-.z開題報告表課題名稱基于DSP的IIR數字濾波器設計課題來源課題類型CY指導教師學生**學號專業電子信息工程設計目的：隨著信息時代和數字世界的到來，數字信號處理己成為一門極其重要的學科和技術領域，數字濾波在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫療和家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用，數字濾波作為數字信號處理的重要組成局部有著十分廣泛的應用前景。用DSP芯片實現數字濾波除了具有穩定性好、準確度高、不受外界影響等優點外，還具有靈活性好的特點，可對芯片編程來實現數字濾波的參數修改，進而十分方便地修改濾波器的特性。因此基于DSP的數字濾波被廣泛應用于語音、圖像、軟件無線電等領域，具有廣闊的開展空間。通過本設計可以使學生系統的掌握所學過的數字信號處理的知識，熟練的應用DSP器件。內容及要求：1.熟悉MATLAB的編程語言和數字信號處理的相關知識。2.研究在MATLAB環境下IIR數字濾波器的模型。3.設計一個價格低、功耗小、精度高的IIR數字濾波器系統。4．研究IIR濾波器在DSP中的具體實現方法。編寫一套可行高效的數字濾波器程序。思路與預期成果：數字濾波器的根本理論：數字濾波的開展前景、構造、表達方式及實現方法；濾波器技術指標確實定；數字濾波器的MATLAB實現：MATLAB程序設計與仿真；數字濾波器在DSP上的實現：MATLAB與DSP的連接、DSP周邊電路的連接、DSP程序設計及仿真。任務完成的階段內容及時間安排：第1周～第2周：圖書館查找資料，消化資料第3周～第4周：翻譯英文材料第5周～第8周：熟悉MATALB語音和DSP芯片及編程語言第9周～第12周：硬件及程序設計第13周～第15周：完成論文指導教師簽名：日期：文獻綜述1引言數字濾波器準確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設備所沒有的許多優點，已廣泛地應用于各個科學技術領域,例如數字電視、語音、通信、雷達、聲納、遙感、圖像、生物醫學以及許多工程應用領域。數字濾波器按實現的網絡構造或者從單位脈沖響應，分為IIR〔無限脈沖響應〕和FIR〔有限脈沖響應〕濾波器。如果IIR濾波器和FIR濾波器具有一樣的性能，則通常IIR濾波器可以用較低的階數獲得高的選擇性，執行速度更快，所有的儲存單元更少，所有既經濟又高效。本課題主要應用MATLAB軟件設計IIR數字濾波器，并對所設計的濾波器進展仿真；應用DSP集成開發環境——CCS調試匯編程序，文章介紹IIR數字濾波器在DSP中的實現方法。DSP芯片是一種特別適合數字信號處理運算的微處理器，主要用來實時、快速地實現各種數字信號處理算法。用DSP芯片實現IIR數字濾波器，不僅具有準確度高、不受環境影響等優點，而且因DSP芯片的可編程性，可方便地修改濾波器參數，從而改變濾波器的特性，設計十分靈活。2主要內容2.1數字IIR濾波器的理論設計分析數字濾波器實際上是一個采用有限精度算法實現的線性非時變離散系統，濾波器的功能實現實際上是通過大量的加法運算和乘法運算完成的。IIR數字濾波器差分方程的一般形式為：〔1〕從IIR數字濾波器的實現來看，有直接型、級聯型、并聯型和格型等根本網絡構造。不同的構造形式會有不同的運算誤差，其穩定性、運算速度、所占用的存儲空間等也有所不同[3]。其中直接Ⅱ型僅需要N級延遲單元，且可作為級聯型和并聯型構造中的根本單元，是最常用的IIR數字濾波器構造之一。

IIR數字濾波器的設計方法有兩類[4]，一類是借助于模擬濾波器的設計方法設計出模擬濾波器，利用沖激響應不變法或雙線性變換法轉換成數字濾波器，然后用硬件或軟件實現；另一類是直接在頻域或時域中進展設計，設計時需要計算機作輔助工具。對系統傳遞函數為

