FIR滤波器(带通滤波器)

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1、课程设计任务书分院（系）信息科学与工程学院专业电子信息工程学生姓名学号设计题目FIR滤波器（带通滤波器）内容及要求：1. 设计个截止频率为1500Hz3000Hz的带通数字滤波器。2. 在 DSP TMS320C5509 上实现 FIR 滤波。3. 对FIR滤波器各项指标进行评价。进度安排：2011年12月31日选题、查阅资料。2011年01月01-11日课内上机编写软件程序（或硬件原理图设计）调试程序及仿真，课外上机调试程序及仿真，调试程序及仿真、 调试出结果、调试结果验收并写报告。指导教师（签字）：年月日分院院长（签字）：年 月日DSP芯片是一种高性能的微处理器，其技术发展大大推动了数字信

2、号处理技术的发 展与应用，目前从工业系统到家电产品，从军事装备到生物医学仪器，无不融入了 DSP 技术。本文阐述了带通数字滤波器的功能和基本原理，并且介绍了 CCS3.3环境的相关内 容，然后在CCS3.3中以TMS320C55X芯片的汇编语言编程实现了带通数字滤波器的设 计。而且通过仿真和验证，初步完成了设计。关键词：DSP；微处理器；CCS3.3 ； TMS320C55X1数字滤波器设计原理21.1 数字滤波器的定义和分类21.2 数字滤波器的优点21.3 FIR滤波器基本原理31.3.1 FIR数字滤波器的特点及结构31 .3.2 FIR滤波器具有的优点51.4 IIR数字滤波器基本原理

3、51.5 FIR和IIR滤波器的比较62 TMS320C5X的硬件结构72.1 C55X的CPU体系结构72.2指令缓冲单元（I） 72.3程序流程单元（P） 72.4 地址程序单元（A）82.5 数据计算单元（D） 83数字滤波器设计方法93.1窗函数法93.2 模拟数字变换法104 数字滤波器的MATLAB辅助设计124.1 MATLAB 简介124.2 FDAtool 界面介绍124.3 FIR数字滤波器设计134.3.1 得到滤波器冲激响应序数方法134.3.2 FIR参数设定及频域响应特性145 数字滤波器的CCS实现155.1 简述CCS环境155.1.1 CCS主要特点155.1

4、.2 DSP/BIOS 和 API 函数以及 RTDX插件155.2 CCS 配置165.3 CCS环境中工程文件的使用165.3.1 建立工程文件165.3.2创建新文件175.3.3 向工程项目中添加文件175.4 编译链接和运行目标文件185.4.1对程序进行编译链接185.4.2 装载.out文件186运行并观察结果1921参考文献错误！未定义书签。致谢23附录A C程序清单24附录B滤波器输出系数27绪论21世纪是数字化的时代，随着越来越多的电子产品将数字信号处理(PSP)做为技术 核心，DSP已经成为推动数字化进程的动力。作为数字化最重要的技术之一，DSP无论 在其应用的深度还是广

5、度，正在以前所未有的速度向前发展。数字信号处理器，也称DSP芯片，是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特 殊结构的微处理器，它是现代电子技术、相结合的产物。一门主流技术，随着信息处理 技术的飞速发展，计算机技术和数字信号处理技术数字信号处理技术逐渐发展成为它在 电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪表技术、信息家电等高科技领域得到了越 来越广泛的应用。数字信号处理由于运算速度快，具有可编程特性和接口灵活的特点，使得它在许 多电子产品的研制、开发和应用中，发挥着重要的作用。采用DSP芯片来实现数字信 号处理系统是当前发展的趋势。近年来，DSP技术在我国也得到了迅速的发展，不论是在科学技术研究

6、，还是在产 品的开发等方面，在数字信号处理中，其应用越来越广泛，并取得了丰硕的成果。数字 滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的 一个基本处理算法。在许多信号处理应用中用数字滤波器替代模拟滤波器具有许多优势。数字滤波器容 易实现不同的幅度和相位频率特性指标，克服了与模拟滤波器器件性能相关的电压漂 移、温度漂移和噪声问题。用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、 不受环境影响外，还具有灵活性好的特点。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修 改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。几乎每一科学和工程领域例如声学、物 理学、通信、数据通信、控制系统

7、和雷达等都涉及信号。在许多应用中都希望根据期望 的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算。这些过程都可能包含衰减一个频率范 围，阻止或隔离一些频率成分，用数字滤波器来实现这些功能是方便、有效、可行的。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

8、 器和无限冲击响应(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) 4。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

9、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

10、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

11、。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 执行百万条指令)。1.3 FIR滤波器基本原理1.3.1 FIR数字滤波器的特点及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

12、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。 FIR数字滤波器系统的传递函数为：(1.1)(1.2)(1.3)通过反z变换，数字滤波器的差分方程为：X-:1 (=7 3 fM J X f ? - M由此得到系统的差分方程:y (2=+ 珀 1丿工心-1丿+g - 1 丿心5 - (N -1 J由上式可以得出如下图1.1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

13、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)归k=则可构成如图1.1所示的级联型结构。其中丄为一阶节L (二)二仏心十十凸;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M = 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

14、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石丽”恥)卜抵禹图1.2级联型结构图图1.3级联型具体结构1.3.2 FIR滤波器具有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。1.4IIR数字滤波器基本原理IIR数字滤波器，即无限长单位冲激响应数字滤波器,是指单位冲激

15、响应是无限长，系 统函数在Z平面上有极点存在，结构上存在着输出到输入的反馈，即结构上是递归型的数 字滤波器。换句话说，它的输出不仅取决于过去和现在的输入，而且还取决于过去的输出, 其差分方程为：(1-4)；=()k-式中aS为滤波系数。当br全为零时，该滤波器为FIR数字滤波器;当br不全为零时，则为IIR 滤波器。与FIR数字滤波器相比,I IR数字滤波器可用较低的阶数获得较好的频率选择特性，所 用的存储单元少,成本低，信号延迟小，而且可以借助模拟滤波器设计。1.5 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II