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1、基于TMS320VC5402芯片的IIR数字滤波器设计 共21页基于TMS320VC5402芯片的IIR数字滤波器学生姓名：XX 指导老师：XX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，被广泛应用于语音图像处理、数字通信、谱分析、模式识别、自动控制等领域。本设计主要研究了数字滤波器的基本理论，根据数字滤波器的设计步骤，利用MATLAB仿真软件分别用双线性变换法和脉冲响应不变法算出系统的传输函数及阶数，再通过DSP编程并结合TMS320VC5402器件的结构和特性选出最优方案实现数字滤波，完成了软件调试的工作。关键词：数字滤波器；DSP；IIR(无限长单位脉冲响应)；matlab仿真
2、；CCSAbstract: Digital signal processing filter is the most important component part of the speech which was widely used in image processing, digital communications, spectral analysis, pattern recognition, automatic control, and other fields. The main design of a digital filter on the basic theory, a
3、ccording to the digital filter design steps, using MATLAB simulation software were used to transform law and bilinear impulse response calculated by the same system of transfer functions and order, and then through the DSP programming TMS320VC5402 devicecombined with the structure and characteristic
4、s of selected programmes to achieve the optimal number of filtering, to complete the work of the software debugging.Keywords: digital filter; DSP; IIR (infinite impulse response unit); matlab Simulation;CCS1绪论1.1 数字滤波器的发展背景及意义数字滤波，是数字信号处理的基本核心内容之一，占有极重要的地位。它通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波目的，是语音处理、图像处理、软件无线
5、电、通信、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。与模拟滤波器相比，数字滤波器不用考虑器件的噪声、电压漂移、温度漂移等问题，可以容易的实现不同幅度和相位频率等特性指标。几乎每一科学和工程领域如声学、物理学、数据通信、控制系统和雷达等都涉及到信号，在应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算，这些过程都可能包含衰减一个频率范围阻止或隔离一些频率成分。因此，数字滤波的应用已越来越广泛。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等，这些优势决定了数字滤波器的应用越来越广泛。同时DSP (Digi
6、tal Signal Processor)处理器的出现和FPGA(Field Programmable Gate Array)的迅速发展也促进了数字滤波器的发展，并为数字滤波器的硬件实现提供了更多的选择。总的来说，数字滤波器具有以下显著的优点：精度高、灵活性大、可靠性高、易于大规模集成、并行处理等。滤波分为经典滤波和现代滤波。经典滤波包括FIR滤波和IIR滤波。随着现代滤波技术发展，线性滤波方法，如Wiener滤波、Kalman滤波和自适应滤波都得到了广泛的研究和应用，同时一些非线性滤波方法，如小波滤波、同态滤波、中值滤波、形态滤波等都是现代信号处理的前言课题。这些滤波方法不但有重要的理论意义
7、，而且有广阔的应用前景。2数字滤波器的方案论证2.1 数字滤波器的定义及分类数字滤波器是指完成信号滤波处理的功能。其输入是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。它的作用是将有用的信号保留，将对其干扰的信号屏蔽，以完成滤波的功能。它是通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出的优点。随着数字技术的发展，用数字技术实现滤波器的功能越来越受到大家的注意和广泛的应用。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
8、滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF ）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BSF）。2.2 数字滤波器的实现方法数字滤波器的实现方法一般有以下几种:（1）在通用的计算机（如PC）上用软件（如C语言）实现。这种方法的缺点是速度太慢，不能用于实时系统，主要用于DSP算法的模拟与仿真。（2）在通用的计算机系统中加上专用的加速处理机实现。这种方法不便于系统的独立运行。（3）用通用的单片机实现。这种方法适用于一些不太复杂的数字信号处理。（4）用通用的可编程DSP芯片实现。DSP利用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特点，并有专门设计的适用于数字信号处理的指令系
