2017毕业论文-基于dsp的fir滤波器设计

2017毕业论文-基于dsp的fir滤波器设计2017毕业论文-基于dsp的fir滤波器设计摘要本文阐述了数字滤波器的特点和设计方法，对FIR和IIR滤波器进行了比较，对数字滤波器的应用范围、应用前景和发展历程作了详细的说明。介绍了利用MATLAB设计FIR滤波器的各种方法(包含窗函数设计法、频率样本设计法、等波动法和最小二乘法)以及如何用MATLAB中的滤波器设计工具fdatool设计各种类型的滤波器。选用TMS320LF2407A作为处理芯片进行硬件电路设计，根据最小系统的设计要点和注意事项设计了外围电路，包括时钟信号产生电路、DSP芯片供电电源电路、A/D数据采集、D/A数据恢复、前置放大电路及SPI串行通信接口电路、SPI接口寄存器配置等基本内容，结合外围电路原理完成系统原理图硬件电路设计。软件设计中通过MATLAB/SIMULINK环境中图形化的方式建立数字信号处理的模型进行DSP的设计和仿真验证，将设计的图形文件.mdl直接转换成C语言程序在CCS中运行。软件通过添加A/D,D/A接口程序，调试、编译后就可以下载到DSP目标板中。利用MATLAB软件开发产品加速了开发周期，比直接在CCs中编程方便快捷了很多，对于任何复杂功能的DSP系统，只需要进行少量的添加和修改就能完成功能正确的C语言程序设计。以一个FIR数字带阻滤波器的实现为例对TMS320LF2407A硬件接口电路及DSP程序进行调试，使之达到设计指标。设计的电路通过软件进行了验证并进行了环境实验，多次实验证明了电路工作稳定，满足设计要求。同时验证了FIR数字滤波器的线性相位，从该滤波器的相频响应曲线可以看出，滤波器输入和输出波形只有时间上的延迟，没有波形畸变。该FIR滤波器的相位响应可为严格的线性，因此它不存在延迟失真，只有固定的时间延迟，适用于图像信号处理、数据传输等以波形携带信息的系统。关键词:MATLAB,DSP,FIR，数字滤波器ABSTRACTThisarticletellsusthecharacteristicsanddesignmethodsofdigitalfilter,ItcomparedFIRwithIIRdigitalfilteranddetailedlynarratedtheapplicationarea、applicationforegroundanddevelopmentofdigitalfilter.ItparticularlyintroducesthedesignmethodofFIRdigitalfilterbasedonthesoftwareMATLABandhowtodesigndigitalfilterswithfdatoolwhichisthefilterdesigningtoolofMATLAB.ChoosetheTMS320LF2407Aastheprocessingchiptodesignthehardwarecircuit,onthebasisofthedesigningpoint,designtheperipheralcircuit,suchasclocksignalcircuit,powersupplycircuit,A/Dconversion,D/Aconversion,dataamplifyingcircuit,SPIcommunicationconnectioncircuitandSPIregistersconfiguration.Combiningtheperipheralcircuitfinishthesystemhardwarecircuit.Inthesoftwaredesigning,usingMATLAB/Simulinksetupthemodelofdatasignalprocessingandgoingalongtheimitating.ThefigurefilecanbemadeintotheClanguageprogramwhichisdownedintotheDSPaimingboard.ThisprogramneededappendingA/DandD/Ameetingprogram,debuggingandediting.ItcandesignandrealizemanyfunctionsusingthesemodelsandotherdigitalsignalprocessingmodelsundertheconditionofSimulink.TheprogramcanbemodifiedandeditedinthedevelopmentenvironmentCCS.MATLABacceleratedevelopingperiodandbemoreconvenientthanCCS.ThisarticlegivethehardwareinterfacecircuitdesigningandaClanguageprogramofdigitalbandstopfilter,choosingtheTMS320LF2407AandimitatingthemoduleofdigitalfilteringprocessingintheMATLAB/Simulink.Theprogramhasalreadybeenappliedinthehardwarecircuit.Manytestshasprovedthattheprogramworksstablyandmeetsthedesigningneeds.Atthesametime,thelinearphaseofFIRdigitalfilterisproved,thatis,theinputandoutputwavehasnodistortionbuttimedelay.KeyWords:MATLAB，DSP，FIR,Digitalfilterrr目录第1章绪论.11.1课题研究的目的及意义11.2课题研究的现状31.3本课题研究的内容5第2章系统设计的理论基础….62.1系统设计的理论依据.62.1.1数字滤波器的概述……，62.1.2FIR和IIR滤波器的比较.82.1.3FIR滤波器的设计方法.92.1.4FIR滤波器设计的一些深入问题.152.2开发工具及环境.172.2.1MATLAB中的滤波器设计工具.172.2.2DSP芯片开发工具192.3本章小结.