毕业设计(论文)-数字滤波器研究与应用.doc
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1、 本科毕业论文(设计)本科毕业论文(设计) 数字滤波器研究与应用数字滤波器研究与应用 学学 院:院: * 专专 业:业:电子信息科学与技术 班班 级:级: * 学学 号:号: * 学生姓名:学生姓名: * 指导教师:指导教师: * 2011 年 5 月 28 日 贵州大学本科毕业论文(设计) 1 贵州大学本科毕业论文 诚信责任书 本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文,是在导师的指导下独立进行研 究所完成。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等, 均已明确注明出处。 特此声明。 论文(设计)作者签名: 日 期: 贵州大学本科毕业论文(设计) I 目 录 目 录.I 摘要III A
2、BSTRACTIV 第 1 章 概论1 前言.1 1.1 数字滤波器的应用研究理论.1 1.2 数字滤波器的国内外发展趋势.2 1.3 数字滤波器设计应用的实现方法.2 1.4 本文的研究内容.3 第 2 章 数字滤波器的理论研究.4 2.1 数字滤波器的定义及结构原理.4 2.1.1 IIR 数字滤波器的基本原理结构.4 2.1.2 FIR 滤波器的基本原理结构.5 2.2 数字滤波器的设计应用研究.6 2.3 数字滤波器的性能分析.7 2.4 常用数字滤波器的设计方法分析8 2.4.1IIR 数字滤波器的设计方法介绍.8 2.4.2 FIR 数字滤波器的设计方法介绍.9 2.5 常用数字滤
3、波器设计方法理论分析.11 2.6 其他数字滤波器设计应用与研究.12 2.6.1 巴特沃斯滤波器.12 2.6.2 切比雪夫滤波器14 2.7 常用低通滤波器的研究与应用.15 2.7.1 LC 低通滤波器16 2.7.2 无源 RC 低通滤波器.16 2.7.3 有源 RC 低通滤波器.16 第 3 章 数字滤波器的设计与应用.17 3.1IIR 数字滤波器的函数设计.17 3.1.1 双线性变换法.17 3.1.2 脉冲响应不变法.21 3.1.3完全设计函数法 .23 3.2 FIR 滤波器设计分析.24 3.2.1 窗函数设计法.24 3.2.2 典型的窗函数.25 贵州大学本科毕业
4、论文(设计) II 3.2.3 FIR 滤波器滤波实例.28 3.3 语音数字滤波实例.29 3.4 常用数字滤波器的 C 语言程序设计与仿真33 3.5 本章小结.36 第 4 章数字滤波器硬件电路设计37 4.1 基于 DSP 的数字滤波器总体硬件设计方案.37 4.2 TMS320VC54x DSP 的硬件结构.37 4.3 复位电路设计.38 4.4 时钟电路设计.39 4.5 JTAG 接口设计.39 4.6 AD 转换接口电路设计.39 4.7 数字滤波器的程序设计40 第 5 章 总结.44 5.1 数字滤波器的性能总结.44 5.2 设计心得和体会.44 参考文献45 致谢.4
5、6 附件一.47 贵州大学本科毕业论文(设计) III 数字滤波器研究与应用 姓名:* 学号:PB* 学校:贵州大学 指导教师:* 摘要 当前我们正处于数字化的时代,数字信号处理技术受到了人们的广泛关注,数字滤波 器是数字信号处理中最重要的组成部分之一。数字信号处理的研究主要是用数字或符号的 序列来表示信号波形,并用数字的方式去处理这些序列,以便确定信号中的特征参量,或 者达到削弱信号中的多余分量和增强信号中的有用分量。数字滤波器具有信号滤波处理的 功能,同时具备精度高、可靠性好、便于集成等优点。本文分析了国内外数字滤波技术的 应用现状与发展趋势,介绍了数字滤波器的基本结构,研究学习了数字滤波
6、器的基本理论, 以及数字滤波器的实现方法。通过学习数字滤波器的结构、数字滤波器的设计理论,分析 了如何利用 MATLAB 仿真软件和 C 语言程序来设计出符合要求的数字滤波器,并用相关 函数设计出几种常用的数字滤波器。得出滤波器的相关系数,为 DSP 的实现数字滤波硬 件设计做好了一些前期的准备工作。最后研究了 TMS320VC5402 芯片的结构和特性,为 实现数字滤波器系统提供一个稳定的硬件平台。 关键词:数字滤波器,MATLAB,DSP,IIR(无限长单位脉冲响应),FIR(有限长单位脉 冲响应)。 贵州大学本科毕业论文(设计) IV Abstract At present we are
7、 in the digital era, digital signal processing technology has been widely concerned; the digital filter is one of the most important parts a digital signal processing. Research of digital signal processing is to use numbers or symbol sequence to represent signal waveform, and to deal with these sequ
