完整版基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计与DSP实现毕业论文.docx

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完整版基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计与DSP实现毕业论文

1绪论

1.1课题分析

在现代通信系统中，由于信号中经常混有各种复杂成分，所以很多信号的处理和分析都是基于滤波器而进行的。

但是，传统数字滤波器的设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，从而在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。

利用MATLAB信号处理箱（SignalProcessingToolbox）可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。

本课题正是利用MATLAB软件进行IIR数字滤波器的设计并进行仿真，这使得滤波器的设计更加快速和有效。

21世纪是信息科学与技术的世纪,其中,数字信号处理技术（DSP）已经成为当今一门极其重要的学科。

数字信号处理（DSP）在通信,语音,图像,自动控制,雷达,军事,航空航天,医疗和家用电器等很多领域已经得到广泛的应用。

[10]

近年来,在数字信号处理领域具有绝对优势的DSP技术得到了迅速发展,不仅应用于通信、计算机领域,还逐渐渗透到其他科学研究领域。

DSP应用得到普遍重视。

数字信号处理器由于运算速度快，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、开发与应用中，发挥着越来越重要的作用。

[18]采用DSP芯片实现数字信号处理系统更是当前的发展趋势。

因此本课题在MATLAB设计完成IIR滤波器的情况下，通过在CCS软件环境下进行编程，利用TMS320C54x进行IIR滤波器的硬件实现。

1.2数字滤波器在国内外发展概况

数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入、输出均为数字信号，实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散系统。

它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换,改变输入序列的频谱或信号波形，让有用频率的信号分量通过,抑制无用的信号分量输出。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。

滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。

20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。

自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。

导致RC有源滤波器、数字滤波器、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已被研制出来并得到应用。

80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。

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。

[7]

我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。

经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

数字滤波器和模拟滤波器有着相同的滤波概念,根据其频率响应特性可分为低通、高通、带通、带阻等类型,与模拟滤波器相比,数字滤波器除了具有数字信号处理的固有优点外,还有滤波精度高（与系统字长有关）、稳定性好（仅运行0与1两个电平状态）、灵活性强等优点。

数字滤波器按单位脉冲响应的性质可分为无限长单位脉冲响应滤波器IIR和有限长单位脉冲响应滤波器（FIR）两种。

IIR数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配，所以IIR滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。

其设计方法主要有经典设计法、直接设计法和最大平滑滤波器设计法。

FIR数字滤波器的单位脉冲响应是有限长序列。

它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数问题，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等[2]。

目前数字滤波器的设计有许多现成的高级语言设计程序，但他们都存在设计效率较低，不具有可视图形，不便于修改参数等缺点，而MATLAB为数字滤波的研究和应用提供了一个直观、高效、便捷的利器。

他以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互式的工作环境中。

尤其是MATLAB工具箱使各个领域的研究人员可以直观方便地进行科学研究与工程应用。

其中的信号处理工具箱、图像处理工具箱、小波工具箱等更是为数字滤波研究的蓬勃发展提供了可能。

1.3MATLAB简介

MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理计算系统环境,除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。

[8]MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言简捷得多。

MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。

MATLAB是英文MATrixLABoratory（矩阵实验室）的缩写。

概括地讲，整个MATLAB系统由两部分组成，即MATLAB内核及辅助工具箱,两者的调用构成了MATLAB的强大功能。

MATLAB语言以数组为基本数据单位，包括控制流语句，函数，数据结构，输入输出及面向对象等特点的高级语言，它具有以下主要特点：

[8]

（1）运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高，MATLAB除了提供和C语言一样的运算符号外，还提供广泛的矩阵和向量运算符。

利用其运算符号和库函数可使其程序相当简短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN的程序功能。

（2）既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句，if语句和switch语句），又有面向对象的编程特性。

（3）图形功能强大。

它既包括对二维和三维数据可视化，图像处理，动画制作等高层次的绘图命令，也包括可以修改图形及编制完整图形界面的，低层次的绘图命令。

（4）功能强大的工具箱。

工具箱可分为两类:

