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1、DSP综合课程设计 题目：基于TMS320C5402的FIR数字滤波器的设计姓名： 目录摘要- 3 -1.数字滤波器设计原理- 4 -1.1 数字滤波器的定义和分类- 4 -1.2 数字滤波器的优点- 5 -1.3 FIR滤波器的基本原理- 6 -1.3.1 FIR数字滤波器的特点和结构- 6 -1.3.2 FIR滤波器的优点- 8 -1.4 FIR和IIR滤波器的比较- 9 -2.TMS320C54的硬件结构与主要特性- 10 -3数字滤波器的MATLAB辅助设计- 12 -3.1 MATLAB简介- 12 -3.2 FIR数字滤波器的MATLAB设计原理方法- 12 -3.2.1FIR滤波
2、器的设计原理- 12 -3.2.3等效最佳一致逼近法- 17 -3.3 基于FDAtool的滤波器设计- 22 -3.3.1 FDAtool界面介绍- 22 -4 数字滤波器的CCS实现- 24 -4.1 简述CCS环境- 24 -4.2 CCS特点- 25 -4.3 CCS的配置- 25 -4.4 CCS环境中工程文件的使用- 26 -4.4.1 建立工程文件- 26 -4.4.2 创立新文件- 27 -4.4.3 向工程中添加文件- 27 -4.5 编译链接装载- 28 -4.6利用 Matlab 产生噪声信号用于滤波器测试- 29 -4.7 将滤波器设计文件载入到内存中- 31 -4.8
3、 查看滤波器滤波效果- 31 -4.9 观察结果- 33 -5 总结- 34 -6 附录 程序清单- 35 -摘要: 滤波器的设计是数字信号处理中最基础的部分，也是比较重要的部分。这次有限长单位脉冲响应(FIR)滤波器的设计考虑了如下三种方案：分别采用通用单片机、DSP 芯片、FPGA，考虑各种方案的优缺点以及这次设计的目的和用途，在本次设计中采纳第二中方案。首先采用MATLAB对滤波器进行仿真，使用的是它自带的函数库，仿真成功后得到滤波器的滤波系数，然后再基于TMS320VC5402 DSP 芯片采用C语言实现FIR数字滤波器。其中用到了CCS作为DSP开发环境。FIR滤波器主要采用非递归结
4、构，因此在有限精度运算中不存在稳定性问题，误差较小。而且它能适应某些特殊的场合，如构成微分器或微分器，因而有更大的适应性。关键字: 滤波器、FIR、MATLAB、TMS320C54X、DSP、CCS 1.数字滤波器设计原理1.1 数字滤波器的定义和分类数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。因此，数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用的数字计算机，也可以将所需要的运算编成程序，让通用计算机来执行。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
5、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滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)。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）等四类滤波器按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。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。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个树形结构，如图数字混合取样模拟无源异类有源滤波器离散模拟传输波各类谐振波表面波复数多维自适应FIR IIR窄带机械陶瓷
6、晶体RCRCLC图 1-1 滤波器的分类1.2 数字滤波器的优点 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将会越来越广泛。同时DSP处理器(Digital Signal Processor)的出现和FPGA(FieldProgrammable 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。数字滤波器具有以下显著优点:精度高:模拟电路中元件精度很难达到10-3，以上，而数字系统17位字长就可以达到10-5精度。因此在一些精度要
7、求很高的滤波系统中，就必须采用数字滤波器来实现。灵活性大:数字滤波器的性能主要取决于乘法器的各系数，而这些系数是存放在系数存储器中的，只要改变存储器中存放的系数，就可以得到不同的系统，这些都比改变模拟滤波器系统的特性要容易和方便的多，因而具有很大的灵活性。可靠性高:因为数字系统只有两个电平信号:1”和“0，受噪声及环境条件的影响小，而模拟滤波器各个参数都有一定的温度系数，易受温度、振动、电磁感应等影响。并且数字滤波器多采用大规模集成电路，如用CPLD或FPGA来实现，也可以用专用的DSP处理器来实现，这些大规模集成电路的故障率远比众多分立元件构成的模拟系统的故障率低。易于大规模集成:因为数字部
