基于MATLAB的IIR与FIR滤波器的课程设计要点.pdf
《基于MATLAB的IIR与FIR滤波器的课程设计要点.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于MATLAB的IIR与FIR滤波器的课程设计要点.pdf(26页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、目录 1 前言. 1 2 软件简介 . 2 2.1 Matlab 软件简介 2 2.2 CCS软件简介 2 3 FIR 滤波器设计 . 5 3.1 设计背景 . 5 3.2FIR 滤波器的设计原理 5 3.3FIR 设计方法 6 3.4 FIR 低通滤波器的 Matlab 设计 7 3.4.1 FIR性能指标的确定 . 7 3.4.2 Matlab 正弦波与方波的确定 8 3.5 FIR 低通滤波器的 CCS 软件设计 10 3.5.1 CCS汇编程序 10 3.5.2由 CCS所得的正弦波与方波仿真图. 11 4 IIR 低通滤波器的设计 14 4.1 设计背景 . 14 4.2 IIR 低
2、通滤波器的设计原理与方法 . 15 4.3 IIR 低通滤波器的 Matlab 设计 . 16 4.3.1 Matlab 正弦波与方波程序 16 4.4 IIR 低通滤波器的 CCS 软件设计 . 18 4.4.1 IIR 低通滤波器的 CCS 软件仿真 . 18 4.4.2 IIR 低通滤波器 CCS 程序. 20 5 心得体会 . 24 参考文献 25 课程设计说明书 1 1 前言 DSP 数字信号处理(Digital Signal Processing , 简称 DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于 许多领域的新兴学科。20 世纪 60 年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字
3、信号 处理技术应运而生并得到迅速的发展。传感器数字信号处理是利用传感器对模拟信号或数字 信号进行采集并把其转换成计算机可识别的电信号,并利用计算机对信号进行处理以达到计 算机辅助控制或是计算机自动控制的目的。 DSP 芯片是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器,主要用来实时、快速地实现各种 数字信号处理算法。用DSP 芯片实现IIR 数字滤波器,不仅具有精确度高、不受环境影响 等优点, 而且因 DSP 芯片的可编程性,可方便地修改滤波器参数,从而改变滤波器的特性, 设计十分灵活。 本课程是电子信息工程专业的专业基础课,目的为通过对课程设计任务的完成,使学生理解 课程教学的理论内容,并且能够掌
4、握和熟悉DSP 的开发流程和基本的编程方法。FIR 滤波 器具有严格的线性相位特性,由于图像处理、 数据传输等以波形携带的信息系统。在数字信 号处理中, 滤波占有极其重要的地位。数字滤波是数字信号处理的一个基本方法。一个 DSP 芯片执行数字滤波算法的能力,反应了这种芯片的功能大小。 随着信息与数字技术的发展,数字信号处理已经成为当今极其重要而学科与技术领域之一。 它在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得 到了广泛的应用。在数字信号处理的基本方法中,通常会涉及到变换、滤波、频谱分析、调 制解调和编码解码等处理。其中滤波是应用非常广泛的一个环节,数字滤波器
5、的理论和相关 设计也一直都是人们研究的重点之一。FIR 滤波器的是非递归的,稳定性好,精度高;更重 要的是, FIR 滤波器在满足幅频响应要求的同时,可以获得严格的线性相位特征。因此,它 在高保真的信号处理,如数字音频、图像处理、数据传输和生物医学等领域得到广泛应用。 在数字信号处理中,滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音信号处理、图像处理、 模式 识别、频谱分析等应用的基本处理算法。用DSP 芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精 确度高、不受环境影响等优点外,还具有灵活性好等特点。 课程设计说明书 2 2 软件简介 2.1 Matlab 软件简介 MATLAB的名称源自Matrix Lab
6、oratory ,它是一种科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数 据。 MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起,并提供了大量的内置函数,从而 被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作,而且利用 MATLAB产品的开放式结构,可以非常容易地对MATLAB 的功能进行扩充, 从而在不断深 化对问题认识的同时,不断完善MATLAB 产品以提高产品自身的竞争能力。 MA TLAB是由美国mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设 计的高科技计算环境。接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处 理与通讯、图像处理、信号检
