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1、基于MATLAB和DSP芯片的IIR滤波器设计与实现XXX（吉首大学物理科学与信息工程学院， 湖南 吉首 416000）摘 要数字滤波器在数字信号处理中起着重要的作用。在信号的过滤、检测与参数的估计等方面，数字滤波器是使用最为广泛的一种线性系统。本文设计的是IIR数字滤波器。其间利用MATLAB软件强大的科学运算和仿真功能，对IIR滤波器的参数进行设计。仿真结果表明，该方法设计的滤波器能满足设计要求。并且还利用DSP芯片处理速度快，实现简便的特点，对设计的IIR滤波器进行硬件实现，通过编程使得DSP芯片具有数字滤波的功能。关键词：IIR数字滤波器；MATLAB；仿真；DSP芯片。Design
2、and Realization of IIR Digital Filter Based on MATLAB and DSP ChipsFu Binbin(College of Physics Science and Information Engineering, Jishou University, Jishou Hunan 416000)AbstractDigital filter in the digital signal processing plays an important role. Signal filtering, detection and estimation of t
3、he parameters, the digital filter is the most widely used to linear system. Filtering is based on signal processing, signal filtering operation is the basic processing operations. This paper designed IIR digital filter by MATLAB software using strong scientific computing and simulation function, the
4、 parameters of the IIR filter were designed. The simulation results show that the results can be designed to meet the design requirements. Because DSP chips can process data quickly and realize functions conveniently.This design takes DSP chips as the IIR filter processing unit and then make program
5、 to realize digital filtering function.Key words: IIR digital filter ; Matlab ; Simulation ; DSP chips.目 录第一章 绪 论2第二章 数字滤波器设计原理42.1 数字滤波器的基本原理42.2 数字滤波器设计的基本步骤42.3 IIR滤波器的基本结构52.3.1 直接型二阶IIR滤波器的结构62.3.2 标准型二阶IIR滤波器的结构72.4 IIR滤波器的设计原理8第三章 MATLAB软件及DSP芯片的简介113.1 MATLAB 软件简介113.2 DSP芯片简介12第四章 IIR滤波器的设计
6、及实现144.1 IIR滤波器的MATLAB设计144.1.1 IIR滤波器设计步骤144.1.2 编程及图形仿真154.2 IIR滤波器的DSP实现164.2.1程序编写174.2.2 实验仿真结果19第五章 总 结20参考文献21I基于MATLAB和DSP芯片的IIR滤波器设计与实现 绪论第一章 绪 论数字滤波器是数字信号处理理论的一部分。数字信号处理主要是研究用数字或符号的序列来表示信号波形，并用数字的方式去处理这些序列，把它们改变成在某种意义上更为有希望的形式，以便估计信号的特征参量，或削弱信号中的多余分量和增强信号中的有用分量。具体来说，凡是用数字方式对信号进行滤波、变换、调制、解调
7、、均衡、增强、压缩、固定、识别、产生等加工处理，都可纳入数字信号处理领域。数字信号处理学科的一项重大进展是关于数字滤波器设计方法的研究。关于数字滤波器，早在上世纪40年代末期就有人讨论它的可能性问题，在50年代也有人讨论过数字滤波器，但直到60年代中期，才开始形成关于数字滤波器的一整套完整的正规理论。在这一时期，提出了各种各样的数字滤波器结构，有的以运算误差最小为特点，有的则以运算速度高见长，而有的则二者兼而有之。出现了数字滤波器的各种逼近方法和实现方法，对递归和非递归两类滤波器作了全面的比较，统一了数字滤波器的基本概念和理论。数字滤波器的领域的一个重要发展是对有限冲激响应(FIR)和无限冲激
8、响应(IIR)关系的认识的转化。在初期，一般认为IIR滤波器比FIR滤波器具有更高的运算效率，因而明显的倾向前者，但当人们提出用快速傅立叶变换(FFT)实现卷积运算的概念之后，发现高阶FIR滤波器也可以用很高的运算效率来实现，这就促使人们对高性能FIR滤波器的设计方法和滤波器的频域设计方法进行了大量的研究，从而出现了此后数字滤波器设计中频域方法和时域方法并驾齐驱的局面。然而，这些均属数字滤波器的早期研究。早期的数字滤波器尽管在语音、声纳、地震和医学的信号处理中曾经发挥过作用，但由于当时计算机主机的价格很昂贵，严重地阻碍了专用数字滤波器的发展。70年代科学技术的蓬勃发展，数字信号处理开始与大规模
