FIR滤波器设计与DSP实现
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FIR滤波器设计与DSP实现
一、实验目的
1. 掌握数字滤波器的设计过程；
2. 了解FIR 的原理和特性；
3. 熟悉设计FIR 数字滤波器的原理和方法。
二、实验内容
1. 通过MATLAB 设计确定FIR 滤波器系数；
2. DSP 初始化；
3. A/D 采样；
4. FIR 运算，观察滤波前后的波型变化。
三、实验背景知识
1. 有限冲击响应数字滤波器（FIR）的基础理论
FIR 数字滤波器是一种非递归系统，其冲激响应h(n)是有限长序列，其差分方程表达式
为：，其中N 为FIR 滤波器的阶数。
在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器，FIR 滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性。
为了使滤波器满足线性相位条件，要求其单位脉冲响应h(n)为实序列，且满足偶对称或奇对称条件，即h(n)=h(N-1-n)或
h(n)=-h(N-1-n)。
这样，当N 为偶数时，偶对称线性相位FIR 滤波器的差分方程表达式为
由上可见，FIR 滤波器不断地对输入样本x(n)延时后，再做乘法累加算法，将滤波器结果y(n)输出。
因此，FIR 实际上是一种乘法累加运算。
而对于线性相位FIR 而言，利用线性相位FIR 滤波器系数的对称特性，可以采用结构精简的FIR 结构将乘法器数目减少一半。
2. 本实验中FIR 的算法公式：
四、实验程序的功能与结构说明
1.Filter 实验所包含文件
①. DEC5502_Filter.c：这是实验的主程序，包含了系统初始化，音频芯片各控制寄存
器的初始化， A/D 采样程序；
②. FIR_Filter 滤波子程序；
③. AIC.c：音频芯片各控制寄存器的初始化；
④. E2PROM_Function.c：包含对IIC 的各操作函数；
⑤. I2C.c：进行I2C 初始化；
⑥. mcbsp.c：配置mcbsp；
⑦. SEED_DEC5502.cmd: 声明了系统的存储器配置与程序各段的连接关系。
2.程序流程图
3.实验准备
首先将光盘下 03. Examples of Program \ 05. SEED-DTK5502 实验程序目录下的
3.4.1 FiR_filter 的文件夹拷贝到D：盘根目录下。
①. 将DSP 仿真器与计算机连接好；
②. 将DSP 仿真器的JTAG 插头与SEED-DEC5502 单元的J1 相连接；
③. 打开SEED-DTK5502 的电源。
观察SEED-DTK_MBoard 单元的＋5V，＋3.3V，
＋15V，－15V 的电源指示灯以及SEED_DEC5502 的电源指示灯D2、D4 是否均
亮；若有不亮的，请断开电源，检查电源。
④. 用音频线连接SEED-DTK_MBoard 单元的J10 接口与SEED-DEC5502 单元的J5接口。
4.实验步骤
①.打开CCS，进入CCS 的操作环境；
②.装入DEC5502_FIR.pjt 工程文件，添加SEED_DEC5502.gel 文件，进行调试；
③. 打开DEC5502_Filter.c 文件，到第35 行修改SAMPLELONG 宏定义。
SAMPLELONG 是采样长度选择，有3 个选择1、2、3。
1 表示256+256，2 表示512+256，3 表示1024+256本实验中将其设置为3，如下图所示：
④. 修改完宏定义后，编译、连接生成DEC5502_Filter.out 文件，装载程序
DEC5502_Filter.out；
⑤. 本实验需要设置实验箱信号源。
通过液晶屏和键盘，设置信号源：当液晶屏上出现“通讯自检不成功，请复位系统”时，按下“Enter”键，进入“信号发生器设置”。
在“信号发生器设置”这一菜单下：
“通道”设为“0”；
“信号类型”可根据需要任意选择，本实验中设置为“带噪声的正弦波”
“信号频率”和“信号振幅”可在屏幕下方“有效输入”限定的范围内任意输入，建议振幅设为1000 左右，频率”设为300 左右；
“电压偏移”设为0；、
“信号发生器开关”设为“开启”（通过关闭到开启的转变，使其指示灯变亮）。
此时便有信号输入音频芯片AIC23 的输入端。
⑥打开DEC5502_Filter.c 文件，在第340行“while(1){”设置断点，与357 行
“fir_filter(DataBuffer,hfir,DDataBuffer,ORDER_FIR,SampleLong,ROUND_FIR)”设置断点。
