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本科学生毕业设计报告
基于DSP的IIR数字滤波设计
系(院) 人文管理学院
专业电子信息工程
基于DSP的IIR数字滤波设计
摘要:数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一,被广泛应用于语音图像处理、数字通信、谱分析、模式识别、自动控制等领域。本设计主要研究了数字滤波器的基本理论,根据数字滤波器的设计步骤,利用MATLAB仿真软件分别用双线性变换法和脉冲响应不变法算出系统的传输函数及阶数,再通过DSP编程并结合TMS320VC5402器件的结构和特性选出最优方案实现数字滤波,完成了软件调试的工作。
关键词:数字滤波器;DSP;IIR(无限长单位脉冲响应);matlab仿真
1 绪论
数字滤波器的发展背景及意义
数字滤波,是数字信号处理的基本核心内容之一,占有极重要的地位。它通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波目的,是语音处理、图像处理、软件无线电、通信、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。与模拟滤波器相比,数字滤波器不用考虑器件的噪声、电压漂移、温度漂移等问题,可以容易的实现不同幅度和相位频率等特性指标。几乎每一科学和工程领域如声学、物理学、数据通信、控制系统和雷达等都涉及到信号,在应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算,这些过程都可能包含衰减一个频率范围阻止或隔离一些频率成分。因此,数字滤波的应用已越来越广泛。相对于模拟滤波器,数字滤波器没有漂移,能够处理低频信号,频率响应特性可做成非常接近于理想的特性,且精度可以达到很高,容易集成等,这些优势决定了数字滤波器的应用越来越广泛。同时DSP (Digital Signal Processor)处理器的出现和FPGA(Field Programmable Gate Array)的迅速发展也促进了数字滤波器的发展,并为数字滤波器的硬件实现提供了更多的选择。总的来说,数字滤波器具有以下显著的优点:精度高、灵活性大、可靠性高、易于大规模集成、并行处理等。
滤波分为经典滤波和现代滤波。经典滤波包括FIR滤波和IIR滤波。随着现代滤波技术发展,线性滤波方法,如Wiener滤波、Kalman滤波和自适应滤波都得到了广泛的研究和应用,同时一些非线性滤波方法,如小波滤波、同态滤波、中值滤波、形态滤波等都是现代信号处理的前言课题。这些滤波方法不但有重要的理论意义,而且有广阔的应用前景。
2 数字滤波器的方案论证
数字滤波器的定义及分类
数字滤波器是指完成信号滤波处理的功能。其输入是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。它的作用是将有用的信号保留,将对其干扰的信号屏蔽,以完成滤波的功能。它是通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。
数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出的优点。随着数字技术的发展,用数字技术实现滤波器的功能越来越受到大家的注意和广泛的应用。从数字滤波器的单位冲击响应来看,可以分为两大类:有限冲击响应(FIR)数字滤波器和无限冲击响应(IIR)数字滤波器。滤波器按功能上分可以分为:低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF )、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)。
数字滤波器的实现方法
数字滤波器的实现方法一般有以下几种:
(1)在通用的计算机(如PC)上用软件(如C语言)实现。这种方法的缺点是速度太慢,不能用于实时系统,主要用于DSP算法的模拟与仿真。
(2)在通用的计算机系统中加上专用的加速处理机实现。这种方法不便于系统的独立运行。
(3)用通用的单片机实现。这种方法适用于一些不太复杂的数字信号处理。
(4)用通用的可编程DSP芯片实现。DSP利用改进的哈佛总线结构,内部有硬件乘法器、累加器,使用流水线结构,具有良好的并行特点,并有专门设计的适用于数字信号处理的指令系统等。
(5)用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合,要求的信号处理速度极高,这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现,无须进行编程。
(6)用FPGA等可编程器件来开发数字滤波算法。使用相关开发工具和VHDL等硬件开发语言,通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法。
通过比较这些方法可见:可以采用MATLAB等软件来学习数字滤波器的基本知识,计算数字滤波器的系数和阶数,研究算法的可行性,对数字滤波器进行前期的仿真。然后,可以采用DSP或FPGA来实现硬件电路。对于通用的可编程DSP芯片来说,它具有更好的灵活性和实时性。因此本设计研究的重点集中在利用通用可编程的DSP芯片来实现数字滤波。
IIR与FIR数字滤波器的比较
IIR滤波器系统函数的极点可以位于单位圆内的任何地方,因此可以用较低的阶数获得