7、测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位 是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MA TLAB 来解算问题 要比用 C,FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多,并且MATLAB也吸收了像Maple 等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C, FORTRAN ,C+,JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程 序,用户可以直接进行下载就可以用。 图 2-1 Matlab 主界面 2.2 CCS软件简介 C
8、CS 是一种针对TMS320 系列 DSP 的集成开发环境,在 Windows 操作系统下,采用图 形接口界面,提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。 CCS 有两种工作模式,即 软件仿真器模式:可以脱离DSP 芯片,在 PC 机上模拟DSP 的指令集和工作机制,主 要用于前期算法实现和调试。 硬件在线编程模式: 可以实时运行在DSP 芯片上 ,与硬件开发板相结合在线编程和调试 应用程序。 课程设计说明书 3 CCS 的开发系统主要由以下组件构成: TMS320C54x 集成代码产生工具; CCS 集成开发环境; DSP/BIOS 实时内核插件及其应用程序接口API; 实时数
9、据交换的RTDX 插件以及相应的程序接口API; 由 TI 公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。 CCS 的功能十分强大,它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能,而且支 持 C/C+ 和汇编的混合编程,其主要功能如下: 具有集成可视化代码编辑界面,用户可通过其界面直接编写C、 汇编、.cmd 文件等; 含有集成代码生成工具,包括汇编器、优化C 编译器、链接器等,将代码的编辑、 编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中; 高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示,使用户很容易阅读代码,发现语 法错误; 工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程 中
10、,建立不同程序的跟踪信息,通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理; 基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、 存储器、 反汇编、 变量窗口等功能, 并支持 C 源代码级调试; 断点工具,能在调试程序的过程中,完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置; 探测点工具,可用于算法的仿真,数据的实时监视等; 分析工具,包括模拟器和仿真器分析,可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执 行的时钟; 数据的图形显示工具,可以将运算结果用图形显示,包括显示时域 /频域波形、 眼图、 星座图、图像等,并能进行自动刷新; 提供 GEL 工具。利用GEL 扩展语言,用户可以编写自己的控制面板/菜单,设置 GEL 菜单选
11、项,方便直观地修改变量,配置参数等; 图 2-2CCS主界面 课程设计说明书 4 课程设计说明书 5 3 FIR 滤波器设计 3.1 设计背景 在许多数字信号处理系统中,FIR 滤波器是最常用的组件之一,它完成信号预调、频 带选择和滤波等功能。FIR 滤波器在截止频率的边沿陡峭性能虽然不及11R 滤波器,但是, 考虑到 FIR 滤波器严格的线性相位特性和不像IIR 滤波器存在稳定性的问题,FIR 滤波器能 够在数字信号处理领域得到广泛的应用。数字滤波器(Digital Filter ,简称为 DF )是指用来 对输入信号进行滤波的硬件和软件。所谓数字滤波器,是指输入、输出均为数字信号,通过 一
12、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。 对于一般的数字滤波器,按照单位冲激响应可分为无限长冲激响应IIR 系统和有限长 冲激响应FIR 系统。在FIR 系统中,则用一个有理多项式表示的系统函数去逼近所需要的 频率响应,即其单位冲激响应h(n)在有限个n 值处不为零。 FIR 滤波器则可在幅度特性随意设计的同时,保证精确、严格的线性相位特性。这在 要求相位线性信道的现代电子系统,如图像处理、 数据传输等波形传递系统中,是具有很大 吸引力的。
13、 而且,其单位冲激响应是有限长的,不存在不稳定的因素,并且可用因果系统来 实现。相较于IIR 滤波器,FIR 滤波器有以下的优点:可以很容易地设计线性相位的滤波 器。线性相位滤波器延时输入信号,却并不扭曲其相位。实现简单。在大多数DSP 处理 器, 只需要对一个指令积习循环就可以完成FIR 计算。在实际中,所有的 DSP 滤波器必须 用有限精度实现,而在 IIR 滤波器中使用有限精度会产生很大的问题,由于采用的是反馈电 路,因此IIR 通常用非常少的bit 实现,设计者就能解决更少的与非理想算术有关的问题。 可以用小数实现。不像 IIR 滤波器, FIR 滤波器通常可能用小于1 的系数来实现。
