基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现..docx
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淮北师范大学
2011届学士学位论文
基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现
学院、专业 物理与电子信息学院
电子信息工程
研究 方向 数字信号处理
学生 姓名 桑建军
学 号 20070403036
指导教师姓名 周建芳
指导教师职称 讲 师
2011年04月28日
淮北师范大学2011届学士毕业论文
基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现
基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现
桑建军
淮北师范大学物理与电子信息学院235000
摘要 数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一,数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置,可作为应用系统对信号的前期处理。
用DSP芯片实现的数字滤波器具有稳定性好、精确度高、灵活性强及不受外界影响等特性。
因此基于DSP实现的数字滤波器广泛应用于语音图像处理、数字通信、频谱分析、模式识别、自动控制等领域,具有广阔的发展空间。
本文首先介绍了数字滤波器的概念及分类,以及数字滤波器的实现方法。
在理解FIR滤波器的工作原理及其设计方法的基础上,在MATLAB环境下利用矩形窗设计实现FIR滤波器。
然后通过DSP结合CCS2.0软件进行编程,最终实现了基于DSP的FIR数字低通滤波器的设计。
仿真结果表明,基于DSP实现的滤波器具有稳定性好、精确度高、灵活性强等优点,并能实现对信号的实时滤波。
关键词 FIR数字滤波器;DSP;窗函数法;MATLAB;TMS320C5402
IV
DesignandRealizationofFIRdigitalfilterBasedonDSP
SangJianjun
DepartmentofPhysicsandElectronicinformation,HuaiBeiNormalUniversity235000
Abstract Adigitalfilter,whichisoneofthemostimportantpartsofdigitalsignalprocessing,isanalgorithmoradevicemadeofdigitalontime-multiplier,adderanddelayofelements.Itcanbeusedtobethepretreatmentofsignalbyapplicationprogram.TheFIRdigitalfilterBasedonDSPhasmanyfeatures,suchasuninfluenced,highaccuracy,goodstabilityandhighlyflexible.Thedigitalfilteriswidelyusedinfieldsofspeechimageprocessing,digitalcommunication,spectrumanalysis,patternrecognitionandautomaticcontrol,etc.Itwillhasbroadspacefordevelopment.
Thispaperfirstlyintroducestheconceptofdigitalfilter,classification,andtherealizationmethodofdigitalfilter.OnthebasisofunderstandingFIRfiltersworkingprincipleanddesignmethod,weuserectangularwindowtorealizethedesignofFIRlow-passfiltersundertheMATLABenvironment.Then,makingthedesignofFIRdigitallow-passfilterscometruethroughprogrammingbycombinationoftheDSPandCCS2.0.ThesimulationresultsshowthatthefilterbasedonDSPrealizinghavegoodstability,highprecision,flexibility,etc,andcanalsorealizereal-timefiltering.
Keywords FIRdigitalfilter;DSP;Windowmethod;MATLAB;TMS320C5402
目 次
1引言 1
1.1数字滤波器的概念 1
1.2数字滤波器的分类 1
1.3数字的滤波器的发展及其优越性 2
1.4数字滤波器的实现方法 2
2FIR数字滤波器的设计原理及MATLAB的实现 4
2.1FIR数字滤波器的基本网络结构 4
2.2FIR数字滤波器的设计方法 4
2.3FIR数字滤波器的MATLAB的实现 7
3基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现 9
3.1DSP芯片的概述 9
3.2FIR数字滤波器的DSP实现 11
结 论 15
参考文献 16
致谢 17
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基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现
1 引言
随着信息时代的到来,数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。
数字信号在通信、语音、图像、自动控制、雷达、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。
