第一篇：數(shù)字濾波器調(diào)研報(bào)告

數(shù)字濾波器調(diào)研報(bào)告

一、數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器對信號(hào)濾波的方法是：用數(shù)字計(jì)算機(jī)對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理就是按照預(yù)先編制的程序進(jìn)行計(jì)算。數(shù)字濾波器的原理如圖所示，它的核心是數(shù)字信號(hào)處理器。

二、數(shù)字濾波器發(fā)展背景

隨著信息科學(xué)與計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論與應(yīng)用得到飛躍式發(fā)展，形成了一門極為重要的學(xué)科。不僅如此，它還以不同的形式影響及滲透到其他的學(xué)科中去。不論是國民經(jīng)濟(jì)或者是國防建設(shè)都與之息息相關(guān)，緊密相連。

我們現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)遇到多種多樣的信號(hào)，例如廣播信號(hào)、電視信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、通信信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)、射電天文信號(hào)、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)、控制信號(hào)、氣象信號(hào)、地震勘探信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、遙感遙測信號(hào)等等。上述這些信號(hào)大部分是模擬信號(hào)，也有小部分是數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一維的，也可以是二維或多維的。大多數(shù)情況下一維模擬信號(hào)的自變量是時(shí)間，經(jīng)過時(shí)間上的離散化(采樣)和幅度上的離散化(量化)，這類模擬信號(hào)便成為一維數(shù)字信號(hào)。因此，數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是用數(shù)字序列表示的信號(hào)，語音信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)一維離散時(shí)間序列；而圖像

信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)二維離散空間序列。信號(hào)處理的目的一般是對信號(hào)進(jìn)行分析、變換、綜合、估值與識(shí)別等。如何在較強(qiáng)的噪聲背景下提取出真正的信號(hào)或信號(hào)的特征，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際是信號(hào)處理的首要任務(wù)。根據(jù)處理對象的不同，信號(hào)處理技術(shù)分為模擬信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理(Digital signal Processing，DSP)與模擬信號(hào)處理相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如相對于溫度和工藝的變化數(shù)字信號(hào)要比模擬信號(hào)更穩(wěn)健，在數(shù)字表示中，精度可以通過改變信號(hào)的字長來更好地控制，所以DSP技術(shù)可以在放大信號(hào)的同時(shí)去除噪聲和干擾，而在模擬信號(hào)中信號(hào)和噪聲同時(shí)被放大，數(shù)字信號(hào)還可以不帶誤差地被存儲(chǔ)和恢復(fù)、發(fā)送和接收、處理和操縱。許多復(fù)雜的系統(tǒng)可以用高精度、大信噪比和可重構(gòu)的數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

目前，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，并且在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐步代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)，如通訊、系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)、故障檢測、語音、圖像、自動(dòng)化儀器、航空航天、鐵路、生物醫(yī)學(xué)工程、雷達(dá)、聲納、遙感遙測等。

數(shù)字信號(hào)處理中一個(gè)非常重要且應(yīng)用普遍的技術(shù)就是數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，是指其輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含的頻率成分的相對比例或?yàn)V除某些頻率成分，達(dá)到提取和加強(qiáng)信號(hào)中的有用成份，消弱無用的干擾成份的目的。數(shù)字濾波與模擬濾波相比，有精度高、可靠性高、靈活性好等突出優(yōu)點(diǎn)，可以滿足對幅度和相位的嚴(yán)格要求，還能降低開發(fā)費(fèi)用，縮短研制到應(yīng)用的時(shí)間，在很多領(lǐng)域逐步代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)系統(tǒng)。

數(shù)字濾波器，在數(shù)字信號(hào)處理中有著廣泛的應(yīng)用，因此，無論是在理論研究上還是在如通訊、HDTV(高清晰度電視)、雷達(dá)、圖象處理、數(shù)字音頻等實(shí)際應(yīng)用上都有著美好的技術(shù)前景和巨大的實(shí)用價(jià)值。

三、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

數(shù)字濾波器精確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設(shè)備所沒有的許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域, 例如數(shù)字電視、語音、通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代的到來，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是，模擬電路技術(shù)存在很多難以解決的問題，例如，模擬電路元件對溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術(shù)則避免很多類似的難題，當(dāng)然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對信號(hào)進(jìn)行處理是目前的發(fā)展方向。關(guān)于數(shù)字濾波器的研究，在40年代末期就有人研究過它的可能性問題，在50年代也有人在研究生班討論過數(shù)字濾波的問題。直到60年代中期美國科學(xué)家?guī)炖?、圖基總結(jié)前人的研究成果，經(jīng)過長期的研究，才開始形成了一套完整關(guān)于數(shù)字濾波器的正規(guī)理論。在這一時(shí)期，各種各樣的數(shù)字濾波器原理結(jié)構(gòu)和特性被提出，并且出現(xiàn)了各

種數(shù)字濾波器的逼近方法和實(shí)現(xiàn)方法，對遞歸和非遞歸兩類濾波器作了全面的比較和分析。數(shù)字濾波器經(jīng)歷了有限沖激響應(yīng)（FIR）和無限沖激響應(yīng)（IIR）關(guān)系的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化過程。當(dāng)利用快速傅利葉變換（FFT）來實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算的概念被提出之后，發(fā)現(xiàn)高階有限沖激響應(yīng)濾波器也可用較高的運(yùn)算效率來實(shí)現(xiàn)，因此使得人們對高性能的有限沖激響應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究分析，從而出現(xiàn)了此后數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中頻域方法與時(shí)域方法的局面。

我國在DSP技術(shù)起步較早，產(chǎn)品的研究開發(fā)成績斐然，基本上與國外同步發(fā)展，而在FPGA方面起步較晚。全國有100來所高等院校從事DSP&FPGA的教學(xué)和科研，除了一部分DSP芯片需要從國外進(jìn)口外，在信號(hào)處理理論和算法方面，與國外處于同等水平。而在FPGA信號(hào)處理和系統(tǒng)方面，有了喜人的進(jìn)展，正在進(jìn)行與世界先進(jìn)國家同樣的研究。比如西北工業(yè)大學(xué)和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的ATR實(shí)驗(yàn)室采用了FPGA可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)載圖像處理和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，主要是利用該系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的卷積運(yùn)算，同時(shí)利用它的可變?nèi)嵝詠磉_(dá)到自適應(yīng)的目的。北京理工大學(xué)研究利用FPGA提高加解密運(yùn)算的速度，等等。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)有很多專家教授在數(shù)字濾波領(lǐng)域展開長期的深入研究，如天津大學(xué)的王兆華教授、山東大學(xué)的賴曉平教授等。無論是在理論方面還是在工程技術(shù)領(lǐng)域，都有很多科研成果。因而數(shù)字濾波器不斷應(yīng)用在各行各業(yè)里，我國現(xiàn)有濾波器的種類及應(yīng)用技術(shù)己基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備需求。從整體而言，我國無源濾波器發(fā)展比有源濾波器迅速，而數(shù)字濾波器比模擬濾波器的發(fā)展較緩慢。

關(guān)于數(shù)字濾波器理論研究的發(fā)展也帶來了數(shù)字濾波器在實(shí)現(xiàn)上的空前發(fā)展。20世紀(jì)60年代起，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉等方向努力，其中高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致數(shù)字濾波器、RC有源濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展。到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成己被研制出來并得到應(yīng)用，90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。

目前，國外有許多院校和科研機(jī)構(gòu)在研究基于FPGA的DSP應(yīng)用，比較突出的有Denmark大學(xué)的研究小組正在從事FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的研究。由于FPGA實(shí)現(xiàn)乘法器有困難，因此他們重點(diǎn)研究開發(fā)無乘法的濾波器算法。加州大學(xué)洛杉磯分校的研究小組采用運(yùn)行時(shí)重構(gòu)技術(shù)開發(fā)了一種視頻通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)用一片F(xiàn)PGA可每幀重構(gòu)四次完成視頻圖像壓縮和傳送的操作。此外，他們還在進(jìn)行Mojave項(xiàng)目的開發(fā)工作，力圖采用運(yùn)行時(shí)重構(gòu)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用。

