DSP实验报告.docx

1、DSP实验报告 DSP 课程实验报告 利用DSP实现实时信号IIR滤波学 院： 指导教师： 学 生： 班级：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

2、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CCStudio v3.3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

3、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1.1 IIR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xk是输入序列，yk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

4、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, ushort nbiq, ushort nx);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

5、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, ushort nbiq,ushort nx)其中：xk为输入数组；hk为H(z)系数数组，按照a11 a21 b21 b01 b11 .a1i a2i b2i b0i b1i的顺序输入，其中i为biquad的个数；rnx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

6、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a11的情况，我才用了如

7、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DM

8、A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4.11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16000HzN=256; /采样点为256个A=1000; /幅值1000t=(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(m0)=m(find(m0)+65536;/将采样数值中的负值取反y=fix(x)

9、;/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 =0000000553001440005C006AB005C70FF27000BB003E80FDBE0F9A10FE8F0FEDB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filter coefficients，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

10、益值。Sos参数为：SOS = 1.0000 2.0000 1.0000 1.0000 -1.2734 0.8008 1.0000 2.0000 1.0000 1.0000 -1.0705 0.5140 1.0000 2.0000 1.0000 1.0000 -0.9428 0.3333 1.0000 2.0000 1.0000 1.0000 -0.8676 0.22701.0000 2.0000 1.0000 1.0000 -0.8327 0.1776G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：for i

11、=1:3 for j=1:3 a1(i,j)=SOS(i,j)/2*32767*G(i,1); endend/量化分母，并存放在a1数组中for i=1:3 for j=4:6 b1(i,j-3)=SOS(i,j)/2*32767; endend/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 = 2160 4320 2160 1816 3632 1816 1599 3199 1599分子：b2 = 16383 -20862 13119 16383 -17539 8420 16383 -15446 5461最后，按照a11 a

12、21 b21 b01 b11 .a1i a2i b2i b0i b1i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 =08700718063F10E00E300C7F08700718063F分子：m=b2; m(find(m0)=m(find(m0)+65536;p=dec2hex(m)p =3FFF3FFF3FFFAE82BB7DC3AA333F20E415554.1.3利用滤波器进行滤波

13、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

14、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16000HzN=1024000; %采样点为256个A=1000; %幅值1000t=(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

15、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-

16、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

17、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24.3 程序分析1) 缓冲区定义 #pragma DATA_SECTION (gBufferXmtPing, buffer_sect);Int16 gBufferXmtPingBUFFSIZE; / Transmit PING buffer #pragma DATA_SECTION (gBufferXmtPong, buffer_sect);Int16 gBufferXmtPongBUFFSIZE; / Transmit PONG buffer#pragma DATA_SECTION (gBufferRcv

18、Ping, buffer_sect);Int16 gBufferRcvPingBUFFSIZE; / Receive PING buffer#pragma DATA_SECTION (gBufferRcvPong, buffer_sect);Int16 gBufferRcvPongBUFFSIZE; / Receive PONG buffer#pragma DATA_SECTION (leftXmtPing, buffer_sect);Int16 leftXmtPingBUFFSIZE; / Transmit PING buffer#pragma DATA_SECTION (leftXmtPo

19、ng, buffer_sect);Int16 leftXmtPongBUFFSIZE; / Transmit PONG buffer#pragma DATA_SECTION (leftRcvPing, buffer_sect);Int16 leftRcvPingBUFFSIZE; / Receive PING buffer#pragma DATA_SECTION (leftRcvPong, buffer_sect);Int16 leftRcvPongBUFFSIZE; / Receive PONG buffer#pragma DATA_SECTION (rightXmtPing, buffer

20、_sect);Int16 rightXmtPingBUFFSIZE; / Transmit PING buffer#pragma DATA_SECTION (rightXmtPong, buffer_sect);Int16 rightXmtPongBUFFSIZE; / Transmit PONG buffer#pragma DATA_SECTION (rightRcvPing, buffer_sect);Int16 rightRcvPingBUFFSIZE; / Receive PING buffer#pragma DATA_SECTION (rightRcvPong, buffer_sec

21、t);Int16 rightRcvPongBUFFSIZE; / Receive PONG buffer 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

22、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_Config dmaRcvConfig = /* config receiver */ DMA_DMACSDP_RMK( /Config DMACSDP register DMA_DMACSDP_DSTBEN_NOBURST, /DSTBEN=00b, 目的方不突发(bursting disabled) DMA_DMACSDP_DSTPACK_OFF, /DSTPACK=0 ，目的方不打包 DMA_DMACSDP_DST_DARAMPORT1, /*DST=01b, 目的方为DA

23、RAM，通过内部存储器口1 */ DMA_DMACSDP_SRCBEN_NOBURST, /SRCBEN=00b, 目的方不突发(bursting disabled) 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( /Config DMACCR register DMA_DMACCR_D

24、STAMODE_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(write posting)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

25、, 自动初始化Repeat only if ENDPROG = 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_AERR

26、IE_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

27、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,

28、/* DMACDSAL,目的地址低位(LOW) to be loaded by submit */ 0, /* DMACDSAU */ BUFFSIZE, /* DMACEN, 元素个数 */ 1, /* DMACFN，帧个数 */ /*如果(1)For CHIP_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, /* dmacsfi for (1);DMACFI for (2); */ /DMA通道源帧索引(for 5502)

29、0, /*dmacsei for (1); DMACEI for (2); */ /DMA通道源元素索引(for 5502) 0, /*dmacdfi only for (1)*/ /DMA通道目的帧索引(for 5502) 0 /*dmacdei only for (1)*/ /DMA通道目的元素索引(for 5502);DMA_Config dmaXmtConfig = DMA_DMACSDP_RMK( DMA_DMACSDP_DSTBEN_NOBURST, DMA_DMACSDP_DSTPACK_OFF, DMA_DMACSDP_DST_PERIPH, /DST=11b, 目的方为外设，

30、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