9、统等。（5）用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无须进行编程。（6）用FPGA等可编程器件来开发数字滤波算法。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。通过比较这些方法可见：可以采用MATLAB等软件来学习数字滤波器的基本知识，计算数字滤波器的系数和阶数，研究算法的可行性，对数字滤波器进行前期的仿真。然后，可以采用DSP或FPGA来实现硬件电路。对于通用的可编程DSP芯片来说，它具有更好的灵活性和实时性。因此本设计研究的重点集中在利用通用可编程的DSP芯片来实现数字滤波。2
10、.3 IIR与FIR数字滤波器的比较IIR滤波器系统函数的极点可以位于单位圆内的任何地方，因此可以用较低的阶数获得高选择性，所用存储单元少，经济而效率高。但因为IIR具有反馈网络，所以其相位是非线性的，此外在设计中要注意系数的选择使其极点均可落在单位圆内，这样就可最大限度的使系统稳定。FIR滤波器虽可以得到严格的线性相位，但由于FIR滤波器系统函数的极点固定在原点，只能用较高的阶数达到高选择性，对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数比IIR滤波器高5-10倍，成本较高，信号延时也较大。鉴于此，我在设计中采用了DSP的IIR数字滤波器。3 IIR数字滤波器的理论分析3.1 IIR数字
11、滤波器结构N阶无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器的脉冲传递函数为：对应的差分方程为：其中y(n)由两部分构成：第一部分是一个对x(n)的M阶延时链结构，每节延时抽头后加权相加，也即是一个横向结构网络；第二部分也是一个N阶延时链的横向结构网络，不过它是对y(n)的延时，因此是一个反馈网络，这种结构称为直接I型，如图1 所示：图1 直接I型结构方框图将上式改写为（当M=N的情况）：由此H（z）可视为分子多项式与分母多项式的倒数所构成的两个子系统函数的乘积，这相当于两个子系统的级联。其中第一个子系统实现零点为： 故得：其时域表示为：第二子系统实现极点为：整理以后可得：其时域表示为： 综上所述可以得到
12、如图2所示的实现结构：图2 直接I型的变形结构方框图如果将图2中相同输出的延迟单元合并成一个，则得到如图3所示的构图，它比上图的延迟单元少了一倍，N阶滤波器只需要N级延迟单元，这是实现N阶滤波器所必须的最少数量的延迟单元。这种结构称为直接型II，有时将直接型I简称为直接型，将直接型II称为典型型式：图3 直接II型结构方框图直接型I、II结构的优点是简单直观。它们的共同缺点是：系数、对滤波器性能的控制关系不直接，因此调整不方便。但因为其简单直观，且在IIR滤波器结构中，直接II型结构是最常用的结构，因为这种结构的二阶形式可以作为级联型和并联型结构的基本环节。所以在本次的设计中我采用了直接II型
13、IIR滤波器的设计结构。如图4所示： 图4 直接II型IIR滤波器4 IIR滤波器的MATLAB辅助设计4.1 IIR数字滤波器设计步骤IIR数字滤波器设计借助模拟滤波器原型，再将模拟滤波器转换成数字滤波器。这些过程已经成为一整套成熟的设计程序。模拟滤波设计已经有了一套相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且还有较为完整的图表供查询。因此，充分利用这些已有的资源会给数字滤波器的设计带来很大的方便。具体在MATLAB中设计IIR数字滤波器的设计步骤如下：按一定规则将给出的数字滤波器的技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标；根据转换后的技术指标使用滤波器选择函数，确定最小阶数N和固有频率Wn；
14、运用最小阶数N产生模拟低通滤波器原型，运用固有频率把模拟低通滤波器原型转换成模拟低通、高通、带通、带阻滤波器。本设计主要应用产生低通滤波器，运用脉冲响应不变法或双线性不变法把模拟滤波器转换成数字滤波器。对于脉冲响应不变法，它是将s域内的H（s）转换成z域内的H（z），但是在映射时，S域内不能一一对应到Z域内的单位圆上，因此容易在仿真中易产生混叠现象，影响实验效果。基于此，本次设计在MATLAB的仿真中优先考虑应用双线性变换法。MATLAB工具箱提供了几种模拟滤波器的原型产生函数，Butterworth滤波器原型，Chebyshev（I型、 II型）滤波器原型、椭圆滤波器原型等不同的模拟滤波器原
15、型，从模拟滤波器向数字滤波器转换的双线性变换法和脉冲响应不变法等方法，模拟IIR数字滤波器阶数选择函数以及数字滤波器直接设计函数等等。另外，MATLAB信号处理工具箱提供了几个直接设计IIR数字滤波器的函数。这一整套设计函数给在MATLAB中设计IIR数字滤波器带来了极大的方便。4.2 利用matlab软件设计IIR低通滤波器IIR低通数字滤波器根据相关技术指标进行matlab仿真，从而计算出相应的传输函数。其仿真结果结果如图5所示： 图5 利用matlab仿真图根据以上仿真结果及相应的系数和N值，在相关技术指标不变的情况下，我选用了ChebyshevI型双线性变换法。5 IIR滤波器的实现基于DSP的IIR滤波器的设计包括硬件和软件两部分，硬件部分涉及TMS320VC5402，软件部分为DSP 编程。5.1 基于DSP的IIR数字滤波的硬件设计5.1.1基于DSP的数字滤波器总体硬件设计方案TI公司的2000系列和5000系列的DSP都通用型的芯片，考虑到2000系列的DSP多用于控制方面，而5000系列较2000系列具有更高的时钟频率、更低的价格和更加强大的运算功能，所以在数字滤波
