DSP技术的IIR滤波器设计
DSP技术的IIR滤波器设计[20200131184437]
摘 要
如今，随着现在科学技术的飞速发展，数字信号处理(DSP)已经成为高速实时处理的一项关键技术。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。IIR数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快等特点，在许多技术领域得到了广泛应用。DSP芯片有适合于数字信号处理的软件资源和硬件资源，是实现数字信号处理的重要途径。本文将介绍用DSP技术实现IIR数字滤波的设计，并应用CCS软件调试和汇编程序，实现了通过对抽样数据进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:数字滤波器信号频谱DSP芯片频域滤波
一、引言 3
（一）课题研究背景 3
（二）课题研究的目的 3
二、系统设计框图 3
三、DSP硬件电路设计 4
（一）系统总体原理框图 4
（二）DSP最小系统设计 5
1. JTAG仿真接口设计 5
2. 电源芯片 6
3. 时钟信号 6
4. A/D、D/A设计 7
5. 其他引脚和测试信号 7
四、滤波器的软件设计及仿真 8
（一）IIR滤波器设计原理 8
（二）MATLAB软件和CCS软件简介 9
1.MATLAB软件简介 9
2.CCS软件简介 9
（三）IIR滤波器的Matlab实现 10
1. IIR滤波器阶数的选择 11
2. IIR滤波器的MATLAB程序设计 11
3. MATLAB仿真结果 11
（四）IIR滤波器的DSP实现 12
1. IIR数字滤波器的设计流程图 12
2. IIR数字滤波器主程序段 12
（五）设计结果分析 13
总结 16
致谢 17
参考文献 18
附录 19
一、引言
（一）课题研究背景
随着现在社会科学技术的迅猛发展，数字信号处理(DSP)已经成为高速实时处理的一项关键技术，广泛应用在各个领域的一门学科。例如其运用在数学领域，网络理论，通信理论，人工智能领域，神经网络领域等。DSP由于运算速度快，具有可编程特性，接口灵活等特点，令它在很多电子产品的研制开发过程和应用中，占据着重要地位。DSP芯片有适合于数字信号处理的软件资源和硬件资源，是实现数字信号处理的重要途径。数字信号处理(DSP)已经以各种各样不同的形式影响和渗入到其他各个学科，它的出现影响了或改变了我们的生活，采用DSP来实现信号处理系统是当前科技发展的趋势。而与模拟滤波器相比，数字滤波器可以不用考虑电压漂移，温度漂移,器件的噪声等问题，可以简易的实现非同一幅度与非同一相位频率等特性指标。与模拟滤波器进行对比，数字滤波器能够既处理离散时间信号，又能处理数字信号，精度与稳定性高，可以比较容易地改变系统函数，因而比较灵活，没有阻抗匹配的问题，可以达到多维滤波，有利于大规模集成。IIR数字滤波器在现在使用非常广泛，原因是其具有简单的结构、相对较少的存储空间、较快的运算速度、较高的计算精度等。IIR滤波器的实现方法有很多，但通过比较这些方法，本论文使用CCS等软件来学习数字滤波器的相关知识，计算出数字滤波器的系数与阶数，进行算法可行性的研究，对滤波器进行前期的仿真,然后，可以采用DSP来实现硬件电路。
（二）课题研究的目的
1. 良好的滤波效果
数字滤波器的输入信号是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量，而其输出则是经过转换的另外一组数字量。它可以将有用的信号保留，把对它干扰的信号屏蔽，以完成滤波的功能,得到想要的数字量。它是通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到滤波的目的。
2. 提高信号利用率
