Fir低通滤波实验报告.docx

1、Fir低通滤波实验报告 CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY设计题目： FIR数字低通滤波器 学生姓名： 胡扬、李元林、黄一师、周通 学院名称： 长春工程学院 专业名称： 电子信息工程 班级名称： 电子1041 学 号： 35、29、34、8 完成时间： 2013-12-11 2013年 12月 11日任务分配表班级学号姓名完成主要任务电子104135胡扬程序调试及软件仿真电子104129李元林Protel原理图及PCB图电子104134黄一师 整理报告、协同软件仿真电子10418周通 查找资料 理论研究FIR数字低通滤波器胡扬、李元林、黄一师、周通（电子1041

2、:35、29、34、8）摘 要： 本文设计了一个一种基于Matlab和CCS软件的FIR数字低通滤波器，符合通带边界频率8600Hz，阻带边界频率12000Hz，通带最大衰减3db，阻带最小衰减80db的技术指标。文中深入分析了该滤波器系统设计的功能特点、实现原理以及技术关键，阐述了使用MATLAB进行Fir低通滤波器设计及仿真的具体方法。最后把整个设计方案用CCS编写代码并用Matlab和CCS联合进行仿真。仿真结果与理论相符，因此，该设计方法实现了FIR数字低通滤波。关键词：Fir数字低通滤波器 TMS320VC54xx0 引言 随着电子技术的飞速发展，人们正逐步进入数字化时代，数字滤波器

3、越来越受到人们的关注，并且在近代电信设备和各类控制系统中的应用极为广泛，如语音处理、图像处理、通信、电视、雷达、生物医学信号处理等。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为有无限长单位冲激响应（IIR）滤波器和有限长单位冲击响应（FIR）滤波器。IIR滤波器虽然可以利用模拟滤波器设计的结果，方便简单，但它的相位是非线性的。图像处理以及数据传输都要求信道具有线性相位，同时又可以具有任意的幅度特性，而FIR滤波器的单位冲激响应是有限长的，因而滤波器一定是稳定的。随着Matlab软件和信号处理工具箱的不断完善，可以利用Matlab信号处理工具箱快速有效地实现数字滤波器的设计、分析和仿真。1 系

4、统原理及设计方法1.1 FIR滤波器的基本结构FIR滤波器7的单位抽样响应为有限长度，一般采用非递归形式实现。通常的FIR数字滤波器有横截性和级联型两种。FIR滤波器实现的基本结构有：(1)FIR滤波器的横截型结构表示系统输入输出关系的差分方程可写作： 直接由差分方程得出的实现结构如图2-2所示：图1-1、 横截型(直接型卷积型)若h(n)呈现对称特性，即此FIR滤波器具有线性相位，则可以简化加横截型结构，下面分情况讨论：图1-2、N为奇数时线形相位实现结构 图1-3、N为偶数时线性相位实现结构 (2)FIR滤波器的级联型结构将H(z)分解成实系数二阶因子的乘积形式： (1-1) 这时FIR滤

5、波器可用二阶节的级联结构来实现，每个二阶节用横截型结构实现。如图所示：图1-4、 FIR滤波器的级联结构这种结构的每一节控制一对零点，因而在需要控制传输零点时可以采用这种结构。1.2 FIR数字滤波器的设计方法IIR滤波器7的优点是可利用模拟滤波器设计的结果，缺点是相位是非线性的，若需要线性相位，则要用全通网络进行校正。FIR滤波器的优点是可方便地实现线性相位。 FIR滤波器单位冲激响应h(n)的特点：其单位冲激响应h(n)是有限长(),系统函数为： (1-2)在有限Z平面有(N-1)个零点，而它的(N-1)个极点均位于原点z=0处。Fir滤波器线性相位的特点：如果FIR滤波器的单位抽样响应h

6、(n)为实数，而且满足以下任一条件：偶对称h(n)h(N-1-n)奇对称h(n)-h(N-1-n)其对称中心在n(N-1)/2处，则滤波器具有准确的线性相位。窗函数设计法： 一般是先给定所要求的理想滤波器频率响应，由导出，我们知道理想滤波器的冲击响应是无限长的非因果序列，而我们要设计的是是有限长的FIR滤波器，所以要用有限长序列来逼近无限长序列，设： (1-3) 常用的方法是用有限长度的窗函数w(n)来截取 即： (1-4) 这里窗函数就是矩形序列RN(n),加窗以后对理想低通滤波器的频率响应将产生什么样的影响呢?根据在时域是相乘关系,在频域则是卷积关系： (1-5) 其中,为矩形窗谱, 是F

