基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計與分析畢業(yè)設(shè)計論文.docx

1北京科技大學(xué)遠程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：基于dsp的fir數(shù)字濾波器的設(shè)計與 分析 學(xué)習(xí)中心： 遠程與成人教育學(xué)院（ty）專 業(yè)： 通信工程 年 級： 2008級 姓 名： 李維鑫 學(xué) 號： 20838712087 指導(dǎo)教師： 王春明 2012年 4 月 6 日 北京科技大學(xué)遠程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書遠程與成人教育學(xué)院（ty）學(xué)習(xí)中心 通信工程專業(yè) 2008年級 李維鑫 同學(xué)（學(xué)號 2083871208 ）： 經(jīng)研究決定，你的畢業(yè)設(shè)計（論文）題目為： 基于dsp的fir數(shù)字濾波器的設(shè)計與分析 指導(dǎo)教師為： 王春明 請你于2011年11月1日- 2012年4月6日期間完成。指導(dǎo)教師：（簽字） 年 月 日學(xué) 生：（簽字） 年 月 日北京科技大學(xué)遠程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評分學(xué)習(xí)中心 遠程與成人教育學(xué)院（ty）專業(yè) 通信工程 年級2008 學(xué)號 20838712087 學(xué)生 李維鑫 ：畢業(yè)設(shè)計(論文)題目 基于dsp的fir數(shù)字濾波器的設(shè)計與分析 指導(dǎo)教師評分參考標準序號項 目滿分1文獻檢索、調(diào)研、開題報告102基本理論的掌握及外語、計算機應(yīng)用153數(shù)據(jù)（事實）真實可靠，綜合分析、解決問題能力304設(shè)計（論文）水平、創(chuàng)新意識155完成的工作量和工作態(tài)度156全文規(guī)范、圖紙、圖表、文字表達能力及書寫質(zhì)量15合 計100評分：評語（特別點評或結(jié)論，同時請說明是否同意該學(xué)生參加答辯）： 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日北京科技大學(xué)遠程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評分和綜合成績學(xué)習(xí)中心 遠程與成人教育學(xué)院（ty）專業(yè) 通信工程 年級2008 學(xué)號 20838712087 學(xué)生 李維鑫 ：畢業(yè)設(shè)計(論文)題目 基于dsp的fir數(shù)字濾波器的設(shè)計與分析 答辯評分參考標準序號項 目滿分1論述的條理性、邏輯性252回答問題的正確性303設(shè)計（論文）內(nèi)容的正確性204設(shè)計（論文）水平及創(chuàng)新意識25合 計100評分： 評語： 答辯小組組長（簽字）： 年 月 日綜合成績項目評分權(quán)重加權(quán)分指導(dǎo)教師評分0.5答辯評分0.5綜合成績-指導(dǎo)教師（簽字）： 答辯委員會主任（簽字）： 北京科技大學(xué)遠程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要數(shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號處理的核心技術(shù)，而fir數(shù)字濾波器因其具有嚴格的線性相位、總是穩(wěn)定等特點而廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理的各個領(lǐng)域，是一個重要的研究課題。dsp芯片是一種特別適合數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要用來實時、快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。用dsp芯片實現(xiàn)fir數(shù)字濾波器，不僅具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點，而且因dsp芯片的可編程性，可方便地修改濾波器參數(shù)，從而改變?yōu)V波器的特性，設(shè)計十分靈活。本文主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論，并對有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器fir的設(shè)計和實現(xiàn)進行了分析和研究，尤其是在matlab環(huán)境下fir數(shù)字濾波器的設(shè)計，主要是窗函數(shù)法及利用matlab的濾波器設(shè)計工具的設(shè)計方法，并用matlab語言編寫了可以選擇濾波器四種類型及七種窗函數(shù)的仿真程序，進行了具體的仿真分析。研究了ti公司的16位定點dsp芯片tms320c55x的硬件和軟件結(jié)構(gòu)特性，編寫了dsp的fir濾波算法，在實驗箱上進行了調(diào)試仿真;探討了利用dsp快速設(shè)計fir數(shù)字濾波器的方法，主要是在matlab中調(diào)試仿真dsp程序來尋找系數(shù)的快速傳遞法。最后，以tms320c55x為主芯片設(shè)計了一個高性能的fir數(shù)字濾波器系統(tǒng)，主要是時鐘信號產(chǎn)生電路、芯片電源供電電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與c55x連接電路、外掛程序存貯器flash電路、擴展ram存貯器等基本外圍電路的設(shè)計。