DSP实验报告.docx
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DSP实验报告
DSP课程实验报告
—利用DSP实现实时信号IIR滤波
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DSP课程设计:
实现信号IIR滤波---结题报告
在信号与信息处理中，提取有用信息需要对信号进行滤波。
借助DSP数字信号处理器的高速运算能力，可以实时地对信号进行数字滤波。
本设计要求利用DSP的DMA方式进行信号采集和信号输出，同时对外部输入的信号进行数字滤波,用DSP实验工具箱实现IIR信号滤波器，调用55xdspx.lib中的IIR滤波程序iircas5（），实现信号IIR滤波仿真。
一、实验目的
掌握DSP集成开发环境CCS的使用和调试方法。
掌握DSP片上资源和片外资源访问的基本方法。
通过对DSP处理器及CODEC的编程，培养C语言编程能力。
学会利用Matlab对信号进行IIR滤波，掌握Matlab的信号仿真方法。
掌握利用DSP实现信号实时IIR滤波设计方法。
提高使用DSP硬件平台实现数字信号处理算法的能力。
二、实验内容
（1）用MATLAB软件产生一个两个叠加的正弦信号，并采样生成输入数据；
（2）使用MATLAB软件中的工具箱设计一个IIR滤波器，获得相应系数值；
（3）在CCStudiov3.3软件中建立仿真工程；
（4）在DMA中断程序中,调用DSPLIB中的IIR滤波程序iircas5（）实现对输入信号的滤波，观察输入输出波形。
发挥部分
（1）比较加不同窗和阶数时滤波器的滤波效果。
（2）测试所设计滤波器的幅频特性和相频特性，并与MATLIB下的设计结果进行比较。
三、实验原理
IIR滤波原理
IIR数字滤波器差分方程的一般形式为：
式中ai、bi为滤波系数。
当bi全为零时，该滤波器为FIR数字滤波器；当bi不全为零时，则为IIR滤波器。
IIR数字滤波器可用直接型、级联型和并联型三种基本结构实现，其基本组成单元如图1所示。
图1.1IIR滤波器的二阶结构
对于二阶IIR数字滤波器，其传递函数为：
n时刻IIR数字滤波器输出和输入关系为：
其中x[k]是输入序列，y[k]是输出序列，ai、bI为滤波器系数。
因此滤波器的输出可以用硬件乘法器和加法器实现。
在本实验中将IIR滤波器的系统函数H（z）分解为n个二阶IIR滤波器级联的形式进行运算，这样可以减小量化误差。
IIR滤波函数
IIR函数调用格式：
iircas5（DATA*x,DATA*h,DATA*r,DATA**d,ushortnbiq,ushortnx）;
iircas5函数用于二阶级联直接II型滤波器，每项含5个系数；调用matlab产生滤波器系数时，由于a0始终为1，所以可以产生二阶级联型系数，每项调用a1,a2,b0,b1,b2五个系数。
iircas5用于通过各部分的放缩系数使各部分增益小于1的情况同时防止溢出的情况。
在IIR数字滤波器的实现中，直接II型相比直接I型节省了一半的延迟单元，因而成为IIR滤波器实现最常用的形式。
综上，我们采用irrcas5（）函数实现信号的滤波。
调用参数说明：
iircas5（DATA*x,DATA*h,DATA*r,DATA**dbuffer,ushortnbiq,ushortnx）
其中：
x[k]为输入数组；
h[k]为H（z）系数数组，按照a11a21b21b01b11....a1ia2ib2ib0ib1i的顺序输入，其中i为biquad的个数；
r[nx]为输出数组；
dbuffer为延迟数据区；
nbiq为H（z）分成二阶滤波器的个数；
nx为输入长度。
将滤波器系数导入程序当中一般有两种方式：
一、是将MATLAB产生的系数，生成头文件，在程序中进行调用。
二、将MATLAB产生的系数写入数据段中，在程序中调用，此过程涉及到IIR滤波器的系数被截取，量化，调整和量化误差的产生。
信号与滤波器系数的运算也有两种方法：
一、调用DSPLIB中的IIR、调用函数。
二、利用C语言，编辑一段程序进行运算。
系数的导入与量化
滤波器的系数可以用FDATOOL进行计算出来，也可以导出到MATLAB的workspace中去计算量化。
系数的转化
经过查阅资料，对于滤波器的量化，一般采取将系数向量除以一个数，使他满足Q15数据格式的要求，一般这个数值要大于最大的系数，往往是2的幂，这样在进行转化的时候，能够减小因四舍五入截断时的误差。
对于a1>1的情况，我才用了如下的公式来进行量化和数据格式转换：
a=[];
b=[];
a=a/2*32767*g;
b=b/2*32767
其中，a为分母，b为分子；g为各项增益
