1、 湖南科技大学信息与电气工程学院课程设计报告题 目：IIR 数字滤波器的 DSP 实现专 业： 电子信息工程 班 级： 电子二班 姓 名： 高二奎 学 号： 1104030205 指导教师： 尹艳群 2015 年 1 月 8 日信息与电气工程学院课程设计任务书20142015 学年第一学期专业： 电子信息工程 班级： 电子二班 学号： 1104030205 姓名： 高二奎 课程设计名称： DSP 原理及应用 设计题目： IIR 数字滤波器的 DSP 实现 完成期限：自 2015 年 1 月 1 日至 2015 年 1 月 8 日共 1 周设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：1、设计目的：通
2、过课程设计，使学生综合运用 DSP 技术课程和其他有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题的能力得到提高，并使其所学知识得到进一步巩固、深化和发展。通过课程设计初步培养学生对工程设计的独立工作能力，学习设计的一般方法。通过课程设计树立正确的设计思想，提高学生分析问题、解决问题的能力。通过课程设计训练学生的设计基本技能，如计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准与规范等。2、要求：1熟悉 DSP 处理器及其结构性能，掌握 DSP 芯片配套开发工具的使用方法。2按要求设计出硬件电路。3画出硬件连接原理图，并对硬件工作原理进行说明。4给出软件流程图及编写程序，每一条指令的后面附上相应的注
3、释。5进行软、硬件调试，检查是否达到相关的功能。6写出调试方法。7设计报告结尾附上心得体会。3、主要内容：熟悉 5410DSP 的 MCBSP 的使用，了解 AD50 的结构，掌握AD50 各寄存器的意义及其设置，掌握 AD50 与 DSP 的接口，AD50 的通讯格式及 AD50 的 DA 实验。指导教师（签字）： 批准日期： 年 月 日目 录一、 摘要3二、 数字滤波器介绍和 IIR 数字滤波器的理论分析32.1 数字滤波器介绍32.2 IIR 滤波器的设计方法及原理4三、 DSP 软件的简单介绍63.1DSP 系统的特点63.2DSP 系统的设计流程73.3DSP 系统的开发工具CCS7
4、四、 TMS320C5402 的介绍9五、 基于 DSP 的 IIR 程序设计及软件调试115.1IIR 程序设计115.2 软件调试结果13六、 总结和心得15七、参考文献一、摘要随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理已经成为高速实时处理的一项关键技术，广泛应用在语音识别、智能检测、工业控制等各个领域。数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统。数字滤波实质上是一种运算过程，实现对信号的运算处理。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
5、的飞速发展，数字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。本课题主要应用 MATLAB 软件设计 IIR 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
6、环境 CCS 调试汇编程序，文章结合TM320C5509 的结构特点，介绍了一种 IIR 滤波器在 TM320C5509 中的实现方法。文中程序已经过硬件验证，仿真结果表明该设计符合要求。 关键词 数字滤波；IIR；DSP ；TM320C5509 ；MATLAB二、数字滤波器介绍和 IIR 数字滤波器的理论分析2.1 数字滤波器介绍数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统。数字滤波实质上是一种运算过程，实现对信号的运算处理。输入数字信号（数字序列）通过特定的运算转变为输出的数字序列，因此，数字滤波器本质上是一个完成特定运算的数字计算过程，也可以理解为是一台计算机。描述离散系统输出与输入关
7、系的卷积和差分方程只是给数字信号滤波器提供运算规则，使其按照这个规则完成对输入数据的处理。时域离散系统的频域特性: ,其中 、 分别是数字滤波器的输出序列和输入序列的频域特性（或称为频谱特性）, 是数字滤波器的单位取样响应的频谱，又称为数字滤波器的频域响应。输入序列的频谱 经过滤波后 ,因此，只要按照输入信号频谱的特点和处理信号的目的， 适当选择 ， 使得滤波后的 满足设计的要求，这就是数字滤波器的滤波原理。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应(IIR)数字滤波器和有限长冲激响应(FIR)数字滤波器。IIR 数字滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应，需要用递
8、归模型来实现，其差分方程为：系统函数为：设计IIR滤波器的任务就是寻求一个物理上可实现的系统函数H(z)，使其频率响应H(z)满足所希望得到的频域指标，即符合给定的通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减系数和阻带衰减系数。2.2 IIR滤波器的设计方法及原理IIR 滤波器差分方程的一般表达式为:()=0()=1()式中 x(n)为输入序列;y(n)为输出序列; 和 为滤波器系数 .若所有系数 等 于 0,则为 FIR 滤波器.IIR 滤波器具有无限长的单位脉冲响应,在结构上存在反馈回路,具有递归性, 即IIR 滤波器的输出不仅与输入有关,而且与过去的输出有关.将上式展开得出 y(n)表达式为 :
9、() =0()+1(1)+()1(1)2(2)()在零初始条件下,对上式进行 z 变换, 得到:() =0()+11()+()11()22()()设 N=M,则传递函数为 :()=()()=0+11+1+11+上式可写成:()=0+11+11+=1上式具有 N 个零点 和 N 个极点 .若有极点位于单位圆外将导致系统不 稳定. 由于 FIR 滤波器所有的系数 均为 0,不存在极点, 不会造成系数的不稳定.对于 IIR 滤波器, 系统稳定的条件如下:若| |1,当 n 时,h(n) ,系统不稳定. IIR 滤波器具有多种形式,主要有:直接型(也称直接 I 型)、标准型(也称直接II 型) 、变换