〔2〕

的IIR數字波濾器來說，設計的任務就是尋求一種因果關系和物理上可實現的系統傳遞函數H(z)，使其頻率響應H(ejω)能夠滿足所希望得到的頻域指標。2.2IIR數字濾波器的MATLAB實現根據以上IIR數字濾波器理論分析，下面運用雙線性變換法基于MATLAB設計一個IIR帶通濾波器，其中帶通的中心頻率為ωp0=0.5π，;通帶截止頻率ωp1=0.4π,ωp2=0.6π;通帶最大衰減αp=3dB;阻帶最小衰減αs=15dB;阻帶截止頻率ωs2=0.7π(1)根據任務,確定性能指標:在設計帶通濾波器之前,首先根據工程實際的需要確定濾波器的技術指標:帶通濾波器的阻帶邊界頻率關于中心頻率ωp0幾何對稱，因此ws1=wp0-(ws2-wp0)=0.3π通帶截止頻率wc1=0.4π,wc2=0.6π;阻帶截止頻率wr1=0.3π，wr2=0.7π；阻帶最小衰減αs=3dB和通帶最大衰減αp=15dB;(2)用Ω=2/T*tan(w/2)對帶通數字濾波器H(z)的數字邊界頻率預畸變，得到帶通模擬濾波器H(s)的邊界頻率主要是通帶截止頻率ωp1,ωp2;阻帶截止頻率ωs1，ωs2的轉換。為了計算簡便，對雙線性變換法一般T=2s通帶截止頻率wc1=(2/T)*tan(wp1/2)=tan(0.4π/2)=0.7265wc2=(2/T)*tan(wp2/2)=tan(0.6π/2)=1.3764阻帶截止頻率wr1=(2/T)*tan(ws1/2)=tan(0.3π/2)=0.5095wr2=(2/T)*tan(ws2/2)=tan(0.7π/2)=1.9626阻帶最小衰減αs=3dB和通帶最大衰減αp=15dB;(3)運用低通到帶通頻率變換公式λ=(((Ω^2)-(Ω0^2))/(B*Ω))將模擬帶通濾波器指標轉換為模擬低通濾波器指標：normwc，normwr，αp，αs(4)設計模擬低通原型濾波器。用模擬低通濾波器設計方法得到模擬低通濾波器的傳輸函數Ha(s);借助巴特沃斯(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev)濾波器、橢圓(Cauer)濾波器、貝塞爾(Bessel)濾波器等。(5)調用lp2bp函數將模擬低通濾波器轉化為模擬帶通濾波器。(6)利用雙線性變換法將模擬帶通濾波器Ha(s)轉換成數字帶通濾波器H(z).低通原型的每一個邊界頻率都映射為帶通濾波器兩個相應的邊界頻率。根據通帶截至頻率和阻帶截至頻率與頻譜函數曲線比擬，滿足設計要求。MATLAB程序設計流程圖如圖：2.3IIR數字濾波器在DSP上的實現數字信號處理器(DigitalSignalProcessor)是一種適合對數字信號進展高速實時處理的專用處理器，其主要用來實時快速地實現各種數字信號處理算法。在當今的數字化時代，DSP己成為通信設備、計算機和其它電子產品的根底器件。作為嵌入式芯片的一種，DSP芯片是一種非常適合于進展數字信號處理的微處理器芯片，已經廣泛應用于實現各種數字信號處理運算。具有指令靈活、可操作性強、速度快以及支持并行運算和C語言等的性價比擬高的一類DSP的CPU構造主要包括四種功能單元：即指令緩沖單元〔I單元〕，程序流程單元〔P單元〕，地址數據流程單元〔A單元〕和數據計算單元〔D單元〕。其顯著特點可以歸納如下：1．哈佛構造2．流水線3．專用的硬件乘法器4．特殊的DSP指令5．快速的指令周期6.擁有簡便的單片內存和內存接口7.采用多總線構造。功耗低，速度快，因而在通信設備中得到了廣泛的應用。IIR數字濾波器在DSP上的設計過程如下：