这个公式所形成的矩阵就可以应用到IIRCAS5的数据格式要求中，减小了溢出的可能性。
四、实验步骤
本设计可以分为两部分：
（1）信号仿真
（a）首先利用Matlab的fdatool工具箱设计滤波器，在sptool工具箱进行信号分析与滤波。
（b）利用CCS进行信号滤波算法的仿真，即利用simulator进行仿真。
调用DSPLIB库中的
iir（）滤波函数实现信号FIR滤波，或自行编写IIR滤波程序实现信号IIR滤波。
（2）利用Emulator在DSP实验板上采用DMA方式实现信号采集与传输。
（3）在DSP实验板上，结合IIR滤波算法，实现信号的实时IIR滤波。
4.1MATLAB部分
4.1．1信号叠加与其参数
产生两个正弦信号相加的波形，得到一个混合有1000Hz和4500Hz频率的正弦信号。
f1=1000;
f2=4500;
fs=16000;//采样率为16000Hz
N=256;//采样点为256个
A=1000;//幅值1000
t=（0:
N-1）/fs;
x=A*sin（2*pi*f1*t）+A*sin（2*pi*f2*t）;//采集信号
plot（t,x）;
图形如下：
m（find（m<0））=m（find（m<0））+65536;//将采样数值中的负值取反
y=fix（x）;//将采样值去整
a=dec2hex（y）;//把采样值转变成16进制的数值
采样取整后转化为16进制输出为：
数据为：
val=
00000
00553
00144
0005C
006AB
005C7
0FF27
000BB
003E8
0FDBE
0F9A1
0FE8F
0FEDB……等一系列值
4.1.2IIR滤波器的生成，并且提取参数
利用fdatool工具设计如图所示的滤波器：
IIRBW型，6阶，Fs=16000Hz，Fc=2000Hz
选中analysis中的filtercoefficients，可以看到滤波器的具体参数，参数无法复制，选择export，生成两个workspace，“SOS”存放分子分母系数，“G”存放增益值。
Sos参数为：
SOS=
1.00002.00001.00001.0000-1.27340.8008
1.00002.00001.00001.0000-1.07050.5140
1.00002.00001.00001.0000-0.94280.3333
1.00002.00001.00001.0000-0.86760.2270
1.00002.00001.00001.0000-0.83270.1776
G的参数为：
G=
0.1319
0.1109
0.0976
0.0898
0.0862
1.0000
将滤波器参数量化取整，程序为：
fori=1:
3
forj=1:
3
a1（i,j）=SOS（i,j）/2*32767*G（i,1）;
end
end
//量化分母，并存放在a1数组中
fori=1:
3
forj=4:
6
b1（i,j-3）=SOS（i,j）/2*32767;
end
end
//量化分子,并存放在b1数组中
a2=fix（a1）;
b2=fix（b1）;
取整量化以后的分子分母如下所示：
分母：
a2=
216043202160
181636321816
159931991599
分子：
b2=
16383-2086213119
16383-175398420
16383-154465461
最后，按照a11a21b21b01b11....a1ia2ib2ib0ib1i的顺序得到滤波器的系数向量是:
{-13767,3086,1425,1425,2851,
-19585,11314,1756,1756,3513,
-15446,5461,1846,1846,3693};
将数据转化为16进制：
分母：
q=dec2hex（a2）
q=
0870
0718
063F
10E0
0E30
0C7F
0870
0718
063F
分子：
m=b2;
m（find（m<0））=m（find（m<0））+65536;
p=dec2hex（m）
p=
3FFF
3FFF
3FFF
AE82
BB7D
C3AA
333F
20E4
1555
4.1.3利用滤波器进行滤波
采用sptool工具进行，输入信号和滤波器均为上提提到的正弦信号与滤波器
输入信号：
滤波器特性：
滤波输出波形：
4.2CCStudio仿真部分：
4.2.1IIR仿真部分：
建立工程，名为iirtest，
将这三个基本文件55x，data.h，IIRfilter.C复制在新建的文件夹中，再进行相应的编译，装载程序，发现仍需要一些必要文件：
TMS320.H，rts55x.lib，dsplib.h，55xdspx.lib，发现可以通过编译、装载。
原始数据输入图形如下（地址为SINE_TABLE）：
