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课程设计任务书
学院
信息科学与工程学院
实践教学要求与目的:
要求:
1.设计一个截止频率为1500Hz—3000Hz的带通数字滤波器
2.在DSPTMS320C5509上实现FIR滤波
3.对FIR滤波器各项指标进行评价
目的:
课程设计是重要的实践教学环节。
学生通过动手做软件和硬件设计,能够熟练掌握数字信号处理技术,增加对基础知识的消化和理解。
工作计划与进度安排:
2012年12月31日进行课程设计动员,分配课程设计题目,查阅资料。
2013年01月04日查阅资料
2013年01月05日到2013年1月9日为上机时间调试程序及仿真、调试出结果、调试结果验收并写报告。
2013年01月10日上午正式提交报告和答辩。
指导教师:
201年月日
专业负责人:
201年月日
学院教学副院长:
摘要
数字信号处理器,也称DSP芯片,是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊结构的微处理器,数字滤波是语音处理、图像处理、频谱分析等应用中的基本处理算法。
DSP是一种处理数字信号的专用微处理器,主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法,用DSP芯片实现数字滤波具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点。
数字滤波器分为有限冲激响应滤波器(FIR滤波器)和无限冲激响应滤波器(IIR滤波器),FIR滤波器属于经典滤波器,优点就是由于不存在系统极点。
FIR滤波器是绝对稳定的系统,FIR滤波器还确保了线性相位,在信号处理中占有极其重要的地位,数字滤波器一直以来就是数字信号处理器(DSP)最广为人知的应用。
关键字:
DSP滤波器FIR数字信号处理
目录
1数字滤波器简介及设计1
1.1数字滤波器的定义和分类1
1.2数字滤波器的设计方法概述1
1.3窗函数法3
1.4模拟数字变换法3
2系统方案设计......................................................................................................5
2.1系统功能介绍及流程图..............................................................................5
2.2FIR滤波器的实现方法................................................................................6
3数字滤波器的MATLAB辅助设计8
3.1MATLAB简介8
3.2FDAtool界面介绍8
3.3FIR数字滤波器设计9
3.3.1得到滤波器冲激响应序数方法9
3.3.2FIR参数设定及频域响应特性10
4数字滤波器的CCS实现11
4.1简述CCS环境11
4.2CCS配置12
4.3CCS环境中工程文件的使用12
4.4编译链接和运行目标文件13
4.4.1对程序进行编译链接13
4.4.2装载.out文件......................................................................................14
5运行并观察结果.................................................................................................15
结论.......................................................................................................................17
参考文献18
致谢19
附录AC程序清单20
附录B滤波器输出系数25
第1章数字滤波器设计原理
1.1数字滤波器的定义和分类
数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的,用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统,其输入是一组数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。
因此,数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用的数字计算机,也可以将所需要的运算编成程序,让通用计算机来执行。
从数字滤波器的单位冲击响应来看,可以分为两大类:
有限冲击响应(FIR)数字滤波器和无限冲击响应(IIR)数字滤波器。
滤波器按功能上分可以分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)。
1.2数字滤波器的设计方法概述
实际中的数字滤波器设计都是用有限精度算法实现的线性非移变系统,一般的设计内容和步骤包括:
(1)根据实际需要确定数字滤波器的技术指标。
例如滤波器的频率响应的幅度响应和截止频率等等。
(2)用一个因果稳定的离散线性非移变系统的系统函数去逼近这些性能指标。
集体来说,就是用这些指标来计算系统函数H(z)。
(3)利用有限精度算法来实现这个系统函数。
这里包括选择运算结构、进行误差分析和选择合适的字长等。
(4)实际的数字滤波器实现技术,包括采用通用的计算机软件和专用的数字滤波器硬件来实现,或者采用通用或专用的数字信号处理器来实现。