检测淹没在噪声中的特定信号，如在雷达或声纳系统中，当检测到的信号超过给定阀值时则认为信号存在，反之则认为信号不存在，大大有效地提高了信号的利用率。
3. 提高管理水平
在经过数字滤波后，可以快捷方便的使用获得的信号，大大提高了效率，节省了时间和精力，减少了人力资源的浪费，提高了社会的整个管理的水平。
二、系统设计框图
下图是数字基带信号传输系统方框图，它主要由发送滤波器、信号传输通道、接收滤波器和抽样判决器组成。
图1 系统方框图
1．发送滤波器：其有利作用是产生适合于信道传输的基带信号波形。发送滤波器主要作用是压缩输入基带信号频带，把传输信号转换成适合信道传输的基带信号波形。
2．信道：是能够传输基带信号的介质，基本上都是有线信道，信道的传输特性一般无法满足无失真传输的条件，因而会引起传输波形的失真，其次，在一般情况下信道还会存在噪声。
3．接收滤波器：是用来接收在信道中的信号，尽可能去除掉信道中具有的噪声和在传输过程中的其他干扰，平衡信道的特性，使传输出来的基带波形有利于下一步的抽样判决。
4．抽样判决器：是在传输特性是在不理想的状态下或者是具有噪声的情况下，对于接收滤波器的输出波形进行抽样判决是在规定时间内，进行基带信号的重组。
5．定时脉冲和同步提取：用来抽样的位定时脉冲通过同步提取电路从接受信号中提取，位定时的准确度可以直接影响抽样判决器的判决结果。
本论文就是实现数字基带信号传输系统的滤波器。
三、DSP硬件电路设计
（一）系统总体原理框图
本课题中选择TMS320C5409，构建的系统总体原理框图。主要包含A/D转换器，D/A转换器，时钟电路和JTAG仿真接口设计。
图2 系统总体原理框图
TMS320VC5409芯片是TI公司TMS320VC5000系列中应用最多，性价比较高的芯片之一，主要应用于数字信号处理的相关领域。TMS320VC5409芯片是为实现低功耗，高性能而专门设计的定点DSP芯片。其具有运算速度快，优化的CPU结构，低价位等优点。它的应用对象大部分是要求能够脱机单独运行的内嵌式的系统，比如机顶盒（STB）、个人数字助理（PDA）和数字无线通信等。TMS320VC5409芯片它的性价比高，满足设计要求。TMS320VC5409芯片的主要特性：
n 1个16bit定时器
n 1个40bit的算术逻辑单元
n 2个40bit的累加器
n 1个40bit的桶形移位器
n 1个17×17的乘法器
n 64k×16bit程序存储器
n 64k×16bit数据存储器
n 64k×16bit I/O存储器
n 2个辅助寄存器算术单元
n 8个辅助寄存器
n 指令周期10ns
n 6个通道（DMA）控制器
n 16位16 K的片内只读存储器
n 16位32 K的片内双操作数据的存储器
n 自动缓冲串行口BSP
n 三个多通道缓冲串型接口
n 有4条内部总线和2个地址产生器
n 一个有16位数据（地址驱动功能）的8位HPI
（二）DSP最小系统设计
指DSP不影响正常工作所使用的最少硬件构成 。对于一般DSP，内部资源已经能够满足系统的需要，所以在使用时可以采用最小系统。基本上DSP都包括片内程序存储器，也有足够的容量，所以不需加外部程序存储器。只要系统包括复位电路、晶振电路、调试接口、必要输入I/O口、上、下拉电阻、电源地，即可以构成最小系统。
1. JTAG仿真接口设计
一般DSP芯片提供满足IEEE1149规范的JTAG接口，基于边缘扫描测试技术。主要引脚的定义：
TCK:测试时针输入
TD1:测试数据输入
TMS:测试方式选择
TD0:测试数据输出
TEST:JTAG测试复位信号
图3 JTAG仿真接口设计
2. 电源芯片
C5409采用3.3V和1.8V的电源供电，其中I/O采用3.3V电源供电，芯片内部电压采用1.8V电源供电，而实际常用的是5V电源供电，所以必须采用电源变换芯片，本文中1.8V电压是使用TPS7301产生的，而3.3V电压则是用TPS7333产生的。
摘 要
