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1、- 1 -目录1、引言 .- 3 -1.1 研究背景 .- 4 -1.2 研究意义 .- 4 -1.3 研究目的 .- 5 -2、DSP 及其开发环境 .- 6 -2.1 开发平台 DSP 系统 .- 6 -2.1.1 DSP 系统的构成 .- 6 -2.1.2 DSP 系统的优缺点及设计流程 .- 7 -2.1.3 DSP 系统硬件电路图 .- 9 -2.2 CCS 开发环境 .- 9 -2.2.1 CCS 集成开发环境 .- 10 -3 FIR 滤波器的设计 .- 12 -3.1 FIR 滤波器设计原理 .- 12 -3.1.1 FIR 滤波器的基本结构 .- 12 -3.1.2 FIR
2、滤波器的特点 .- 15 -3.2 FIR 滤波器具体设计方案 .- 16 -3.2.1 窗函数法 .- 16 -3.2.2 频率抽样法 .- 18 -3.3 FIR 滤波器的 MATLAB 实现 .- 19 -3.3.1 带通滤波器的 MATLAB 实现 .- 20 -3.3.2 低通滤波器的 MATLAB 实现 .- 22 - 2 -4、FIR 滤波器的 DSP 实现 .- 23 -4.1 FFT/IFFT 算法程序及应用 .- 23 -4.1.1 FFT 设计方法 .- 23 -4.1.2 FFT 算法的实现 .- 25 -4.1.3 FFT 算法的仿真和测试结果 .- 27 -4.2
3、FIR 滤波器的 DSP 的实现 .- 28 -4.3 总结体会 .- 33 -附录 A MATLAB 程序 .- 35 -附录 B FFT 的 DSP 实现程序 .- 2 -附录 C FIR 的 DSO 实现程序 .- 11 -1、引言20世纪60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器 、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到- 3 -70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并
4、得到应用。按照数字滤波器的特性，它可以被分为线性与非线性、因果与非因果、无限长冲击响应（IIR）与有限长冲击响应（FIR）等等。其中，线性时不变的数字滤波器是最基本的类型。FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。 目前FIR滤波器的实现方法大致可分为三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件和可编程逻辑器件实现。单片通用数字滤波器使用方便，但由于字长和阶数的规格较少，不能完全满
5、足实际需要，使用以串行运算为主导的通用DSP芯片实现要简单，是一种实时、快速、特别适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器，借助于通用数字计算机按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波计算。由于它具有丰富的硬件资源、改进的哈佛结构、高速数据处理能力和强大的指令系统而在通信、航空、航天、雷达、工业控制、网络及家用电器等各个领域得到广泛应用。1.1 研究背景数字信号处理就是用数字信号处理器(DSP)来实现各种算法，由于具有精度高、灵活性强等优点，已广泛应用在数字图像处理、数字通信、数字音响、声纳、雷达等领域。数字滤波技术又是进行数字信号处理的最基本手段之一，它是对数字输人信号进行运算，产数字输出信号
6、，以改善信号品质，提取有用信息，或者把组合在一- 4 -起的多个信号分量分离开来为目的。在信号处理领域中，对于信号处理的实时性、快速性的要求越来越高，因此在许多信息处理过程中，如对信号的过滤、检测、预测等，都要广泛地用到滤波器。其中数字滤波器具有稳定性高、精度高、设计灵活、实现方便等许多突出的优点，避免了模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题，因而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人们的注意和广泛的应用。而有限冲激响应(FIR)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性，在示否音、数据传输中应用非常广泛 。31.2 研究意义用可编程 DSP 芯片
7、实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。因此，我们有必要对滤波器的设计方法进行研究，理解其工作原理，优化设计方法，设计开发稳定性好的滤波器系统。我们将通过 DSP 设计平台，实现较为重要的 FIR 和自适应滤波器系统。从而通过本课题的研究，掌握滤波器的设计技术，为通信、信号处理等领域实用化数字滤波器设计提供技术准备。本科题的研究，将为今后设计以 DSP 为核心部件的嵌入式系统集成提供技术准备，这不仅具有重要的理论意义，同时还具有重要的实际意义。1.3 研究目的本次课题的主要任务，就是应用DSP集成开发环境CCS调试汇- 5 -编程序，用TMS320C5402来实现了FIR
