基于DSP的IIR数字滤波器的设计毕业设计.doc
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1、摘要随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理已经成为高速实时处理的一项关键技术,广泛应用在语音识别、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的线性时不变系统。数字滤波实质上是一种运算过程,实现对信号的运算处理。DSP数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。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的电信号,并利用计算机对信号进行处理以达到计算机辅助
2、控制或是计算机自动控制的目的。DSP芯片是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器,主要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法。用DSP 芯片实现IIR数字滤波器,不仅具有精确度高、不受环境影响等优点,而且因DSP 芯片的可编程性,可方便地修改滤波器参数,从而改变滤波器的特性,设计十分灵活。本课题主要应用MATLAB软件设计IIR数字滤波器,并对所设计的滤波器进行仿真;应用DSP集成开发环境CCS调试汇编程序,文章结合TM320C5509的结构特点,介绍了一种IIR滤波器在TM320C5509中的实现方法。关键字:IIR;数字滤波器;DSP; TM320C5509;MATLAB 目录摘要.I第
3、1章 绪论.31.1 数字滤波器研究的背景.31.2 数字滤波器研究的现状.31.3 数字滤波器研究的内容与方法.5第2章 系统方案设计及论证.72.1 IIR数字滤波器的设计步骤.72.2 IIR数字滤波器的基本原理.72.3 IIR数字滤波器的流程框图.8第3章 基于DSP的IIR数字滤波器设计.93.1 DSP系统的特点.93.2 DSP系统的设计流程.93.3 基于DSP的IIR数字滤波器设计总框图.10第4章 软件设计.124.1 CCS平台介绍.124.2 仿真结果.13第5章 结论.15参考文献.16附录A:源代码.17致谢.20第1章 绪论1.1数字滤波器研究的背景当今,数字信
4、号处理(DSP:Digtal Signal Processing)技术正飞速发展,它不但自成一门学科,更是以不同形式影响和渗透到其他学科。它与国民经济息息相关,与国防建设紧密相连。它影响或改变着我们的生产、生活方式,因此受到人们普遍的关注。数字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势,而数字化是智能化和网络化的基础,实际生活中遇到的信号多种多样,例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、射电天文信号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动信号、遥感遥测信号等。上述这些信号大部分是拟信号,也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数,自变量可以是一维的,也可
5、以是二维或多维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间,经过时间上的离散化(采样)和幅度上的离散化(量化),这类模拟信号便成为一维数字信号。因此,数字信号实际上是用数字序列表示的信号,语音信号经采样和量化后,得到的数字信号是一个一维离散时间序列,而图像信号经采样和量化后,得到的数字信号是一个二维离散空间序列。数字信号处理,就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理,把信号变换成符合需要的某种形式。例如,对数字信号进行滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰,或将他们与其它信号进行分离;对信号进行频谱分析或功率谱分析以了解信号的频谱组成,进而对信号进行识别;对信号进行某种变换,使之更适合于传输,存储
6、和应用;对信号进行编码以达到数据压缩的目的等。数字滤波技术是数字信号分析、处理技术的重要分支。无论是信号的获取、传输,还是信号的处理和交换都离不开滤波技术,它对信号安全可靠和有效灵活地传输是至关重要的。在所有的电子系统中,使用最多且最复杂的技术要算数字滤波器了。数字滤波器的优劣直接决定产品的优劣。1.2 数字滤波器研究的现状在信号处理过程中,所处理的信号往往混有杂音,从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音的不同特性,提取有用信号的过程成为滤波,实现滤波功能的系统称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中,数字滤波器应用极为广泛,这里只列举部分应用最成
7、功的领域。1语音处理语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一,也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。该领域只要包括五个方面的内容:第一,语音信号分析。即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算;第二,语音合成。即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音;第三,语音识别。即用专用硬件或计算机识别人讲的话,或者识别说话的人;第四,语音增强。即从噪音或干扰中提取被掩盖的语音信号。第五,语音编码。主要用于语音数据压缩,目前已经建立了一系列语音编码的国际标准,大量用于通信和音频处理。近年来,这五方面都取得了不少研究成果,并且,在市场上已经出现了一些相关的软件和硬件产品,例如,
8、盲人阅读机、哑人语音合成器、口授打印机、语音应答机,各种会说话的仪器和玩具,以及通信和视频产品大量使用的音频压缩编码技术。2图像处理 数字滤波技术以成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识别以及层析X射线摄影,还成功地应用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图像成像。 3通信 在现代通信技术领域内,几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等,都广泛地采用数字滤波器,特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中,离开了数字滤波器,几乎是寸步难行。其中,被认为是通信技术未来发展方向的软件无