第二篇：數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)名稱 數(shù)字濾波片的設(shè)計(jì)

姓名

田紅亮

學(xué)號(hào)

201005020216

專業(yè)班級(jí)

電信1002班

實(shí)驗(yàn)日期

成績

指導(dǎo)老師

（①實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑趯?shí)驗(yàn)原理⑶主要儀器設(shè)備④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析⑦問題建議）

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解IIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)； 2． 掌握IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法；

3.掌握脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法。

二、實(shí)驗(yàn)所采用的功能函數(shù)

1.巴特沃斯濾波器階數(shù)選擇函數(shù)

（1）[N,wc]=buttord(wp，ws，αp，αs)作用： 計(jì)算巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率wc, wc為數(shù)字頻率，單位rad。

說明： 調(diào)用參數(shù)wp，ws分別為數(shù)字濾波器的通帶、阻帶截止頻率的歸一化值，要求：0≤wp≤1，0≤ws≤1。αp，αs分別為通帶最大衰減和組帶最小衰減（dB）。當(dāng)ws≤wp時(shí)，為高通濾波器；當(dāng)wp和ws為二元矢量時(shí)，為帶通或帶阻濾波器，這時(shí)wc也是二元向量。

（2）[N,Ωc]=buttord(Ωp，Ωs，αp，αs，‘s’)作用： 計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率Ωc。說明：Ωp，Ωs，Ωc均為實(shí)際模擬角頻率。

模擬頻率f：每秒經(jīng)歷多少個(gè)周期，單位Hz，即1/s，信號(hào)的真實(shí)頻率，可用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)；

模擬角頻率Ω：每秒經(jīng)歷多少弧度，單位rad/s，通常只于模擬信號(hào)； 數(shù)字頻率w：每個(gè)采樣點(diǎn)間隔之間的弧度，單位rad，通常只用于數(shù)字信號(hào)。

關(guān)系：Ω=2pi*f；w = Ω*T=2pi*f/F。(F=1/Ts為采樣頻率，Ts為采樣間隔)

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課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)名稱 數(shù)字濾波片的設(shè)計(jì)

姓名

田紅亮

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（①實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑趯?shí)驗(yàn)原理⑶主要儀器設(shè)備④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析⑦問題建議）

2.完整巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)

（1）格式： [b，a]=butter（N，wc，‘ftype’）

作用： 計(jì)算N階巴特沃斯數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)向量b、a。

說明： 調(diào)用參數(shù)N和wc分別為巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)和3dB截止頻率的歸一化值，一般是調(diào)用buttord格式（1）計(jì)算N和wc。系數(shù)b、a是按照z-1的升冪排列。

（2）格式：[B，A]=butter（N，Ωc，‘ftype’，‘s’）

作用：計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式系數(shù)向量。

說明：調(diào)用參數(shù)N和Ωc分別為巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)和3dB截止頻率(實(shí)際角頻率)，可調(diào)用buttord（2）格式計(jì)算N和Ωc。系數(shù)B、A按s的正降冪排列。

tfype為濾波器的類型：

◇ftype=high時(shí)，高通；Ωc只有1個(gè)值。

◇ftype=stop時(shí)，帶阻；Ωc=[Ωcl,Ωcu]，分別為帶阻濾波器的通帶3dB下截止頻率和上截止頻率。

◇ ftype缺省時(shí)：若Ωc只有1個(gè)值，則默認(rèn)為低通；若Ωc有2個(gè)值，則默認(rèn)為帶通；其通帶頻率區(qū)間Ωcl<Ω <Ωcu。3.求離散系統(tǒng)頻響特性的函數(shù)freqz()格式：[H,w]=freqz(b,a,N)說明：b和a分別為離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)向量，返回量H則包含了離散系統(tǒng)頻響在 0～pi范圍內(nèi)N個(gè)頻率等分點(diǎn)的值（其中N為正整數(shù)），w則包含了范圍內(nèi)N個(gè)頻率等分點(diǎn)。調(diào)用默認(rèn)的N時(shí)，其值是512?？梢韵日{(diào)用freqz()函數(shù)計(jì)算系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，然后利用abs()和angle()函數(shù)及plot()函數(shù)，繪制出系統(tǒng)的頻響曲線。

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4.模擬域頻率變換函數(shù)

lp2lp（模擬低通濾波器變換為低通濾波器）lp2hp（模擬低通濾波器變換為高通濾波器）lp2bs（模擬低通濾波器變換為帶阻濾波器）lp2bp（模擬低通濾波器變換為帶通濾波器）

5.濾波器離散化函數(shù)：

bilinear（使用雙線性變換法把模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器）impinvar（使用脈沖響應(yīng)不變法把模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器）

三、實(shí)驗(yàn)原理

IIR數(shù)字濾波器的人物就是尋求一個(gè)因果、物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)函數(shù)MM?bH(z)?r?0Nzr?r??Ar?1N?kk?1(1?crzz?1)，使它的頻率響應(yīng)H(ej?)?H(z)?1k1??ak?0z?ej?滿足kz?(1?d)所希望得到的頻域指標(biāo)，即符合給定的通帶衰耗、阻帶衰耗、通帶截止頻率和阻帶截止頻率。

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有間接法、直接法和計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)法等。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要采用間接法計(jì)算IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法就是先根據(jù)頻率響應(yīng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模擬濾波器H(s)，再通過脈沖響應(yīng)不變法或雙線性變換法轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器H(z)，其過程如下：

頻域指標(biāo) 數(shù)字指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬指標(biāo) 設(shè)計(jì)模擬濾波器 雙線性變換法 脈沖響應(yīng)不變法 數(shù)字濾波器 圖3-1 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

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四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1.用直接設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)BW（巴特沃斯）高通數(shù)字濾波器。

采樣頻率為200Hz，通帶中允許的最大衰減為0.5dB，阻帶內(nèi)的最小衰減為40dB，通帶上限臨界頻率為40Hz，阻帶下限臨界頻率為30Hz。? 設(shè)計(jì)步驟：

（1）確定濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：?p、?s、?p、?s；

（2）運(yùn)用函數(shù)buttord（?p,?s,?p,?s）計(jì)算巴特沃斯高通濾波器的階數(shù)N和歸一化3db截止頻率?c；

（3）運(yùn)用函數(shù)butter（N,?c）求得高通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式形式；

（4）作圖顯示濾波器的幅頻特性和相位特性。程序：

fp=40;%帶通截止頻率 fs=30;%阻通截止頻率 ft=200;%采樣頻率

rp=0.5;rs=40;wp=fp/(ft/2);%利用Nyquist頻率進(jìn)行歸一化 ws=fs/(ft/2);[n,wc]=buttord(wp,ws,rp,rs);%求數(shù)字濾波器的最小階數(shù)和截止頻率

[b,a]=butter(n,wc, 'high');%設(shè)計(jì)高通數(shù)字濾波器系數(shù)b，a [H,W]=freqz(b,a);%求系統(tǒng)頻響特性，W為數(shù)字角頻率，單位rad plot(W*ft/(2*pi),abs(H));grid;%繪出頻率響應(yīng)曲線 xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');

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（①實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑趯?shí)驗(yàn)原理⑶主要儀器設(shè)備④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析⑦問題建議）

2.脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器

使用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器，其指標(biāo)為：通帶臨界頻率0.5?，通帶內(nèi)衰減小于1dB；阻帶臨界頻率0.8?，阻帶內(nèi)衰減大于15dB,采樣頻率為100 Hz ? 設(shè)計(jì)步驟：