關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理器;數(shù)字濾波器;fir; matlab; tms320c55xthe design and analysis of fir digital filter based on dspabstractdigital filter algorithm is one of the core techniques in signal processing. the fir digital filter has been widely used in signal processing field because of its strict linear phase and stability, now, it becomes a very significant research task. dsp chip is a sort of microprocessor which is especially suitable for digital signal processing, it is mostly used to realized different digital signal arithmetic real-time and fleetly. the realization of the fir digital filter which is based on dsp chip，not only have the merit of good stability, high precision, and have no effect of environmental., but also, by change the parameter of the filter to change the characteristic of the filter; because of the programmability of the dsp chip. its design is very flexible.in this paper, the mainly task is researching the basic theories of the digital filter, and analyzing the designing and realization of the finite impulse response digital filter (fir), especially the method which realized under matlab environment, the window functions is primarily introduced, the method of using the digital filter design tools in matlab is also applied. it also compiles a procedure with matlab language which can select four sorts of digital filter and seven kinds of window functions. then, this paper researches the structure and property of the 16 bit fixed-point dsp chip tms320c55x, and writes the fir filter program which is debugged and simulated by experiments. the design of the fir filter using dsp is discussed, which focus on the method of coefficient transmission over passing debugging the dsp program in matlab. finally, a digital filter system with preferable capability is designed based on the c55x, its consists of the design of hardware interface, which including the clock-generating circuit, the chip power supply circuit, the a/d and d/a chip connecting interface, the flash chip connecting interface, extended ram connecting interface and so on.keywords: dsp; digital signal filter; fir; matlab3目錄摘要1abstract2目錄1引 言11 緒論21.1 課題研究的背景21.2 國內(nèi)外研究進展21.3 研究內(nèi)容32 dsp技術(shù)42.1 dsp芯片發(fā)展42.2 dsp芯片基本結(jié)構(gòu)42.3 dsp系統(tǒng)構(gòu)成52.4 dsp系統(tǒng)設(shè)計過程52.5 tms320c55x概述62.6 cpu結(jié)構(gòu)62.7總線結(jié)構(gòu)63 fir數(shù)字濾波器理論及基于matlab的設(shè)計仿真73.1數(shù)字濾波器分類73.2 fir數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)73.3 fir數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計方法83.4傅氏級數(shù)設(shè)計fir濾波器的基本理論83.5基于matlab的fir濾波器設(shè)計94 fir數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計144.1硬件系統(tǒng)設(shè)計144.2時鐘電路設(shè)計144.3電源電路設(shè)計154.4模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計154.5 flash接口設(shè)計164.6外部存貯器接口設(shè)計175 fir濾波器的dsp程序?qū)崿F(xiàn)185.1傅氏級數(shù)法的dsp程序?qū)崿F(xiàn)185.2利用匯編程序?qū)崿F(xiàn)fir濾波器185.3小結(jié)21結(jié) 論23參 考 文 獻24附錄a 外文文獻25附錄b 外文翻譯28附錄c 源代碼29結(jié) 束 語39 2 引 言 21世紀是數(shù)字化的時代，隨著越來越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號處理(psp)作為技術(shù)核心，dsp已經(jīng)成為推動數(shù)字化進程的動力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一，dsp無論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以汀所未有的速度向前發(fā)展。 數(shù)字信號處理器，也稱dsp芯片，是針對數(shù)字信號處理需要而設(shè)計的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、相結(jié)合的產(chǎn)物。