10、型、级联型和并联型.三、DSP 软件的简单介绍3.1DSP系统的特点DSP 系统是以数字信号处理为基础的，因此不但具有数字处理的全部优点而且还具有以下特点 24:1接口方便：DSP 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多。2编程方便：DSP 应用系统中的可编程 DSP 芯片，能灵活方便地进行修改和升级。3稳定性好：DSP 应用系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小、可靠性高，无器件老化现象。4精度高：16 位数字系统可以达到 10-5级的精度。5可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响
11、比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。6集成方便：DSP 应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，数字信号处理也存在一些缺点。例如，对于简单信号处理任务，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新速度快，对于数学知识要求高，开发和测试工具还有待进一步完善。3.2DSP系统的设计流程一个 DSP 系统的设计过程大概要有以下几个步骤。1根据系统的任务要求，确定系统处理精度要求、速度要求、实时性要求等性能指标。2根据系统的要求进行高级语言的算法模拟，比如使用
12、 MATLAB 等仿真工具，验证算法的可行性，得出最佳的处理方法。3DSP 的系统设计，主要分为硬件设计和软件设计。硬件设计是指根据系统要求选择合适的 DSP 芯片，然后设计相应的外围电路。软件设计主要是指根据系统的要求和选用的 DSP 芯片编写相应的程序。程序的编写可以使用汇编语言，汇编语言编写的程序效率高，但比较烦杂；也可采用 C 语言，DSP 的 C 语言基本上是标准 C 语言，编写比较简单，但效率低。在实际系统开发时往往是两种语言结合编写，在算法运算量大的地方使用汇编语言，在运算量小的地方使用C 语言，这样既能缩短软件的开发周期，提高程序的可读性和可移植性，又满足了系统的实时性要求。本
13、文的设计采用汇编语言编写、设计软件程序。3.3DSP 系统的开发工具 CCSCCS 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。 CCS 的开发系统主要由以下组件构成： 1. TMS320C54x 集成代码产生工具；2. CCS 集成开发环境；3.
14、 DSP/BIOS 实时内核插件及其应用程序接口 API；4. 实时数据交换的 RTDX 插件以及相应的程序接口 API；5. 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： 1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；2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；3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；4
15、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，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；5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；6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；7探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等；8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；9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； 10提供 GEL 工具。利用 GEL 扩
16、展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置 GEL 菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等；11支持多 DSP 的调试；12支持 RTDX 技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现 DSP 与其他应用程序的数据交换；13提供 DSP/BIOS 工具，增强对代码的实时分析能力。四、TMS320C5402 的介绍TMS320C5509 采用双乘累加单元(MAC)结构。整个处理器内部分为 5 个大的功能单元：存储器缓冲单元(M)、指令缓冲单元(I)、程序控制单元(P)、地址生成单元(A)和数据计算单元(D)，各个功能单元之间通过总线连接。TMS320C5509中共有 12 条总线：1 条 3
17、2 位程序数据总线(PB)，1 条 24 位程序地址总线(PAB)，5 条 16 位的数据总线(BB、CB、DB、EB、FB)和 5 条 24 位的数据地址总线(BAB、CAB、DAB、EAB、FAB)。作为嵌入式芯片的一种，DSP 芯片是一种非常适合于进行数字信号处理的微处理器芯片，已经广泛应用于实现各种数字信号处理运算。其显著特点可以归纳如下：1哈佛结构哈佛结构是不同于传统的冯诺曼(Von Neuman)结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线
18、和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。2流水线与哈佛结构相关，DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320 系列处理器的流水线深度从 2-6 级不等。第一代TMS320 处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理 2-6 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。3专用的硬件乘法器在一般形式的 FIR 滤波器中，乘法是 DSP 的重要组成部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP 处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周