7、IR滤波器频率响应. 通过频域卷积过程看的幅度函数H()的起伏现象,可知,加窗处理后，对理想矩形的频率响应产生以下几点影响：(1)使理想频率特性不连续点处边沿加宽，形成一个过渡带，其宽度等于窗的频率响应的主瓣宽度。(2)在截止频率的两边的地方即过渡带的两边，出现最大的肩峰值，肩峰的两侧形成起伏振荡，其振荡幅度取决于旁瓣的相对幅度，而振荡的多少，则取决于旁瓣的多少。(3)改变N，只能改变窗谱的主瓣宽度，改变的坐标比例以及改变的绝对值大小，但不能改变主瓣与旁瓣的相对比例(此比例由窗函数的形状决定)。(4)对窗函数的要求a、窗谱主瓣尽可能窄，以获取较陡的过渡带；b、尽量减小窗谱的最大旁瓣的相对幅度；

8、即能量集中于主瓣，使肩峰和波纹减小，增大阻带的衰减。频率采样法：窗函数设计法是从时域出发，把理想的hd(n)用一定形状的窗函数截取成有限长的h(n)，来近似理想的hd(n)，这样得到的频率响应逼近于所要求的理想的频率响应。频率抽样法则是从频域出发，把给定的理想频率响应 加以等间隔抽样得到 ，然后以此 作为实际FIR滤波器的频率特性的抽样值H(k)，即 (1-6) 知道H(k)后，由DFT定义可唯一确定有限长序列 h(n)，利用这N个频域抽样值H(k)同样利用频率内插公式可得FIR滤波器的系统函数H(z)，及频率响应 ，即： 频率抽样法内插公式： (1-7) 频率抽样法小结优点：可以在频域直接设

9、计，并且适合于最优化设计。缺点：抽样频率只能等于 2/N 的整数倍，或等于2/N 的整数倍加上/N。因而不能确保截止频率 的自由取值，要想实现自由地选择截止频率，必须增加抽样点数N，但这又使计算量增大。 为了提高逼近质量，减少通带边缘由于抽样点的陡然变化而引起的起伏振荡。有目的地在理想频率响应的不连续点的边缘，加上一些过渡的抽样点，增加过渡带，减少起伏振荡。 2 系统硬件电路 图 1-5、系统原理框图2.1 复位电路设计 图 2-1、复位电路2.2 电源电路设计 图2-2、电源电路2.3 JTAG电路设计及时钟电路设计 图2-3、 JTAG电路设计及时钟电路3 系统软件设计 图 3-1、系统主

10、流程图4 系统调试与结果分析4.1、Matlab仿真结果 1、利用MATLAB编写程序产生一个由三种频率信号复合的信号； 2、程序运行产生此混合信号的时域图； 图 4-1 3、混合信号的频域图； 图 4-2 4、混合信号经滤波器后的时域图； 图 4-35、混合信号经滤波器后的频域图； 图 4-4 6、用Matlab自带的滤波器设计工具FDAtool设定FIR低通滤波器类型及参数。 在MATLAB左下角的Start菜单中选择Toolboxes-Filter Design-Filter Design & Analysis Tools(fdatool),启动滤波器分析器。启动成功后界面如图4-5 图

11、 4-57、在选项中选择或输入滤波器参数，完成后单机“Design Filter”按钮，实现滤波器设计。结果如图4-6图 4-68、从MATLAB中导出FIR滤波器系数。a.在Fdatool中，选择Targets-Generate C header,产生如下图4-7界面：图4-7b.点击“Export as”，输出系数类型选择为Signed 16-bit integer。然后点击“Generate”,选择路径，即可输出前一步设计出的FIR滤波器的系数表。（假设生成的系数表文件为fdacoefs.h）4.2 CCS仿真1、打开CCS软件，新建工程。2、编写C语言程序、cmd文件，完成后导入工程。