在数字信号处理中数字滤波占有极其重要的地位,与模拟滤波相比,数字滤波具有很多突出优点,比如精确度高、稳定、灵活、不要求阻抗匹配、容易实现线性相位、还可以避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声偏移等问题。
1.1数字滤波器的概念
所谓数字滤波器[1],是指输入、输出均为数字信号,通过数值运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例,或者滤除某些频率成分的器件。
若其系统函数为h(z),其脉冲响应为h(n),对输入时间序列x(n),若输出时间序列为y(n),则它们在时域内有如下关系:
17
在Z域内有如下关系:
y(n)=h(n)*x(n)
y(z)=h(z)*x(z)
(1)
式
(1)中x(z)、y(z)分别是x(n)、y(n)的z变换。
在频域内有如下关系:
y(jw)=h(jw)*x(jw)
(2)
式
(2)中h(jw)是数字滤波器的频率特性;x(jw)、y(jw)分别是x(n)、y(n)的频谱,而w是数字角频率。
1.2数字滤波器的分类
按照不同的分类方法,数字滤波器有许多种类,但总起来可以分成两大类:
经典滤波器和现代滤波器。
经典滤波器的特点是输入信号中有用的频率成分和希望滤除的的频率成分各占有不同的频带,通过一个合适的的选频滤波器达到滤波的目的。
例如,输入信号中含有干扰,如果信号和干扰的频带互不重叠,可滤除干扰得到纯信号。
但是,如果信号和干扰的频带互相重叠,则经典滤波器不能有效滤除干扰,这时就需要采用现代滤波器,例如维纳滤波器,卡尔曼滤波器、自适应滤波器等最佳滤波器。
现代滤波器是根据随机信号的一些统计特性,在某种最佳准则下,最大限度地抑制干扰,同时最大地恢复信号,从而达到最佳滤波的目的。
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基于DSP的FIR数字滤波器的设计与实现
经典数字滤波器从滤波特性上分类,可以分成低通、高通、带通和带阻等滤波器。
它们有些理想幅频特性,是不可能实现的因为他们的的单位响应均是非因果且是无限长的。
我们只能按照某些准则去设计滤波器使之在误差容限内逼近理想滤波器,因此理想的滤波器可作为逼近的标准[2]。
数字滤波器从实现的网络结构或者从单位脉冲响应长度分类,可分为成无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器和有限长单位脉冲响应(FIR)滤波器。
FIR滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及实现严格线性相位等优点,因而在相对要求比较严格的条件下,采用FIR滤波器。
1.3数字的滤波器的发展及其优越性
21世纪是数字化的时代,随着越来越多的电子产品将数字信号作为技术的核心,DSP已经成为推动数字化进程的动力,作为数字化的技术之一,DSP无论是在其应用广度上还是深度上,都在以前所未有的速度向前发展。
数字信号处理由于运算速度快,具有可编程特性和接口灵活的特点,使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中,发挥着及其重要的作用。
采用DSP芯片来实现数字信号处理系统是当前科技发展的必然趋势。
在数字信号处理中,数字滤波器占及其重要的地位。
数字滤波是语音和图像处理、模式识别、频谱分析等应用中的基本算法之一。
在许多信号处理应用中用数字滤波器替代模拟滤波器具有许多优势。
数字滤波器容易实现不同的幅度和相位频率特性指标,克服了与模拟滤波器性能相关的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。
用DSP芯片实现数字滤波器除了具有较好的稳定性、较高的精确度、不受外界环境影响外,还具有灵活性特点。
在用可编程DSP实现数字滤波器可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的相关特性。
在多数应用中也都希望根据期望指标把一个信号的频谱加以修改、整形或者运算。
这些过程都可能包含一个衰减频率范围,阻止或隔离一些频率成分,用数字滤波器来实现这些功能是方便、有效、可行的[3]。
1.4数字滤波器的实现方法
数字滤波器的实现方法有以下三种:
(1)用计算机软件实现
软件实现方法就是在通用的微型计算机上用软件来实现。
利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波所要完成的运算编程程序通过计算机来执行,软件可
由使用者自己编写,也可使用现成的。
国内外的研究机构、公司已经推出了不同语言的信号滤波器处理软件包。
但是这种方法速度很慢,难以对信号进行实时处理,虽然可由用快速傅立叶变换算法累加,来加快计算速度,但要达到实时处理还是要付出很高的代价,因而该方法多在教学与科研中使用。
(2)采用DSP(DigitalSignalProcessing)处理器来实现
DSP处理器是专为数字信号处理而设计的,如TI公司的TMS320CX系列,
AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列等。
它的主要数字运算单元是一个乘累加器(MAC),能够在一个机器周期内完成一次成累加运算,配有适合于信号处理的指令,具备独特的循环寻址和倒序寻址能力。
这些特点都非常适合数字信号处理中的滤波器设计的有效实现,并且它速度快,成本低,在过去的20多年的时间里,软件可编程的DSP器件几乎统治了商用数字信号处理硬件的市场。
用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外,还具有灵活性好的特点。
用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。
(3)用FPGA可编程器件来实现
使用相关开发工具和VHDL等硬件开发语言,通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法。
这一方法由于具有通用性的特点并可以实现算法的并行运算,无论是作为独立的数
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