（1）確定數(shù)字頻率指標(biāo)；

（2）采用脈沖響應(yīng)不變法求得模擬頻率指標(biāo)；（3）將模擬頻率轉(zhuǎn)化為模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)；（4）求得模擬低通濾波器的截止頻率；（5）求得模擬低通濾波器的階數(shù)；（6）設(shè)計(jì)歸一化模擬低通濾波器；

（7）把歸一化模擬低通濾波器轉(zhuǎn)化為模擬帶通濾波器；（8）利用脈沖響應(yīng)不變法把模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器；（9）畫出幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)圖。fs=100 wp=0.5*pi;ws=0.8*pi;

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)名稱 數(shù)字濾波片的設(shè)計(jì)

姓名

田紅亮

學(xué)號(hào)

201005020216

專業(yè)班級(jí)

電信1002班

實(shí)驗(yàn)日期

成績

指導(dǎo)老師

（①實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑趯?shí)驗(yàn)原理⑶主要儀器設(shè)備④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析⑦問題建議）

rp=1;rs=15;Wp=wp*fs;%由數(shù)字角頻率轉(zhuǎn)換為模擬角頻率 Ws=ws*fs;[n,wc]=buttord(Wp,Ws,rp,rs,'s');%選擇濾波器的最小階數(shù) [z,p,k]=buttap(n);[Bp,Ap]=zp2tf(z,p,k);%將零極點(diǎn)增益轉(zhuǎn)換為分子分母參數(shù)[b,a]=lp2lp(Bp,Ap,wc)% 將低通原型轉(zhuǎn)換為模擬低通 [bz,az]=impinvar(b,a,fs);%脈沖相應(yīng)不變法變換為數(shù)字濾波器

[H,W]= freqz(bz,az);%求解數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng) plot(W*fs/(2*pi),abs(H));grid;xlabel('頻率/hz');ylabel('幅值');

五、問題與思考

使用雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字帶通濾波器，其指標(biāo)為：要求帶通范圍100-250Hz，帶阻上限為300Hz，下限為50Hz，通帶內(nèi)紋波小于3dB，阻帶紋波為30 dB，抽樣頻率為1000 Hz。

ft=1000;

實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)名稱 數(shù)字濾波片的設(shè)計(jì)

姓名

田紅亮

學(xué)號(hào)

201005020216

專業(yè)班級(jí)

電信1002班

實(shí)驗(yàn)日期

成績

指導(dǎo)老師

（①實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑趯?shí)驗(yàn)原理⑶主要儀器設(shè)備④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析⑦問題建議）

fpl=100;fph=250;wp1= fpl *2*pi;%臨界頻率采用模擬角頻率表示 wph= fph*2*pi;%臨界頻率采用模擬角頻率表示 wp=[ wp1,wph];wpb=wp/ ft;%求數(shù)字頻率 rp=3;rs=30;fsl=50;fsh=300;ws1= fsl *2*pi;%臨界頻率采用模擬角頻率表示 wsh= fsh *2*pi;%臨界頻率采用模擬角頻率表示 ws=[ ws1, wsh];wsb=ws/ ft;%求數(shù)字頻率

OmegaP=2* ft *tan(wpb/2);%頻率預(yù)畸

OmegaS=2* ft *tan(wsb/2);%頻率預(yù)畸 %選擇濾波器的最小階數(shù)

[n,Wn]=buttord(OmegaP,OmegaS, rp, rs,'s');%此處是代入經(jīng)預(yù)畸變后獲得的歸一化模擬頻率參數(shù)

[bt,at]=butter(n,Wn,'s');% 設(shè)計(jì)一個(gè)n階的巴特沃思模擬濾波器

實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)名稱 數(shù)字濾波片的設(shè)計(jì)

姓名

田紅亮

學(xué)號(hào)

201005020216

專業(yè)班級(jí)

電信1002班

實(shí)驗(yàn)日期

成績

指導(dǎo)老師

（①實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑趯?shí)驗(yàn)原理⑶主要儀器設(shè)備④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟⑤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析⑦問題建議）[bz,az]=bilinear(bt,at, ft);%雙線性變換為數(shù)字濾波器 [H,W] = freqz(bz,az);%求解數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng) plot(W*ft/(2*pi),abs(H));grid;xlabel('頻率/Hz');ylabel('幅值');

六．實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)

在濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之前，必須搞清楚自己所需要的是咋樣的一個(gè)濾波器，它的性能參數(shù)，以及參數(shù)的含義，比如f是原頻率，omega是模擬角頻率，w是數(shù)字角頻率，它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，及歸一化問題等。在設(shè)計(jì)是應(yīng)該有明確的思路，步驟。而不是照著課本或是什么參考書去抄，比對去編程。明確直接法，脈沖不變法以及雙線性法直線的異同和他們各自的優(yōu)勢所在。而我在編程的時(shí)候沒有深刻理解其具體含義，造成好多錯(cuò)誤以及濾波效果不明顯等，這是必須改正和去突破的地方。

第三篇：IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)三 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.通過仿真沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法 2.掌握濾波器性能分析的基本方法

二、實(shí)驗(yàn)要求： 1.設(shè)計(jì)帶通IIR濾波器

2.按照沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)濾波器系數(shù) 3.按照雙線性變換法設(shè)計(jì)濾波器系數(shù) 4.分析幅頻特性和相頻特性

5.生成一定信噪比的帶噪信號(hào)，并對其濾波，對比濾波前后波形和頻譜

三、基本原理：

㈠ IIR模擬濾波器與數(shù)字濾波器

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)以模擬濾波器設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，常用的類型分為巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型、貝塞爾（Bessel）、橢圓等多種。在MATLAB信號(hào)處理工具箱里，提供了這些類型的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)子函數(shù)。

（二）性能指標(biāo)

1.假設(shè)帶通濾波器要求為保留6000hz~~7000hz頻段，濾除小于2000hz和大宇9000hz頻段

2.通帶衰減設(shè)為3Db,阻帶衰減設(shè)為30dB，雙線性變換法中T取1s.四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1.初始化指標(biāo)參數(shù)

2.計(jì)算模擬濾波器參數(shù)并調(diào)用巴特沃斯函數(shù)產(chǎn)生模擬濾波器

3.利用沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法求數(shù)字IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Hd(z)

4.分別畫出兩種方法的幅頻特性和相頻特性曲線 5.生成一定信噪比的帶噪信號(hào) 6.畫出帶噪信號(hào)的時(shí)域圖和頻譜圖

6.對帶噪信號(hào)進(jìn)行濾波，并畫出濾波前后波形圖和頻譜圖

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模擬濾波器的幅頻特性和相頻特性： 10Magnitude0-5-10101010-210-1Frequency(rad/s)100101Phase(degrees)2000-200-21010-1Frequency(rad/s)100101

在本實(shí)驗(yàn)中，采用的帶通濾波器為6000-7000Hz，換算成角頻率為4.47-0.55，在上圖中可以清晰地看出到達(dá)了題目的要求。

沖擊響應(yīng)不變法后的幅頻特性和相頻特性：

0Magnitude(dB)-100-20000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Normalized Frequency(?? rad/sample)Phase(degrees)5000-50000.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Normalized Frequency(?? rad/sample)

雙線性變換法的幅頻特性和相頻特性： 0Magnitude(dB)-200-400000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Normalized Frequency(?? rad/sample)Phase(degrees)-500-100000.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Normalized Frequency(?? rad/sample)

通過上圖比較脈沖響應(yīng)不變法雙線性變換法的幅頻特性和相頻特性，而在在幅頻曲線上幾乎沒有差別，都能達(dá)到相同的結(jié)果。

下圖為直接調(diào)用matlab系統(tǒng)內(nèi)切比雪夫?yàn)V波器得到的頻譜圖：

0-100Magnitude(dB)-200-300-400-50000.10.20.30.40.50.6Normalized Frequency(?? rad/sample)0.70.80.910-100-200Phase(degrees)-300-400-500-600-700-80000.10.20.30.40.50.6Normalized Frequency(?? rad/sample)0.70.80.91

