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【其它论文】IIR数字滤波器在定点DSP中可实现性的分析

发布:论文易网2016-1-13 16:21分类: 其它论文 标签: 大学生论文发表 论文投稿 论文在线发表 发表论文网站

1引言

    数字信号处理技术及其应用,目前正以惊人的速度向前发展着。随着大规模集成电路的出现和数字部件的成本下降、体积缩小及运算速度提高,数字信号处理的应用日益广泛。数字滤波是数字信号处理的基本方法。而数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一,几乎出现在所有的数字信号处理系统中。

IIR数字滤波器是数字信号处理中最常用的滤波器类型之一。由于它可用较低的阶数获得较高的选择性,所用的存储单元少,计算量小,同时其设计方法沿用 了模拟滤波器设计的成熟技术 ,因而获得较为广泛的应用。同时,在许多实际应用中,模拟信号是实际存在的信号,使用先进的数字滤波器进行处理时,往往要考虑模拟和数字信号及系统之间的关系。因此如何正确进行IIR数字滤波器的设计是一项很有意义的研究工作。

由奈奎斯特(Nyquist)取样定理我们知道,只有当模拟滤波器的频率响应是有限带宽的,且频带限于折叠频率/2以内,等价的数字滤波器的频率响应才能避免产生混 叠。即有限带宽与取样频率应符合

现在的问题是,根据给定模拟滤波器的技术指标进行IIR数字滤波器的设计时,采样频率取值能够无限制的增大吗?是不是只要满足奈奎斯特取样定理,设计的IIR数字滤波器在定点的DSP上就能实现? 

在使用定点的DSP芯片TMS320C54实现II数字滤波器的工程实践中,我们注意到当采样频率提高时,原来在Matlab辅助设计中能够实现的IIR滤波器, 在TMS320 C54x上却变得特性改变甚至无法使用。 本文利用Matlab软件和DSP调试软件CCS,对此进行了较深入的分析。分别观察两种软件仿真的结果 ,找出了IIR数字滤波器在定点DS P实现中出现问题的基本原因,提出了改进的建议。

2 概述 

随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。数字滤波是谱分析、雷达信号处理、通信信号处理应用中的基本处理算法。与模拟滤波相比,数字滤波有很多优点,例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求,可以避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。 

2.1  DSP简介

数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息,来处理现实信号的方法,这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

2.2数字滤波器简介

数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列,因此数字滤波器的结构系统中就必须包括一定数量和性能的运算器件和运算单元,而运算器件和运算单元的配置必须由数字滤波器的结构特点和性能特点来决定。

在现代电子系统中,数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大,一个好的数字滤波器会有效的推动众多工程技术领域的技术改造和学科发展。数字滤波器依据冲激响应的宽度划分为有限冲激响应(FIR)滤波器和无限冲激响应滤波器(IIR)。FIR 滤波器在数字通信系统中被大量使用,以实现各种各样的功能,诸如低通滤波、带通滤波、抗混叠、抽样和内插等等。FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,属于数字信号处理的基本模块之一。它涉及的领域很广,如:通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电力系统、故障检测、自动化仪器等。与IIR数字滤波器相比,它的最大优点就是可以实现线性相位滤波,而IIR主要是针对幅频特性进行逼近,相频特性会存在不同程度的非线性。在数字通信和图像传输与处理等应用场合都要求滤波器具有线性相位特性。许多工程技术领域都涉及到信号,这些信号包括电的、磁的、机械的、热的、声的、光的及生物体的等等。如何在较强的背景噪声和干扰信号下提取出真正的信号并将其用于实际工程,这正是信号处理要研究解决的问题。

70年代科学技术的蓬勃发展,数字信号处理开始与大规模和超大规模集成电路技术、微处理技术、高速数字算术单元、双极性高密度半导体存储器、电荷转移器件等新技术、新工艺结合了起来,并且引进了计算机辅助设计方法,它使数字滤波器的设计不仅仅是对相应模拟滤波器的逼近。一般来说,通过对模拟滤波器函数的变换来设计数字滤波器,很难达到逼近任意频率响应或冲激响应,而采用计算机辅助设计则有可能实现频域或时域的最佳逼近,或频域时域联合最佳逼近。这样,数字滤波器的分析与设计其内容也更丰富起来,各种新的数字信号处理系统,也都能用专用数字硬件实时加以实现。数字信号处理理论与技术的发展,主要是由于电子计算机与大规模集成电路的大量生产和广泛应用,替代了原来的模拟信号处理中的线性滤波与频谱分析所应用模拟计算机和分立元件L、C、R线性网络,高度发挥了计算机技术与数字技术相结合的特色和优越性。特别是微处理器和微型计算机技术日新月异的发展,将更有利于电子仪器与电子技术应用系统朝着数字化、小型化、自动化以及多功能等方向发展,促使它们成为富有智能型的电子系统。现在,包括数字滤波在内的数字信号处理技术正以惊人的速度向纵深和高级的方向发展。

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