⑦. 运行程序，程序停在第一个断点处，表明数据采集完成；继续运行程序，程序停在
第二个断点处，表明滤波完成。
可以观察收到的数据和显示的图像；DataBuffer 数组显示的是原始信号图像；DDataBuffer 数组显示的是滤波后信号图像。
可以修改信号源，继续执行，观察不同信号源的滤波结果。
其中图像显示设置对话框中Start adderss:起始地址；Acquisition Buffer Size:输入数据个数；Display Data Size:显示数据个数（注意：显示个数要与程序中宏定义的采样个数一致）；DSP Data Type:数据类型；
本实验采用带噪声的正弦波为输入信号，对图像显示设置对话框设置和对应的图形显示如下：
滤波前：
滤波后
5.MATLAB的应用
实际上每种算法函数的开始处都已定义好进行FIR运算时所需的系数，这些系数是用Matlab 产生的。
下面具体介绍一下在Matlab 中如何设置各种参数，从而可 Matlab 中设置不同参数，实现不同的滤波效果
说明：实验箱提供的信号默认采样频率为48KHz，信号频率在前面实验中已设置为300Hz，幅值已设为为1000mv。
本实验中fir 具体参数设置如下：（为方便起见，采用MATLAB 执行格式，括弧内为说明）
ezFIR FILTER DESIGN SCRIPT
Input FIR Filter order(EVEN for BS and HP Filter) : 100（阶数）
Low Pass: 1
High Pass: 2
Band Pass: 3
Band Stop: 4
Select Any one of the above Response: 1（低通）
Hamming: 1
Hanning: 2
Bartlett : 3
Blackman: 4
Select Any one of the above window : 1（使用Hamming 窗）
Enter the Sampling frequency: 48000（采样频率）
Enter the corner frequency(Fc): 500（截止频率）
Enter the name of the file for coeff storage : filter.dat（生成dat 文件名）说明：MATLAB 源文件在在光盘下03. Examples of Program \06. MAtlab 文件夹中，文件名为ezFIR，只需运行它，按照以上说明输入参数（或根据具体需要输入所需参数后）即可得到FIR-FILTER 算法所需的系数。
经MATLAB运行后产生的参数如下（因为是对称的所以只有一半）
807,-64730,-64734,795,786,774,66296,197352,328405,524992,\787114,1114770,144242 4,1966685,2490945,3146276,3867142,4719080,5636553,6619563,\7799181,9044335,1035 5025,11796788,13304088,14942461,16580836,18350283,20185268,22085790,\24051850,2 6017911,27983973,29950038,31981640,33947707,35913776,37814310,39649310,41418774 ,\43122705,44695564,46137352,47513605,48758787,49807361,50724864,51511296,52101 120,52625407,\52887551
用新产生的参数，取代filter.h中原来的参数从新运行，仍选用带噪声的正弦波为输入信号，图像显示设置对话框设置同上，对应的图形显示如下：
时域（上图为滤波前，下图为滤波后）：
频域（上图为滤波前，下图为滤波后）：
五、实验心得
通过这次实验，我熟悉了CCS开发环境以及设计运行调试过程，认识到AIC23语音芯片和I2C协议以及MCBSP模块的各个工作原理以及三者之间的关系，学会对模块的初始化定义和编写的流程。
使我对DSP产生了浓厚的兴趣，激发了我学习DSP的积极性，从这次实验结果上来说，清晰的结果使我对书本上的知识有了更深入的理解。
该实验通过FIR滤波器滤波后把噪声滤除掉了，从时域图来看，原来的带有毛刺的音频波形滤波后变得平滑，从频域图来看，噪声所在的频域段基本上被滤除掉，对FIR滤波器的作用有了形象的理解。
通过MATLAB 自己设计FIR滤波器的参数，一方面对FIR滤波器的原理有了深入的理解，另一方面对各个参数在滤波效果上面的影响有了直观的印象。
最后，感谢老师的耐心指导！。
