DSP课程设计论文

目录

摘要 ................................................................................ 错误！未定义书签。前言 . (1)

1 方案设计与论证 (2)

1.1 设计方案概论 (2)

1.2 设计方案详论 (2)

1.3 设计工具CCS及SEED-DTK2812 实验系统简介 (3)

2 系统设计 (4)

2.1 IIR数字滤波器的设计方法及原理 (4)

2.2 程序设计流程图 (6)

2.3 系统设计步骤 (6)

4 总结 (10)

参考文献 (11)

致谢 (12)

附录 (13)

前言

本文介绍了滤波器的滤波原理以及模拟滤波器、数字滤波器的设计方法。重点介绍了IIR数字滤波器的设计方法。即脉冲响应不变法和双线性变换法。在此基础上，用DSP虚拟实现任意阶IIR滤波器。此设计扩展性好，便于调节滤波器的性能，可以根据不同的要求在DSP上加以实现。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。

数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。

数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应(IIR)数字滤波器和有限长冲激响应(FIR)数字滤波器。IIR 数字滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应，需要用递归模型

DSP 芯片是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器，主要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法。数字信号处理由于具有精度高、灵活性强等优点，已广泛应用于图像处理、数字通信、雷达等领域。数字滤波技术在数字信号处理中占有极其重要的地位，数字滤波器根据其单位脉冲响应可分为IIR（无限长冲激响应滤波器）和FIR （有限长冲激响应滤波器）两类。IIR滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，但在有限精度的运算中，可能出现不稳定现象，而且相位特性不好控制。数字滤波器本质上是一个完成特定运算的数字计算过程，也可以理解为是一台计算机。

最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

1 方案设计与论证

1.1 设计方案概论

IIR 滤波器的选择:在APF 中，滤波器的设计应满足：截止频率低，过渡带快，通带内增益接近1、阻带内增益接近0，在满足精度要求的前提下阶数尽量低，以使滤波器的运算速度快。滤波器有模拟滤波器和数字滤波器两种。这里选用数字滤波器，因为它相对于模拟滤波器更容易进行滤波代数运算，而且数字滤波器的优点是没有模拟滤波器那样的随时间、温度、电压漂移，还有数字滤波器还能实现近似理想的响应和线性相位，所以能更好地达到谐波检测的实时性和准确性的要求,数字滤波器有无限冲激响应（IIR ）系统和有限冲激响应（FIR ）系统两种。IIR 系统的优点是实现的阶数低，对于实现相同要求的数字滤波器，FIR 滤波器的阶数要比IIR 滤波器的阶数高5~10倍，IIR 滤波器的设计相对简单，可以由对应的模拟滤波器转换而来。FIR 系统的优点是采用递归结构，可以得到严格的线性相位，运算的误差也较小，FIR 的设计比IIR 要灵活。结合IIR 滤波器和FIR 滤波器的优缺点，由于在APF 谐波检测中的低通数字滤波器是用于通过直流，滤掉交流，对相位的要求不高，而且希望运算尽量小，因此选用IIR 滤波器。

1.2 设计方案详论

滤波器可广义的理解为一个信号选择系统，它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。在更多的情况下，滤波器可理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻。

滤波器可分为三种：模拟滤波器、采样滤波器和数字滤波器。模拟滤波器可以是由RLC 构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，是连续时间系统；采样滤波器由电阻、电容、电荷转移器件、运放等组成，属于离散时间系统，幅度连续；数字滤波器由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲发生器和逻辑单元等数字电路构成，精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用。

设计滤波器，就是要确定其传递函数，传递函数H(z)已知后，则可以确定系统的频率响应为)()(|)()(w j jw e z jw e e H z H e H jw Φ===，其中)()(w e H jw Φ和分别是幅频特性和相位

特性。

对于无失真传输系统，有

τjw jw ke e H -=)(，即

(1.1)

⎪⎩⎪⎨⎧-=Φ=τw w k e H jw )()(

幅频特性为常数，信号通过系统后各频率分量的相对大小保持不变，没有幅度失真。相位特性为线性，使对应的时域方程的时延量为常数：)

kx

y，即系统对各频

n

=n

-

)

(

(τ

率分量的延迟时间相同，保证了各频率分量的相对位置不变，没有相位失真。

数字通信对相位的要求比模拟通信高许多，线性相位很重要。数字系统描述时延的函数有两个：

群时延：dw

w

-：反映相频曲线的线性程度

Φ

(

d/)

相时延：w

-：反映各频率分量在时域的相对延时。

Φ

w/)

(

所以无相位失真的传输条件是要具有恒群时延和恒相时延，即dw

(

-＝

Φ

d/)

w

Φ

(

-＝常数τ。

w/)

w

数字滤波器的设计是确定其系统函数并实现的过程，一般要经如下步骤：

1、根据任务，确定性能指标。

2、用因果稳定的线性移不变离散系统函数去逼近。

3、用有限精度算法实现这个系统函数。

4、利用适当的软、硬件技术实现。

我们在这里主要讨论数字滤波器系统函数的逼近过程，包括无限长冲激响应（IIR）数字滤波器和有限长冲激响应（FIR）数字滤波器系统函数的逼近。

IIR数字滤波器是一种离散时间系统，其系统函数为

（1.2）假设M≤N，当M＞N时,系统函数可以看作一个IIR的子系统和一个(M-N)的FIR子系

统的级联。IIR数字滤波器的设计实际上是求解滤波器的系数和，它是数学上的一种逼近问题，即在规定意义上（通常采用最小均方误差准则）去逼近系统的特性。如果在S平面上去逼近，就得到模拟滤波器；如果在z平面上去逼近，就得到数字滤波器。其中有脉冲相应不变法和双线性变换法两种设计方法

1.3 设计工具CCS及SEED-DTK2812 实验系统简介

本设计联合的CCS2（C2000）软件和硬件SEED-DTK2812实验箱进行仿真的，下面就CCS2（C2000）和SEED-DTK2812实验箱进行简单的介绍。

CCS的全称是Code Composer Studio，它是美国德州仪器公司（Texas Instrument,TI）出品的代码开发和调试套件。TI公司的产品线中有一大块业务是数字信号处理器（DSP）和微处理器（MCU），CCS便是供用户开发和调试DSP和MCU程序的集成开发软件。