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1、 师大学本科毕业设计基于DSP的FIR滤波器设计学生333院系名称物理与电子工程学院专业名称电子信息工程班 级33333学 号33333指导教师完成时间2014年 5月 10日 / 基于DSP的FIR滤波器设计 电子信息工程专业学生 曾慧 指导教师 汪文蝶摘要随着科学技术和信息处理的高速发展，目前数字信号处理已经在电子信息、无线电、自动控制等得到广泛应用。本文基于DSP完成了FIR低通滤波器设计。介绍了FIR数字滤波的特点和设计方法以与FIR低通滤波器的设计过程。主要采用了布拉克曼（Blackman）窗函数实现FIR低通滤波器，并给出了MATLAB仿真结果。最终基于DSP在TMS320VC50
2、09平台上用C语言编程在CCS软件上实现了通带边缘频率10KHz，阻带边缘频率22KHz，阻带衰减75dB，采样频率50KHz的FIR低通滤波器。关键词：FIR低通滤波器 DSP CCS 窗函数 MATLABDSP-based FIR Filter DesignAbstractWith the rapid development of science and technology and information processing, the current digital signal processing has been widely applied in electronic info
3、rmation, radio, automatic control.Based on DSP completed the FIR low-pass filter design. Describes the characteristics and design method of FIR digital filter and FIR low-pass filter design process.The main use of Blackman (Blackman) window FIR low-pass filter function implementation, and gives the
4、MATLAB simulation results. Ultimately based on DSP using C language programming on the CCS software platform on TMS320VC5009 filter passband edge frequency 10KHz, stopband edge frequency 22KHz, stop-band attenuation 75dB, FIR 50KHz sampling frequency low-pass. Keywords: FIR low-pass filter window fu
5、nction MATLAB DSP CCS目 录摘要IAbstractII1 引言11.1 选题背景与研究意义11.2 国外发展11.3 研究容22 FIR滤波器的理论基础22.1 FIR滤波器的特点22.1.1 FIR滤波器设计的特点32.1.2 FIR滤波器的基本结构32.2 线性相位FIR滤波器的特点52.3 各种窗函数62.3.1 窗函数的设计思想62.3.2几种常用的窗函数介绍82.4 用窗函数设计法来设计FIR低通滤波器92.5 MATLAB仿真113 DSP的实现平台133.1 DSP硬件开发环境133.1.2 DSP的硬件结构示意图143.1.3 TMS320VC5509A基本
6、介绍143.2 DSP软件开发环境143.3 CCS实现FIR低通滤波器设计164 结论194.1 试验结果分析194.2 总结19致19参考文献20附录211 引言1.1 选题背景与研究意义 随着信息技术和计算机学科的不断发展，数字型号处理从20世纪60年代以来就迅速的发展起来。数字信号处理不仅应用在通信、仪器 、工业控制与自动化、医疗、军事、还广泛应用在滤波与变换、音频、语音、图象和图形以与消费电子等众多领域中。总之数字信号处理是把信号用数字或符号表示的序列，通过计算机或通用信号处理设备，用数字的数字计算方法处理（滤波、变换，图象的压缩与增强、估值和识别等加工处理等），为了达到提取有用信息
7、的目的。几乎所有的工程技术领域都涉与到数字信号处理。 在发展的过程中，与模拟信号处理相比较，数字信号处理也出现了很多明显的优点，如高精度在高精度的系统中，有时只能采用数字系统；灵活性高，数字系统的性能主要由乘法器的系数决定，而系数存放在系数存储器中，因而只需改变存储的系数就可以得到不同的系统，比改变模拟系统方便很多；可靠性强，因为数字系统只有两个信号电平“0”“1”，因而受周围环境的温度与噪声影响小，因此可靠性强；容易大规模集成，由于数字部件具有高度规性，便于大规模集成、大规模生产。故产品成品率高；可获得高性能指标等等。由于数字信号处理的突出优点，因此他在语音、雷达、地震测报、通信、遥感、生物
8、医学、电视、仪器中得到非常广泛的应用。数字信号处理（DSP）的各种芯片可通过软件改变参数来改变滤波器的特性，具有高的灵活性，而且数字信号处理应用非常广泛，因此我们要去理解滤波器的工作原理，研究其的设计方法，优化其设计方法。特别是FIR低通滤波器的设计，与IIR低通滤波器相比，它具有严格的线性相位，同时有可以具有任意的幅度特性。最重要的是FIR滤波器的单位抽样响应是有限长的，因而滤波器一定是稳定的。这种独特的优势，让我想去研究关于数字处理的FIR滤波器，充分体现FIR滤波器的优势。本课题不仅具有理论意义，同时还具有实际意义。1.2 国外发展20世纪60年代起，随着信息技术和计算机的快速发展，数字