一門主流技術(shù)，隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)數(shù)字信號處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為它在電子信息、通信、軟件無線電、自動控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字信號處理由于運算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用dsp芯片來實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)是當前發(fā)展的趨勢。 近年來，dsp技術(shù)在我國也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開發(fā)等方面， 在數(shù)字信號處理中，其應(yīng)用越來越廣泛，并取得了豐碩的成果。數(shù)字濾波占有極其重要的地位。象處理、模式識別、譜分析等應(yīng)用中的一個基本處理算法。數(shù)字濾波是語音和圖在許多信號處理應(yīng)用中用數(shù)字濾波器替代模擬濾波器具有許多優(yōu)勢。數(shù)字濾波器容易實現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標，克服了與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問題。用dsp芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點。用可編程dsp芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、通信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達等都涉及信號。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標把一個信號的頻譜加以修改、整形或運算。這些過程都可能包含衰減一個頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分，用數(shù)字濾波器來實現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的。數(shù)字濾波器又分為無限沖激響應(yīng)濾波器(iir)和有限沖激響應(yīng)濾波器(fir)。fir濾波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡單以及可以實現(xiàn)的嚴格線性相位等優(yōu)點，因而在對相位要求比較嚴格的條件下，采用f1r數(shù)字濾波器。同時，由于在許多場合下，需要對信號進行實時處理，因而對于單片機的性能要求也越來越高。由于dsp控制器具有許多獨特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)并行處理，獨立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 dsp控制器就可以提高數(shù)字信號處理運算的能力，可以對數(shù)字信號做到實時處理。而普通的單片機例如mcs-51難以滿足這一要求。用可編程dsp芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢是:通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。有限長單位沖激響應(yīng)(fir)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過硬件電路實現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點: (1)簡化了硬件電路的設(shè)計，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 (2)對干擾信號的抑制能力有了明顯提高，這對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了促進作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來更加方便、靈活。 (4)數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運行速度。1 緒論1.1 課題研究的背景20世紀60年代起，由于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器的發(fā)展上了一個新臺階，朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉等方向努力，其中高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致數(shù)字濾波器、rc有源濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展。到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成己被研制出來并得到應(yīng)用，90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。數(shù)字濾波，是數(shù)字信號處理的基本核心內(nèi)容之一，占有極重要的地位。它是語音、圖像處理、軟件無線電、通信、模式識別、譜分析等應(yīng)用中的一個基本處理算法。數(shù)字濾波器是一個具有按預(yù)定的算法，將輸入離散時間信號轉(zhuǎn)換為所要求輸出的離散時間信號的特定功能裝置，是一個離散時間系統(tǒng)。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器不用考慮器件的噪聲、電壓漂移、溫度漂移等問題，可以容易地實現(xiàn)不同幅度和相位頻率等特性指標。幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域如聲學(xué)、物理學(xué)、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達等都涉及到信號，在應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標把一個信號的頻譜加以修改、整形或運算，這些過程都可能包含衰減一個頻率范圍阻止或隔離一些頻率成分。