……，.……，23第3章硬件设计243.1滤波器设计指标.243.2DSP芯片的选择243.3硬件设计过程.273.3.1电源设计及外部时钟信号输入，.273.3.2A/D与DSP芯片的连接.273.3.3D/A与DSP芯片的连接313.4本章小结.……，，……‘.，，……‘，.……，二34第4章软件设计.354.1用MATLAB建立滤波模型.……，354.2程序设计……，，.……，.，……，……‘.384.2.1初始化设置.384.2.2程序流程.……，404.2.3程序清单……，.，，.…，464.3设计结果.·······.···········一4.4本章小结.……第5章总结与展望.……5.1全文总结.……、.……5.2心得体会·············，·········……5.3进一步工作展望…附录1:接口程序.…附录2:原理图…参考文献.·.·····.···························…致谢.…，……第1章绪论1.1课题研究的目的及意义数字信号处理器(DSP)已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用，近年来随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。所谓信号处理是指对信号进行滤波、变换、分析、加工、提取特征参数等的过程川。在电子仪器和测量中，最典型的是用频谱分析仪对信号进行频谱分析，从而了解和取得信号的频率(或频谱)特性。在现代计算机和相关的技术发展起来以前，这一过程只能用传统频谱分析仪实现。众所周知，这种传统的频谱分析仪，无论在设计制造还是所采用的元器件方面，都要求较高的水平。尤其是频率范围宽、指标高的，设计制造的难度就更高，而其价格也非常昂贵。自从计算机及随之而兴起的数字信号处理技术发展和日趋成熟起来以后，信号频谱分析的途径，正在逐步由DSP所取代[2]。随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理己成为一门极其重要的学科和技术领域，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。在数字信号处理应用中，数字滤波器十分重要并以获得广泛应用。作为信号处理，和频谱分析最直接相关的是傅立叶(傅立叶)变换即FFTo人们已经熟知，离散傅立叶变换(即DFT)和数字滤波是数字信号处理器的基本内容。目前，DFT已有许多实用有效的快速DFT算法即FFT算法和软件，其性能主要决定于采样(实际上还包括模/数转换)率和处理器的运算速度。将任意信号(主要是反映客观物理世界的各种变化量，而且多半是连续变化的模拟量)转换为能够由处理器处理的数字数据这一过程称为”数字化”，它包括采样和量化两个步骤，量化即通常所说的模/数转换。采样的速率和被处理的信号有关。为了保证数字化后的信号数据不丧失原信号的特性，采样频率应大于或至少等于信号截止频率的2倍。这就是著名的奈奎斯特伽yquist)采样定理，或称奈奎斯特采样率。奈奎斯特采样定理是很容易证明的。至于处理器的运算速度，众所周知，现在的微机己达数百甚至上千兆赫的水平。为了提高或实现主要是FFT等运算的高速化，美国德州仪器公司(TI)很早开始就一直致力于专用的数字信号处理器芯片的研制和生产。著名TMS320系列芯片已为科技界所熟知。据最近报道，新的TM320C64x的运行速度己高达600MHz，其内核的8个功能单元能在每个周期同时执行4组16位MAC运算或8组8位MAC运算。单个C64xDSP芯片能同时完成一个信道的MPEG4视频编码，一个信道的MPEG4视频解码和一个MPEG2视频解码，并仍有50%的余量留给多通道语音和数据编码，自然，还有其他一些厂商也研制生产了不少品种专用或通用的数字信号处理器芯片。数字滤波作为数字信号处理的重要组成部分有着十分广泛的应用前景，可作为应用系统对信号的前置处理。同时用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受外界影响等优点外，还具有灵活性好的特点，可对DSP芯片编程来实现数字滤波的参数修改，进而十分方便地修改滤波器的特性。因此基于DSP的数字滤波被广泛应用于语音、图像、软件无线电等领域，具有广阔的发展空间。在数字信号处理中，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使用数字滤波器代替模拟滤波器是有利的。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、控制系统和雷达都涉及信号。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。数字滤波器扩展了应用范围，例如数字图象处理、模式识别、谱分析等。数字滤波在数字信号处理中占有重要的地位，数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器(IIR)和有限冲激响应滤波器(FIR).FIR滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现的严格线性相位等优点，因而在对相位要求比较严格的条件下，易采用FIR数字滤波器。同时，由于在许多场合下，