(1)根據指標確定濾波器的類型，設計出濾波器的參數；低通IIR數字濾波器的參數如下：采樣率為16000Hz，截止頻率為500Hz，采用butterworth模型設計時階數為7階。從理論上說，可以用高階IIR數字濾波器實現良好的濾波效果。但由于DSP本身有限字長和精度的因素，加上IIR濾波器在構造上存在反應回路，是遞歸型的，再者高階濾波器參數的動態*圍很大。這樣一來造成兩個后果：結果溢出和誤差增大，從而導致算法無法在DSP上實現。

(2)根據DSP的特點〔字長、精度等〕對參數進展取舍、量化，然后進展仿真；

(3)根據仿真結果對濾波器的構造、參數再次進展調整,直到滿足要求為止；

(4)在DSP上用語言實現濾波器功能。系統總體框圖定點DSP芯片，既可以做定點運算，也可以做浮點運算。一個算法，既可以用匯編語言編程實現，也可以用高級語言〔C，C++〕實現。而一個IIR數字濾波器是否可以在DSP上實現，最終要看此算法是否滿足兩個條件：執行時間和精度。一個算法的精度再高，如果做不到實時，也沒有實用價值；相反，如果執行時間很快，但精度滿足不了要求，也就無從實現濾波功能。IIR數字濾波器在DSP上的實現思路，應該是在滿足上面兩個條件的前提下，找到盡可能簡易的實現方法。DSP程序流程圖如下：3總結通過對IIR數字濾波器的設計，了解了數字濾波是信號處理中的重要局部，研究了數字濾波器的根本理論、實現方法。學習數字濾波器理論，掌握了各種數字濾波器的原理和特性，為數字濾波器的實現急今后的學習與工作奠定了理論根底。熟悉了MATLAB的運行環境，掌握MATLAB語言在數字信號處理中一些根本庫函數的調用和編寫根本程序等應用；熟悉了濾波器設計的一般原理，對濾波器有了一個感性的認識；學會了數字低通濾波器設計的一般步驟；加深了對濾波器設計中產生誤差的原因以及雙線性變換法優缺點的理解和認識。IIR數字濾波器以它優越的性能，在電力、通信和測控等領域得到廣泛應用。針對TI公司的DSP，表達IIR數字濾波器的理論設計及在DSP的硬件以及軟件實現過程。思考討論MATLAB與DSP之間的連接，使系數快速傳遞。根據其實現思路設計出符合要求的濾波器。IIR數字濾波器以它優越的性能，在電力、通信和測控等領域得到廣泛應用。針對TI公司的DSP，表達IIR數字濾波器的理論設計及在DSP的硬件以及軟件實現過程。4主要參考文獻1、高西全，丁玉美.數字信號處理.**電子科技大學，2008.82、吳冬梅，電子通信系列實用規劃教材.大學，2006.83、李哲英，駱麗，*元盛.DSP根底理論與應用技術.航空航天大學，20014、朱銘浩，趙勇，甘泉.DSP應用系統設計.：電子工業，20025、*君里，應啟珩，楊為理.信號與系統〔第2版〕.高等教育，20076、*泉，闕大順.數字信號處理原理與實現.電子工業大學，2005.87、文瑋瑋，董金明.數字濾波器在定點DSP上的實現.遙測遙控，20028、*佳春.數字濾波器的MATLAB設計與DSP上的實現.20039、*雄偉，陳亮.DSP芯片原理與開發應用.電子工業.200310、程佩青.數字信號處理教程(第三版).清華大學.2010.511、陳厚金.信號與系統.高等教育.2007.1212、鄒彥、唐東等.DSP原理及其應用.高等教育.200813、黃席椿高順良.濾波器綜合法設計原理.:人民郵電出版社,1978.309-316,261-270.14、程佩青.數字濾波與快速傅里葉變換.:清華大學,1990.15、彭啟琮.DSP集成開發環境——CCS及DSP/BIOS的原理與應用.電子工業出版社，2004.16、沈永歡梁在中等.實用數學手冊.:科學,2001.726-732.17、TMS320C54*DSPReferenceSet,Volume3:AlgebraicInstructionSet18、邢培育.*克清.一種基于TMS320C5402的數字IIR濾波器設計