12、3、导入rts.lib文件，在.tic5400cgtoollib文件夹下。4、在编译成功并完成工程建立后产生*.Out文件,在File-Load Program里打开。5、选择File-Data-Load.打开MATLAB生成的input.dat文件。6、将Address设置为input,Length设置为200，Page设置为Data。7、运行程序，点击按钮，程序即开始运行。8、打开View-Graph-Time/Frequency，设置参数图如图4-9： 图 4-89、重复前3个步骤，改变图形选项中的Display Type、Start Address,出现如下图形： 图 4-9、输入数据

13、时域图 图 4-10、输出数据时域图 图 4-11、输入数据频谱 图4-12、输出数据频谱5 结论 本次实习我们成功实现数字信号的Fir低通滤波，当然在这过程中我们遇到了很多困难，尤其是调试程序时，花费了好几天时间，一开始总是Build不成功，后来发现是确少Matlab产生的数据文件和相应头文件，后来通过上网查资料以及和同学讨论最终解决。并且通过本次的课程设计，我明白了细节决定成败这句话的道理，在实验中，有很多注意的地方，都被我忽视了，导致我再花费时间去修改，这严重影响了我试验的进度。同时，在实验中我了解了FIR滤波器的原理，熟练掌握了MATLAB的操作，不仅是我学到了知识，更锻炼了我的动手能

14、力。也进一步认识了CCS 软件的使用，了解了各种窗函数对滤波器特性的影响。参考文献：（1）程佩青;清华大学出版社（2）吴镇扬;高等教育出版社（3）胡广书;清华大学出版社.（4）高西全，丁玉美.数字信号处理.3版.西安：西安电子科技大学出版社，2008年（6）楼顺天，李伯菡.基于Matlab的系统分析与设计.西安；西安电子科技大学出版社（7）周浩敏，王睿.测试信号处理技术.北京航空航天大学出版社 附录一：protel原理图附录二：程序源代码一、Matlab代码：sl=500; %有效信号ns1=5000; %高频噪声1ns2=10000; %高频噪声2fs=25000; %采样频率N=800;

15、%序列长度T=1/fs; %采样周期n=0:N; %序列的长度范围 signal=sin(2*pi*sl*n*T); %离散序列noise1=0.7*sin(2*pi*ns1*n*T);noise2=0.4*sin(2*pi*ns2*n*T);x=(signal+noise1+noise2);%待滤波信号subplot(2,2,1),plot(x) subplot(2,2,2),y=abs(fft(x);%待滤波频谱做1000点FFT,显示幅频特性df=n*(fs/N);plot(df,y) subplot(2,2,3),plot(signal) %所需信号的离散信号的图形 subplot(2

16、,2,4),ysignal=abs(fft(signal);%滤波后频谱df=n*(fs/N);plot(df,ysignal) %滤波数据导出xout=x/max(x); %归一化xto_css=round(32767*xout);%数据取整fid=fopen(input.dat,w); %打开文件fprintf(fid,1651 1 0 0 0n);%输出文件头fprintf(fid,%dn,xto_css); %输出fclose(fid);二、CCS源代码：Iirh.c:#includestdio.h#includefdacoefs.h /头文件包含滤波器的系数#define N 81

17、/定义滤波器的阶数为81阶#define Length 200 /定义缓冲区数组大小为200long yn;int inputLength; /存放输入数据int outputLength; /存放输出数据void main() int i,j; int *x; for(j=0;jLength-1;j+) /循环导入数据 x=&inputj; /指针指向每次导入的数据 yn=0; /每做完一次乘累加后，把值赋给output数组后，从新归0 for(i=0;i15; /把值赋给output数组 while(1); /做完滤波后使程序保持在本循环中三、CCS命令文件：MEMORYPAGE 0: /

18、* program space */ VECS: origin = 0x0100, length = 0x0200 /* 128bytes vector table space */ PROG: origin = 0x0300, length = 0x1F00 /* 8K program memory space */PAGE 1: /* data space */ STCK: origin = 0x2000, length = 0x0800 /* 1K words for stack */ DAT1: origin = 0x2800, length = 0x0100 /* 256 words

19、 for sys data */ DAT2: origin = 0x2900, length = 0x1000 /* 12K words for appl data */SECTIONS .vectors : VECS PAGE 0 /* interrupt vector table */ .text : PROG PAGE 0 /* program code */ .coeffs : PROG PAGE 0 /* initialized parameters */ .data : DAT2 PAGE 1 /* initialized data */ .stack : STCK PAGE 1 /* software stack section */ .variable : DAT1 PAGE 1 /* uninitialized vars for DSP&AIC10 */