电信信息工程课程设计论文数字滤波器总体设计.doc
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1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪论1.1数字滤波器数字滤波器是一个离散时间系统(按预定的算法,将输入离散时间信号(对应数字频率)转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置)。应用数字滤波器处理模拟信号(对应模拟频率)时,首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的数字频率(2*f/fs,f为模拟信号的频率,fs为采样频率,注意区别于模拟频率),按照奈奎斯特抽样定理,要使抽样信号的频谱不产生重叠,应小于折叠频率(ws/2=),其频率响应具有以2为间隔的周期重复特性,且以折叠频率即=点对称。为得到模拟信号,数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。
2、数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。1.2数字滤波器的应用现状与发展趋势滤波器的主要分类有以下几种: (1)按处理信号类型分类,可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类;离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。 (2)按选择物理量分类,滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如PCM制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等四类滤波器。 (3)按频率通带范围分类,滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别,而
3、梳形滤波器属于带通和带阻滤波器,因为它有周期性的通带和阻带。为适应各种需要,出现了一批新型滤波器,这里介绍几种已得到广泛应用的新型滤波器: (1)电控编程CCD横向滤波器(FPCCDTF):电荷耦合器(CCD)固定加权的横向滤波器(TF)在信号处理中,其性能和造价均可与数字滤波器和各种信号处理部件媲美。这种滤波器主要用于自适应滤波;P-N序列和Chirp波形的匹配滤波;通用化的频域滤波器及相关积运算;语音信号和相位均衡;相阵系统的波束合成和电视信号的重影消除等均有应用。当然,更多的应用有待进一步开拓。总之,FPCCDTF是最有希望的发展方向。 (2)晶体滤波器:它是适应单边带技术而发展起来的。
4、在20世纪70年代,集成晶体滤波器的产生,使它的发展产生一个飞跃。近十年来,晶体滤波器致力于下面一些研究:实现最佳设计,除具有优良的选择外,还具有良好的时域响应;寻求新型材料;扩展工作频率;改造工艺,使其向集成化发展。它广泛应用于多路复用系统中作为载波滤波器,在收发信中,单边带通信机中作为选频滤波器,在频谱分析仪和声纳装置中作为中频滤波器。 (3)声表面滤波器:它是理想的超高频器件。它的幅频特性和相位特性可以分别控制,以达到要求,而且它还有体积小,长时间稳定性好和工艺简单等特点。通常应用于:电视广播发射机中作为残留边带滤波器;在彩色电视接收机中调谐系统的表面梳形滤波器。此外,在国防卫星通信系统
5、中已广泛采用。声表面滤波器是电子学和声学相结合的产物,而且可以集成,所以,它在所有无源滤波器中最有发展前途的。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言,我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢,尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况:LC滤波器占50%;晶体滤波器占20%;机械滤波器占15%;陶瓷和声表面滤波器各占1%;其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看,我国电子产品要想实现大规模集成,滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展,对滤波器的性能要求越来越高,功能也越来越多,并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和
6、生产与上述要求相差甚远,为缩短这个差距,电子工程和科技人员负有重大的历史责任。第2章 数字滤波器总体设计2.1 设计任务 1.在MATLAB软件上设计一个FIR滤波器。2.在CCS仿真软件上编写DSP程序。3.确定DSP处理芯片,通过对其编程来实现数字滤波器的设计与仿真。4.完成系统调试、实验。要求有程序清单。2.2 总体设计方案应用MATLAB软件设计FIR数字滤波器,并对所设计的滤波器进行仿真:应用DSP集成开发环境CCS调试汇编程序,用TMS320C5402来实现了FIR数字滤波。 在Matlab中利用滤波器设计、分析工具(FDATool),根据指定的滤波器性能快速设计一个FIR,然后把
7、滤波器系数以头文件形式导人CCS中,头文件中含滤波器阶数和系数数组,在Matlab中调试、运行DSP程序并显示、分析处理后的数据。使用该方法,便于采用语言来实现程序。头文件名不变,当Matlab中设计的滤波器系数改变时,相应头文件中系数也改变,方便了程序调试、仿真。软件整体设计流程如下图所示:2-1 设计方案图2.3 FIR滤波器设计FIR滤波器的设计问题在于寻求一系统函数 ,使其响应 逼近滤波器要求的理想频率响应 。2.4 窗函数设计的基本方法从时域出发,设计h(n)逼近理想hd(n),设理想滤波器的单位脉冲响应为hd(n),则有(2-1)(2-2)所求得的hd(n)一般是无限长的,且是非因