比較圖一得知，都能達(dá)到相同的結(jié)果。

下圖為對帶噪信號(hào)進(jìn)行濾波前后的時(shí)域和頻域圖：

脈沖相應(yīng)不變法：

帶噪信號(hào)時(shí)域波形50-500.511.5帶噪信號(hào)的頻譜圖150100500-422.5x 103-3-3-2-10濾波信號(hào)的時(shí)域圖123x 104420-200.51濾波信號(hào)的頻譜圖100500-4-3-2-10123x 10441.522.5x 10-3

當(dāng)經(jīng)過脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的濾波器濾波以后，在通帶內(nèi)的波形得到了較好的恢復(fù)。頻譜圖中，噪聲的頻譜也顯著的下降。

雙線性變換法：

濾波信號(hào)的時(shí)域圖210-1-200.51濾波信號(hào)的頻譜圖1.522.5x 10-3150100中心頻率f=6500Hz500-4-3-2-10123x 1044

當(dāng)經(jīng)過雙線性變換法設(shè)計(jì)的濾波器濾波以后，在通帶內(nèi)的波形得到了較好的恢復(fù)。頻譜圖中，噪聲的頻譜也顯著的下降，但濾波效果沒有脈沖響應(yīng)不變法好。

演講稿

尊敬的老師們，同學(xué)們下午好：

我是來自10級(jí)經(jīng)濟(jì)學(xué)（2）班的學(xué)習(xí)委，我叫張盼盼，很榮幸有這次機(jī)會(huì)和大家一起交流擔(dān)任學(xué)習(xí)委員這一職務(wù)的經(jīng)驗(yàn)。

轉(zhuǎn)眼間大學(xué)生活已經(jīng)過了一年多，在這一年多的時(shí)間里，我一直擔(dān)任著學(xué)習(xí)委員這一職務(wù)?；赝@一年多，自己走過的路，留下的或深或淺的足跡，不僅充滿了歡愉，也充滿了淡淡的苦澀。一年多的工作，讓我學(xué)到了很多很多，下面將自己的工作經(jīng)驗(yàn)和大家一起分享。

學(xué)習(xí)委員是班上的一個(gè)重要職位，在我當(dāng)初當(dāng)上它的時(shí)候，我就在想一定不要辜負(fù)老師及同學(xué)們我的信任和支持，一定要把工作做好。要認(rèn)真負(fù)責(zé)，態(tài)度踏實(shí)，要有一定的組織，領(lǐng)導(dǎo)，執(zhí)行能力，并且做事情要公平，公正，公開，積極落實(shí)學(xué)校學(xué)院的具體工作。作為一名合格的學(xué)習(xí)委員，要收集學(xué)生對老師的意見和老師的教學(xué)動(dòng)態(tài)。在很多情況下，老師無法和那么多學(xué)生直接打交道，很多老師也無暇顧及那么多的學(xué)生，特別是大家剛進(jìn)入大學(xué)，很多人一時(shí)還不適應(yīng)老師的教學(xué)模式。學(xué)習(xí)委員是老師與學(xué)生之間溝通的一個(gè)橋梁，學(xué)習(xí)委員要及時(shí)地向老師提出同學(xué)們的建議和疑問，熟悉老師對學(xué)生的基本要求。再次，學(xué)習(xí)委員在學(xué)習(xí)上要做好模范帶頭作用，要有優(yōu)異的成績，當(dāng)同學(xué)們向我提出問題時(shí)，基本上給同學(xué)一個(gè)正確的回復(fù)。

總之，在一學(xué)年的工作之中，我懂得如何落實(shí)各項(xiàng)工作，如何和班委有效地分工合作，如何和同學(xué)溝通交流并且提高大家的學(xué)習(xí)積極性。當(dāng)然，我的工作還存在著很多不足之處。比日：有的時(shí)候得不到同學(xué)們的響應(yīng)，同學(xué)們不積極主動(dòng)支持我的工作；在收集同學(xué)們對自己工作意見方面做得不夠，有些事情做錯(cuò)了，沒有周圍同學(xué)的提醒，自己也沒有發(fā)覺等等。最嚴(yán)重的一次是，我沒有把英語四六級(jí)報(bào)名的時(shí)間，地點(diǎn)通知到位，導(dǎo)致我們班有4名同學(xué)錯(cuò)過報(bào)名的時(shí)間。這次事使我懂得了做事要腳踏實(shí)地，不能馬虎。

在這次的交流會(huì)中，我希望大家可以從中吸取一些好的經(jīng)驗(yàn)，帶動(dòng)本班級(jí)的學(xué)習(xí)風(fēng)氣，同時(shí)也相信大家在大學(xué)畢業(yè)后找到好的工作。謝謝大家！

第四篇：IIR數(shù)字濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)

湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院

《課程設(shè)計(jì)報(bào)告》

題 目：IIR數(shù)字濾波器的DSP實(shí)現(xiàn) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電子二班 姓 名： 高二奎 學(xué) 號(hào)： 1104030205 指導(dǎo)教師： 尹艷群

2015年 1月 8 日

信息與電氣工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

2014—2015學(xué)年第一學(xué)期

專業(yè)： 電子信息工程 班級(jí)： 電子二班 學(xué)號(hào)： 1104030205姓名： 高二奎 課程設(shè)計(jì)名稱： DSP原理及應(yīng)用 設(shè)計(jì)題目： IIR數(shù)字濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)

完成期限：自 2015 年 1 月 1 日至 2015 年 1 月 8 日共 1 周 設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容（可另加附頁）：

1、設(shè)計(jì)目的：通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生綜合運(yùn)用DSP技術(shù)課程和其他有關(guān)先修課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決具體問題的能力得到提高，并使其所學(xué)知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和發(fā)展。通過課程設(shè)計(jì)初步培養(yǎng)學(xué)生對工程設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的一般方法。通過課程設(shè)計(jì)樹立正確的設(shè)計(jì)思想，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。通過課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)基本技能，如計(jì)算、繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料和手冊，熟悉標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等。

2、要求：

1．熟悉DSP處理器及其結(jié)構(gòu)性能，掌握DSP芯片配套開發(fā)工具的使用方法。2．按要求設(shè)計(jì)出硬件電路。

3．畫出硬件連接原理圖，并對硬件工作原理進(jìn)行說明。

4．給出軟件流程圖及編寫程序，每一條指令的后面附上相應(yīng)的注釋。5．進(jìn)行軟、硬件調(diào)試，檢查是否達(dá)到相關(guān)的功能。6．寫出調(diào)試方法。

7．設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)尾附上心得體會(huì)。

3、主要內(nèi)容：熟悉5410DSP的MCBSP的使用，了解AD50的結(jié)構(gòu)，掌握AD50各寄存器的意義及其設(shè)置，掌握AD50與DSP的接口，AD50的通訊格式及AD50的DA實(shí)驗(yàn)。

指導(dǎo)教師（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日

目 錄

一、摘要·························································3

二、數(shù)字濾波器介紹和IIR數(shù)字濾波器的理論分析·····················3 2.1數(shù)字濾波器介紹··············································3 2.2 IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法及原理···································4

三、DSP軟件的簡單介紹···········································6 3.1DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)···············································6 3.2DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程···········································7 3.3DSP系統(tǒng)的開發(fā)工具CCS········································7

四、TMS320C5402的介紹···········································9

五、基于DSP的IIR程序設(shè)計(jì)及軟件調(diào)試·····························11 5.1IIR程序設(shè)計(jì)················································11

5.2軟件調(diào)試結(jié)果·········································13

六、總結(jié)和心得··················································15

七、參考文獻(xiàn)·······················································

一、摘要

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)成為高速實(shí)時(shí)處理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用在語音識(shí)別、智能檢測、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波的線性時(shí)不變系統(tǒng)。數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)上是一種運(yùn)算過程，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的運(yùn)算處理。