输入信号频谱如下：
输出波形（地址为out_buffer）：
输出频谱：
下面列出simulator中仿真的各阶滤波器的结果：
生成虚拟输入测试信号的MATLAB程序如下：
f1=1000;
f2=4500;
fs=16000;%采样率为16000Hz
N=1024000;%采样点为256个
A=1000;%幅值1000
t=（0:
N-1）/fs;
x=A*sin（2*pi*f1*t）+A*sin（2*pi*f2*t）;%采集信号
待滤波的测试信号波形如图所示：
图1
待滤波信号的为双频信号，f1=1000Hz,f2=4500Hz，如图所示：
图2
（1）使用6阶Fc为1500Hz的BW型iir滤波器，对测试信号进行滤波之后的时域波形如图所示：
图3
使用6阶Fc为1500Hz的BW型iir滤波器，对测试信号进行滤波之后的频谱如图所示：
图4
（2）四阶FC为1500Hz的BW滤波器滤波后时域波形如图所示：
图5
滤波后的频谱如图所示：
图6
（3）八阶截频为1500Hz的BW型滤波器滤波后输出时域波形如图所示：
图7
输出信号频谱如图所示：
图8
六阶Fc为1500Hz的切比雪夫I型滤波器滤波后输出信号波形和频谱如图所示
图9
六阶Fc为1500Hz的椭圆型滤波器滤波后输出信号波形和频谱如图所示
图10
比较图4和图6可知，相同类型的滤波器，阶数小的滤波器滤波性能较差；比较图4和图8，图9，图10可知，CCS中的iircas5（）函数对非Butterworth滤波器和高阶的滤波器的实现能耐有限，引入了新的频率分量。
4.2DMA-split部分：
将dma-split中的程序进行部分修改，将原先的滤波函数fir变为iircas5函数，并且改正其相应的格式，并且将data.h中的滤波函数系数改为matlab中自行设计的参数，我们采用的是用虚拟示波器显示滤波的波形。
产生波形并观察：
虚拟信号源发生器，分别产生左右声道的信号，这种方法的好处是左右声道信号没有串扰，频谱很干净；缺点是，每一个声道都只能产生一个单频信号。
本次测试使用的滤波器系数为6阶BW低通滤波器（fc=2000），程序中对左声道数据不做任何处理，作为参考信号；用虚拟信号源产生输入信号，左声道4000Hz，右声道先为1000Hz，后改为6000Hz；用虚拟示波器观察DSP实验板的滤波效果如图1，图2所示其中下面的频谱为右声道经过滤波器后的信号。
图1
图2
4.3程序分析
1）缓冲区定义
#pragmaDATA_SECTION（gBufferXmtPing,"buffer_sect"）;
Int16gBufferXmtPing[BUFFSIZE];//TransmitPINGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（gBufferXmtPong,"buffer_sect"）;
Int16gBufferXmtPong[BUFFSIZE];//TransmitPONGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（gBufferRcvPing,"buffer_sect"）;
Int16gBufferRcvPing[BUFFSIZE];//ReceivePINGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（gBufferRcvPong,"buffer_sect"）;
Int16gBufferRcvPong[BUFFSIZE];//ReceivePONGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（leftXmtPing,"buffer_sect"）;
Int16leftXmtPing[BUFFSIZE];//TransmitPINGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（leftXmtPong,"buffer_sect"）;
Int16leftXmtPong[BUFFSIZE];//TransmitPONGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（leftRcvPing,"buffer_sect"）;
Int16leftRcvPing[BUFFSIZE];//ReceivePINGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（leftRcvPong,"buffer_sect"）;
