dsp带通滤波器设计.doc

一、 设计要求
试用DSP设计FIR滤波器，分别实现带通的功能，具体要求如下：
① 滤波器的阶数≥5，截止频率自行选定，滤波系数用MATLAB确定。
② 编制C54XDSP实现FIR滤波器的汇编源程序。
③ 用软件仿真器完成上述程序的模拟调试。
④ 以数据文件形式自行设定滤波器输入数据，以数据文件形式输出滤波结果，并与输入数据进行比较分析。用软件仿真器有关工具显示FIR滤波器的输入输出波形，以证明滤波器滤波性能。
二、 FIR滤波器的基本原理
数字滤波是将输入的信号序列，按规定的算法进行处理，从而得到所期望的输出序列。一个线性位移不变系统的输出序列和输入序列之间的关系，应满足常系数线性差分方程。FIR滤波器的差分方程为：

FIR滤波器的传递函数为：

直接由差分方程得出的实现结构如图１所示：

图１　横截型(直接型﹑卷积型) FIR滤波器的结构图
由上面的公式和结构图可知，FIR滤波算法实际上时一种乘法累加运算。它不断地从输入端读入样本值，经过（）后做乘法累加，输出滤波结果
三、 FIR滤波器的设计
FIR滤波器的设计方法主要有窗函数法和频率采样法。其中，窗函数法是最基本的方法。本次设计采用窗函数法。
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：
(３-1)
常用的方法是用有限长度的窗函数w(n)来截取 即：
(３-２)
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：
(３-３)
其中,为矩形窗谱, 是FIR滤波器频率响应。
通过频域卷积过程看的幅度函数H(ω)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ω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；即能量集中于主瓣，使肩峰和波纹减小，增大阻带的衰减。
四、 带通滤波器设计指标
本次要设计一个FIR带通滤波器，其采样频率fs=30000Hz，通带为3000Hz~5000Hz,即保留频率在3000Hz~5000Hz范围内的信号成分，幅度失真小于1dB；阻带边界频率为2000Hz和6000Hz，衰减大于40dB。同时，FIR滤波器的阶数N=32。
五、 设计思路及实现步骤
1. 使用matlab获得输入信号数据，这里输入信号为f1=1500，f2=4000，f3=7000，采样频率为fs=30000Hz，采样点数为N=256，同时生成输入信号数据文件，matlab的参考程序如下：
clc;
clear all;
f1=1500;
f2=4000;
f3=7000;
fs=30000;
N=256;
T=1/fs;
n=[0:N-1];
x1=0.08*sin(2*pi*f1*n*T);
x2=0.08*sin(2*pi*f2*n*T);
x3=0.08*sin(2*pi*f3*n*T);
xn=ceil(32768*(x1+x2+x3));
figure(1);
plot(xn)
figure(2)
yff=abs(fft(xn));
df=n*(fs/N);
plot(df,yff);
fid=fopen('indata.inc','w');
fprintf(fid,' .word%5.0f\n',xn);
fclose(fid);
部分输入信号数据为(共256个采样点)：
.word 0
.word 6097
.word -431
.word 1541
.word -1019
.word 1
.word -2493
.word -5507
...
2.基于Matlab工具箱Signal中的fir1函数设计FIR带通滤波器，选择Hamming窗函数法，进而获取FIR带通滤波器的系数b，并保存为firin.inc数据文件。这里FIR滤波器的阶数N=32。
实现代码如下：
w1=3000/15000*2;
w2=5000/15000*2;
b=fir1(32,[w1,w2],'bandpass');
fp=fopen('firin.inc','wt');
fprintf(fp,' .word%20.0f\n',b*32768);
fclose(fp);
滤波器系数为：
B0= -4,B1=-0,B2=7, B3=183,B4=-109,B5=-488,B6=328,B7=495,B8=-195,B9=260,
B10=-1180,B11=-1433,B12=4086,B13=1879,B14=-7292,B15=-876,B16=8709,
B17=-876,B18=-7292,B19=1879,B20=4086,B21=-1433,B22=-1180,B23=260,
B24=-195,B25= 495,B26=328,B27=-488,B28=-109,B29=183,B30=7,B31=-0,
B32=-4