DSP數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。傳感器數(shù)字信號(hào)處理是利用傳感器對模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集并把其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的電信號(hào)，并利用計(jì)算機(jī)對信號(hào)進(jìn)行處理以達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助控制或是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的目的。

DSP 芯片是一種特別適合數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，主要用來實(shí)時(shí)、快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。用DSP 芯片實(shí)現(xiàn)IIR 數(shù)字濾波器，不僅具有精確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，而且因DSP 芯片的可編程性，可方便地修改濾波器參數(shù)，從而改變?yōu)V波器的特性，設(shè)計(jì)十分靈活。

本課題主要應(yīng)用MATLAB軟件設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，并對所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真；應(yīng)用DSP集成開發(fā)環(huán)境——CCS調(diào)試匯編程序，文章結(jié)合TM320C5509的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了一種IIR濾波器在TM320C5509中的實(shí)現(xiàn)方法。文中程序已經(jīng)過硬件驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)符合要求。

關(guān)鍵詞

數(shù)字濾波；IIR；DSP；TM320C5509；MATLAB

二、數(shù)字濾波器介紹和IIR數(shù)字濾波器的理論分析 2.1數(shù)字濾波器介紹

數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波的線性時(shí)不變系統(tǒng)。數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)上是一種運(yùn)算過程，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的運(yùn)算處理。輸入數(shù)字信號(hào)（數(shù)字序列）通過特定的運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅臄?shù)字序列，因此，數(shù)字濾波器本質(zhì)上是一個(gè)完成特定運(yùn)算的數(shù)字計(jì)算過程，也可以理解為是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。描述離散系統(tǒng)輸出與輸入關(guān)系的卷積和差分方程只是給數(shù)字信號(hào)濾波器提供運(yùn)算規(guī)則，使其按照這個(gè)規(guī)則完成對輸入數(shù)據(jù)的處理。時(shí)域離散系統(tǒng)的頻域特性:, 其中、分別是數(shù)字濾波器的輸出序列和輸入序列的頻域特性（或是數(shù)字濾波器的單位取樣響應(yīng)的頻譜，又稱為數(shù)字濾波器

經(jīng)過濾波后,因此，只要按稱為頻譜特性）,的頻域響應(yīng)。輸入序列的頻譜照輸入信號(hào)頻譜的特點(diǎn)和處理信號(hào)的目的，適當(dāng)選擇，使得濾波后的滿足設(shè)計(jì)的要求，這就是數(shù)字濾波器的濾波原理。

數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限長沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器。IIR 數(shù)字濾波器的特征是，具有無限持續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)，需要用遞歸模型

來實(shí)現(xiàn)，其差分方程為：

系統(tǒng)函數(shù)為：

設(shè)計(jì)IIR濾波器的任務(wù)就是尋求一個(gè)物理上可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)函數(shù)H(z)，使其頻率響應(yīng)H(z)滿足所希望得到的頻域指標(biāo)，即符合給定的通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減系數(shù)和阻帶衰減系數(shù)。2.2 IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法及原理

IIR濾波器差分方程的一般表達(dá)式為:

式中x(n)為輸入序列;y(n)為輸出序列;于0,則為FIR濾波器.IIR濾波器具有無限長的單位脈沖響應(yīng),在結(jié)構(gòu)上存在反饋回路,具有遞歸性,即IIR濾波器的輸出不僅與輸入有關(guān),而且與過去的輸出有關(guān).將上式展開得出y(n)表達(dá)式為:

和為濾波器系數(shù).若所有系數(shù)等

在零初始條件下,對上式進(jìn)行z變換,得到:

設(shè)N=M,則傳遞函數(shù)為:

上式可寫成:

上式具有N個(gè)零點(diǎn)和N個(gè)極點(diǎn).若有極點(diǎn)位于單位圓外將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.由于FIR濾波器所有的系數(shù)均為0,不存在極點(diǎn),不會(huì)造成系數(shù)的不穩(wěn)定.對于IIR濾波器,系統(tǒng)穩(wěn)定的條件如下: 若||<1,當(dāng)n→時(shí),h(n)→0,系統(tǒng)穩(wěn)定;若||>1,當(dāng)n→時(shí),h(n)→,系統(tǒng)不穩(wěn)定.IIR濾波器具有多種形式,主要有:直接型(也稱直接I型)、標(biāo)準(zhǔn)型(也稱直接II型)、變換型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型.三、DSP軟件的簡單介紹 3.1DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)

DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的，因此不但具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點(diǎn)而且還具有以下特點(diǎn)[24]: 1．接口方便：DSP應(yīng)用系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多。

2．編程方便：DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的可編程DSP芯片，能靈活方便地進(jìn)行修改和升級(jí)。

3．穩(wěn)定性好：DSP應(yīng)用系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度及噪聲的影響較小、可靠性高，無器件老化現(xiàn)象。

4．精度高：16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到10-5級(jí)的精度。5．可重復(fù)性好：模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。

6．集成方便：DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。

當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)處理也存在一些缺點(diǎn)。例如，對于簡單信號(hào)處理任務(wù)，若采用DSP則使成本增加。DSP系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且DSP系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外，DSP技術(shù)更新速度快，對于數(shù)學(xué)知識(shí)要求高，開發(fā)和測試工具還有待進(jìn)一步完善。3.2DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

一個(gè)DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程大概要有以下幾個(gè)步驟。

1．根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求，確定系統(tǒng)處理精度要求、速度要求、實(shí)時(shí)性要求等性能指標(biāo)。

2．根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行高級(jí)語言的算法模擬，比如使用MATLAB等仿真工具，驗(yàn)證算法的可行性，得出最佳的處理方法。

3．DSP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)是指根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的DSP芯片，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍電路。軟件設(shè)計(jì)主要是指根據(jù)系統(tǒng)的要求和選用的DSP芯片編寫相應(yīng)的程序。程序的編寫可以使用匯編語言，匯編語言編寫的程序效率高，但比較煩雜；也可采用C語言，DSP的C語言基本上是標(biāo)準(zhǔn)C語言，編寫比較簡單，但效率低。在實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)時(shí)往往是兩種語言結(jié)合編寫，在算法運(yùn)算量大的地方使用匯編語言，在運(yùn)算量小的地方使用C語言，這樣既能縮短軟件的開發(fā)周期，提高程序的可讀性和可移植性，又滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。本文的設(shè)計(jì)采用匯編語言編寫、設(shè)計(jì)軟件程序。3.3DSP系統(tǒng)的開發(fā)工具CCS CCS是一種針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境,在Windows操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具。

CCS有兩種工作模式，即

軟件仿真器模式：可以脫離DSP芯片，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程模式：可以實(shí)時(shí)運(yùn)行在DSP芯片上,與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。

CCS的開發(fā)系統(tǒng)主要由以下組件構(gòu)成：

1.2.3.4.5.TMS320C54x集成代碼產(chǎn)生工具； CCS集成開發(fā)環(huán)境；

DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核插件及其應(yīng)用程序接口API； 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的RTDX插件以及相應(yīng)的程序接口API； 由TI公司以外的第三方提供的各種應(yīng)用模塊插件。

CCS的功能十分強(qiáng)大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程，其主要功能如下：

1．具有集成可視化代碼編輯界面，用戶可通過其界面直接編寫C、匯編、.cmd文件等；

2．含有集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化C編譯器、鏈接器等，將代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能集成到一個(gè)軟件環(huán)境中；

3．高性能編輯器支持匯編文件的動(dòng)態(tài)語法加亮顯示，使用戶很容易閱讀代碼，發(fā)現(xiàn)語法錯(cuò)誤；

4．工程項(xiàng)目管理工具可對用戶程序?qū)嵭许?xiàng)目管理。在生成目標(biāo)程序和程序庫的過程中，建立不同程序的跟蹤信息，通過跟蹤信息對不同的程序進(jìn)行分類管理；

