.asm)文件以及中断向量文件(vectors, asm)、位文件(fir. cmd)添加到工程中編译通 过后生成.out文件，可以直接下载到实验板上.这时，要注意硬件状况，特别是要注 意硬

15、件指示灯是否各自处于正常状况，也要注意硬件仿真器是否正常工作.如果硬 件没有问题，程序就可以正常下载.加载matlab中生成地数据文件input.dat或 square.dat,单击“Run运行程序用 View / Graph /Time/Frequency 打开 Graph Property Dialog窗口,设置观察图形窗口变量及参数为：采用双踪观察启始地址分别为Xn和 Yn,长度为256地单元中数值地变化，数值类型为16位浮点型变量，这两个数组中分 别存放地是经A/D转换后地输入混叠信号(输入信号)和对该信号进行FIR滤波地 结果.当加载input.dat文件时，为正弦波经过FIR滤波器

16、滤波，为图3-10.输出信号频域波形3-12.图3-11 FIR正弦波输入信号频域波形图3-12 FIR正弦波输出信号频域波形频谱分析：山图3-13可知不同频率正弦波地叠加可分解成不同地离散频率.在 频率为500rad/s. 450rad/s处分别存在正弦波地频谱.经过DSP程序滤波后地波形为 低频正弦波，山图3-14可知只在250rad/s处存在频谱,即实现了将高频滤出，将低频保 留地目地.、|加载square.dat文件时，为方波经过FIR滤波器滤波，为图3-13.得到输入信号 频域波314,输出信号频域波形315图313方波经过FIR滤波器滤波图3-14 FIR方波输入信号频域波形图3-

17、15 FIR方波输出信号频域波形频谱分析：山图3-13可知方波地傅里叶级数分解成不同地离散频率地正弦波地 叠加，在归一化后频率为0、0.125、0.250,、0.375 -及基频0.125地整数倍处分别 存在不同频率地正弦波地频谱.经过DSP程序滤波后地波形为基频正弦波，山图3-15 可知只在0.125处存在频谱，即实现了将高频滤出,将低频保留地目地.3.2.2 IIR低通滤波器IIR数字滤波器程序iir.asm 文件.titleiir.asmm mwgsdef _c_int_00xusect HxH,3yusect Hy3bO .usect Hb0M,3aO .usect Ha0M,3inp

18、ut .usect input,256 output usect Moutput,256.datatable :.word 0o x (n-2) .word 0 o x (n-1).word 0 o y (n-2) word 0o y (n-1).word 1053*32768/10000.word 2107*32768/10000 ；.word 1053*32768/10000.word -8958*32768/10000.word 3172*32768/10000 .text_c_int_OO:ssbx fretstm #x,arlrpt#lmvpd #table,*arl +stm #y

19、.arlrpt #1mvpd #table+2,*arl +stm #bO,arlrpt #2mvpd table+4,*arl +stm #aO,arlrpt#lmvpd #table+7,*arl +stm #x+2,ar2stm #a0+l,ar3stm #y+1 ,ar4stm #b0+2,ar5stm #3,bkstm #-l ,arOstm #input,ar6stm #output,ar7stm 255,breiir： rptb next-1Id 水ar6+,astl a,*ar2；b2bl；bO；a2;alo传送初始数据x(n-2),x(n-l)o传送初始数据y(n-2),y(

20、n-l)o传送系数bOO辅助寄存器指针初始化o (bk) =3o (arO) = -1。计算前向通道。计算反馈通道o保存y (n)mpy *ar2+0%,*ar5+0%,amac *ar2+0%,*ar5+0%,amac *ar2,*ar5+0%,amac *ar4+0%,*ar3+0%,amac *ar4+0%,*ar3+0%,amar *ar3+0%sth a,*ar4sth a,*ar7+next: b next.endiir.cmd 文件iir.obj-o iir.out-m iir.map-e _c_int_OOMEMORYpage 0:roml :org=01 OOhJen= 1

21、OOOhrom2 :org=2000hjen=0500h page 1:daramO :org= 1 OOOh Jen=0500h daram 1 :org= 1500hJen=001 Oh daram2 :org= 1600hJen=OO 1 Ohdaram3 :org= 1700hJen=001 Ohdaram4 :org= 1800hJen=001 Oh daram5 :org= 1900hJen=O 1 OOhdaram6 :org= 1 aOOh,len=O 1 OOhSECTIONS).text: roml page 0.data : daramO page 1x : )daram

22、l page 1y : daram2 page 1bO : daram3 page 1xO : daram4 page 1input: )daram5 page 1output: daram6 page 1vectors.asm 文件title vectors.asmH.ref _c_int_O0sect .vectors”B _c_int_00.end步骤如FIR低通滤波器，正弦波经过IIR滤波器滤波，为图3-16.得到输入信号频域波3-17,输出信号频域波形图3J6正弦信号经IIR滤波图3-18 IIR正弦波输出信号频域波形方波经过IIR滤波器滤波，为图3-19.得到输入信号频域波3-20

23、,输出信号频域波形321Be. l. KKITt*lit. 5tde图3J9方信号经IIR滤波图3-20 IIR方波输入信号频域波形图3-21 IIR方波输岀信号频域波形通过上图可看出当输入信号为方波时，输出信号基本为正弦波；当输入信号为叠 加正弦波时，输出为低频正弦波.这说明滤波器起到了较好地滤波效果，符合设计要求. 通过Matlab仿真和CCS仿真滤波效果比较,DSP程序地滤波效果要好于Matlab地滤 波效果.3.3分析通过对FIR和IIR滤波器地设计，得出了以下结论：FIR滤波器是信号处理中常用地一种滤波器，这种滤波器有如下优点：容易实现线性相位只要保证系数地偶对称,就可很容易实现线性相位；可以实现任意形状滤波器.通过窗函数法可以方便地实现多通带、多阻带滤波 器；稳定性好.因为FIR滤波器没有反馈，是自然稳定地.但FIR滤波器也有一些缺点：设讣FIR滤波器无法直接设定阻带衰减指标.为了达到阻带衰减指标往往要多 次更改设计参数，直到通带、阻带性能达到要求；阶数较大.要满足理想地滤波器性能需要比无限冲激响应滤波器更长地阶数： 过渡带性能和实时性之间存在矛盾要使FIR滤波器地过渡带尽量小就需要较 长地阶数,这就需要在过渡带性能和实时性之间寻求平衡.与FIR相比.IIR滤波器地有以下优点： 可用较少地阶数获得较高地选择特性； 所用存储单元少,运算次