如今，随着现在科学技术的飞速发展，数字信号处理(DSP)已经成为高速实时处理的一项关键技术。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。IIR数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快等特点，在许多技术领域得到了广泛应用。DSP芯片有适合于数字信号处理的软件资源和硬件资源，是实现数字信号处理的重要途径。本文将介绍用DSP技术实现IIR数字滤波的设计，并应用CCS软件调试和汇编程序，实现了通过对抽样数据进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:数字滤波器信号频谱DSP芯片频域滤波
一、引言 3
（一）课题研究背景 3
（二）课题研究的目的 3
二、系统设计框图 3
三、DSP硬件电路设计 4
（一）系统总体原理框图 4
（二）DSP最小系统设计 5
1. JTAG仿真接口设计 5
2. 电源芯片 6
3. 时钟信号 6
4. A/D、D/A设计 7
5. 其他引脚和测试信号 7
四、滤波器的软件设计及仿真 8
（一）IIR滤波器设计原理 8
（二）MATLAB软件和CCS软件简介 9
1.MATLAB软件简介 9
2.CCS软件简介 9
（三）IIR滤波器的Matlab实现 10
1. IIR滤波器阶数的选择 11
2. IIR滤波器的MATLAB程序设计 11
3. MATLAB仿真结果 11
（四）IIR滤波器的DSP实现 12
1. IIR数字滤波器的设计流程图 12
2. IIR数字滤波器主程序段 12
（五）设计结果分析 13
总结 16
致谢 17
参考文献 18
附录 19
一、引言
（一）课题研究背景
随着现在社会科学技术的迅猛发展，数字信号处理(DSP)已经成为高速实时处理的一项关键技术，广泛应用在各个领域的一门学科。例如其运用在数学领域，网络理论，通信理论，人工智能领域，神经网络领域等。DSP由于运算速度快，具有可编程特性，接口灵活等特点，令它在很多电子产品的研制开发过程和应用中，占据着重要地位。DSP芯片有适合于数字信号处理的软件资源和硬件资源，是实现数字信号处理的重要途径。数字信号处理(DSP)已经以各种各样不同的形式影响和渗入到其他各个学科，它的出现影响了或改变了我们的生活，采用DSP来实现信号处理系统是当前科技发展的趋势。而与模拟滤波器相比，数字滤波器可以不用考虑电压漂移，温度漂移,器件的噪声等问题，可以简易的实现非同一幅度与非同一相位频率等特性指标。与模拟滤波器进行对比，数字滤波器能够既处理离散时间信号，又能处理数字信号，精度与稳定性高，可以比较容易地改变系统函数，因而比较灵活，没有阻抗匹配的问题，可以达到多维滤波，有利于大规模集成。IIR数字滤波器在现在使用非常广泛，原因是其具有简单的结构、相对较少的存储空间、较快的运算速度、较高的计算精度等。IIR滤波器的实现方法有很多，但通过比较这些方法，本论文使用CCS等软件来学习数字滤波器的相关知识，计算出数字滤波器的系数与阶数，进行算法可行性的研究，对滤波器进行前期的仿真,然后，可以采用DSP来实现硬件电路。
（二）课题研究的目的
1. 良好的滤波效果
数字滤波器的输入信号是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量，而其输出则是经过转换的另外一组数字量。它可以将有用的信号保留，把对它干扰的信号屏蔽，以完成滤波的功能,得到想要的数字量。它是通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到滤波的目的。
2. 提高信号利用率
检测淹没在噪声中的特定信号，如在雷达或声纳系统中，当检测到的信号超过给定阀值时则认为信号存在，反之则认为信号不存在，大大有效地提高了信号的利用率。