而IIR滤波器设计的方法有两类,经常采用的第一类设计方法是借用于模拟滤波器设计方法来进行的。
其设计的步骤是:
先设计模拟原型滤波器,得到其传输函数
然后将
按某种方法转换成数字滤波器的系统函数H(z),这一类相对来说容易一些。
另一类设计方法是直接在频域或者时域中进行设计,这个需要借助于计算机做一些辅助设计。
1.3窗函数法
窗函数设计的基本思想是要选取某一种合适的理想频率选择性滤波器,然后将它的脉冲响应截断以得到一个线性相位和因果的FIR滤波器。
因此这种方法的重点在于选择某种合适的窗函数和一种理想滤波器。
对于给定的滤波器技术指标,选择滤波器长度和具有最窄主瓣宽度和尽可能小的旁瓣衰减的某个窗函数。
任何数字滤波器的频率响应都是w的周期函数,它的傅立叶级数展开式为:
(3.1)
(3.2)
其中的Wc为滤波器的归一化的截止频率。
傅立叶系数hd(n)实际上就是理想数字滤波器的冲激响应。
获得有限冲激响应数字滤波器的一种可能方法就是把无穷级数截取为有限项级数来近似,而吉布斯(Gibbs)现象使得直接截取法不甚令人满意。
窗函数法就是用被称为窗函数的有限加权系列{W(n)}来修正式((3.2)的傅立叶级数,以求得要求的有限冲激响应序列h(n),即有:
h(n)=hd(n)W(n)(3.3)
w(n)是有限长序列,当n>
N-1及n<
0时,W(n)=0。
几种常用的窗函数
工程中比较常用的窗函数有矩形窗函数、三角形((Bartlett)窗函数、汉宁(Harming)窗函数、海明(Hamming)窗函数、布莱克曼(Blackman)窗函数和凯塞Kaiser)窗函数。
窗函数的选择原则是:
●具有较低的旁瓣幅度,尤其是第一旁瓣幅度;
●旁瓣幅度下降速度要大,以利增加阻带衰减;
●主瓣的宽度要窄,以获得较陡的过渡带。
通常上述三点很难同时满足。
当选用主瓣宽度较窄时,虽然得到较陡的过渡带,但通带和阻带的波动明显增加:
当选用最小的旁瓣幅度时,虽能得到匀滑的幅度响应和较小的阻带波动,但过渡带加宽。
因此,实际选用的窗函数往往是它们的折衷。
在保证主瓣宽度达到一定要求的条件下,适当牺牲主瓣宽度来换取旁瓣波动的减少。
总之窗函数不仅有截短的作用,而且能够起到平滑的作用在很多领域得到应用。
表1.1给出了几种常用窗函数的性能对比表。
表1.1常用窗函数的性能对比表
1.4模拟数字变换法
模拟网络的逼近和综合理论已经发展的相当成熟,产生了许多效率很高的设计方法,很多常用滤波器不仅有简单而严格的设计公式,而且设计参数已表格化,设计起来方便准确。
而数字滤波器在很多场合要完成的任务与模拟滤波器相同,如做低通、高通、带通和带阻滤波器等。
因此,完全可以借助于模拟滤波器的理论和设计方法来设计数字滤波器。
IIR数字滤波器具有无限的冲激响应,与模拟滤波器相匹配,所以IIR滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。
平时所要设计的数字滤波器,阶数和类型并不一定是完全给定的,很多时候要根据设计要求和滤波器效果不断的调整,以达到设计的最优化。
在这种情况下,滤波器设计就要进行大量复杂的运算,单纯的靠公式计算和编制简单的程序很难在短时间内完成。
利用MATLAB强大的计算功能进行计算机辅助设计,可以快速有效地设计数字滤波器,大大简化了计算量。
用模拟-数字变换法设计IIR数字滤波器,首先必须设计一个模拟滤波器,它有许多不同的类型,主要有以下几种:
1.巴特沃斯(Butterworth)滤波器
BW滤波器是根据幅频特性在通带内具有最平坦特性而定义的滤波器,对一个N阶低通滤波器来说,所谓最平坦特性就是模拟函数的前(2N-1)阶导数在ω=0处都为零,BW滤波器的另一个特性是在通带和阻带内的幅频特性始终是频率的单调下降函数,且其模拟函数随阶数N的增大而更接近于理想低通滤波器。
2.切贝雪夫(Chbyshew)滤波器
CB低通滤波器的模拟函数由切贝雪夫多项式定义,且其在通带内的幅频响应是波动的,在阻带则单调变化。
3.逆切贝雪夫(Inverse-Chbyshew)滤波器
ICB滤波器的误差在通带内是单调增加的CB滤波器的误差在通带内均匀起伏地分布,ICB滤波器的误差在阻带内是均匀起伏地分布的,因而在相同阶数时CB滤波器的过渡特性将优于BW滤波器。
4.考尔(Cauer简写为C)滤波器也称为椭圆滤波器,其幅度特性是由雅可比(Tacobian)椭圆函数决定的,在通带和阻带内都具有“等波纹”幅度特性,其系统函数不仅具有极点而且也有零点。
上述滤波器是最常用的,此外还有贝塞耳(Bessel)滤波器等。
设计时选用那种类型,设计者应视用途、指标要求等自行决定。
一般地说,在相同设计指标下,“C”滤波器过渡带最为陡峭,或者阶数最低,“CB”滤波器次之,“BW”滤波器则更不及“CB”滤波器陡峭,或者所需阶数最高。
但从设计的复杂性和参数变化对滤波器特性的影响,即参数灵敏度的角度看,情况恰恰相反。
2系统方案设计
2.1系统功能介绍
任何一个实际的应用系统中,都存在着各种各样的干扰。
数字滤波器是使用最为广泛的信号处理算法之一。
数字滤波器在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像信号等各种信号处理中都有广泛的应用。
在本设计中,先使用MATLAB模拟产生合成信号,然后再利用CCS进行滤波处理。
将模拟信号的采样频率设定为8000Hz,设计一个FIR带通滤波器,其参数为:
滤波器名称:
FIR带通滤波器
采样频率:
Fs=8000Hz
通带:
1500Hz~3000Hz
滤波器系数:
由MATLAB根据前述参数求得。
系统方案设计流程图:
图2.1系统方案设计流程图
带通数字
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