數(shù)字濾波作為數(shù)字信號處理的重要組成部分有著十分廣泛的應(yīng)用前景。從形式上看，數(shù)字濾波有線性濾波和非線性濾波。線性濾波是指卷積濾波，又分為頻域濾波和時域濾波，在實域中根據(jù)濾波方式又分為遞歸濾波和非遞歸濾波。非線性濾波主要是指同態(tài)濾波，它是用取對數(shù)的方法將非線性問題線性化。由于電子計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器可用計算機軟件實現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實時實現(xiàn)。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時，首先須對輸入模擬信號進行限帶、抽樣和模/數(shù)轉(zhuǎn)換。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的通過硬件電路實現(xiàn)的模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器有幾大優(yōu)點。 (1)簡化了硬件電路的設(shè)計，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 (2)對干擾信號的抑制能力有明顯提高，這對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了促進作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比模擬濾波器更方便、靈活。1.2 國內(nèi)外研究進展自20世紀70年代末80年代初dsp芯片誕生以來dsp芯片得到了飛速的發(fā)展。在20多年時間里dsp芯片已經(jīng)在信號處理、通信、自動控制、儀表技術(shù)、信息家電等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1978年ami公司生產(chǎn)出世界上第一片dsp芯片s2811。 1979年美國intel公司發(fā)布的商用可編程器2920是dsp芯片的一個重要里程碑。1980年日本nec公司推出的pd7720是第一個具有乘法器的商用dsp芯片。在這之后，最成功的dsp芯片當數(shù)美國德州儀器公司（texas instruments，簡稱ti)的一系列產(chǎn)品，其dsp市場份額占全世界份額近的50%。目前dsp芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過20年的發(fā)展，dsp器件在高速度，可編程，小型化，低功耗等方面都有了長足的發(fā)展，單片dsp芯片最快每秒可完成16億次(1600mips)的運算，生產(chǎn)dsp器件的公司也不斷壯大。在國內(nèi)外的研究中，設(shè)計fir濾波器所涉及的乘法運算方式有:并行乘法、位串行乘法和采用分布式算法的乘法。并行乘法運行速度快，但占用的硬件資源極大。如果濾波器的階數(shù)增加，乘法器位數(shù)也將變大，硬件規(guī)模將變得十分龐大。位串行乘法器的實現(xiàn)方法主要是通過對乘法運算進行分解，用加法器來完成乘法的功能，也即無乘法操作的乘法器。位串行乘法器使得乘法器的硬件.觀模達到了最省，但是由于是串行運算，使得它的運算周期過長，運算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時不是最優(yōu)的。分布式算法(distributed arithmetic, da)的主要特點是巧妙的利用rom查找表將固定系數(shù)的乘累加(multiply-accumulator, mac)運算轉(zhuǎn)化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法實現(xiàn)乘累加運算的不同在于執(zhí)行部分積運算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累加功能時是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先進行相加形成相應(yīng)的部分積，然后再對各個部分積累加形成最終結(jié)果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產(chǎn)生之后再來相加來完成乘累加運算的。da算法設(shè)計的fir濾波器的速度可以顯著的超過基于mac的設(shè)計。相對于前兩種方法，da算法既可以全并行實現(xiàn)，又可以全串行實現(xiàn)，還可以串并行結(jié)合實現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當?shù)恼壑?，是?shù)字濾波器的主要研究課題。1.3 研究內(nèi)容數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法一般有幾種:(1)在通用計算機上軟件編程實現(xiàn)。(2)用加法器、乘法器、延時器設(shè)計實現(xiàn)專用的濾波電路。(3)用單片機實現(xiàn)。(4)用通用的可編程dsp芯片實現(xiàn)。(5)用專用的dsp芯片實現(xiàn)。(6)用fpga/cpld等可編程器件來設(shè)計實現(xiàn)，開發(fā)數(shù)字濾波算法。在這幾種方法中，第一種方法的速度比較慢，主要用來進行算法的模擬仿真，只能用于非實時系統(tǒng);第二種和第五種方法是專用的，應(yīng)用范圍不廣;第三種方法比較容易實現(xiàn)人機接口，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，對乘法運算的速度很慢;第四種方法因dsp芯片的哈佛結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)特點，使得數(shù)字濾波器比較好的容易實現(xiàn);第六種方法是通過軟件編程用硬件實現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法，具有通用性，可以實現(xiàn)算法的并行運算，在當今研究的也比較多。 