3. 提高管理水平
在经过数字滤波后，可以快捷方便的使用获得的信号，大大提高了效率，节省了时间和精力，减少了人力资源的浪费，提高了社会的整个管理的水平。
二、系统设计框图
下图是数字基带信号传输系统方框图，它主要由发送滤波器、信号传输通道、接收滤波器和抽样判决器组成。
图1 系统方框图
1．发送滤波器：其有利作用是产生适合于信道传输的基带信号波形。发送滤波器主要作用是压缩输入基带信号频带，把传输信号转换成适合信道传输的基带信号波形。
2．信道：是能够传输基带信号的介质，基本上都是有线信道，信道的传输特性一般无法满足无失真传输的条件，因而会引起传输波形的失真，其次，在一般情况下信道还会存在噪声。
3．接收滤波器：是用来接收在信道中的信号，尽可能去除掉信道中具有的噪声和在传输过程中的其他干扰，平衡信道的特性，使传输出来的基带波形有利于下一步的抽样判决。
4．抽样判决器：是在传输特性是在不理想的状态下或者是具有噪声的情况下，对于接收滤波器的输出波形进行抽样判决是在规定时间内，进行基带信号的重组。
5．定时脉冲和同步提取：用来抽样的位定时脉冲通过同步提取电路从接受信号中提取，位定时的准确度可以直接影响抽样判决器的判决结果。
本论文就是实现数字基带信号传输系统的滤波器。
三、DSP硬件电路设计
（一）系统总体原理框图
本课题中选择TMS320C5409，构建的系统总体原理框图。主要包含A/D转换器，D/A转换器，时钟电路和JTAG仿真接口设计。
图2 系统总体原理框图
TMS320VC5409芯片是TI公司TMS320VC5000系列中应用最多，性价比较高的芯片之一，主要应用于数字信号处理的相关领域。TMS320VC5409芯片是为实现低功耗，高性能而专门设计的定点DSP芯片。其具有运算速度快，优化的CPU结构，低价位等优点。它的应用对象大部分是要求能够脱机单独运行的内嵌式的系统，比如机顶盒（STB）、个人数字助理（PDA）和数字无线通信等。TMS320VC5409芯片它的性价比高，满足设计要求。TMS320VC5409芯片的主要特性：
n 1个16bit定时器
n 1个40bit的算术逻辑单元
n 2个40bit的累加器
n 1个40bit的桶形移位器
n 1个17×17的乘法器
n 64k×16bit程序存储器
n 64k×16bit数据存储器
n 64k×16bit I/O存储器
n 2个辅助寄存器算术单元
n 8个辅助寄存器
n 指令周期10ns
n 6个通道（DMA）控制器
n 16位16 K的片内只读存储器
n 16位32 K的片内双操作数据的存储器
n 自动缓冲串行口BSP
n 三个多通道缓冲串型接口
n 有4条内部总线和2个地址产生器
n 一个有16位数据（地址驱动功能）的8位HPI
（二）DSP最小系统设计
指DSP不影响正常工作所使用的最少硬件构成 。对于一般DSP，内部资源已经能够满足系统的需要，所以在使用时可以采用最小系统。基本上DSP都包括片内程序存储器，也有足够的容量，所以不需加外部程序存储器。只要系统包括复位电路、晶振电路、调试接口、必要输入I/O口、上、下拉电阻、电源地，即可以构成最小系统。
1. JTAG仿真接口设计
一般DSP芯片提供满足IEEE1149规范的JTAG接口，基于边缘扫描测试技术。主要引脚的定义：
TCK:测试时针输入
TD1:测试数据输入
TMS:测试方式选择
TD0:测试数据输出
TEST:JTAG测试复位信号
图3 JTAG仿真接口设计
2. 电源芯片
C5409采用3.3V和1.8V的电源供电，其中I/O采用3.3V电源供电，芯片内部电压采用1.8V电源供电，而实际常用的是5V电源供电，所以必须采用电源变换芯片，本文中1.8V电压是使用TPS7301产生的，而3.3V电压则是用TPS7333产生的。
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