9、和超大规模集成电路技术、微处理技术、高速数字算术单元、双极性高密度半导体存储器、电荷转移器件等新技术、新工艺结合了起来，并且引进了计算机辅助设计方法，它使数字滤波器的设计不仅仅是对相应模拟滤波器的逼近。一般说来，通过对模拟滤波器函数的变换来设计数字滤波器，很难达到逼近任意频率响应或冲激响应，而采用计算机辅助设计则有可能实现频域或时域的最佳逼近，或频域时域联合最佳逼近。这样，数字滤波器的分析与设计其内容也更既丰富起来，各种新的数字信号处理系统，也都能用专用数字硬件实时加以实现。数字信号处理理论与技术的发展，主要是由于电子计算机与大规模集成电路的大量生产和广泛应用，替代了原来的模拟信号处理中的线性
10、滤波与频谱分析所应用的模拟计算机和分立元件L、C、R线性网络，高度发挥了计算技术与数字技术相结合的特色和优越性。特别是微处理器和微型计算机技术日新月异的发展，经更有利于电子仪器与电子技术应用系统朝着数字化、小型化、自动化以及多功能等方向发展，促使它们成为富有智能型的电子系统。现在，包括数字滤波在内的数字信号处理技术正以惊人的速度向纵深和高级的方向发展；据统计这种趋势还要持续一个较长的时期，未来的发展可能会比过去的进程更为激动人心，必将引起某些领域的飞跃性发展。数字滤波器一般可用两种方法实现：一种是根据描述数字滤波器的数字模型或信号流图，用数字硬件装配成一台专门的设备，构成专用的信号处理机，这就
11、是硬件实现方式；另一种方法就是直接利用通用计算机，将所需要的运算编成程序来让计算机来执行，这就是软件实现方式。在硬件实现方式中，是一数字组件如延迟器、加法器和乘法器作为基本部件构成专用数字信号处理系统。不像模拟滤波器需要用电感和电容元件，因此数字信号处理机很容易用数字集成电路来制成，而且它的转移函数可变，各回路之间不存在阻抗匹配问题，因此可以很容易做成最佳冲激响应和恒定延迟的线性相移网络。在软件实现方式中，它是借助于通用计算机机器语言、汇编语言或高级语言程序来做数字滤波器的运算过程。基于MATLAB和DSP芯片的IIR滤波器设计与实现 数字滤波器设计原理第二章 数字滤波器设计原理数字滤波器(D
12、igital Filter，简称为DF)是指用来对输入信号进行滤波的硬件和软件。滤波器可广义地理解为一个信号选择系统。它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的器件。数字滤波器和模拟滤波器相比，因为信号的形式和实现滤波的方法不同，数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配等优点。一般用两种方法来实现数字滤波器:一是采用通用计算机，把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，也就是采用计算机软件来实现；二是采用实际专用的数字处理硬件。2.1 数字滤波器的基本原理数字滤波器
13、的原理如图2.1所示，模拟信号量化后经一个数字系统进行数字运算实现滤波功能。x(n)y(t)y(n)x(t)A/DH(z)D/A图2.1 数字滤波器原理框图图中x(t)、y(t)是输入和输出的模拟信号；x(n)、y(n)是数字滤波器输入和输出的数字量化信号。H(z)是系统的响应函数，根据系统的实际需要可以是无限冲激响应(IIR)或有限冲激响应(FIR)，响应函数的设计也有许多有效的方法。图2.1数字滤波器原理框图响应函数H(z)的设计就是找到一组系统冲激响应的采样值，使滤波器的性能满足预先设计的技术指标，这就是数字滤波器的滤波原理。2.2 数字滤波器设计的基本步骤 数字滤波器设计方法多种多样，
14、其大体步骤如下：1确定指标在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出。第一种是绝对指标。它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器的设计。第二种指标是相对指标，它以分贝值的形式给出要求。在工程实际中，这种指标最受欢迎。对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带中能有线性相位。运用线性相位响应指标进行滤波器设计具有如下优点:只包含实数算法，不涉及复数运算；不存在延迟失真，只有固定数量的延迟；长度为N的滤波器(阶数为N-1)，计算量为N/
15、2数量级。2逼 近确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常采用理想的数字滤波器模型。之后，利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。3性能分析和计算机仿真上两步的结果是得到以差分方程或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求;或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。IIR滤波器设计方法有两类，经常用到的一类设计方法是借助于模拟滤波器的设计方法进行的。其设计思路是：先设计模拟滤波器得到传输函数G(s)，然后将G(s)按某种方法转换为数字滤波器的系统函数H(z)。这一类方法是基于模拟滤波器的设计方法相对比较成熟，它不仅有完整的设计公式，也有完整的图标供查阅，更可以直接调用MATLAB中的对应的函数进行设计。另一种是直接在频域或者时域中进行设计，设计时必须使用计算机辅助，直接调用MATLAB中的程序或函数即可设计。2.3 IIR滤波器的基本结构IIR滤波器差分方程的一般表达式为