Int16leftRcvPong[BUFFSIZE];//ReceivePONGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（rightXmtPing,"buffer_sect"）;
Int16rightXmtPing[BUFFSIZE];//TransmitPINGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（rightXmtPong,"buffer_sect"）;
Int16rightXmtPong[BUFFSIZE];//TransmitPONGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（rightRcvPing,"buffer_sect"）;
Int16rightRcvPing[BUFFSIZE];//ReceivePINGbuffer
#pragmaDATA_SECTION（rightRcvPong,"buffer_sect"）;
Int16rightRcvPong[BUFFSIZE];//ReceivePONGbuffer
由以上语句可知，为了实现实时性和左右声道数据的分别处理，定义了12个缓冲区。
其中gBufferXmtPing，gBufferXmtPong为数据的回放缓冲区；gBufferRcvPing，gBufferRcvPong为数据的接收缓冲区。
发送与接收缓冲区均采用pingpong冗余备份方式，以提高数据处理的实时性：
当DMA往接收缓冲区pingpong中一个缓冲区存数据时，cpu不用等待，而利用这段时间去处理pingpong中另一个一个缓冲区存数据，对发送缓冲区而言，道理一样。
对每一个接收发送pingpong缓冲区,均配以左右两个临时缓冲区，以将左右声道数据分开来，分别处理。
2）DMA初始化
DMA_ConfigdmaRcvConfig={/*configreceiver*/
DMA_DMACSDP_RMK（//ConfigDMACSDPregister
DMA_DMACSDP_DSTBEN_NOBURST,//DSTBEN=00b,目的方不突发（burstingdisabled）
DMA_DMACSDP_DSTPACK_OFF,//DSTPACK=0，目的方不打包
DMA_DMACSDP_DST_DARAMPORT1,/*DST=01b,目的方为DARAM，通过内部存储器口1*/
DMA_DMACSDP_SRCBEN_NOBURST,//SRCBEN=00b,目的方不突发（burstingdisabled）
DMA_DMACSDP_SRCPACK_OFF,//DSTPACK=0，源方不打包
DMA_DMACSDP_SRC_PERIPH,//SRC=11b,源方为外设，通过外设总线
DMA_DMACSDP_DATATYPE_16BIT//DATATYPE=10b,传输数据类型为16bit*/
）,/*DMACSDP*/
DMA_DMACCR_RMK（//ConfigDMACCRregister
DMA_DMACCR_DSTAMODE_POSTINC,//DSTAMODE=01b,目的方寻址模式，访问后目的地址后增加酱每个元素传输完后，地址将增?
如果16bit，则地址增加2*/
DMA_DMACCR_SRCAMODE_CONST,/*SRCAMODE=00b,源方寻址模式，访问后源地址不变*/
DMA_DMACCR_ENDPROG_ON,//ENDPROG=1,DMA寄存器编程结束
DMA_DMACCR_WP_DEFAULT,/*WP=0,写记录（writeposting）禁止，DMA控制器等待来自存储器接口的完成写数的应答*/
DMA_DMACCR_REPEAT_OFF,/*REPEAT=0,自动初始化RepeatonlyifENDPROG=1*/
DMA_DMACCR_AUTOINIT_OFF,/*AUTOINIT=0,DMA控制器不进行自动初始化*/
DMA_DMACCR_EN_STOP,//EN=0,通道传输禁止
DMA_DMACCR_PRIO_LOW,//此DMA通道的优先级低
DMA_DMACCR_FS_DISABLE,//元素同步，而不是帧同步
DMA_DMACCR_SYNC_REVT1/*SYNC=101b,DMA同步事件是McBSP1接收事件*/
）,/*DMACCR*/
DMA_DMACICR_RMK（
DMA_DMACICR_AERRIE_ON,/*AERRIE=1，当源或目的端口的地址发生错误，DMA向CPU发送通道中断请求*/
DMA_DMACICR_BLOCKIE_OFF,/*0,当前所有块已经传输到目的端口时，DMA不向CPU发送通道中断请求。
*/
DMA_DMACICR_LASTIE_OFF,/*0,最后一帧时，DMA控制器如何从?