功能性工具箱和学科性工具箱。

功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。

而学科性工具箱是专业性比较强的，如优化工具箱，统计工具箱，控制工具箱，小波工具箱，图象处理工具箱，通信工具箱等。

（5）易于扩充。

除内部函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可修改源文件和加入自己的文件，它们可以与库函数一样被调用。

MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。

在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。

成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。

在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。

在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能。

1.4数字信号处理（DSP）器简介

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。

作为数字化重重要的技术之一，DSP无论在其应用的深度还是广度，正在以前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、计算机技术和信号处理技术相结合的产物。

数字信号处理器由于运算速度快，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，发挥着越来越重要的作用。

采用DSP芯片来实现数字信号处理系统更是当前的发展趋势。

目前，DSP芯片的发展非常迅速，硬件结构方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。

软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。

DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外，针对实时数字信号处理的特点，在处理器的结构、指令系统、指令流程上做了很大的改进，其主要特点如下：

[10]

（1）采用哈佛结构。

DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比传统处理器的冯.诺依曼结构有更快的指令执行速度。

（2）采用多总线结构。

DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大提高了DSP的运行速度。

（3）采用流水线技术。

利用流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法—累加运算。

（4）有专用的硬件乘法—累加器。

（5）有特殊的DSP指令。

（6）快速的指令周期。

（7）硬件配置强。

（8）支持多处理器结构。

（9）省电管理和低功耗。

1.5DSP芯片开发工具

可编程DSP芯片的开发需要一整套完整的软硬件开发工具。

通常，DSP芯片的开发工具可以分成代码生成工具和代码调试工具。

代码生产工具的作用是将用C或汇编语言编写的DSP程序编译汇编并链接成为可执行的DSP程序；代码调试工具的作用则是对DSP程序及系统进行调试，使之能够达到设计目标。

代码生产工具是指将用高级语言、汇编语言或两种语言混合编写的DSP程序转换为可执行的DSP芯片目标代码的工具程序，主要包括汇编器和链接器、C编译器。

此外还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、库生产程序和文档管理程序等。

归纳一下，代码生成工具程序主要包括一下几种类型的程序[19]：

C编译器；

汇编器和链接器；

辅助程序，如文档管理程序和代码格式转换程序等；

库文件；

RTS头文件；

开发DSP芯片，调试工具是必不可少的，TMS320系列DSP芯片的系统集成和调试工具主要有：

C/汇编语言源码调试器；

初学者工具DSK；

软件模拟器（Simulator）；

评价模块EVM；

软件开发系统SWDS；

仿真器XDS；

（1）C/汇编语言源码调试器

C/汇编语言源码调试器是一种工作在PC机上的先进的软件接口，它与调试工具（如软件模拟器、评价模块、软件开发系统、仿真器）混合使用，调试器可以完全控制用C语言或汇编语言编写的程序。

用户程序既可以用C语言调试，也可以用汇编语言调试，还可以进行C语言和汇编语言的混合调试，调试器提供了非常友好的用户界面，面向窗口，支持鼠标和菜单式的接口使用户不必记忆复杂的指令，使用十分方便。

（2）初学者工具DSK

初学者工具DSK是RTI公司提供给初学者进行DSP编程练习的一套廉价的实时软件调试工具。

DSK板上除了有一片DSP芯片之外，还提供了可用于声音输入和输出接口的A/D、D/A接口芯片，它可以与PC机通信，在PC机上汇编后的程序可以通过串行或并行接口下载到DSP芯片的内部RAM执行。

此外，DSK板上还将DSP芯片的地址和数据总线引出，便于用户对DSK板进行存储器等硬件资源的扩充，并在DSK硬件的基础上形成用户独立的DSP系统。

（3）软件模拟器

软件模拟器是一种模拟DSP芯片各种功能并在非实时条件下进行软件测试的一种调试工具。

它不需要目标硬件支持，只需要在计算机上运行，是一种廉价、方便的调试工具。

当然由于DSP芯片用软件模拟器实现，运行速度是软件模拟器的一个突