9、信号处理是一门广泛应用与许多领域涉与许多学科的工学学科，并且得到了飞速的发展，在如今的数字化时代，它已成为计算机、通信、消费电子等领域的基本器件。DSP的发展基本可以分为三个阶段： 最初的DSP只是用微处理器来处理，但其处理速度非常慢，根本无法满足人们的需求。而且只出现在书本上，无法应用在实际中，应用非常的狭窄，一般指用在航空航天、军事上。第一代DSP芯片TMS32010伴随着半导体技术和集成电路技术的发展而诞生，现在它的运算速度快乐几十倍，在实际中也得到应用，但是它的功耗和尺寸都很大，容量也非常小，而且应用非常不灵活。但它也给DSP产生了非常的影响，标志着DSP的快速进步。到80年代中期，随
10、着CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其运算速度和存储容量都得到了很大的提高，称为语音处理和图象硬件处理技术的基础。第三代DSP芯片出现在80年代后期，运算速度得到飞速的提高，通信、计算机领域也得到了广泛的使用。DSP不仅在国外，而且最近在中国市场作为整个半导体市场一样为国际半导体市场的一个组成部分，必然具有国际半导体市场的共性。由于它根植于中国这一特定经济与社会环境的土壤中。DSP在中国的发展具有非常大的市场。随着社会的快速发展以与人们对高端产品的喜爱和依赖，以与高端产品给人们带来的乐趣和用途，促使DSP的快速发展。MMoIP、数码相机、数码手表和手持电子设备、汽车电子等数码产品得到广泛的使用
11、。在中国市场的迅速发展促进了高性能DSP的广泛使用。中国的电子产品制造商众多，对低成本、易使用的DSP需求巨大。DSP主要应用在通讯领域、数字影音的产品，这让DSP不得不快速的发展来适应人们的需求，提高自身的价值，未来DSP市场竞争将越趋激烈。1.3 研究容 本论文是TI公司近年推出的高性能TMS320VC5509的DSP芯片设计滤波器系统，基于DSP的FIR有限冲激响应滤波器，完成了通带边缘频率10KHz，阻带边缘频率22KHz，阻带衰减75dB，采样频率50KHz的FIR低通滤波器。采用布拉克曼（Blackman）窗函数在MATLAB和CCS上仿真实现FIR低通滤波器。 本论文共分为四个部
12、分，第一章为引言部分，介绍DSP与其滤波器的发展现状；第二章详细FIR滤波器的理论基础，FIR低通滤波器的设计法方法与其算法，以与在MATLAB上的仿真。介绍DSP的特点、性能指标、软件开发工具、指令系统与硬件结构；第三章介绍了实现FIR滤波器实现的硬件和软件平台以与如何在CCS上的实现。第四章介绍了本次设计的结果分析；其中第二、三章是本论文的核心部分。2 FIR滤波器的理论基础2.1 FIR滤波器的特点 由于无限长单位冲激响应(IIR)数字滤波器有非常明显的缺点，他的相位是非线性的，若需要线性相位，则要采用全通网络进行相位校正，然而，图象处理以与数据传输都要求有严格的线性相位特性，而有限长单
13、位冲激响应（FIR）滤波器就可以做成严格的线性相位，同时有可以具有任意的幅度特性。最重要的是FIR滤波器的单位抽样响应是有限长的，因而滤波器一定是稳定的。只要经过一定的延时，任何非因果有限长序列都能变成因果有限长序列，因而总能用因果系统来实现，还可以用快速傅里叶变换（FFT）算法来实现滤波，从而可以提高运算效率。因此 FIR滤波器的线性相位是我们研究的重点。实现数字滤波器的方法有很多：最开始用到的无限长冲激响应IIR滤波器设计，当然它也有很多数字滤波器的优点，如：可以利用模拟滤波器设计的结果，而模拟滤波器设计有大量图表可查，因此他方便简单，但是它有很明显的缺点，就是想为的非线性，但是要想得到线
14、性相位，那必须通用全通网络进行相位校正，此过程非常复杂且不易实现。因此上面提到的FIR滤波器的优点就得到了明显的优势，因此也得到了广泛的使用。但是要取得很好的衰减特性，FIR滤波器的阶次比IIR滤波器的要高。因此要是对于非线性相位的FIR滤波器，一般可以用IIR滤波器来替换，同样幅度特性，IIR滤波器所需要的阶次比FIR滤波器的阶次要少得多，所以让我们最感兴趣的是FIR滤波器的线性相位。 FIR滤波器具有独到的优点，它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。2.1.1 FIR滤波器设计的特点 （1）系统的单位冲激响应在有限个值处不为0。 （2）系统函数在处只有零点，即有限z平面
15、只有零点，而全部极点都在处，而全部极点都在处（因果系统）。 （3）结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中也包含有反馈的递归部分。 最主要的是FIR滤波器具有严格的线性相位和稳定性，任何非因果有限长序列都能变成因果有限长序列，因而总能用因果系统来实现。2.1.2 FIR滤波器的基本结构 （1）FIR数字滤波器的基本原理 设为滤波器的冲激响应，输入信号为 ，则FIR 滤波器就是要实现下列差分方程: (1)这就是FIR 滤波器的差分方程。FIR 滤波器的最主要的特点是没有反馈回路，因此它是无条件稳定系统。它的单位脉冲响应是一个有限长序列。由上面的方程可见，FIR 滤波算法实际上是一种乘法累加运算，它不断地输入样本，经延时(Z)做乘法累加，再输出滤波结果。对式(1)进行Z 变换整理后可得FIR 滤波器的传递函数为: (2) 由式(2)可以看出，F