2 dsp技術(shù)2.1 dsp芯片發(fā)展 數(shù)字信號處理(digital signal processing)是利用專用處理器或計算機，以數(shù)字的形式對信號進行采樣、變換、濾波、增強、壓縮、識別、分析、合成、變換處理，提取有用的信息，得到符合人們要求的信號形式，進行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號處理器(digital signal processor，簡稱dsp)是一種處理數(shù)字信號的專用微處理器，主要應(yīng)用于實時快速地實現(xiàn)各種信號的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對數(shù)字信號處理的特點進行了改進和優(yōu)化，并增加了特殊指令專門用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效率更高。 自20世紀70年代末80年代初dsp芯片誕生以來，dsp芯片得到飛速發(fā)展。最初僅在信號處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，同時將實時處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。目前dsp芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，dsp器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面都有了長足的發(fā)展，單片dsp芯片最快每秒可完成16億次(1600mips，每秒1600兆次指令)的運算，目前，市場占有率最大的是ti公司的tms320系列dsp芯片。2.2 dsp芯片基本結(jié)構(gòu)tms320系列dsp芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括:哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的dsp指令、快速的指令周期。（1）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器相互獨立，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，取指令和取操作數(shù)可同時進行，程序空間和數(shù)據(jù)空間之間可相互傳送數(shù)據(jù);系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍。由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在分開的兩個空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運行，提高了指令執(zhí)行速度。（2）多總線結(jié)構(gòu)dsp芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時進行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進行尋址，使cpu在一個機器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進行訪問，大大提高了dsp運行速度。tms320c55x系列內(nèi)部有p, c, d, e等4組總線，每組總線中有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣在一個機器周期內(nèi)可以完成如下操作:1)從程序存儲器中取一條指令2)從數(shù)據(jù)存儲器讀兩個操作數(shù)3)向數(shù)據(jù)存儲器寫一個操作數(shù)（3）流水線操作(pipeline)流水線操作原理:將指令分成幾個子操作，每個子操作由不同的操作階段完成。tms320系列流水線深度從2到6級不等，tms320c5510有6級的流水線，tms320c6000系列有8級流水線。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個操作可以獨立進行，不同指令的不同階段在時間上的執(zhí)行能完全重疊。（4）專用的硬件乘法器dsp芯片都配有專用的硬件乘法一累加器，即用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來處理多個乘積的累加，可在一個周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如矩陣運算、fir和iir濾波、fft變換等專用信號處理。（5）特殊的dsp指令為滿足數(shù)字信號處理的需要，在dsp的指令系統(tǒng)中，設(shè)計了一些完成特殊功能的指令用來完成專門的數(shù)字信號處理操作。如tms320c55x中的firs和 lms指令，專門用于系數(shù)對稱的fir濾波器和lms算法。為實現(xiàn)fft、卷積等運算，當前的dsp大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址(circular addressing)、位碼倒置(bit-reversed)指令和其他特殊指令，使得在進行這些運算時，尋址、排序及計算速度有了很大的提高。（6）快速的指令周期采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊指令及集成電路優(yōu)化設(shè)計，使指令周期可在20ns以下。 tms320c55x的運算速度可達1oomips，即100百萬條/秒。2.3 dsp系統(tǒng)構(gòu)成下圖所示即是一個典型的dsp系統(tǒng)。圖中輸入信號可以是各種形式，如麥克風輸出的語音信號或電話線出來的己調(diào)數(shù)據(jù)信號或數(shù)碼相機拍攝的圖像信號等。抗混疊濾波器a/d轉(zhuǎn)換dsp芯片d/a轉(zhuǎn)換低通濾波器輸入輸出圖2.1典型的dsp系統(tǒng)框圖其中，輸入信號應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進行a/d變換，將輸入信號變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息的不丟失，抽樣頻率應(yīng)該不小于輸入信號最高頻率的2倍，一般取4到6倍。在本設(shè)計中，所使用的抽樣頻率為5倍的截止頻率。dsp芯片的輸入是經(jīng)a/d變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，dsp芯片對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理，如進行一系列的乘法累加操作(mac)等。數(shù)字處理是該dsp系統(tǒng)的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)d/a變換轉(zhuǎn)換為模擬信號樣值，之后再進行內(nèi)插和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模擬信號。