课程设计论文主体

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1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 1 页 共 14 页第 1 章 绪论1.1 数字滤波器数字滤波器是一个离散时间系统（按预定的算法，将输入离散时间信号(对应数字频率)转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置）。应用数字滤波器处理模拟信号（对应模拟频率）时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的数字频率（2*f/fs,f 为模拟信号的频率，fs 为采样频率，注意区别于模拟频率),按照奈奎斯特抽样定理，要使抽样信号的频谱不产生重叠，应小于折叠频率（ws/2=)，其频率响应具有以 2 为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即= 点对称。数字滤波器在语言信号处理

2、、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。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，等等。上述这些信号大部分是模拟信号，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

3、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。1.2 数字滤波器的应用现状与发展趋势在信号处理过程中，所处理的信号往往混有噪音，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称为滤波，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功的领域。（1）按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和

4、离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。（2）按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如 PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 2 页 共 14 页（3）按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。为适应各种需要，出现了一批新型滤波器，这里介绍几种已得到广泛应用的新型滤波器：（1）电控编程 CCD 横向滤波器（FPCCDTF）：电荷耦合器（C

5、CD）固定加权的横向滤波器（TF）在信号处理中，其性能和造价均可与数字滤波器和各种信号处理部件媲美。这种滤波器主要用于自适应滤波；P-N 序列和 Chirp 波形的匹配滤波；通用化的频域滤波器及相关积运算；语音信号和相位均衡；相阵系统的波束合成和电视信号的重影消除等均有应用。当然，更多的应用有待进一步开拓。总之，FPCCDTF 是最有希望的发展方向。（2）晶体滤波器：它是适应单边带技术而发展起来的。在 20 世纪 70 年代，集成晶体滤波器的产生，使它的发展产生一个飞跃。近十年来，晶体滤波器致力于下面一些研究：实现最佳设计，除具有优良的选择外，还具有良好的时域响应。它广泛应用于多路复用系统中作

6、为载波滤波器，在收发信中，单边带通信机中作为选频滤波器，在频谱分析仪和声纳装置中作为中频滤波器。（3）声纳:声纳信号处理分为两大类，即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理，有源声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。例如，他们都要产生和发射脉冲式探测信号，他们的信号处理任务都主要是对微弱的目标回波进行检测和分析，从而达到对目标进行探测、定位、跟踪、导航、成像显示等目的。(4)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首要问题。告诉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

7、从信号的产生、滤波、加工到目标参数的估计和目标成像显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC 滤波器占 50%；晶体滤波器占 20%；机械滤波器占 15%；陶瓷和声表面滤波器各占 1%；其余各类滤波器共占 13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研

8、制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 3 页 共 14 页第 2 章 数字滤波器设计方案2.1 设计方案本课题主要应用 MATLAB 软件设计 FIR 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，用 TMS320C5402 来实现了 FIR 数字滤波。在 Matlab 中利用滤波器设计、分析工具(FDATool)，根据指定的滤波器性能快速设计一个 FIR，然后把滤波器系数以头文件形式导人 CCS 中，头文件中含滤波器阶数和系数数组，在 Matlab 中调试、运行

9、 DSP 程序并显示、分析处理后的数据。使用该方法，便于采用语言来实现程序。头文件名不变，当 Matlab 中设计的滤波器系数改变时，相应头文件中系数也改变，方便了程序调试、仿真。软件整体设计流程如下图所示：2-1 设计方案图2.2 窗函数设计的基本方法从时域出发，设计 h(n)逼近理想 hd(n)，设理想滤波器的单位脉冲响应为 hd(n)，则有 deHnhnhejnjdd jndjd )(21)(吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 4 页 共 14 页所求得的 一般是无限长的，且是非因果的。要想得到一个因果的有限长的滤波器 h(n)，最直接的方法是截断 ，或者说用一个窗口函数 对

10、进行加窗处理，即 。因此，应选择合适的窗函数。MATLAB 信号处理工具箱提供了基于窗函数法的 FIR滤波器的设计函数 fir1 和 fir2，它们能使滤波器的设计更加简单。fir1：功能：基于窗函数的 FIR 滤波器设计标准频率响应形状。格式：b=fir1(N,wc,ftype,window).说明：标准频率响应应指所设计的滤波器的预期特性为理想频率响应，包括低通、带通、高通或带阻特性。ftype 和 window 可以默认。B=fie1(N,wc)可得到截止频率为 wc 且满足线性相位条件的 N 阶 FIR 低通滤波器，window 默认选用 hamming 窗。其单位脉冲响应 h(n)为