9、线电技术,更是以数字滤波技术为基础。 4电视数字电视取代模拟电视已是必然趋势。高清晰度电视的普及指日可待,与之配套的视频光盘技术已形成具有巨大市场的产业,可视电话和会议电视产品不断更新换代。视频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作,促成了电视领域产业的蓬勃发展,而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。5雷达雷达信号占有的频带非常宽,数据传输速率也非常高,因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的问题。于是数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。在现代雷达系统中,数字信号处理部分是不可缺少的,因为从信号的产生、滤波、加工到目标参数的估计和目标成像都离不
10、开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。生物医学信号处理数字滤波器在医学中的应用日益广泛,如对脑电图和心电图的分析、层析X射线摄影的计算机辅助分析、胎儿心音的自适应检测等。6音乐数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面,在对音乐信号进行编译、合成、以及在音乐中加入交混回响、合声等特殊效果特殊方面,数字滤波技术都显示出了强大的威力。数字滤波器还可用于作曲、录音和播放,或对旧录音带的音质进行恢复等。7其他领域 数字滤波器的应用领域如此广泛,以至于想完全列举他们是根本不可能的,除了以上几个领域外,还有很多其他应用领域。例如,在军事上被大量应用于导航、制导、电子对抗、战场侦察;在
11、电力系统中被应用于能源分布规划和自动检测;在环境保护中被应用于对空气污染和噪声干扰的自动监测;在经济领域中被应用于股票市场预测和经济效益分析等。1.3 数字滤波器研究的内容与方法目前数字滤波器的主要实现方法有: 1在通用的微型计算机上用软件实现。 软件可以是自己编写的,也可以使用现成的软件包,这种方法的缺点是速度太慢,不能用于实时系统,只能用于教学和算法的仿真研究。比如用MATLAB就几乎可以实现所有数字滤波器的仿真。而且在MATLAB下的部分仿真程序还可以通过转化为C语言,再通过DSP的C编译器直接在DSP硬件上运行。 2用DSP(Digital Signal Processing)处理器实
12、现 DSP处理器是专为数字信号处理而设计的,如TI公司的TMS320C54x系列,AD公司的ADSP2IX,ADSP210X系列等。它的主要数字运算单元是一个乘累加器(Multiply-accumulator,MAC),能够在一个机器周期内完成一次乘累加运算,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、稳定性好、编程方便。 3用固定功能的专用信号处理器实现专用信号处理器采用专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)实现,适用于过程固定而又追求高速的
13、信号处理任务,是以指定的算法来确定它的结构,使用各种随机逻辑器件组成的信号处理器。它们体积小、保密性好,具有极高的性能,但灵活性差。 4用FPGA等可编程器件来开发数字滤波算法。 由于FPGA产品的迅速发展,人们可以利用Atera、Xilinx等产品,使用其相关开发工具和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字信号处理器,还是作为DSP芯片的协处理器,目前都是比较活跃的研究领域。IIR滤波器的设计内容就是寻求一个物理上可实现的系统函数H(z),使其频率响应H(z)满足所希望得到的频域指标,即符合
14、给定的通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减系数和阻带衰减系数。 第2章 系统方案设计及论证2.1 IIR数字滤波器的设计步骤数字滤波器的设计一般有两种方法:一个是借助模拟滤波器的设计方法进行。其设计步骤是,先设计模拟滤波器,再按照某种方法转换成数字滤波器。这种方法比较容易一些,因为模拟滤波器的设计方法已经非常成熟,不仅有完整的设计公式,还有完善的图表供查阅;另外一种直接在频率或者时域内进行,由于需要解联立方程,设计时需要计算机做辅助设计。其设计步骤是:先设计过渡模拟滤波器得到系统函数Ha(s),然后将Ha(s)按某种方法转换成数字滤波器的系统函数H(z)。这是因为模拟滤波器的设计方法已经很成熟
15、,不仅有完整设计公式,还有完善的图表和曲线供查阅;另外,还有一些典型的优良滤波器类型可供我们使用。为了保证转换后的H(z)稳定且满足技术指标要求,对转换关系提出两点要求: 1. 因果稳定的模拟滤波器转换成数字滤波器,仍是因果稳定的。 2. 数字滤波器的频率相应模仿模拟滤波器的频响特性,s平面的虚轴映射为z平面的单位圆,相应的频率之间呈线性关系。利用模拟滤波器成熟的理论设计IIR数字滤波器的过程是: 1. 确定数字低通滤波器的技术指标:通带边界频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减。2. 将数字低通滤波器的技术指标转换成相应的模拟低通滤波器的技术指标。3. 按照模拟低通滤波器的技术指标设
16、计过渡模拟低通滤波器。4. 用所选的转换方法,将模拟滤波器Ha(s)转换成数字低通滤波器系统函数H(z)。2.2 IIR数字滤波器的基本原理 数字滤波器是利用离散系统的特性对系统输入信号进行加工和变换,改变输入序列的频谱或信号波形,让有用的频率分量通过,抑制无用的信号分量输出,根据其频率特性同样可以分为低通、高通、带通和带阻。如果要处理的信号是模拟信号,就可以通过A/D 或者D/A 转换,在信号形式上进行匹配转换,同样可以使用数字滤波器对模拟信号进行滤波。数字滤波器滤波的数学表达式:y(n)=x(n)*h(n)。 如果滤波器的输入输出信号都是离散信号,那么该滤波器的脉冲响应也一定是离散信号,这
17、样的滤波器就成为了数字滤波器。其频域特性为:其中,分别是数字滤波器的输出序列和输入序列的频域响应,是数字滤波器的单位取样响应的频谱,又称为数字滤波器的频域响应。输入序列的频谱经过滤波后,因此只要按照输入信号的频谱特点和处理信号的目的适当选择滤波器的频域响应,使得滤波后的输出信号满足设计性能要求。 2.3 IIR数字滤波器设计流程框图IIR数字滤波器设计流程图如图2.3所示。所示。图2.3 IIR数字滤波器设计流程框图第3章 基于DSP的方案设计3.1 DSP系统的特点 DSP系统是以数字信号处理为基础的,因此不但具有数字处理的全部优点而且还具有以下特点:1. 接口方便:DSP应用系统与其他以现
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