8、ences to determine the signal of the characteristic parameters, or to weaken the signal of excess weight and enhance the signal in the useful components. Digital filter has signal filtering function, with high accuracy, reliability, ease of integration. This paper analyzes the status and development
9、 trend of the digital filter the domestic and international digital filter technology, describes the basic structure of digital filters and studies the basic theory of digital filter implementation. Through the study of digital filter structures and digital filter design theory, it analyses how to u
10、se MATLAB simulation software and C language program to design several types of commonly used digital filters with correlation function with. After got the correlation coefficient, it prepares for the implementation of DSP hardware design. Finally, it studies the structure and properties of TMS320VC
11、5402 chip to provide a stable hardware platform for digital filter system. Key words: Digital filter, MATLAB DSP IIR (infinite impulse response), FIR (finite impulse response) 贵州大学本科毕业论文(设计) 1 第一章 概论 前言前言 数字化的时代到来,数字信号处理技术受到了人们的广泛关注,其理论及算法随着计 算机技术的发展得到了进一步的发展,被广泛应用于语音图象处理、频谱分析、数字通信、 自动控制、模式识别等领域。数字信
12、号处理一般是指用数字方式对信号进行滤波、变换、 调制、解调、均衡、增强、压缩、估值、识别、产生等,数字滤波器具有完成信号滤波处 理的功能,数字滤波器具备精度高、可靠性好、便于集成等优点。一般用有限精度的算法 来实现离散的线性非时变系统,其输入结果是一组由模拟信号通过取样和量化的数字量, 而输出是经过变换后的另一组数字量。本文主要从了解数字滤波器的基本结构,研究数字 滤波器的基本理论,以及数字滤波器的实现方法为主线。利用 MATLAB 仿真软件和相关 编程软件设计出符合各种要求的数字滤波器,并用相关的函数设计了几种常用的数字滤波 器。得出数字滤波器的相关系数,为 DSP 的数字滤波器硬件设计做好
13、一些前期准备工作。 1.1 数字滤波器的应用研究理论 如今随着数字信息时代的到来,数字信号处理已成为一门重要的学科和技术领域。数 字信号处理在通信、语音、图像、自动控制等众多领域得到了广泛的应用。数字信号处理 包括数字信号处理技术和数字信号处理器。数字信号处理是以数值计算的方法,对信号进 行采集、滤波、增强、压缩、估值和识别等加工处理,借以达到提取信息和便于应用的目 的,其应用范围涉及几乎所有的工程技术领域。 数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着十分重要的作用,它是通过对采样数 字信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。数字滤波器是提取有用信息非常重要、 非常灵活的方法,是现代信号处理
14、的重要内容。因而在频谱分析、语音图象处理、自动控 制、模式识别、数字通信等各领域中得到了广泛的应用。同时数字滤波器能够处理低频信 刘令普.数字信号处理M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002. 贵州大学本科毕业论文(设计) 2 号具有很高的精度,便于集成等功能,这些功能将决定了数字滤波器的应用越来越广泛。 1.2 数字滤波器的国内外发展趋势 数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高,具有模拟设备所没有的许多优点,已广 泛地应用于各个科学技术领域, 例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、 生物医学以及许多工程应用领域。随着信息时代数字时代的到来,数字滤波技术已经成为 一门极其重要的学