5．基本調(diào)試工具具有裝入執(zhí)行代碼、查看寄存器、存儲(chǔ)器、反匯編、變量窗口等功能，并支持C源代碼級(jí)調(diào)試；

6．?dāng)帱c(diǎn)工具，能在調(diào)試程序的過程中，完成硬件斷點(diǎn)、軟件斷點(diǎn)和條件斷點(diǎn)的設(shè)置；

7．探測點(diǎn)工具，可用于算法的仿真，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視等；

8．分析工具，包括模擬器和仿真器分析，可用于模擬和監(jiān)視硬件的功能、評價(jià)代碼執(zhí)行的時(shí)鐘；

9．?dāng)?shù)據(jù)的圖形顯示工具，可以將運(yùn)算結(jié)果用圖形顯示,包括顯示時(shí)域/頻域波形、眼圖、星座圖、圖像等，并能進(jìn)行自動(dòng)刷新；

10．提供GEL工具。利用GEL擴(kuò)展語言，用戶可以編寫自己的控制面板/菜單，設(shè)置GEL菜單選項(xiàng)，方便直觀地修改變量，配置參數(shù)等；

11．支持多DSP的調(diào)試；

12．支持RTDX技術(shù)，可在不中斷目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)DSP與其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換；

13．提供DSP/BIOS工具，增強(qiáng)對代碼的實(shí)時(shí)分析能力。

四、TMS320C5402的介紹

TMS320C5509采用雙乘累加單元(MAC)結(jié)構(gòu)。整個(gè)處理器內(nèi)部分為5個(gè)大的功能單元：存儲(chǔ)器緩沖單元(M)、指令緩沖單元(I)、程序控制單元(P)、地址生成單元(A)和數(shù)據(jù)計(jì)算單元(D)，各個(gè)功能單元之間通過總線連接。TMS320C5509中共有12條總線：1條32位程序數(shù)據(jù)總線(PB)，1條24位程序地址總線(PAB)，5條16位的數(shù)據(jù)總線(BB、CB、DB、EB、FB)和5條24位的數(shù)據(jù)地址總線(BAB、CAB、DAB、EAB、FAB)。

作為嵌入式芯片的一種，DSP芯片是一種非常適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微處理器芯片，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算。其顯著特點(diǎn)可以歸納如下： 1．哈佛結(jié)構(gòu)

哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮·諾曼(Von Neuman)結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。2．流水線

與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。TMS320系列處理器的流水線深度從2-6級(jí)不等。第一代TMS320處理器采用二級(jí)流水線，第二代采用三級(jí)流水線，而第三代則采用四級(jí)流水線。也就是說，處理器可以并行處理2-6條指令，每條指令處于流水線上的不同階段。

3．專用的硬件乘法器

在一般形式的FIR濾波器中，乘法是DSP的重要組成部分。對每個(gè)濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP處理器的性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來實(shí)現(xiàn)的，故需許多個(gè)指令周期來完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一個(gè)專用的硬件乘法器。4．特殊的DSP指令

DSP芯片的另一個(gè)特征是采用特殊的指令。例如TMS320C10中的LTD指令，可單周期完成加載寄存器、數(shù)據(jù)移動(dòng)、同時(shí)累加操作。還有DMOV指令，它完成數(shù)據(jù)移位功能。在數(shù)字信號(hào)處理中，延遲操作非常重要，這個(gè)延遲就是由DMOV指令來實(shí)現(xiàn)的[9]。5．快速的指令周期

哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期縮短到200ns以下?，F(xiàn)在，許多DSP處理器的指令周期已經(jīng)從第一代的200ns降低至現(xiàn)在的20ns以下，甚至在10ns以內(nèi)?？焖俚闹噶钪芷谑沟肈SP芯片能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)許多DSP應(yīng)用。6．面向寄存器和累加器

DSP所使用的不是一般的寄存器文件，而是專用寄存器，較新的DSP產(chǎn)品都有類似于RISC的寄存器文件。許多DSP還有大的累加器，可以在異常情況下對數(shù)據(jù)溢出進(jìn)行處理。7.支持前、后臺(tái)處理

DSP支持復(fù)雜的內(nèi)循環(huán)處理，包括建立起X、Y內(nèi)存和分址/循環(huán)計(jì)數(shù)器。一些DSP在做內(nèi)循環(huán)處理中把中斷屏蔽了，另一些則以類似后臺(tái)處理的方式支持快速中斷。許多DSP使用硬連線的堆棧來保存有限的上下文，而有些則用隱蔽的寄存器來加快上下文轉(zhuǎn)換時(shí)間。8.擁有簡便的單片內(nèi)存和內(nèi)存接口

DSP設(shè)法避免了大型緩沖器或復(fù)雜的內(nèi)存接口，減少了內(nèi)存訪問。一些DSP的內(nèi)循環(huán)是在其單片內(nèi)存中重復(fù)執(zhí)行指令或循環(huán)操作部分代碼，它多采用SRAM而不是DRAM，因?yàn)榍罢呓涌诟啽恪?000年3月，德州儀器（TI）公司推出了高性能低功耗的TMS320C55x芯片[10]。

其性能可以達(dá)到400－800MIPS，但功耗低到0.05 mW/MIPS。TMS320系列包括定點(diǎn)、浮點(diǎn)和多處理器等三種類型的數(shù)字信號(hào)處理器。它的結(jié)構(gòu)是專門針對實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，具有指令靈活、可操作性強(qiáng)、速度快以及支持并行運(yùn)算和C語言等特點(diǎn)，是性價(jià)比較高的一類DSP，在通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。C5000系列DSP是針對個(gè)人便攜設(shè)備而設(shè)計(jì)的，如音樂播放器、3G蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、高速音頻設(shè)備、高精度的信號(hào)和多通道應(yīng)用。通常人們把C54x和C55x系列通稱C5000系列，主要用于功耗低、便攜式的無線通信終端產(chǎn)品。C5000系列包括舊有的C5x、當(dāng)前主流的C54x和較新的C55x系列。其中，C54x采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，并集成有豐富的硬件邏輯和外部接口資源，具有較高的性能，及較低的成本和體積。C55x是在C54x的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，其器件功耗較C54x更低，性能更高。

TMS320C55x采用多總線結(jié)構(gòu)，由五組內(nèi)部數(shù)據(jù)總線（3個(gè)用于讀，2個(gè)用于寫）和一組內(nèi)部程序存儲(chǔ)總線構(gòu)成。32bit的程序總線（PB）傳送從程序存儲(chǔ)器來的指令代碼和立即數(shù)。三組16bit數(shù)據(jù)讀總線（BB，CB和DB）連接數(shù)據(jù)讀地址產(chǎn)生邏輯。CB和DB總線傳送雙操作數(shù)。DB總線傳送單操作數(shù)。BB總線提供第三種讀路徑并且能夠提供雙乘操作數(shù)的系數(shù)。兩組16bit數(shù)據(jù)寫總線(EB，F(xiàn)B)連接數(shù)據(jù)寫地址產(chǎn)生邏輯。六組24bit數(shù)據(jù)總線（PAB，CAB，DAB，BAB，EAB，F(xiàn)AB）傳送執(zhí)行指令所需要的地址。還有一條附加總線為DMA控制器和外設(shè)控制器提供服務(wù)。

TMS320C55x的CPU結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)流程單元（A單元）和數(shù)據(jù)計(jì)算單元（D單元）。其數(shù)據(jù)計(jì)算單元包括一個(gè)40bit的可以提供-32到31移位范圍的桶形移位器，一個(gè)40bit的算術(shù)邏輯電路（ALU），兩個(gè)乘累加器（MAC）可以在一個(gè)周期中執(zhí)行兩個(gè)MAC操作，以及四個(gè)40bit的累加器。在其地址數(shù)據(jù)流程單元還包括一個(gè)16bit的算術(shù)邏輯電路（ALU），為主ALU提供簡單的算術(shù)運(yùn)算。