8、果的。要想得到一个因果的有限长的滤波器h(n),最直接的方法是截断hd(n),或者说用一个窗口函数w(n)对hd(n)进行加窗处理,即h(n)=hd(n)w(n)。因此,应选择合适的窗函数。2.5滤波器的算法实现FIR滤波器的输出表达式为 (2-3) 式中,为滤波器系数;x(n)表示滤波器在n时刻的输入;y(n)为n时刻的输出。它的基本算法是一种乘法-累加运算,即不断地输入样本x(n),经过延时后,再进行乘法-累加,最后输出滤波结果y(n)。1)线性缓冲区法线性缓冲区法又称延迟线法。其特点:(1)对于N级的FIR滤波器,在数据存储器中开辟一个N单元的缓冲区(滑窗),用来存(2)放最新的N个输入
9、样本;(3)从最老样本开始取数,每取一个样本后,将此样本向下移位;(4)读完最后一个样本后,输入最新样本存入缓冲区的顶部。2)循环缓冲区法本次设计的FIR滤波器所采用的就是循环缓冲区法。循环缓冲区法的特点如下:(1)对于N级FIR滤波器,在数据存储器中开辟一个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,而其他数据位置不变;(4)用片内BK(循环缓冲区长度)寄存器对缓冲区进行间接寻址,使循环缓冲区地址首尾相邻。2.6 FIR滤波器的优点与缺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;
10、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。总结FIR数字滤波器的优点:(1)单位冲击响应只有有限项;(2)FIR滤波器无反馈回路,是一种无条件稳定系统;(3)FIR滤波器可以设计成具有线性相位特性。FIR数字滤波器的缺点: (1)因为无极点,要获得好的过渡带特性,需以较高的阶数为代价; (2)无法利用模拟滤波器的设计结果,一般无解析设计公式,要借助计算机辅助设计程序完成。第3章 TMS320C54
11、x硬件结构设计3.1 TMS320C54x的主要特性TMS320C54x系列DSP是TI公司在继TMS320C1x、TMS320C2x、TMS320C5x之后推出的新一代16位定点数字信号处理器,运算速度高达100MIPS。TMS320C54x的体系结构采用改进的哈佛结构,程序与数据分开存放,内部具有8条高度并行的总线。图3-1是它的内部硬件组成框图,包括:CPU,总线,存储器,在片外设电路等。主要特点如下:3.1.1 CPU部分(1)先进的多总线结构(1 条程序总线,3 条数据总线和4 条地址总线);(2)40 位算术逻辑运算单元(ALU),包括1 个40 位桶型移位寄存器和2 个独立的40
12、 位累加器;(3)17 位17 位并行乘法器,与40 位专用加法器相连,用于非流水线式单周期乘法/累加(MAC)运算;(4)比较选择存储单元(CSSU),用于加法/比较选择;(5)指数编码器,可以在单周期内计算40 位累加器中数值得到指数;(6)双地址生成器,包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术运算单元(ARAU)存储器;3.1.2 存储器系统(1)192K 字可寻址存储空间(64K 字程序存储器,64K 字数据存储器以及64K字I/O 空间);(2)片内ROM,可配置位程序/数据存储器;(3)片内双寻址RAM(DARAM);C5402 中的DARAM 分为若干块。由于在每个机器周期内,
13、允许对同一DARAM 块寻址2 次,因此CPU 可以在一个机器周期内对同一DARAM 读出1 次。一般情况下,DARAM 总是映象到数据存储空间,主要用于存放数据。但是,它也可以映象到程序存储空间,用来存放程序代码。3.1.3指令系统(1)单指令重复和块指令重复操作;(2)块存储器传送操作;(3)32 位长操作数指令;(4)同时读入2 或3 个操作数的指令;(5)能并行存储和并行加载的算术指令;(6)条件存储指令;(7)快速从中断返回的指令;(8)具有延迟转移和调用指令;(9)指令的执行采用指令预提取、指令提取、指令译码、访问操作数、读取操作数和执行等6级流水线并行结构,大大提高了指令的执行速
14、度。3.1.4在片外围电路(1)软件可编程等待状态发生器;(2)可编程分区转换逻辑电路;(3)带有内部震荡器或者用外部时钟源的片内锁相环(PLL)时钟发生器;(4)时分多路;(5)缓冲串行口(BSP);(6)16 位可编程定时器;(7)8 位并行主机接口(HPI);(8)外部总线关断控制,以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号;(9)数据总线具有总线保持器特性。3.1.5电源(1)可采用5V、3.3V、3V和1.8V或2.5V的超低电压供电;(2)可采用功耗下降指令IDLE1,IDLE2和IDLE3 控制芯片的功耗;(3)可控制禁止CLKOUT信号。3.1.6在片仿真接口具有符合IEEE 1
15、149.1 标准的在片仿真接口。图3-1 TMS320C5402 DSP内部硬件组成框图第4章 数字滤波器的CCS实现4.1 CCS简介Code Composer Studio简称CCS,是TI公司推出的、为开发TMS320系列DSP软件的继承开发环境(IDE)。CCS工作在Windows操作系统下,类似于VC+的集成开发环境,采用图形接口界面,提供了环境配置、工程管理工具、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。它将前面介绍的各种代码产生工具,诸如汇编器、链接器、C/C+编译器、建库工具等集成在一个统一的开发平台中。CCS所集成的代码调试工具具有各种调试功能,包括原TI公司提供的C源代码调试
16、器和模拟器所具有的所有功能,能对TMS320系列DSP进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析;此外,还提供了丰富的输入/输出库函数和信号处理的库函数,极大地方便了TMS320系列DSP软件的开发过程,提高了工作效率。4.2 CCS特点 集成可视化代码编辑界面,可以方便地直接编写C、汇编、.h文件、.cmd文件等。集成代码生成工具,包括汇编器、优化的C编译器和连接器等。具有完整的基本调试工具,可以载入执行文件(.out),查看寄存器窗口、存储器窗口和变量窗口、反汇编窗口等,支持在C源代码级进行调试。支持多片DSP联合调试。断点工具,支持硬件断点、数据空间读/写断点、条件断点等。探针工具,用于
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