同时，通过Matlab中的滤波器设计工具fdatool，可以得到满足设计要求的FIR带通滤波器的幅度图如下示（相应设计参数见下图数据）：

3. 基于CCS2.0配置为C5400后，创建fir工程，将1、2步骤中生成的输入信号数据文件indata.inc和滤波器系数文件firin.inc添加在fir工程所在的文件夹中，然后给工程中添加FIR数字滤波器的汇编程序fir.asm如下：
.mmregs
.global start
.def start, _c_int00
INDEX .set 1
KS .set 256
.copy "indata.inc"
.copy "firdata.inc"
.data
OUTPUT .space 1024
FIR_DP .usect "FIR_VARS", 0
D_FIN .usect "FIR_VARS", 1
D_FOUT .usect "FIR_VARS", 1
COFFTAB .usect "FIR_COFF", N
DATABUF .usect "FIR_BFR", N
BOS .usect "STACK", 0fh
TOS .usect "STACK", 1
.text
.asg AR0, INDEX_P
.asg AR4, DATA_P
.asg AR5, COFF_P
.asg AR6, INBUF_P
.asg AR7, OUTBUF_P
_c_int00:
B start
NOP
NOP
start:
STM #COFFTAB, COFF_P
RPT #N-1
MVPD #COFF_FIR, *COFF_P+
STM #INDEX, INDEX_P
STM #DATABUF, DATA_P
RPTZ A, #N-1
STL A, *DATA_P+
STM #(DATABUF+N-1), DATA_P
STM #COFFTAB, COFF_P
FIR_TASK:
STM #INPUT, INBUF_P
STM #OUTPUT, OUTBUF_P
STM #KS-1, BRC
RPTBD LOOP-1
STM #N, BK
LD *INBUF_P+, A
FIR_FILTER:
STL A, *DATA_P+%
RPTZ A, N-1
MAC *DATA_P+0%, *COFF_P+0%, A
STH A, *OUTBUF_P+
LOOP:
EEND B EEND
.end
4. 对应以上FIR滤波器的汇编程序编写链接文件fir.cmd如下：
fir.obj
-m fir.map
-o fir.out
MEMORY
{
PAGE 0: ROM1(RIX) :ORIGIN=0080h,LENGTH=1000h
PAGE 1: INTRAM1(RW) :ORIGIN=2400h,LENGTH=0200h
INTRAM2(RW) :ORIGIN=2600h,LENGTH=0100h
INTRAM3(RW) :ORIGIN=2700h,LENGTH=0100h
INTRAM4(RW) :ORIGIN=2800h,LENGTH=0040h
B2B(RW) :ORIGIN=0070h,LENGTH=10h
}
SECTIONS
{
.text :{}>ROM1 PAGE 0
.data :{}>INTRAM1 PAGE 1
FIR_COFF :{}>INTRAM2 PAGE 1
FIR_BFR :{}>INTRAM3 PAGE 1
FIR_VARS :{}>INTRAM4 PAGE 1
.stack :{}>B2B PAGE 1
}
六、实验结果及截图
1. 将程序编译链接无误后加载程序，然后运行程序，然后在入口地址为0x00a0下查看输入信号波形，输入混频信号的时域和频域波形图如下：

图1 三种叠加信号的时域波形

图2 三种叠加信号的频域图
2.在入口地址为0x2400下查看输出信号波形，下面为输入混频信号经过设计的FIR器滤波后的时域(图3)和频域（图4）波形的输出图像：

图3 经FIR滤波器滤波后的信号时域图

图4 经FIR滤波器滤波后的信号频域图

七、总结
通过图2与图4的分析比较，可以很清楚地看出，本次设计的FIR滤波器滤可以较好的滤除噪声信号，保留目标信号。进而说明了该FIR滤波器满足设计要求。
通过本次带通滤波器的设计，我受益匪浅，通过自己亲自动手操作初步掌握了CCS的运行机制。最开始我只是照着书上的程序原搬硬套，出现了不少错误，然后静下心仔细研究程序后，终于找出了错误的所在根源，经过反复调试，程序终于运行无误，成功的产生了期待的结果。虽然我在本科学过DSP，但是在老师这学期的细心、认真、不厌其烦地讲授下，让我对DSP以及汇编程序有了一个新的认识，达到了温故知新的效果，谢谢老师！