上面給出的dsp系統(tǒng)只是一個典型模型，并不是所有的dsp系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件，應(yīng)根據(jù)具體要求來變化。本設(shè)計中用到的北京精儀達盛有限公司的dsp實驗箱的實驗板上有a/d , d/a轉(zhuǎn)換芯片，相當于模型系統(tǒng)中的中間三個部件。在不是自行設(shè)計dsp系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計。另外，有些輸入信號本身就是數(shù)字信號，如cd(compact disk)，就可以沒有模數(shù)變換這個過程。2.4 dsp系統(tǒng)設(shè)計過程 在設(shè)計dsp系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求確定系統(tǒng)的性能指標、信號處理的要求，對系統(tǒng)進行任務(wù)劃分;然后用c等高級語言或者matlab ,systemview等開發(fā)工具模擬所選定的對數(shù)字信號進行處理的算法，此處的輸入數(shù)據(jù)是實際信號經(jīng)采集而獲得的，常以計算機文件的形式存儲為數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為實際采集的信號數(shù)據(jù)，只要能夠驗證算法的可行性，輸入模擬假設(shè)的數(shù)據(jù)也可以。 然后根據(jù)系統(tǒng)運算量大小、對精度要求、系統(tǒng)成本及體積、功耗等要求選擇合適的dsp芯片及其他組件;再接著進行硬件設(shè)計和調(diào)試，即根據(jù)選定的原件建立原理圖、制作pcb板、器件安裝及加電調(diào)試;同時，用dsp匯編語言或者高級c語言或二者相嵌套法生成可執(zhí)行程序，用dsp仿真器或者軟件模擬器調(diào)試程序。 最后，將軟件加載到硬件系統(tǒng)中運行，用dsp仿真器等來測試檢查所開發(fā)系統(tǒng)的運行能否符合實時要求，或?qū)④浖撾x開發(fā)系統(tǒng)直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運行。2.5 tms320c55x概述tms320c55x是ti公司在tms320vc54x的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的并能與tms320vc54x兼容的一個系列。tms320cssx通過增加功能單元，增強了dsp的運算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前tms320家族中最省電的芯片。這些特性使其更適合在數(shù)據(jù)速率高，運算量大又要求低功耗的3g無線通信中應(yīng)用。2.6 cpu結(jié)構(gòu) c55x的cpu是并行結(jié)構(gòu)，具有強大的運算功能，可在一個指令周期中高速完成多項算術(shù)運算。主要由以下幾部分構(gòu)成: (1) 40bit算術(shù)邏輯運算單元alu:它是c55x的大腦，對各種數(shù)據(jù)進行運算，實現(xiàn)各種功能。還有處理溢出的功能，也可以進行布爾運算或者把這個40位的alu看作為兩個16位的alu，同時執(zhí)行兩個16位的操作。 (2) 2個40bit累加器a, b:累加器a和b存儲來自alu或乘法器/加法器單元的輸出數(shù)據(jù)，也能輸出到alu或者乘法器/累加器中。每個累加器可以分為低字位(bit 1 s-bit0)、高位字(bit31-bit 16)和保護位(bit39-bit32)。 (3)桶形移位寄存器:它在alu運算以前，對來自數(shù)據(jù)存貯器的操作數(shù)或者累加器進行定標，或?qū)奂悠鞯闹颠M行算術(shù)邏輯移位和歸一化處理，或?qū)υ诶奂悠鞯闹祵⒁尜A到存貯器之前進行定標?？蓪斎霐?shù)據(jù)進行obit-31 bit的左移和obit-16bit的右移。 (4)乘法器/加法器單元:由17bitx 17bit的乘法器、40bit的加法器、帶符號/無符號輸入控制、小數(shù)控制、零檢測器、舍入器(二進制補碼)、溢出/飽和邏輯和16bit的暫存器組成。 (5)比較、選擇和存貯單元cssu:完成累加器的高位字和低位字間的最大值比較，并存貯在數(shù)據(jù)存貯器中，不改變狀態(tài)寄存器sto中的測試/控制位和傳送寄存器trn的值。還可利用優(yōu)化的片內(nèi)硬件促進viterbi型蝶形運算。 (6)指數(shù)編碼器:為支持單周期指數(shù)運算指令(exp)的專用硬件，累加器中的值以二進制補碼形式在t寄存器中存貯，范圍為-8bit-31bit。(7) cpu狀態(tài)和控制寄存器:c55x有三個，狀態(tài)寄存器sto、狀態(tài)寄存器st1和處理器工作方式狀態(tài)寄存器pmst，都是存貯器映像寄存器。sto反映了尋址要求和計算中間運行狀態(tài)，stl反映了尋址要求、計算的初始設(shè)置、i/o及中斷控制，pmst反映了處理器工作狀態(tài)。2.7總線結(jié)構(gòu) c55x有8條16bit的總線，即: 4條地址總線(pab , cab , dab , eab):傳送執(zhí)行指令所需地址。 3條數(shù)據(jù)總線(cb, db, eb):連接內(nèi)部各單元，即連接cpu、程序地址產(chǎn)生邏輯、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生邏輯、片內(nèi)外設(shè)和數(shù)據(jù)存儲器。其中cb, db傳送讀自數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)，eb傳送寫到存貯器的數(shù)。 1條程序總線(pb):從程序存儲器裝載指令碼和立即數(shù)。內(nèi)部存貯器 c55x共有192k字的尋址空間，分為大小都是64k字3個獨立的可選擇空間:程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間和vo空間，分別用來存放要執(zhí)行的指令和系數(shù)表、指令所用數(shù)據(jù)、連接存貯器映像外圍設(shè)備。在任一個存貯空間中，ram, rom, eprom, eeprom或存貯器映像外圍設(shè)備，都可駐留在片內(nèi)或片外。 