55x的指令集功能強(qiáng)大而且使用靈活，它同時(shí)具有易于使用和程序效率高的特點(diǎn)。尋址方式包括絕對尋址、寄存器間接尋址、直接尋址，這些尋址方式降低了算法所需要的指令數(shù)量，減小了代碼量，也提高了芯片運(yùn)算速度。特別要提到的是C55x指令集中所提供的三操作數(shù)指令，這種指令可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)操作數(shù)的同時(shí)處理（如寫入寄存器或存儲(chǔ)器等操作），大大壓縮了代碼的指令數(shù)量。

五、基于DSP的IIR程序設(shè)計(jì)及軟件調(diào)試 5.1IIR程序設(shè)計(jì) IIR.c程序

#include

#define IIRNUMBER 2 #define SIGNAL1F 1000 #define SIGNAL2F 4500 #define SAMPLEF 10000 #define PI 3.1415926

float InputWave();float IIR();

float fBn[IIRNUMBER]={ 0.0,0.7757 };float fAn[IIRNUMBER]={ 0.1122,0.1122 };float fXn[IIRNUMBER]={ 0.0 };float fYn[IIRNUMBER]={ 0.0 };float fInput,fOutput;float fSignal1,fSignal2;float fStepSignal1,fStepSignal2;float f2PI;int i;float fIn[256],fOut[256];int nIn,nOut;

main(){ nIn=0;nOut=0;fInput=fOutput=0;f2PI=2*PI;fSignal1=0.0;fSignal2=PI*0.1;// fStepSignal1=2*PI/30;// fStepSignal2=2*PI*1.4;fStepSignal1=2*PI/50;fStepSignal2=2*PI/2.5;while(1){

fInput=InputWave();

fIn[nIn]=fInput;

nIn++;nIn%=256;

fOutput=IIR();

fOut[nOut]=fOutput;

nOut++;

// break point

if(nOut>=256)

}

{

nOut=0;} }

float InputWave(){

}

float IIR(){

} float fSum;fSum=0.0;for(i=0;i

} return(fSum);fSum+=(fXn[i]*fAn[i]);fSum+=(fYn[i]*fBn[i]);for(i=IIRNUMBER-1;i>0;i--){

} fXn[0]=sin((double)fSignal1)+cos((double)fSignal2)/6.0;fYn[0]=0.0;fSignal1+=fStepSignal1;if(fSignal1>=f2PI)fSignal1-=f2PI;fSignal2+=fStepSignal2;if(fSignal2>=f2PI)fSignal2-=f2PI;return(fXn[0]);fXn[i]=fXn[i-1];fYn[i]=fYn[i-1];IIR.cmd程序

-w-stack 400h-heap 100-l rts.lib MEMORY {

} PAGE 0: VECT : o=80h,l=80h PRAM : o=100h,l=1f00h

PAGE 1: DRAM : o=2000h,l=1000h SECTIONS {

}.text : {}> PRAM PAGE 0.data : {}> PRAM PAGE 0.cinit : {}> PRAM PAGE 0.switch : {}> PRAM PAGE 0.const : {}> DRAM PAGE 1.bss : {}> DRAM PAGE 1.stack : {}> DRAM PAGE 1.vectors: {}> VECT PAGE 0

5.2軟件調(diào)試結(jié)果 通過IIR濾波器前的波形

通過IIR濾波器后的波形

在效果圖中，上面波形為DSP實(shí)驗(yàn)箱產(chǎn)生的濾波前的效果圖，下面波形為進(jìn)行IIR濾波后的效果圖。從兩圖的比較可以看出，所設(shè)計(jì)的IIR濾波器收到了較好的效果，完成了設(shè)計(jì)要求。

在編寫及調(diào)試的過程中主要遇到以下問題：

（1）在編寫程序的過程中要對所涉及的存儲(chǔ)單元進(jìn)行初始化，這樣在數(shù)據(jù)或是代碼段進(jìn)行匯編時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)問題。

（2）編寫程序需要對數(shù)據(jù)段、代碼段、堆棧段進(jìn)行設(shè)置。要編寫相應(yīng)的.cmd（鏈接命令文件）文檔對其進(jìn)行合理化的分配空間。

（3）在編寫程序時(shí)一定要編寫相應(yīng)的中斷向量表文件，這樣在匯編時(shí)才不會(huì)出錯(cuò)。

六、總結(jié)和心得

通過對本課題的研究，自己從中取得了一些成績，理論水平也得到了一定的提高，同時(shí)也暴露了一些問題：

首先，對一個(gè)課題必須要閱讀大量的文獻(xiàn)和書籍來獲得一定的感性認(rèn)識(shí)，然后才能有自己的想法，這是一條必經(jīng)之路。其次，理論基礎(chǔ)知識(shí)很重要，論文涉及了很多的算法，會(huì)用到很多基礎(chǔ)知識(shí)，如果用的時(shí)候再去學(xué)會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，因此要在平時(shí)注意搜集相關(guān)的資料，多學(xué)一些有用實(shí)用的技術(shù)，這樣在以后的學(xué)習(xí)和工作中才能夠做到游刃有余。最后，要有信心，遇到困難要向別人請教，這樣可以大大加快研究進(jìn)程。以上是我做論文的一些心得體會(huì)，這些對我以后的學(xué)習(xí)會(huì)有很大的幫助。

由于本人的時(shí)間和能力有限，本次的開發(fā)系統(tǒng)還存在一些不足之處，整個(gè)系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善。文中也難免有不足之處，懇請老師批評指正。同時(shí)，對評審設(shè)計(jì)的老師表示衷心的感謝！

七、參考文獻(xiàn)

[1]趙紅怡.DSP技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].電子工業(yè)出版社.2003.6.[2]胡慶鐘，李小剛，吳鈺淳.TMS320C55X DSP原理、應(yīng)用和設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2005.10.[3]丁玉美，高西全.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2006.7.[4]劉順蘭，吳杰，高西全.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2003.8.

第五篇：基于LabVIEW的IIR-數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

智能化測控技術(shù)課程設(shè)計(jì)

第二章

基于Labview虛擬濾波器的設(shè)計(jì)

2.1

labview簡介

LabVIEW

是NI（National

INSTRUMENT，美國國家儀器）公司推出的一種基于G

語言的虛擬儀器（virtual

INSTRUMENT，VI）開發(fā)工具。LabVIEW

編程使用圖形化語言，它是非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員使用的工具，它為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，因此，LabVIEW

在世界范圍內(nèi)的眾多領(lǐng)域如航空、航天、通信、電力、汽車、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

LabVIEW

有兩個(gè)基本窗口：前面板窗口和流程圖窗口。編譯環(huán)境下顯示兩個(gè)窗口，前面板用于放置控制對象和顯示對象，控制對象相當(dāng)于常規(guī)儀器的控制和調(diào)節(jié)按鈕；前面板用于顯示程序運(yùn)行結(jié)果，相當(dāng)于常規(guī)儀器的顯示屏幕或指針。流程圖窗口用于編寫和顯示程序的圖形源代碼，它相當(dāng)于語言編程中一行行的語句，它由各種能完成一定功能的模塊通過連線連接而成。當(dāng)編寫的LabVIEW

程序調(diào)試無誤后，可將程序編譯成應(yīng)用程序。此時(shí)，設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離LabVIEW

開發(fā)環(huán)境，用戶只需通過前面板進(jìn)行控制和觀測。

2.2

基于labview的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程可歸納為以下三個(gè)步驟：

(1)按照實(shí)際需要確定濾波器的性能要求。

(2)用一個(gè)因果穩(wěn)定的系統(tǒng)函數(shù)(即傳遞函數(shù))去逼近這個(gè)性能要求。此函數(shù)可以分為兩類：即IIR

傳遞函數(shù)和FIR

傳遞函數(shù)。

(3)用一個(gè)有限精度的運(yùn)算去實(shí)現(xiàn)這個(gè)傳遞函數(shù)。

FIR

濾波器設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是確定能滿足要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。目前，F(xiàn)IR

