基于DSP的FIR数字滤波器设计与分析.docx

1、1 北京科技大学远程与成人教育学院 毕业设计（论文） 题 目： 基于 DSP的 FIR 数字滤波器的设计与 分析 学习中心： 远程与成人教育学院（ TY） 专 业： 通信工程 年 级： 2008 级 姓 名： 李维鑫 学 号： 20838712087 指导教师： 王春明 2012年 4 月 6 日 北京科技大学远程与成人教育学院 毕业设计（论文）任务书 远程与成人教育学院（ TY） 学习中心 通信工程 专业 2008年级 李维鑫 同学（学号 2083871208 ）： 经研究决定，你的毕业设计（论文）题目为： 基于 DSP的 FIR数字滤波器的设计与分析 指导教师为： 王春明 请你于 2011

2、 年 11月 1日 - 2012 年 4月 6 日 期间完成。 指导教师：（签字） 年 月 日 学 生：（签字） 年 月 日 北京科技大学远程与成人教育学院 毕业设计（论文）指导教师评分 学习中心 远程与成人教育学院（ TY） 专业 通信工程 年级2008 学号 20838712087 学生 李维鑫 ： 毕业设计 (论文 )题目 基于 DSP的 FIR数字滤波器的设计与分析 指导教师评分参考标准 序号 项 目 满分 1 文献检索、调研、开题报告 10 2 基本理论的掌握及外语、计算机应用 15 3 数据（事实）真实可靠，综合分析、解决问题能力 30 4 设计（论文）水平、创新意识 15 5 完

3、成的工作量和工作态度 15 6 全文规范、图纸、图表、文字表达能力及书写质量 15 合 计 100 评分： 评语（特别点评或结论，同时请说明是否同意该学生参加答辩）： 指导教师（签字）： 年 月 日 北京科技大学远程与成人教育学院 毕业设计（论文）答辩评分和综合成绩 学习中心 远程与成人教育学院（ TY） 专业 通信工程 年级2008 学号 20838712087 学生 李维鑫 ： 毕业设计 (论文 )题目 基于 DSP的 FIR数字滤波器的设计与分析 答辩 评分 参考标准 序号 项 目 满分 1 论述的条理性、逻辑性 25 2 回答问题的正确性 30 3 设计（论文）内容的正确性 20 4

4、设计（论文）水平及创新意识 25 合 计 100 评分： 评语： 答辩小组组长（签字）： 年 月 日 综合成绩 项目 评分 权重 加权分 指导教师评分 0.5 答辩评分 0.5 综合成绩 - - 指导教师（签字）： 答辩委员会主任（签字）： 北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文） 1 摘 要 数字滤波技术是数字信号处理的核心技术，而 FIR 数字滤波器因其具有严格的线性相位、总是稳定等特点而广泛应用于数字信号处理的各个领域，是一个重要的研究课题。 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 FIR 数字滤波器

5、，不仅具有稳定性好、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。 本文主要研究了数字滤波器的基本理论，并对有限冲击响应数字滤波器 FIR 的设计和实现进行了分析和研究，尤其是在 MATLAB 环境下 FIR 数字滤波器的设计，主要是窗函数法及利用 MATLAB 的滤波器设计工具的设计方法，并用 MATLAB 语言编写了可以选择滤波器四种类型及七种窗函数的仿真程序，进行了具体的仿真分析。研究了TI 公司的 16 位定点 DSP 芯片 TMS320C55x 的硬件和软件结构特性，编写了 DSP 的 FIR滤波算法，在实验

6、箱上进行了调试仿真 ;探讨了利用 DSP 快速设计 FIR 数字滤波器的方法，主要是在 MATLAB 中调试仿 真 DSP 程序来寻找系数的快速传递法。最后，以TMS320C55x 为主芯片设计了一个高性能的 FIR 数字滤波器系统，主要是时钟信号产生电路、芯片电源供电电路、模数转换和数模转换芯片与 C55X 连接电路、外挂程序存贮器 FLASH 电路、扩展 RAM 存贮器等基本外围电路的设计。 关键词 :数字信号处理器 ;数字滤波器 ;FIR; MATLAB; TMS320C55x 北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文） 2 The design and analysis of FI