c55x片內(nèi)存貯器為隨機存儲器(ram)和只讀存儲器(rom), ram一般映射到數(shù)據(jù)空間，但也可組成程序空間;rom一般構(gòu)成程序空間，也可部分安排到數(shù)據(jù)空間。ram又分為單尋址ram(saram)和雙尋址ram(daram)，在同一個周期內(nèi)，cpu可以對daram進行讀和寫操作，但對saram只能進行一次讀或?qū)懖僮?。c55x并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部ram的雙尋址能力，使cpu在任一給定的機器周期內(nèi)同時進行包括1次取指、2次操作數(shù)和1次寫操作數(shù)的4次存儲器操作。3 fir數(shù)字濾波器理論及基于matlab的設(shè)計仿真3.1數(shù)字濾波器分類數(shù)字濾波器總的說可以分為兩大類，一類為經(jīng)典濾波器，一類為現(xiàn)代濾波器。經(jīng)典濾波器，即輸入信號中有效的信號和干擾信號成分各自占有不同的頻帶，通過一個合適的選頻濾波器達到把干擾信號有效濾除的目的。但如果有效信號和干擾信號頻帶相互重疊，則經(jīng)典濾波器將無效?，F(xiàn)代濾波器，主要是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄(又稱為時間序列)中估計出信號的某些特征或信號本身。現(xiàn)代濾波器把信號和噪聲都視為隨機信號，利用它們的統(tǒng)計特征(如自相關(guān)函數(shù)、功率譜等)推導(dǎo)出一套最佳的估值算法，然后用硬件或軟件予以實現(xiàn)。主要有維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器、線性預(yù)測濾波器等最佳濾波器。數(shù)字濾波器還可從頻率響應(yīng)特性(濾波功能)、結(jié)構(gòu)形式、實現(xiàn)方法等來分類。根頻率響應(yīng)特性，可分為低通、高通、帶通、帶阻四種類型;根據(jù)構(gòu)成方式和實現(xiàn)方法，可分為遞歸式和非遞歸式;根據(jù)單位沖激響應(yīng)h(n)的長度可分為有限沖激響應(yīng)濾波器fir和無限沖激響應(yīng)濾波器iir。而fir濾波器它具有總是穩(wěn)定、有嚴格精確的線性相位、可以設(shè)計任意幅度頻率特性或多通帶(多阻帶)濾波器、硬件比較容易實現(xiàn)且方法靈活等優(yōu)點，是iir濾波器無法比擬的。因此，它在高保真的信號處理，如數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3.2 fir數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)fir濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個有限長序列，其傳遞函數(shù)h(z)一般為: 式（3-1）對應(yīng)的差分方程為 n0 式（3-2）濾波器輸出為: 式(3-3)可以看出，系統(tǒng)的輸出只是輸入的函數(shù)，與過去的輸出沒有直接關(guān)系，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不含反饋支路。3.3 fir數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計方法 fir濾波器的軟件設(shè)計方法有很多種。通過查閱資料，總結(jié)出主要有三大方面:（1）基于傅氏級數(shù)的fir數(shù)字濾波器設(shè)計法（2）基于matlab的fir數(shù)字濾波器設(shè)計法1)基于窗函數(shù)加權(quán)的fir濾波器的設(shè)計2)基于頻率抽樣法的fir濾波器的設(shè)計 3)基于切比雪夫逼近法的fir濾波器的設(shè)計 4)基于matlab函數(shù)直接設(shè)計fir濾波器的設(shè)計 5)基于fdatooi和sptooi工具軟件fir濾波器的設(shè)計（3）基于數(shù)字濾波器專用設(shè)計軟件的fir濾波器的設(shè)計 1)美國momentum公司的數(shù)字濾波器專用設(shè)計軟件-qedesign-2000 2) labview開發(fā)系統(tǒng)說明:1.傅氏級數(shù)法本質(zhì)也是窗函數(shù)法，通過對具有無限長的理想濾波器的傳遞函數(shù)進行截取，得到近似的有限長傳遞函數(shù)，然后再經(jīng)延時q個采樣周期而得到濾波器的系數(shù)表達式。因此傅氏級數(shù)法就是采樣矩形窗來實現(xiàn)濾波。2.用matlab函數(shù)或者工具軟件直接設(shè)計fir濾波器，其實也是基于窗函數(shù)。在實際的工程應(yīng)用中，采用窗函數(shù)法來設(shè)計濾波器是最快最有效的方法，因此本設(shè)計也是基于窗函數(shù)法。3.4傅氏級數(shù)設(shè)計fir濾波器的基本理論即用有限項傅氏級數(shù)來逼近所希望的濾波器響應(yīng)。將濾波器所希望的響應(yīng)展開的傅氏級數(shù)為: , 0i2q 式(3-4)令，n-1=2q，則h（z）的表達式變?yōu)椋?in-1 式(3-5)有, ,. 可以看出，共有n=2q+1個沖擊響應(yīng)系數(shù)當q=s時，濾波器11個系數(shù)為:且系數(shù)關(guān)于b0對稱。由卷積公式即可得n個系數(shù)來實現(xiàn)fir濾波器。 濾波器系數(shù)可通過計算式(3.5)來得到。推出四種濾波器系數(shù)如下，設(shè)關(guān)為截止頻率(fc1，和fc2為帶通、帶阻的兩個截止頻率)，fs為采樣頻率，b(n)為頻響為常數(shù)的單位沖擊響應(yīng)。對于低通濾波器有： 式(3-6)對于高通濾波器有： 式(3-7)對于帶通濾波器有： 式(3-8)對于帶阻濾波器有： 式(3-9)3.5基于matlab的fir濾波器設(shè)計（1）窗函數(shù)法設(shè)計fir數(shù)字濾波器窗函數(shù)設(shè)計，即用一個因果、有限時寬的h(n)去逼近理想的hd(n)，從而使所設(shè)計的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)h(e)去逼近所要求的理想濾波器的響應(yīng)hd（e)。核心是通過給給定的頻率特性加窗來得到有限長單位沖激響應(yīng)序列。一般是根據(jù)給定的技術(shù)指標，選擇濾波器長度和窗函數(shù)，使其具有最窄的主瓣和最小的旁瓣。該方法是fir濾波器設(shè)計的主要方法之一，己成為工程實踐中應(yīng)用最廣泛的方法。工程中常用的窗函數(shù)有:矩形窗、三角窗、布萊克曼窗(blackma)、漢寧窗(harming)、海明窗(hamming)、凱塞窗(kaiser)及切比雪夫窗等。