濾波器設(shè)計(jì)沒有封閉的設(shè)計(jì)公式。雖然窗函數(shù)法對窗口函數(shù)可給出計(jì)算公式，但計(jì)算通帶與阻帶衰減仍無計(jì)算公式。FIR

濾波器的設(shè)計(jì)只有計(jì)算程序可循，因此對計(jì)算工具要求較高，不用計(jì)算機(jī)編程一般很難實(shí)現(xiàn)。

IIR

濾波器的設(shè)計(jì)源于模擬濾波器設(shè)計(jì)，它通過對低通濾波器進(jìn)行模擬頻率變換得到。常用的IIR

濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、切比雪夫Ⅱ?yàn)V波器、橢圓濾波器和貝塞爾濾波器。目前，IIR

濾波器的設(shè)計(jì)可以借助模擬濾波器的成果，有封閉形式的設(shè)計(jì)公式，對計(jì)算工具的要求不高。

IIR

濾波器的設(shè)計(jì)雖然簡單，但脫離不了模擬濾波器的設(shè)計(jì)模式，主要用于設(shè)計(jì)低通、高通、帶通及帶阻濾波器。而FIR

濾波器的設(shè)計(jì)要靈活得多，尤其是頻率采樣設(shè)計(jì)法更易適應(yīng)各種幅度特性和相位特性的要求。

電力系統(tǒng)濾波器可以從電力信號(hào)中將所需頻段的信號(hào)提取出來并將干擾信號(hào)濾除或大大衰減。利用LabVIEW

可以設(shè)計(jì)出滿足電力系統(tǒng)需要的濾波器，利用LabVIEW

設(shè)計(jì)的IIR

數(shù)字濾波器前面板，前面板上有參數(shù)設(shè)置、波形顯示兩個(gè)區(qū)域。在參數(shù)設(shè)置區(qū)域有六個(gè)設(shè)置項(xiàng)：濾波器選擇、濾波器類型、下截止頻率、上截止頻率、采樣頻率、階次、紋波、衰減；選擇的濾波器不同時(shí)，需要設(shè)置的項(xiàng)也不同。波形顯示區(qū)域用于顯示濾波前后的波形，在此區(qū)域可直觀地看出濾波效果。

利用LabVIEW

實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波，采用了圖形語言編程，與采用文本語言編程相比，能縮短40%～70%的開發(fā)時(shí)間；與硬件儀器相比，又具有容易調(diào)整濾波器類型、降低成本、濾波效果直觀等優(yōu)點(diǎn)?；贚abVIEW

編寫的程序還可以將其作為子程序在其他虛擬儀器系統(tǒng)中調(diào)用，大大增強(qiáng)了程序的通用性。

2.3

數(shù)字濾波器的選擇步驟

LabVIEW

為設(shè)計(jì)者提供了FIR

和IIR

濾波器VI，使用起來非常方便，只需要輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可，不需要進(jìn)行復(fù)雜的函數(shù)設(shè)計(jì)和大量的運(yùn)算。濾波器VI

位于LabVIEW

流程圖面Function>>Analyze>>SignalProcessing>>Filters

上。不同濾波器VI

濾波時(shí)均有各自的特點(diǎn)，因此它們用途各異。在利用LabVIEW

實(shí)現(xiàn)濾波功能時(shí)，選擇合適的濾波器是關(guān)鍵，在選擇濾波器時(shí)，可參照不同濾波器的特點(diǎn)，考慮濾波的實(shí)際要求來選擇合適的濾波器。各種濾波器的特點(diǎn)及選擇濾波器的步驟見下圖。

圖2-1

數(shù)字濾波器選擇步驟

第三章

軟件設(shè)計(jì)

3.1前面板的設(shè)計(jì)

在Labview環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱為VI（Virtual

Instrument）。VI是Labview的核心，有一個(gè)人機(jī)交互的界面——前面板，和相當(dāng)于源代碼功能的菜單框圖程序——后面板組成，前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量和顯示量兩類對象。在前面板中，控制量模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序，例如開關(guān)、旋鈕等，而顯示量則是模擬了儀器的輸入裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，例如用于顯示波形的窗口等。后面板又稱為代碼窗口或流程圖，是VI圖形化的源程序，在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出等功能，流程圖中包括前面板上沒有但編程必須有的對象，如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等[2]。

前面板如圖3-1所示，由以下幾個(gè)部分組成：參考信號(hào)的參數(shù)設(shè)置、待處理信號(hào)的參數(shù)設(shè)置、濾波結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示以及原始信號(hào)的波形圖和濾波結(jié)果的波形圖，可以設(shè)置參考信號(hào)的幅值和頻率，也可以對3路正弦信號(hào)設(shè)置頻率幅值和相位，程序成功運(yùn)行后就可以從濾波實(shí)時(shí)顯示區(qū)得到濾波結(jié)果的頻率幅值和初相位，同時(shí)在波形顯示區(qū)中也可以得到相應(yīng)的波形，使結(jié)果更為直觀地反映出來。

數(shù)字濾波器的前面板如下圖所示。前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)濾波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬濾波器控制軟件的核心。在設(shè)計(jì)這部分時(shí)，主要考慮界面美觀、操作簡潔，用戶能通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控鍵來控制虛擬濾波器的工作。實(shí)際中的待測信號(hào)可以由

數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集濾波，也可以由數(shù)據(jù)采集卡采集后保存為LabVIEW所能夠識(shí)別的文件形式，之后再由LabVIEW進(jìn)行分析濾波。在這里用基本的信號(hào)(正弦波，余弦波，方波，鋸齒波)來模擬原始信號(hào)。程序采用窗函數(shù)法的計(jì)算流程，將窗函數(shù)與需要濾波的信號(hào)進(jìn)行卷積實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波。使用者可對原始信號(hào)，噪聲信號(hào)和濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。原始信號(hào)的波形圖，濾波的結(jié)果都可得到實(shí)時(shí)顯示。這樣，在程序成功的運(yùn)行后就可以從顯示區(qū)得到結(jié)果，使結(jié)果更為直觀的反映出來。

圖3-1

前面板的設(shè)計(jì)

3.2

流程圖的設(shè)計(jì)

本數(shù)字濾波器的后面板即程序代碼框圖如圖3-2所示。框圖程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者

子程序?？驁D中的每一個(gè)對象端點(diǎn)與前面板上的對象(控制或顯示)一一對應(yīng)。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型，在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同的顏色予以強(qiáng)調(diào)。后面板如圖3-2所示，后面板中的控件與前面板中的控件相對應(yīng)，并且通過連線、添加程序以及加入各種信號(hào)等措施進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)自相關(guān)濾波的功能，同時(shí)通過在前面板設(shè)置各種不同的參數(shù)，成功地運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)所要求的目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，筆者又添加了激勵(lì)信號(hào)源、濾波器加法器和乘法器等各種運(yùn)算器，經(jīng)過運(yùn)行程序，測試結(jié)果顯示能夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)包含多種頻率成分的信號(hào)中提取出所需單一頻率信號(hào)的功能，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了濾波，由于這種濾波的思路是從相關(guān)函數(shù)的定義出發(fā)的，因此成為相關(guān)濾波器。

在這里，用仿真信號(hào)發(fā)生器來模擬待測的信號(hào)，在實(shí)際中這個(gè)待測信號(hào)通常由數(shù)據(jù)采集卡采集得到，輸入的待測信號(hào)為3路正弦信號(hào)的疊加，需要從中檢測出20Hz的信號(hào)，這個(gè)測試VI實(shí)現(xiàn)了相關(guān)濾波過程的動(dòng)態(tài)顯示，使用了循環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖3-2

濾波器的后面板

附錄

圖1

數(shù)字濾波器的輸入輸出信號(hào)波形