基于TMS320F2812截止频率为2kHz低通滤波的设计与实现

截止频率为2KHz的低通滤波器设计实现滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。滤波器主要参数如下：中心频率（CenterFrequency）：滤波器通带的中心频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。截止频率（CutoffFrequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。通带带宽（BWxdB）：（下图）指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB表征滤波器通带带宽参数。分数带宽（fractionalbandwidth）=BW3dB/f0×100[%]，也常用来表征滤波器通带带宽。数字滤波器按频率特性划分为低通、高通、带通、带阻、全通等类型，根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应滤(FIR)波器。有限长单位冲击响应(FIR)数字滤波器可以做成具有严格的线性相位，同时又具有任意的幅度特性。此外，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，因而总是能用因果系统实现。MATLAB在数字信号处理方面的应用功能。目前FIR滤波器的实现方法大致可分为三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件或者可编程逻辑器件实现。其中以使用通用DSP芯片实现方式较为简单，是一种实时、快速、特别适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器，借助于通用数字计算机按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波计算。由于它具有丰富的硬件资源、改进的哈佛结构、高速数据处理能力和强大的指令系统而在通信、航空、航天、雷达、工业控制、网络及家用电器等各个领域得到广泛应用。通过MATLAB软件中的FDAtool命令，启动滤波器设计分析器，在Design2Method中选择FIR滤波器，接着在FIR中选择Window(窗函数)法，将fs(为采样频率)、fc(为通带截止频率)中分别键入15000Hz和2000Hz，最后提取滤波器参数图。本次设计研究了截止频率为2KHz的低通滤波器的设计与实现，设FIR滤波器的单位冲击响应h(k)为一个n点序列，0≤k≤n-1，则滤波器的系统函数为:（1）式(1)的系统的差分方程表达式为:（2）式中，y(n)为输出信号，即经过滤波之后的信号;N为滤波器阶数，式(2)就是线性移不变系统的卷积和公式，即为FIR滤波器要实现的差分方程。提取滤波器参数：3CCS环境下的FIR滤波器的设计及软件仿真：流程图：C语言实现：从上述分析可知，FIR滤波器的算法实际上是一个乘累加运算过程。在这个累加运算中，主要涉及到三个要素:输入信号x(n)、冲击响应即滤波器系数h(n)和输出信号y(n)。基于Matlab的FIR数字滤波器的设计方法方便快捷，其主要有基于初始化输入低通滤波器各频率参数构建滤波器频域特性波形使用FDATool提取滤波器参数或用FIR滤波器计算程序计算得到滤波器参数构建FIR滤波器进行滤波无限循环4FDATool的FIR滤波器的设计和基于Matlab内建函数的FIR滤波器的设计。以下设计一个低通滤波器，其通带截止频率fp=2000Hz，阻带起始频率fst=3000Hz，抽样频fs=15000Hz，阻带衰减不少于－50dB。这里采用窗口函数设计法设计FIR低通滤波器，用Matlab内建函数实现h(n)的计算。由于海明窗的阻带最小衰减为－53dB，且可以提供较小的过渡带宽，所以选择海明窗［3］。编写Matlab程序，求出过度带宽，由过度带宽确定窗口长度N，求出低通滤波器的截止频率，进而求出低通滤波器的系数h(n)。Matlab程序如下:fp=2000;fst=3000;fs=15000;wp=2*fp/fs;ws=2*fst/fs;delt=ws－wp;N0=ceil(6.6/delt);N=N0+mod(N0+1,2);n=N－1;wn=(ws+wp)/2;h=fir1(n,wn);n=0:N－1,hn=round(h*32768),stem(n,h,.),hw=fft(h,512),w=[0:511]/512;plot(w,20*log10(abs(hw))),grid;将得到的33个系数转化为Q15格式，即分别乘以32768，转化后的低通滤波器系数如下:h[]={31，62，50，－39，－177，－218，0，421，668，289，－730，－1655，－1323，988，4773，8341，9804，8341，4773，988，－1323，－1655，－730，289，668，421，0，－218，－177，－39，50，62，31}CCS是供用户开发和调试DSP和MCU程序的集成开发软件。CodeComposerStudioTMIDE提供强健、成熟的核心功能与简便易用的配置和图形可视化工具，使系统设计更快。实现FIR数字低通滤波器的程序流程如图。5由于CCS是采用工程(projiect)来集中管理应用文档的，所以必须将它们全部添加到工程中。需要注意的是，采用C代码写的源程序需要将C语言的标准支持库文件rts．lib添加到工程中，该库放在CCS的c\ti\c2000\cgtools\lib下。基于CCS的图形可视化工具，可以分别查看输入信号x(n)、输出信号y(n)的时域波形和频域波形，混频输入信号波形图。通过图形对比，所设计的数字低通FIR滤波器滤掉了输入信号的高频分量而只保留了其低频分量，与预期的结果相符合。采用线性相位FIR滤波器结构的直接型结构比一般的直接型节省了一半数量的乘法次数。通过修改这个滤波器的系数，还可以很容易实现线性相位FIR带通滤波器和线性相位FIR高通滤波器的设计。Matlab强大的功能为设计满6足自己系统需要的滤波器提供了方便，DSP芯片针对信号处理的结构又为提供了高效信号处理的能力，仿真结果表明了此算法的正确性和简便性。C语言实现相比于汇编实现，优点在于其程序可读性强，更易理解，编程简单，7第五章总结本设计报告完成了基于TMS320F2812的实验系统的硬件设计，并基于这个系统进行了功能扩展的硬件设计。首先完成了CPU的一些基本功能，电源电路、复位电路以及JTAG下载口电路进行了设计。基于此基础上对外扩存储器和外扩FLASH进行了设计。在此之外的第三章和第四章对硬件部分的实现进行了设计，SPI模块、SCI通信模块、CAN总线通信模块以及利用MCBSP和SPI实现了ADC和DAC的扩展，最后利用MATLAB中的FDA工具箱及CCS集成系统完成了数字低通滤波器的实现。通过完成这份设计报告，对本学期的DSP的学习也宣告结束，在完成报告的同时，大大加强了自己整体知识的构建，以及模块化设计的思想。动手能力及PROTEL软件设计使用能力。同时也暴露出了很多的问题和不足之处，需要改正。