7、R digital filter based on DSP Abstract Digital filter algorithm is one of the core techniques in signal processing. The FIR digital filter has been widely used in signal processing field because of its strict linear phase and stability, now, it becomes a very significant research task. DSP chip is a

8、 sort of microprocessor which is especially suitable for digital signal processing, it is mostly used to realized different digital signal arithmetic Real-time and fleetly. The realization of the FIR digital filter which is based on DSP chip， not only have the merit of good stability, high precision

9、, and have no effect of environmental., but also, by change the parameter of the filter to change the characteristic of the filter; because of the programmability of the DSP chip. Its design is very flexible. In this paper, the mainly task is researching the basic theories of the digital filter, and

10、 analyzing the designing and realization of the Finite Impulse Response digital filter (FIR), especially the method which realized under MATLAB environment, the window functions is primarily introduced, the method of using the digital filter design tools in MATLAB is also applied. It also compiles a

11、 procedure with MATLAB language which can select four sorts of digital filter and seven kinds of window functions. Then, this paper researches the structure and property of the 16 bit fixed-point DSP chip TMS320C55x, and writes the FIR filter program which is debugged and simulated by experiments. T

12、he design of the FIR filter using DSP is discussed, which focus on the method of coefficient transmission over passing debugging the DSP program in MATLAB. Finally, a digital filter system with preferable capability is designed based on the C55x, its consists of the design of hardware interface, whi

13、ch including the clock-generating circuit, the chip power supply circuit, the A/D and D/A chip connecting interface, the FLASH chip connecting interface, extended RAM connecting interface and so on. Keywords: DSP; Digital Signal Filter; FIR; MATLAB 北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文） 1 目 录 摘 要 . 1 ABSTRACT . 2

14、目 录 . 1 引 言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 课题研究的背景 . 2 1.2 国内外研究进展 . 2 1.3 研究内容 . 3 2 DSP 技术 . 4 2.1 DSP 芯片发展 . 4 2.2 DSP 芯片基本结构 . 4 2.3 DSP 系统构成 . 5 2.4 DSP 系统设计过程 . 5 2.5 TMS320C55X 概述 . 6 2.6 CPU 结构 . 6 2.7 总线结构 . 6 3 FIR 数字滤波器理论及基于 MATLAB 的设计仿真 . 7 3.1 数字滤波器分类 . 7 3.2 FIR 数字滤波器的结构 . 7 3.3 FIR 数字滤波器的软件设计方法 . 8

15、 3.4 傅氏级数设计 FIR 滤波器的基本理论 . 8 3.5 基于 MATLAB 的 FIR 滤波器设计 . 9 4 FIR 数字滤波器系统硬件设计 . 14 4.1 硬件系统设计 . 14 4.2 时钟电路设计 . 14 4.3 电源电路设计 . 15 4.4 模数 /数模转换电路设计 . 15 4.5 FLASH 接口设计 . 16 4.6 外部存贮器接口设计 . 17 5 FIR 滤波器的 DSP 程序实现 . 18 5.1 傅氏级数法的 DSP 程序实现 . 18 5.2 利用汇编程序实现 FIR 滤波器 . 18 5.3 小结 . 21 结 论 . 23 参 考 文 献 . 24

16、 附录 A 外文文献 . 25 北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文） 2 附录 B 外文翻译 . 28 附录 C 源代码 . 29 结 束 语 . 39 北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文） 1 引 言 21 世纪是数字化的时代，随着越来越多的电子产品将数字信号处理 (PSP)作为技术核心， DSP 已经成为推动数字化进程的动力。作为数字化最重要的技术之一， DSP 无论在其应用的深度还是广度，正在以汀所未有的速度向前发展。 数字信号处理器，也称 DSP 芯片，是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊结构的微处理器，它是现代电子技术、相结合的产物。一门主流技术，随着信息处