8、件具有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，且数字滤波电路主要工作在截止或饱和状态，对电路参数要求不严格。因此产品的成品率高，价格也日趋降低。相对于模拟滤波器，数字滤波器在体积、重量和性能方面的优势己越来越明显。比如在用一些用模拟网络做的低频滤波器中，网络的电感和电容的数值会大到惊人的程度，甚至不能很好地实现，这时候若采用数字滤波器则方便的多。并行处理：数字滤波器的另外一个最大优点就是可以实现并行处理，比如数字滤波器可采用DSP处理器来实现并行处理。TI公司的TMS320C5000系列的DSP芯片采用8条指令并行处理的结构，时钟频率为100MHZ的DSP芯片，可高达100MIPs(即每秒执
9、行百万条指令)。1.3 FIR滤波器的基本原理1.3.1 FIR数字滤波器的特点和结构 在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器，FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性。FIR滤波器不断地对输入样本x(n)延时后，再作乘法累加算法，将滤波结果y(n)输出，因此，FIR实际上是一种乘法累加运算。 在数字滤波器中，FIR滤波器的最主要的特点是没有反馈回路，故不存在不稳定的问题，同时，可以在幅度特性是随意设置的同时，保证精确的线性相位。稳定和线性相位特性是FIR滤波器的突出优点。另外，它还有以下特点：设计方式是线性的;硬件容易实现;滤波器过渡过程具有有限区
10、间;相对IIR滤波器而言，阶次较高，其延迟也要比同样性能的IIR滤波器大得多。3FIR数字滤波器系统的传递函数为:通过反z变换,数字滤波器的差分方程为:由此得到系统的差分方程: 由上式可以得出如下图所示的直接型结构，这种结构又可以称为卷积型结构。将转置理论应用于图1.1可以得到转置直接型结构。将式中的系统函数H(z)分解成若干一阶和二阶多项式的连乘积:(1.4) (1.4)则可构成如图所示的级联型结构。其中 为一阶节 ;为二阶节。每个一阶节、二阶节可用图1.2所示的直接型结构实现。当M1 = M2时，即得到图1.3所示的具体结构。这种结构的每一节都便于控制零点，在需要控制传输零点时可以采用。但
11、是它所需要的系数a比直接型的h(n)多，所需要的乘法运算也比直接型多。在对滤波器计算时间没有特殊要求的时候可以采用这种形式。若需要严格考虑滤波器的计算时间则需要折衷它们的优点和缺点来设计。这在算法设计时候要使用软件编辑环境来计算运行的时间问题。通常FIR的计算时间都较长。很多时候我们需要牺牲时间来获得想要得到的滤波器功能。图1.1 FIR滤波器直接型机构图图1.2 级联型结构图图1.3 级联型具体结构FIR滤波器实质上就是一个分节的延迟线，把每一节的输出用滤波器系数进行加权累加，便得到滤波器的输出结果，它总是稳定并且可实现的。在一些工程实际应用（如：图像处理、数据调制解调）中，往往对相位要求较
12、高。FIR滤波器可以实现严格的线性相位，从而得到了广泛应用。它的差分方程数学表达式为： 式中，N是FIR滤波器的抽头数，x(n)表示在n 时刻输入的信号样值，h(n)表示滤波器的第n级抽头系数。横截型FIR滤波器的结构如图2所示：1.3.2 FIR滤波器的优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滤波器一般为非递归结构，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。总结FIR数字滤波器的优点：l 很容易获得
13、严格的线性相位，避免被处理的信号产生相位失真，这一特点在宽频带信号处理、阵列信号处理、数据传输等系统中非常重要；l 可得到多带幅频特性；l 极点全部在原点（永远稳定），无稳定性问题；l 任何一个非因果的有限长序列，总可以通过一定的延时，转变为因果序列， 所以因果性总是满足；l 无反馈运算，运算误差小。FIR数字滤波器的缺点：l 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；l 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序完成。1.4 FIR和IIR滤波器的比较在很多实际应用中如语音和音频信号处理中，数字滤波器来实现选频功能。因此，指标的形式应为频域中的幅
14、度和相位响应。在通带中，通常希望具有线性相位响应。在FIR滤波器中可以得到精确的线性相位。在IIR滤波器中通带的相位是不可能得到的,因此主要考虑幅度指标。IIR数字滤波器的设计和模拟滤波器的设计有着紧密的联系，通常要设计出适当地模拟滤波器，再通过一定的频带变换把它转换成为所需要的数字IIR滤波器。此外，任何数字信号处理系统中也还不可避免地用到模拟滤波器，比如A/D变换器前的抗混叠滤波器及D/A转换后的平缓滤波器，因此模拟滤波器设计也是数字信号处理中应当掌握的技术。从性能上来说，IIR数字滤波器传递函数包括零点和极点两组可调因素，对极点的唯一限制是在单位圆内。因此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存储单元少、计算量小、效率高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。FIR滤波器传递函数的极点是固定在原点，是不能动的，它只能靠改变零点位置来改变它的性能，所以要达到高的选择性，必须用高的阶数，对于同样的