15、科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术,但是,模拟电路 技术存在很多难以解决的问题,例如,模拟电路元件对温度的敏感性,等等。而采用数字 技术则避免很多类似的难题,当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点,这些都是 模拟技术所不能及的,所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。 关于数字滤波器的研究,在 40 年代末期就有人研究过它的可能性问题,在 50 年代也 有人在研究生班讨论过数字滤波的问题。直到 60 年代中期美国科学家库利、图基总结前 人的研究成果,经过长期的研究,才开始形成了一套完整关于数字滤波器的正规理论。在 这一时期,各种各样的数字滤波器原理结构和特性被提出,并
16、且出现了各种数字滤波器的 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和分析。数字滤波器经 历了有限冲激响应(FIR)和无限冲激响应(IIR)关系的认识转化过程。当利用快速傅 利叶变换(FFT)来实现卷积运算的概念被提出之后,发现高阶有限冲激响应滤波器也可 用较高的运算效率来实现,因此使得人们对高性能的有限冲激响应滤波器的设计方法进行 了大量的研究分析,从而出现了此后数字滤波器设计中频域方法与时域方法的局面。 随着我国科学技术的快速发展,国内有很多专家教授在数字滤波领域展开长期的深入 研究,如天津大学的王兆华教授、山东大学的赖晓平教授等。无论是在理论方面还是在工 程技术领域,都有
17、很多科研成果。因而数字滤波器不断应用在各行各业里,我国现有滤波 器的种类及应用技术己基本上满足现有各种电信设备需求。从整体而言,我国无源滤波器 发展比有源滤波器迅速,而数字滤波器比模拟滤波器的发展较缓慢。 1.3 数字滤波器设计应用的实现方法 一般数字滤波器的实现方法有: (1)利用编程软件在计算机上实现。但这种方法速度太慢,不能在实时系统中应用, 邓重一. . 滤波器的过去、现在与未来J.世界电子元器件. .2003,13(4):4849. 贵州大学本科毕业论文(设计) 3 它主要应用于 DSP 算法的模拟与仿真。 (2)利用通用的单片机来实现。单片机的接口性能良好容易实现人机接口。但是由于
18、 单片机采用的是冯诺依曼总线结构,系统比较复杂,实现乘法运算速度较慢,而在数字滤 波器中涉及大量的乘法运算,因此,这种方法适用于一些不太复杂的数字信号处理。 (3)利用通用的可编程 DSP 芯片实现。因为它具有改进的哈佛总线结构,内部有硬件 有累加器、乘法器等。并且有适用于数字信号处理的指令系统等。 (4)利用专用的 DSP 芯片实现。 (5)利用可编程器件来开发数字滤波的算法。 通过以上这些方法可知,可以利用 MATLAB 等软件来研究和分析数字滤波器的原理 结构和特性,计算出数字滤波器的相关系数,研究算法的可行性,对数字滤波器进行前期 的仿真。本论文主要研究利用 MATLAB 等软件来对数
19、字滤波器进行前期的仿真,得出数 字滤波器的相关系数,为 DSP 的数字滤波器硬件设计做好一些前期准备工作。 1.4 本文的研究内容 本论文主要研究的内容: (1)研究数字滤波器的基本结构和原理特性,以及数字滤波器设计的实现方法。通过 学习和掌握各种数字滤波器的结构、原理和特性。为实现数字滤波器奠定了理论基础。 (2)研究如何利用 MATLAB 仿真软件来设计出符合各种要求的数字滤波器。并采用 了相关的函数设计了几种常用的数字滤波器,并得到了滤波器的相关系数,为 DSP 的实 现数字滤波器的硬件设计做好了一些前期的工作。 (3)研究了 TMS320VC5402 器件的结构和原理特性,结合数字信号
20、处理器的独特的特 点,设计合适的系统框架,并全面的介绍和设计数字滤波器的各个模块电路,合理的处理 模数转换和数模转换芯片与 DSP 的连接。为实现数字滤波器系统提供一个稳定的硬件平 台。 贵州大学本科毕业论文(设计) 4 第 2 章 数字滤波器的理论研究 2.1 数字滤波器的定义及结构原理 数字滤波器具有完成信号滤波处理的功能,数字滤波器具备精度高、可靠性好、便于 集成等优点。一般用有限精度的算法来实现离散的线性非时变的系统,其输入结果是一组 由模拟信号通过取样和量化的数字量,而输出是经过变换后的一组数字量。数字滤波器可 分为有限冲击响应(FIR)数字滤波器和无限冲击响应(IIR)数字滤波器。
21、滤波器按功能上分 为:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。低通滤波器有可以分为 LC 和 RC 滤波器,RC 又可以分为有源低通和无源低通滤波器。 2.1.1 IIR 数字滤波器的基本原理结构 一个数字滤波器可以用系统函数表示为: (2-1) 0 1 ( ) ( ) ( ) 1 M k k k N k k k b z Y z H z X z a z 由系统函数可以得到表示系统输入与输出关系的常系数线形差分为: (2-2) 00 ( )()() NM kk kk y na y nkb x nk 可见数字滤波器的功能就是把输入序列 x(n)通过一定的运算变换成输出序列 y(n)。不 同
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