DSP处理器原理与应用 教学课件 作者 鲍安平 全书第7章.ppt

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1、第7章数字信号处理方法及其DSP实现7.1数字滤波器的基本概念7.2有限冲击响应滤波器(FIR)的原理结构7.3无限冲击响应滤波器(IIR)的原理结构及设计7.4快速傅里叶变换(FFT)7.5本章小结习题与思考题在第1章里，我们讲到了经典的数字信号处理有时域上的FIR、IIR以及频域上的FFT。本章通过几个任务的讲解，介绍FIR滤波器、IIR滤波器以及FFT的基本概念及其DSP实现。数字滤波，是数字信号处理的基本核心内容之一，占有极重要的地位。它是语音、图像处理、软件无线电、通信、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。数字滤波器是一个具有按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所

2、要求输出的离散时间信号的特定功能装置，是一个离散时间系统。与模拟滤波器相比，数字滤波器不用考虑器件的噪声、电压漂移、温度漂移等问题，可以容易地实现不同幅度和相位频率等特性指标。7.1数字滤波器的基本概念几乎每一科学和工程领域如声学、物理学、数据通信、控制系统和雷达等都涉及到信号，在应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算，这些过程都可能包含衰减一个频率范围、阻止或隔离一些频率成分。数字滤波作为数字信号处理的重要组成部分有着十分广泛的应用前景。数字滤波器的实现方法一般如下有几种：(1)在通用计算机上用软件编程实现。(2)用加法器、乘法器、延时器设计实现专用的滤波电

3、路。(3)用单片机实现。(4)用通用的可编程DSP芯片实现。(5)用专用的DSP芯片实现。(6)用FPG、CPLD等可编程器件来设计实现，开发数字滤波算法。在这几种方法中，第一种方法的速度比较慢，主要用来进行算法的模拟仿真，只能用于非实时系统；;第二种和第五种方法是专用的，应用范围不广；第三种方法比较容易实现人机接口，但系统比较复杂，对乘法运算的速度很慢；;第四种方法因DSP芯片的哈佛结构、并行结构、指令系统等特点，使得数字滤波器比较容易实现;；第六种方法是通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法，具有通用性，可以实现算法的并行运算，在当今研究的也比较多。数字信号是通过采样和转换得到

4、的，而转换的位数是有限的(一般为6、8、10、12、16位)，所以存在量化误差；另外，计算机中的数表示也总是有限的，由经此表示的滤波器的系数同样存在量化误差，在计算过程中因有限字长也会造成误差。7.1.1数字滤波器结构的表示方法一个数字滤波器可以用描述输入/输出关系的常系数线性差分方程来表示：(7-1)对初始状态为零的情况，差分方程所描述的系统是线性非移变(LSI)系统。对式(7-1)两边取变换，得到该系统的系统函数为(7-2)LSI系统的很多特性都是通过H(z)反映出来的。由式(7-1)可以看出，实现一个数字滤波器需要三个基本的运算单元：加法器、单位延迟器和常数乘法器。这些基本单元

5、可以有两种表示法：方框图法和信号流图法。因而一个数字滤波器的运算情况(网络结构)也有这样两种表示法，如图7-1所示。　　线性信号流图本质上与方框图表示法等效，只是符号上有差异。用方框图表示较明显直观，用流图表示则更加简单方便。以二阶数字滤波器y(n)=a1y(n-1)+a2y(n-2)+b0x(n)为例，滤波器方框图结构如图7-2(a)所示，其等效信号流图如图7-2(b)所示。图7-1基本运算的方框图及流图表示(a)方框图表示；(b)流图表示图7-2二阶数字滤波器方框图及流图结构(a)方框图结构；(b)流图结构图中节点1、2、3、4、5称为网络节点，x(n)处为输入节点或称为源节点

6、，表示外部输入或信号源，y(n)处为输出节点或称为吸收节点。节点之间用有向支路相连接，任一节点的节点值等于它的所有输入支路的信号之和。输入支路的信号值等于这一支路起点处的节点信号值乘以支路增益(传输系数)。如果支路箭头旁边未标增益符号，则认为支路增益为1。而延迟支路则用延迟算子z-1表示，它表示单位延迟。7.1.2一般数字滤波器的设计方法概述1.数字滤波器的分类数字滤波器按照不同的分类方法，有许多种类，但总体来讲可以分成两大类。一类称为经典滤波器，即一般滤波器，特点是输入信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带，通过一个合适的选频滤波器达到滤波的目的；另一类称为现代滤

7、波器，其理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录(又称时间序列)中估计出信号的某些特征或信号本身。现代滤波器理论源于维纳在20世纪40年代及其以后的工作，因此维纳滤波器便是这一类滤波器的典型代表，此外还有卡尔曼滤波器、线性预测器、自适应滤波器等。经典滤波器从功能上总的可以分为低通、高通、带通、带阻和全通等滤波器。　　此种分类方法是和模拟滤波器是一样的，它们的理想幅度频率响应如图7-3所示。这些理想滤波器均是不可能实现的，因为它们的单位冲激响应均是非因果且