DMA不向CPU发送通道中断请求。
*/
DMA_DMACICR_FRAMEIE_ON,//1,当前所有帧已经传输到目的端口时,DMA向CPU发送通道中断请求。
DMA_DMACICR_FIRSTHALFIE_OFF,//0,当前帧的前一半已经传输到目的端口时，DMA不向CPU发送通道中断请求。
DMA_DMACICR_DROPIE_OFF,//发生同步事件丢弃时,DMA不向CPU发送通道中断请求。
DMA_DMACICR_TIMEOUTIE_OFF//TIMEOUTIE=0.DMA不向CPU发送超时中断（TIMEOUTIE=1，传输在512个SYSCLK1周期未完成，产生超时中断）
）,/*DMACICR*/
（DMA_AdrPtr）（MCBSP_ADDR（DRR11））,/*DMACSSAL,源地址低位（LOW）,为McBSP1接收寄存器DRR11*/
0,/*DMACSSAU,源地址高位（HIGH），为0*/
NULL,/*DMACDSAL,目的地址低位（LOW）tobeloadedbysubmit*/
0,/*DMACDSAU*/
BUFFSIZE,/*DMACEN,元素个数*/
1,/*DMACFN，帧个数*/
/*如果
（1）ForCHIP_5510PG2_x（x=0,1,2）,5509A,5502需要最后4个0参数;*/
/*如果
（2）ForCHIP_5509,CHIP_5510PG1_x（x=0,2）则只需要最后2个0参数*/
0,/*dmacsfifor
（1）;DMACFIfor
（2）;*///DMA通道源帧索引（for5502）
0,/*dmacseifor
（1）;DMACEIfor
（2）;*///DMA通道源元素索引（for5502）
0,/*dmacdfionlyfor
（1）*///DMA通道目的帧索引（for5502）
0/*dmacdeionlyfor
（1）*///DMA通道目的元素索引（for5502）
};
DMA_ConfigdmaXmtConfig={
DMA_DMACSDP_RMK（
DMA_DMACSDP_DSTBEN_NOBURST,
DMA_DMACSDP_DSTPACK_OFF,
DMA_DMACSDP_DST_PERIPH,//DST=11b,目的方为外设，通过外设总线
DMA_DMACSDP_SRCBEN_NOBURST,
DMA_DMACSDP_SRCPACK_OFF,
DMA_DMACSDP_SRC_DARAMPORT0,//SRC=00b,源方为DARAM，通过内部存储器口0
DMA_DMACSDP_DATATYPE_16BIT
）,/*DMACSDP*/
DMA_DMACCR_RMK（
DMA_DMACCR_DSTAMODE_CONST,//DSTAMODE=00b,目的寻址模式为恒量，即每个元素传输完后，目的地址不变。
DMA_DMACCR_SRCAMODE_POSTINC,//SRCMODE=01b,源方寻址模式，访问后源地址后增加方式，即每个元素传输完后，地址将增加.如果16bit，则地址增加2
DMA_DMACCR_ENDPROG_ON,
DMA_DMACCR_WP_DEFAULT,
DMA_DMACCR_REPEAT_OFF,
DMA_DMACCR_AUTOINIT_OFF,
DMA_DMACCR_EN_STOP,
DMA
升级会员 