11、h(n)=b(n+1) n=0,1,2,N当 wc=wc1,wc2时，得到的是通带为 wc1wwc2 的带通滤波器.b=fir1(N,wc,ftype). 可设计高通和带阻滤波器。当 ftype=high 时，设计高通 FIR 滤波器；当 ftype=stop 时，设计带阻 FIR 滤波器。fir2：功能：基于窗函数的 FIR 滤波器设计任意频率响应形状。格式：b=fir2(N,f,m,window)说明：fir2函数用于设计具有任意频率响应形状的加窗线性相位FIR数字滤波器，其幅频特性由频率点向量f和幅度值向量m给出，0 f 1,要求f为单增向量，而且从0开始，以1结束，1表示数字频率w=

12、.m与f等长度，m(k)表示频点f(k)的幅频响应曲线。用各种窗函数设计 FIR 数字滤波器分别用矩形窗和 Hamming 窗设计线性相位 FIR 低通滤波器。通带截止频率，单位脉冲响应 h(n)的长度 N=21。/4cw用窗函数法设计 FIR 数字滤波器时，先求出相应的理想滤波器单位脉冲响应 ,再()dhn根据阻带最小衰减选择合适的窗函数 w(n),最后得到 FIR 滤波器单位脉冲响应。()()dhn2.3 FIR 滤波器的优点与缺点可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位；由于 FIR 滤波器的单位脉冲 h(n)是有限长序列，因此 FIR 滤波器没有不稳定的问题；由于 FIR

13、 滤波器)(nhd )(nhdw)(nhd )()(wnhd吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 5 页 共 14 页一般为非递归结构，因此，在有限运算下不会出现递归型结构中的极限振荡等不稳定现象误差较小；FIR 滤波器可以采用 FFT 算法实现，从而提高了运算效率。FIR 数字滤波器的优点：（1）单位冲击响应只有有限项；（2）FIR 滤波器无反馈回路，是一种无条件稳定系统；（3）FIR 滤波器可以设计成具有线性相位特性。FIR 数字滤波器的缺点：（1）因为无极点，要获得好的过渡带特性，需以较高的阶数为代价；（2）无法利用模拟滤波器的设计结果，一般无解析设计公式，要借助计算机辅助设计程

14、序完成。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 6 页 共 14 页第 3 章 TMS320C54x 系列的硬件结构与主要特性3.1 TMS320C54x 的主要特性TMS320C54x 系列 DSP 是 TI 公司在继 TMS320C1x、TMS320C2x、TMS320C5x 之后推出的新一代 16 位定点数字信号处理器，运算速度高达 100MIPS。TMS 320C54x 的体系结构采用改进的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部具有 8 条高度并行的总线。并配有功能强大的指令系统，使得具有很高的处理速度和广泛的应用适应性。自推出以来已广泛的应用于诸如移动通信、数字无线电计算机网络以及

15、各种专门用途的实时嵌入系统和仪器仪表中。3.1.1 CPU 部分（1）先进的多总线结构(1 条程序总线，3 条数据总线和 4 条地址总线)；（2）40 位算术逻辑运算单元(ALU)，包括 1 个 40 位桶型移位寄存器和 2 个独立的 40 位累加器；（3）17 位17 位并行乘法器，与 40 位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法/累加(MAC)运算；（4）比较选择存储单元(CSSU),用于加法/比较选择；（5）指数编码器,可以在单周期内计算 40 位累加器中数值得到指数；（6）双地址生成器，包括 8 个辅助寄存器和 2 个辅助寄存器算术运算单元(ARAU)存储器；3.1.2 存储器系统

16、（1）192K 字可寻址存储空间（64K 字程序存储器，64K 字数据存储器以及 64K字 I/O 空间）；（2）片内 ROM，可配置位程序/数据存储器；（3）片内双寻址 RAM（DARAM）；C5402 中的 DARAM 分为若干块。由于在每个机器周期内,允许对同一 DARAM 块寻址 2 次，因此 CPU 可以在一个机器周期内对同一 DARAM 读出 1 次。一般情况下，DARAM 总是映象到数据存储空间，主要用于存放数据。但是，它也可以映象到程序存储空间，用来存放程序代码。3.1.3 指令系统吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 7 页 共 14 页（1）单指令重复和块指令重复操作；（2）块存储器传送操作；（3）32 位长操作数指令；（4）同时读入 2 或 3 个操作数的指令；（5）能并行存储和并行加载的算术指令；（6）条件存