基于DSP的FIR数字滤波器(设计实验)

PAGEPAGE4基于DSP的FIR数字滤波器(设计实验)一、实验目的1.了解FIR（FiniteImpulseResponse有限冲激响应）滤波器的原理及使用方法；2.了解使用MATLAT语言设计FIR滤波器的方法；3.了解DSP对FIR滤波器的设计及编程方法；4.熟悉在CCS环境下对FIR滤波器的调试方法；二、实验原理数字滤波是DSP的最基本应用，利用MAC（乘、累加）指令和循环寻址可以方便地完成滤波运算。两种常用的数字滤波器：FIR（有限冲激响应）滤波器和IIR（无限冲激响应）滤波器的DSP实现。设FIR滤波器的系数为h(0)，h(1)，...，h(N-1)，X(n)表示滤波器在n时刻的输入，则n时刻的输出为：FIR数字滤波器的结构如图3.1所示。图3.1FIR数字滤波器的结构图1、线性缓冲区法又称延迟线法。其方法是：对于n=N的FIR滤波器，在数据存储器中开辟一个N单元的缓冲区，存放最新的N个样本；滤波时从最老的样本开始，每读一个样本后，将此样本向下移位；读完最后一个样本后，输入最新样本至缓冲区的顶部。以上过程，可以用N=6的线性缓冲区示意图来说明，如图3-2所示图3-2N=6的线性缓冲区示意图2、循环缓冲区法图3-3说明了使用循环寻址实现FIR滤波器的方法。对于N级FIR滤波器，在数据存储区开辟一个称为滑窗的具有N个单元的缓冲区，滑窗中存放最新的N个输入样本值。每次输入新的样本时，新的样本将改写滑窗中最老的数据，其他数据则不需要移动。图3-3FIR滤波器循环缓冲区存储器图三、实验内容与步骤设计一个FIR低通滤波器，通带边界频率为1500Hz，通带波纹小于1dB；阻带边界频率为2000Hz，阻带衰减大于40dB；采样频率为8000Hz。FIR滤波器的设计可以用MATLAB窗函数法进行。本实验设计一个采样频率Fs为8000Hz，输入信号频率为1000Hz和2500Hz的合成信号，通过设计的低通滤波器将2500Hz信号滤掉，余下1000Hz信号。1、MATLAB设计FIR滤波器FIR滤波器的设计可以用MATLAB窗函数法进行，选择Hamming窗，其程序为：b=fir1(16,1500/8000*2);得到FIR数字滤波器系数b为：b0=0.00000000b9=0.28342322b1=0.00482584b10=0.09725365b2=0.00804504b11=-0.02903702b3=-0.00885584b12=-0.04291741b4=-0.0429174b13=-0.00885584b5=-0.02903702b14=0.00804504b6=0.09725365b15=0.00482584b7=0.28342322b16=0.00000000B8=0.37452503在DSP汇编语言中，不能直接输入十进制小数，在MATLAB中进行如下转换：h=round(b*2^15)将系数转换为Q15的定点小数形式，为：h(0)=0h(9)=9287h(1)=158h(10)=3187h(2)=264h(11)=-951h(3)=-290h(12)=-1406h(4)=-1406h(13)=-290h(5)=-951h(14)=264h(6)=3187h(15)=158h(7)=9287h(16)=0h(8)=122722、编写FIR数字滤波器的汇编程序;一个FIR滤波器源程序fir.asm .mmregs .globalstart4、实验步骤及结果(1)在CCS上建立fir工程并运行fir.out程序。建立fir工程，将fir.asm和fir.cmd添加到工程中，对汇编程序进行汇编、链接；如果有错误则进行修改、调试，当汇编、链接成功后，加载并运行fir.out程序。注意，将fir.asm、fir.cmd、firin.inc文件和fir.pjt工程文件放在同一文件夹下。(2)观察输入信号的波形及频谱。单击View→Graph→Time/Frequency命令，按照如图3-4所示改变各选项。其中，由.cmd可知输入信号的数据放在数据区0x2400开始的256个单元中。图3-4Graph属性设置窗口单击OK按钮，则显示输入信号的时域波形如图3-5所示。其波形是频率为1000Hz和2500Hz正弦信号的合成信号。图3-5输入信号的时域波形将图3-4中的DsiplayType项改为FFTMagnitude，则显示输入信号的频谱图，如图3-6所示。图3-6输入信号的频谱图3、观察输出信号的波形及频谱。单击View→Graph→Time/Frequency命令，按照如图3-7所示改变各选项。其中，由.cmd可知输出信号的数据放在数据区0x2500开始的256个单元中。图3-7Graph属性设置窗口单击OK按钮，将显示滤波器输出信号时域波形，如图3-8所示。图3-8输出信号的时域波形图3-9输出信号的频谱图5、系数对换FIR滤波器的实现系数对换FIR滤波器由于具有线性相位，因此应用很广。一个N=8的FIR滤波器，若h(n)=h(N-1-n)，就是对换FIR滤波器，其输出方程为：总共有8次乘法和7次加法。如改写成：变成4次乘法和7次加法，乘法运算次数减少了一半，特别是当阶数较高时，利用系数对称的特点，可以明显减少运算量。（1）FIR滤波器设计在MATLAB下输入：B=fir1(15,1500/8000*2);H=round(b*2^15);将系数转换为Q15的定点小数形式则滤波器系数为：h(0)=62h(8)=11439h(1)=188h(9)=6202h(2)=86h(10)=625h(3)=-764h(11)=-1453h(4)=-1453h(12)=-764h(5)=625h(13)=86h(6)=6202h(14)=188h(7)=11439h(15)=62系数对称FIR数字滤波器汇编程序如下： .mmregs .globalstart .def start,_c_int00KS .set 256 ;输入样本数据个数N.set16 ;FIR滤波器阶数COEF_FIR .sect"COEF_FIR" ;FIR滤波器系数 .word 62 .word188 .word86 .word-764 .word-1453 .word625 .word6202 .word11439 .dataINPUT .copy "firin.inc";输入数据在数据区0x2400OUTPUT .space 1024;输出数据在数据区0x2500x_new.usect"DATA1",N/2x_old.usect"DATA2",N/2size.setN/2 .text_c_int00 b start nop nopstart: SSBX FRCT ;设置FRCT(小数方式)位STM#x_new,AR2 ;AR2指向New缓冲区第一个单元STM#x_old+(size-1),AR3;AR3指向Old缓冲区最后一个单元STM#-1,AR0STM #INPUT,AR4 ;模拟输入数据指针初始化 STM #OUTPUT,AR5 ;滤波器输出数据指针初始化 STM #KS-1,BRC RPTBD LOOP-1 STM #size,BK ;循环缓冲区块大小BK=size LD *AR4+,A STL A,*AR2FIR_FILTER:ADD *AR2+0%,*AR3+0%,ARPTZB,#size-1 FIRS*AR2+0%,*AR3+0%,COEF_FIR STH B,*AR5+ MAR*+AR2(2)%MAR*AR3+%MVDD*AR2,*AR3+0%LOOP:ENDB END .end链接命令文件如下：fir2.obj-m fir2.map-o fir2.outMEMORY{ PAGE0:ROM1(RIX) :ORIGIN=0080H,LENGTH=1000H PAGE1:INTRAM1(RW):ORIGIN=2400H,LENGTH=0200HINTRAM2(RW):ORIGIN=2600H,LENGTH=0100H INTRAM3(RW):ORIGIN=2700H,LENGTH=0100H B2B(RW) :ORIGIN=0070H,LENGTH=10H}SECTIONS{ .text : {}>ROM1