基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)

作者：時間：2010-12-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

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0 引言

數(shù)字信號處理現(xiàn)已在通信與信息系統(tǒng)、信號與信息系統(tǒng)、自動控制、需達、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號處理應(yīng)用中，濾波占有十分重要的地位，如對信號的過濾、檢測、預(yù)測等，都要廣泛地用到濾波器。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計保留了一些典型模擬濾波器優(yōu)良的幅度特性，但所涉及的濾波器相位特性一般是非線性的，而FIR濾波器則可在保證幅度特性并滿足技術(shù)要求的同時，也很容易做到嚴格的線性相位特性。

1 基于窗函數(shù)法的FIR濾波器設(shè)計

1.1 單位沖激響應(yīng)

首先應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求確定待求濾波器的單位沖激響應(yīng)hd (n)。如果給出待求濾波器的頻率為Hd (ej)，那么單位取樣響應(yīng)則可用下式求出：

如果給出通帶阻帶衰減和邊界頻率的要求，則可選用理想濾波器作為逼近函數(shù)，從而用理想濾波器的特性作傅立葉逆變換，以求出hd (n)。若理想低通濾波器為：

1.2 過渡帶及阻帶衰減

根據(jù)對過渡帶及阻帶衰減的要求，設(shè)計時可選擇窗函數(shù)的形狀，并估計窗口長度N。設(shè)待求濾波器的過渡帶用Δω表示，它近似等于窗函數(shù)的主瓣寬度。由于過渡帶Δω近似與窗口長度N成反比。即N=A/Δω，其中A決定于窗口形式，例如，矩形窗A=4π，哈明窗A=8π等。按照過渡帶及阻帶衰減情況，選擇窗函數(shù)形式。其設(shè)計原則是在保證阻帶衰減的情況下，盡量選擇主瓣比較窄的窗函數(shù)。

1.3 單位取樣響應(yīng)的計算：

計算濾波器的單位取樣響應(yīng)h (n) 時，可按正式進行：

驗算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求時其設(shè)計出的濾波器頻率響應(yīng)可采用下式進行計算：

計算上式時，可使用FFT算法。如果H (ejω)不能滿足要求，那么，根據(jù)具體情況，可重復(fù)上述設(shè)計，直到滿足要求為止。

2 基于DSP的FIR數(shù)字濾波器實現(xiàn)方案

2.1 濾波系統(tǒng)的差分方程

2.2 實現(xiàn)方案

由于在卷積運算之前， h (n) 的N個數(shù)值是已知的，因此，可先在程序存儲器中開辟N個單元來存放h (n)。由于輸入序列x (n) 是不斷變化的，因此，在數(shù)據(jù)存儲器中可開辟N個存儲單元并對其進行移位寄存，其初始值分別為x (n)、x (n-1)……x (n-N-1)，然后采用循環(huán)尋址的方法對其進行訪問。每次輸入新的樣本時，可以以新樣本改寫滑窗中的最老的數(shù)據(jù)，而滑窗中的其他數(shù)據(jù)則不需要移動。利用片內(nèi)8 kB (循環(huán)緩沖區(qū)長度)寄存器可對滑窗進行間接尋址，循環(huán)緩沖區(qū)地址首尾相鄰。8級循環(huán)緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中頂部為低地址，圖1中的(a) (b) (c) 分別為初始狀態(tài)、輸入1個和2個樣本后的存儲情況。

圖1 8級循環(huán)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)。

3 仿真結(jié)果

下面是一組信號采樣序列樣本x (n)，其中存在有高頻干擾。現(xiàn)以x (n) 作為輸入序列，然后濾除其中的干擾成分。

{x (n)} = {-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12,12,10,6,6,*,0,0,0,0,0,-2,-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0}

本設(shè)計的線性相位低通FIR數(shù)字濾波器的截止頻率ωc為0.2πrad，窗口長度N為11。根據(jù)上述原理及實現(xiàn)方案，若采用漢寧窗來實現(xiàn)，則可依據(jù)算式計算出用漢寧窗設(shè)計時的各h (n) 的系數(shù)：

{h (n)} = {0, 0.0045, 0.0349, 0.0991, 0.1692,0.2, 0.1692, 0.0991,0.0349, 0.0045, 0}

在CCS2.0軟件中觀察x (n) 的輸入曲線如圖2所示，圖3所示是其y (n) 輸出曲線。

由圖2和圖3兩圖對比可見，經(jīng)過濾波后，其輸入曲線變平滑了。并且，根據(jù)計算所得：

{y (n)} = {0， -0.018， -0.1486， -0.4662， -0.893， -1.305， -1.7006， -2.1548， -2.6372， -3.0062， -3.1918， -3.3098， -3.5296， -3.8198，-4.009， -4.0482， -3.9514， -3.4596， -2.0672， 0.3162， 2.7908， 3.*8， 0.9464， -6.2018， -17.6736， -31.8884， -45.5584， -54.1796， -54.044， -44.916， -30.6*， -16.6756， -6.3676， 0.058，4.037， 6.5272， 7.5976， 7.318， 6.2854， 5.0906， 3.8896， 2.*2， 1.5078， 0.6238， 0.0788， -0.3198， -0.7348， -1.0768， -1.1474， -0.9538，-0.7342， -0.6852， -0.7*， -0.8172， -0.8136，-0.8834} 上面一共56個值。