14、当使用 定点 DSP 的时候,这也是一个考虑因素,它能使得实现更加地简单。 3.2FIR 滤波器的设计原理 有限长单位冲激响应滤波器,是数字信号处理系统中最基本的元件。可以在保证任意幅频特 性的同时具有严格的线性相频特性,同时其单位抽样响应是有限长的,因而滤波器是稳定的 系统。 FIR 滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。 FIR 滤波器无反馈回路,是一种条件稳定系统,可以设计成具有线性相位特性。设FIR 滤波 器的系数为h(0)、 h(1)、 h(2)、 h(3) h(N-2)、h(N-1) ;X(n) 表示滤波器在n 时刻的输入, 则 n 时刻的输出为: FIR 数字滤
15、波器的结构如图3-1 所示 : 1 0 ( )( )() (0)()(1) (1)(1) (1) N i y nh i x ni hx nhx nh Nx nN 课程设计说明书 6 图 3-1 数字滤波器的结构框图 3.3FIR 设计方法 本次利用 CCS 软件完成一个15 阶 FIR 的低通滤波器的设计,并根据傅里叶级数知,周期信 号可以由若干离散频率的正弦波的叠加形成,通过对方波和不同谐波正弦波的叠加的滤波, 完成对高频的滤除,剩下一次基波正弦波。其中在CCS 软件中实现的两个不同长度的序列 的时域卷积,即实现的是频域中的低通滤波。FIR 低通滤波器的时域参数,不同正弦波的叠 加所产生的序
16、列, 以及方波的序列参数均由MATLAB软件平台实现。 通过加载到CCS 编程 过程中开辟的数据空间,由卷积程序实现滤波过程。 实现滤波之后需要对所滤出的波形及数据进行检验,可通过CCS 软件所提供的频谱进行分 析;滤波之后的数据可通过与MATLAB卷积后的设计数据进行对比检验设计是否正确和符 合设计要求。 本设计采用循环缓冲区法: 循环缓冲区法特点如下: 1 对于 N 级 FIR 滤波器, 在存储区中开辟一个N 单元的缓冲区 (滑窗),用来存放最新的N 个输入样本; 2 从最新样本开始取数; 3 读完最后一个样本(最老样本)后,输入最新样本来代替最老样本,而其他数据不变; 4 用片内 BK
17、(循环缓冲区长度)寄存器对缓存区进行间接寻址,使循环缓冲区首尾相邻。 课程设计说明书 7 3.4 FIR 低通滤波器的Matlab 设计 3.4.1 FIR 性能指标的确定 MATLAB确定滤波器程序如下 b=fir1(15,0.4); freqz(b,1); figure(1); figure(2); title(频率特性 ) plot(w1/pi,20*log10(abs(h1); axis(0,1,-100,20); grid; xlabel(归一化频率 /p) ylabel(幅度 /dB) %产生测试用正弦信号和噪声信号 滤波器的幅频特性和相频特性与归一化波形如图3-2,图 3-3 所
18、示 图 3-2 FIR低通滤波器的幅频特性和相频特性 课程设计说明书 8 图 3-3 归一化波形 3.4.2 Matlab正弦波与方波的确定 Matlab 程序如下: figure(3) x=0:2*pi/1024:2*pi; y1=sin(1*x*2*pi+pi/6); y2=sin(50*x*2*pi); y3=y1+y2; y4=conv(y3,b); subplot(4,1,1); plot(y1); subplot(4,1,2); plot(y2); subplot(4,1,3); plot(y3); subplot(4,1,4); plot(y4); figure(4) x=0:2
19、*pi/1024:2*pi; x1=4*square(1*pi*10*x); x2=conv(x1,b); subplot(2,1,1); plot(x1); subplot(2,1,2); plot(x2); 课程设计说明书 9 由 Matlab 产生的波形如图3-3,图 3-4 所示 图 3-3 正弦波波形 图 3-4 方波波形 在 Matlab 软件中仿真出来的正弦波与方波的波形,通过低通滤波之后均能显示出来比较正 确正弦波与方波。 课程设计说明书 10 3.5 FIR 低通滤波器的CCS 软件设计 3.5.1 CCS汇编程序 1.Fir.asm 文件 .title “fir.asm“
20、.mmregs .global _main Hn: .usect “Hn“ , 16 M: .usect “M“, 16 Xn: .usect “Xn“, 200 Yn: .usect “Yn“, 215 .data HDATA: .word 34*32768/10000, -18*32768/10000, .word -108*32768/10000,227*32768/10000 .word 165*32768/10000, -997*32768/10000, .word 596*32768/10000, 5082*32768/10000 .word 5082*32768/10000, 5
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 MATLAB IIR FIR 滤波器 课程设计 要点
链接地址:https://www.31doc.com/p-5207602.html