8、数字滤波。具体内容有：(1) 研究数字滤波器的基本理论和实现方法，从原理上理解和分析数字滤波器，并通过对数字滤波器的结构和设计方法的学习，为设计数字滤波器奠定理论基础。(2) 研究 FIR 数字滤波器的设计方法，及如何用滤波器设计工具设计各种类型的数字滤波器，并进行仿真和分析。(3) 对数字滤波器的 DSP 实现进行研究。具体操作要求：(1)、用窗函数法实现 FIR 滤波器，通过调用四种窗口函数，截取不同的带通与低通滤波原型，满足以下性能要求：带通滤波器：下阻带边缘： ， ；2.01s dBAs60下通带边缘： ， ；35pRp1上通带边缘： ， ；.2上阻带边缘： ， 。80s dBAs60
9、低通滤波器： ， ； ，.0pdRp5.3.ss5(2)、用时间抽取法实现 FFT/IFFT 算法，通过此算法，对信号进行频域分析、频域处理；(3)、研究 DSP 的结构特点，了解 TI 公司的 TMS DSP 器件，掌握 DSP 系统的构成及软硬件设计方法和 CCS 软件的调试方法；并以TI 公司的 TMS DSP 为核心处理器，在 DSK 上实现 FIR 滤波器系统。2、DSP 及其开发环境- 6 -2.1 开发平台DSP 系统 2.1.1 DSP 系统的构成一个典型的 DSP 系统如图 2.1 示。图 2.1 典型的 DSP 系统图 2.1 是一个用 DSP 做信号处理的典型框图。由于
10、DSP 是用来对数字信号进行处理的，所以首先必须将输入的模拟信号变换为数字信号。于是先对输入模拟信号进行调整，输出的模拟信号经过A/D 变换后变成 DSP 可以处理的数字信号，DSP 根据实际需要对其进行相应的处理，如 FFT、卷积等；处理得到的结果仍然是数字信号，可以直接通过相应通信接口将它传输出去，或者对它进行 D/A 变换将其转换为模拟采样值，最后再经过内插和平滑滤波就得到了连续的模拟波形模拟信号。当然，图中的有些环节并不是必需的。如A/D 转换，如果输入的是数字信号，就可以直接交给 DSP 进行运算。2.1.2 DSP 系统的优缺点及设计流程由于数字信号处理系统是以数字信号处理理论为基
11、础，所以具有数字信号处理的全部优点：(1)接口方便 DSP 系统与其它以数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容- 7 -的，比模拟系统与这些系统接口要容易的多。(2)编程方便 DSP 系统中的可编程 DSP 芯片可以使设计人员在开发过程中灵活方便的进行修改和升级，可以将 C 语言与汇编语言结合使用。(3)具有高速性DSP 系统的运行较高，最新的 DSP 芯片运行速度高达 10GMIPS以上。(4)稳定性好DSP 系统以数字处理为基础， 受周围环境，如噪声、温度等的影响小、可靠性高；(5)精度高例如 16 位数字系统可以达到 10-5 的精度；(6)可重复性好 模拟系统的性能受元件参数性能变化影
12、响大，而数字系统基本不受影响，更便于测试、调试和大规模生产。(7)集成方便 DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生产。当然 DSP 也存在一定的缺点。例如，对于一些简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用 DSP 则使成本增加。另外，DSP 系统中的高速时钟通常在几十兆赫，可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题， 而且 DSP 的功率消耗在系统中也是较大的。此外，DSP 技术发展得很快，数学知识要求多，开发和调试工具还很- 8 -不完善。虽然 DSP 系统还存在一些缺点，但是随着近两年来 DSP 技术突飞猛进的发展，成本的下降，很多问题都得到了缓解。其突出的优点已经使其在通
13、信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。一般来说 DSP 的设计过程应遵循一定的设计流程，如图 2.2 示。图 2.2 DSP 基本设计流程2.1.3 DSP 系统硬件电路图根据使用DSP芯片的相关原则，以及芯片手册具体决定未用端子是接上拉电阻还是悬空。可以得出DSP数字滤波器的整体硬件电路连线图，如图2.3所示DSP 应用定义系统性能指标硬件调试选择 DSP 芯片软件编程 硬件设计系统集成软件调试系统测试和调试- 9 -图 2.3 DSP 系统硬件电路图2.2 CCS 开发环境CCS 全称是 Code Composer Studio 它提供了基本的代码生成工具，具有一定的调试、分析能力，在 CCS 下的程序开发过程如图2.4 所示。图 2.4 程序开发过程CCS 包括：1、CCS 代码生成工具2、CCS 集成开发环境 IDE3、DSP/BIOS 插件程序和 API RTDX 插件，主机接口和 API 等。- 10 -下面将着重介绍前两项。2.2.1 CCS 集成开发环境 调试 DSP 目标程序，它主