各種窗函數(shù)性能如表3.1表3.1窗函數(shù)基本參數(shù)窗函數(shù)旁瓣峰值幅度/db主瓣寬阻帶最小衰減/db矩形窗-134/n21三角窗-258/n25漢寧窗-318/n44海明窗-418/n53布萊克曼窗-5712/n74凱塞窗可調(diào)可調(diào)可調(diào)切比學(xué)夫窗可調(diào)可調(diào)可調(diào)從上表可看出，矩形窗的主瓣寬度最小，布萊克曼窗的旁瓣峰值衰減很大，且旁瓣衰減速度也很快，但主瓣寬度最小。故實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)濾波器通帶和阻帶衰減、過渡帶寬度等指標來選擇合適的窗函數(shù)。選擇窗函數(shù)時，一般要求:具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度;旁瓣幅度下降速度要快;主瓣寬度要窄。但通常這幾點不能同時滿足。選用較窄主瓣寬度時，過渡帶較陡，但會使通帶和阻帶的波動明顯增加;選用最小旁瓣幅度時，幅度響應(yīng)比較勻滑、阻帶波動較小，但會使過渡帶加寬。因此一般使主瓣寬度達到一定要求，而又適當犧牲主瓣寬度來減少旁瓣波動。（2）基于交互式工具fdatooi和sptooi的濾波器設(shè)計matlab提供了功能齊全的濾波器設(shè)計，與信號處理交互式圖形用戶界面(interactive graphical user interface)，主要包括fdatooi和sptooi兩種交互式工具。其中fdatooi主要用于數(shù)字濾波器的設(shè)計與分析，而sptooi不僅可以設(shè)計、分析數(shù)字濾波器，還可對信號進行時域與頻域的分析。1）濾波器設(shè)計與分析工具fdatooi在matlab命令窗口，輸入“fdatool”命令，就啟動fdatooi濾波器設(shè)計工具，其界面如圖3.4所示。我們可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計需要的fir或者iir濾波器。其中設(shè)計fir濾波器時，類型有:低通、高通、帶通、帶阻、微分器、hilbert變換器、多帶濾波器、任意幅度、升余弦、任意群延遲、半帶高通、半帶低通、奈奎斯特、逆sinc低通或逆sinc高通濾波器。設(shè)計方法有:等紋波、最小均方、窗函數(shù)、最大扁平、最小p階范數(shù)或約束等。圖3.4 fatooi濾波器設(shè)計界面如設(shè)計一個基于布萊克曼窗的fs = 48000， fc =10800的最小階數(shù)的fir低通濾波器，在上述界面輸入?yún)?shù)后，點擊按鈕design filter，則出現(xiàn)所設(shè)計的濾波器幅度響應(yīng)，如下圖所示:圖3.5幅度響應(yīng)相應(yīng)也可以觀察濾波器的脈沖響應(yīng)，如圖3.6所示。另外還可以進行相位延時、群延時、零極點、相位響應(yīng)等分析。圖3.6脈沖響應(yīng)另外fdatool工具還可以把導(dǎo)入工作空間中的濾波器，或者把設(shè)計好的濾波器導(dǎo)出到工作空間中。它可以實現(xiàn)濾波器建模、量化、類型或結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、分析、生成matlab腳本文件等功能。2）濾波器設(shè)計與信號分析工具sptooisptooi可以完成信號的導(dǎo)入、觀察與測量;濾波器的設(shè)計、分析與觀察;頻譜的分析與觀察。主要包括四個交互式信號處理模塊:信號觀察器、濾波器設(shè)計、濾波器分析、頻譜分析。在命令窗輸入命令sptool，啟動sptooi工具如下圖。在其中可選擇fir濾波器類型:低通、高通、帶通、帶阻;設(shè)計方法:equirpple(等波紋法)、least square(最小二乘擬合方注、kaiser window(凱塞窗古注)等幾種。圖3.7 sptooi設(shè)計界面如要求設(shè)計一個fp = 400hz， rp=0.12db，fs = 350hz，rs = 60db，采樣頻率為1000的等波紋算法的高通fir濾波器。在filters一欄點擊new按鈕，進入設(shè)計界面，輸入相應(yīng)參數(shù)，采用自動設(shè)計，可得設(shè)計好的濾波器。如下圖。圖3.8 fir濾波器幅度響應(yīng)與fdatool同，sptooi可以對設(shè)計好的濾波器進行相位響應(yīng)、群延時、相延遲等分析。另外它還可以畫出信號時域波形及頻譜圖。（3）濾波器設(shè)計與仿真過程第一步，在fdatool中，根據(jù)要求設(shè)計相應(yīng)的fir濾波器，并把設(shè)計好的濾波器導(dǎo)出到sptooi工具中。如設(shè)計一個基于哈明窗的采樣頻率關(guān)= 5000，截止頻率關(guān)=100的fir低通濾波器。圖3-9為該濾波器的幅度響應(yīng)濾波器階數(shù)10，采用直接型結(jié)構(gòu)。第二步，在sptooi中，導(dǎo)入模擬輸入信號x1，x1為頻率100和1ooohz的正弦波的混疊信號。并通過所設(shè)計的低通濾波器進行濾波后，得到濾波后的信號y1?？梢酝ㄟ^比較濾濾前與濾波后的信號，來得知濾波器的濾波效果。第三步:通過fdatool把所設(shè)計好的濾波器系數(shù)以頭文件的形式，傳給ccs集成開發(fā)環(huán)境。圖3.9 濾波器的幅度相應(yīng)4 fir數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1硬件系統(tǒng)設(shè)計fir數(shù)字濾波器系統(tǒng)功能電路圖如下。串口電源a/dd/adsp（c55x）時序控制cpldramflashjtag圖4.1濾波器系統(tǒng)功能框圖其中，dsp芯片c55x主要負責數(shù)據(jù)處理(濾波算法):a/d , d/a轉(zhuǎn)換任務(wù)由芯片tlc320ad50c來完成，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由dsp芯片進行算法處理，然后再經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換輸出;ram芯片is61lv6416用來擴展存儲區(qū)(數(shù)據(jù)或程序);flash芯片sst39vf040用來固化dsp程序及上電自舉(采用8bit并行模式);cpld用于時序控制;電源芯片tps73hd318提供給c55x所需的1.8v和3.3v電壓，并用引腳reset2對c55x進行復(fù)位;串口通信功能由tlc16550c與