17、理技术的飞速发展，计算机技术和数字信号处理技术数字信号处理技术逐渐发展成为它在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪表技术、信 息家电等高科技领域得到了越来越广泛的应用。 数字信号处理由于运算速度快，具有可编程特性和接口灵活的特点，使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中，发挥着重要的作用。采用 DSP 芯片来实现数字信号处理系统是当前发展的趋势。 近年来， DSP 技术在我国也得到了迅速的发展，不论是在科学技术研究，还是在产品的开发等方面， 在数字信号处理中，其应用越来越广泛，并取得了丰硕的成果。数字滤波占有极其重要的地位。象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。数字滤波是语音

18、和图在许多信号处理应用中用数字滤波器替代模拟滤波器具有许多优势。数字滤波器容易实现不同的幅度和相位频率特性指标，克服了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、控制系统和雷达等都涉及信号。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，用数字滤波器来实现这些功能是方便

19、、有效、可行的 。 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，采用 F1R 数字滤波器。同时，由于在许多场合下，需要对信号进行实时处理，因而对于单片机的性能要求也越来越高。由于 DSP 控制器具有许多独特的结构，例如采用多组总线结构实现并行处理，独立的累加器和乘法器以及丰富的寻址方式，采用 DSP 控制器就可以提高数字信号处理运算的能力，可以对数字信号做到实时处理。而普通的单片机例如 MCS-51 难以满足这一要求。用可编程 DSP 芯片实现数字滤波

20、的又一优势是 :通过修改滤波器的参 数十分方便的改变滤波器的特性。有限长单位冲激响应 (FIR)数字滤波器，与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比有以下优点 : (1)简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的集成度和可靠性。 (2)对干扰信号的抑制能力有了明显提高，这对系统的控制精度和稳定性的提高起到了促进作用。 (3)数字滤波器的参数调节比起模拟滤波器来更加方便、灵活。 (4)数字滤波器可以实现数据的并行处理，提高了系统运行速度。 北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文） 2 1 绪论 1.1 课题研究的 背景 20 世纪 60 年代起，由于计算机技术、集成工 艺和材料工业的发展，滤波

21、器的发展上了一个新台阶，朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向，导致数字滤波器、 RC 有源滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70 年代后期，上述几种滤波器的单片集成己被研制出来并得到应用， 90 年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 数字滤波，是数字信号处理的基本核心内容之一，占有极重要的地位。它是语音、图像处理、软件无 线电、通信、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。数字滤波器是一个具有按预定的算法，将输入

22、离散时间信号转换为所要求输出的离散时间信号的特定功能装置，是一个离散时间系统。与模拟滤波器相比，数字滤波器不用考虑器件的噪声、电压漂移、温度漂移等问题，可以容易地实现不同幅度和相位频率等特性指标。几乎每一科学和工程领域如声学、物理学、数据通信、控制系统和雷达等都涉及到信号，在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 。 从形式上看，数字滤波有线性滤波和非线性滤波。线性滤波是指卷积滤波，又分为频域滤波和时域滤波，在实域中根据滤波方式又分为递归滤波和非递

23、归滤波。非线性滤波主要是指同态滤波，它是用取对数的方法将非线性问题线性化。 由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模 /数转换。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。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。与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比，数字滤波器有几大优点 。 (1)简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的集成度和可靠性。 (2)对干扰信号的抑制能力有明显提高，这对系统的控制精度和稳定性的提

24、高起到了促进作用。 (3)数字滤波器的参数调节比模拟滤波器更方便、灵活。 1.2 国内外研究进展 自 20 世纪 70 年代末 80年代初 DSP 芯片诞生以来 DSP 芯片得到了飞速的发展。在20 多年时间里 DSP 芯片已经在信号处理、通信、自动控制、仪表技术、信息家电等许多领域得到广泛的应用。 1978 年 AMI 公司生产出世界上第一片 DSP 芯片 S2811。 1979年美国 Intel 公司发布的商用可编程器 2920 是 DSP 芯片的一个重要里程碑。 1980 年日本 NEC 公司推出的 PD7720 是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片。在这之后，最成功的 DSP 芯片当数美国德州仪器公司 （ Texas Instruments，简称 TI)的一系列产品 ，其DSP 市场份额占全世界份额近的 50%。目前 DSP 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。经过 20 年的发展， DSP 器件在高速度，可编程，小型化，低功耗等方面都有了长足的发展，单片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 亿次 (1600MIPS)的运算，生产 DSP 器件的公司也不断壮大。