利用DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)

1、題目：利用DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì) 數(shù)字處理器（DSP）有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，它在高速數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域有廣泛的使用，例如數(shù)字濾波、音頻處理、圖像處理等。相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒有漂移，能夠處理低頻信號(hào)，頻率響應(yīng)特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達(dá)到很高，容易集成等。使用可編程的DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可以通過修改濾波器的參數(shù)十分方便地改變?yōu)V波器的特性，下面主要說明利用TMS320VC54x DSP芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器。 設(shè)計(jì)目的意義 一個(gè)實(shí)際的使用系統(tǒng)中,總存在各種干擾，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,濾波器的好壞將直接影響系統(tǒng)的性能。使用DSP進(jìn)行數(shù)字處理，可以對(duì)一個(gè)具有噪聲和信號(hào)的混

2、合信號(hào)源進(jìn)行采樣,再經(jīng)過數(shù)字濾波,濾除噪聲,就可以提取有用信號(hào)了。所以說，數(shù)字濾波器是DSP最基本的使用領(lǐng)域，熟悉基于DSP的數(shù)字濾波器能為DSP使用系統(tǒng)開發(fā)提供良好的基礎(chǔ)。 技術(shù)指標(biāo) 1、數(shù)字濾波器的頻率參數(shù)主要有：通帶截頻：為通帶和過渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到規(guī)定的下限。阻帶截頻：為阻帶和過渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗下降到規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率：為信號(hào)功率衰減到1/2(約3dB)時(shí)的頻率，在很多情況下，也常以fc作為通帶或阻帶截頻。當(dāng)電路沒有損耗時(shí)，固有頻率：就是其諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。 2、增益和衰耗 濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對(duì)低通濾波器通帶增益，一般指=0

3、時(shí)的增益；高通指時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。通帶增益變化量指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果通帶增益變化量以dB為單位，則指增益dB值的變化量。 3、阻尼系數(shù)和品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(shù)是表征濾波器對(duì)角頻率為0信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)，它是和傳遞函數(shù)的極點(diǎn)實(shí)部大小相關(guān)的一項(xiàng)系數(shù)。 4、靈敏度 濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。 5、群時(shí)延函數(shù) 在濾波器設(shè)計(jì)中，常用群時(shí)延函數(shù)評(píng)價(jià)信號(hào)經(jīng)濾波后相位失真程度。 以上的幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)是一般濾波器的特性，但在實(shí)際使用中，數(shù)字濾波器通常用來實(shí)現(xiàn)選頻操作

4、，因此在利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中要求的技術(shù)指標(biāo)主要為在頻域中給出的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。如下圖所示 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性曲線 對(duì)于幅頻響應(yīng)，它的含義是信號(hào)通過系統(tǒng)之后的輸出信號(hào)的幅度和它輸入時(shí)的信號(hào)的幅度的比值，一般以分貝值表示。對(duì)于相頻響應(yīng)，含義是信號(hào)通過系統(tǒng)之后的輸出信號(hào)的相位和它輸入時(shí)的信號(hào)的相位之差，在運(yùn)用線性相頻響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：只包含實(shí)數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算；不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲；可以采用FFT算法，從而提高運(yùn)行效率；由于FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長序列，故FIR濾波器沒有不穩(wěn)定的問題,且誤差較小。 基本原理 利用DSP實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的

5、設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法和頻率抽樣法，其中窗函數(shù)法是基本的設(shè)計(jì)方法，這里采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器。設(shè)希望得到的濾波器理想響應(yīng)為,那么FIR濾波器的設(shè)計(jì)就在于尋找一個(gè)傳遞函數(shù) 去逼進(jìn)，設(shè) 這里就是傅立葉級(jí)數(shù)的系數(shù)。在這種逼近中，最直接的一種方法就是從單位脈沖響應(yīng)入手，使逼近理想的單位脈沖響 應(yīng)。由于 是一個(gè)無限長序列，因此，最簡單的方法就是對(duì)做截尾處理，即得到一個(gè)近似的傳遞函數(shù) 上式中，Q就是最終確定FIR濾波器的階數(shù)，Q越大，近似程度就 越高。對(duì) 截尾，實(shí)際上就是對(duì) 乘上一個(gè)矩形窗口,即 令 z=,則 其脈沖響應(yīng)系數(shù)為，。為使具有因果性，延時(shí)Q個(gè)樣值，可得： 令n+Q=k，上式成為 令,N=

6、2Q,得 式中， 是脈沖響應(yīng)系數(shù)，這里 , ,。 一般來說,FIR 數(shù)字濾波器輸出的Z 變換形式 和輸入的Z變換形式之間的關(guān)系如下 : 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示： x(n) h(0) h(1) h(2) h(N-2) Z變換結(jié)構(gòu)圖 從上面的Z變換和結(jié)構(gòu)圖可以很容易得出FIR濾波器的差分方程表示形式，即對(duì)上式進(jìn)行反Z變換得： 上式為FIR數(shù)字濾波器的時(shí)域表示方法,其中x(n)是在時(shí)間n的濾波器的輸入抽樣值，根據(jù)上式即可對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 硬件設(shè)計(jì) 1、DSP芯片 根據(jù)設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)的核心器件采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器芯片TMS320C5402。選擇該芯片主要是因?yàn)樗悄壳白畛Ｓ?/p>

7、的低成本DSP芯片，而且包括以下主要特點(diǎn)： 運(yùn)算速度快，最快可達(dá)532MIPS； 多總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8 條總線（1條程序存儲(chǔ)器總線、3條數(shù)h(N-1) y(n) 據(jù)存儲(chǔ)總線和4條地址總線）； CPU采用馮 諾依曼并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能在一條指令周期內(nèi)，高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算； 片內(nèi)集成了4K16bitROM和16K16bit的雙存取RAM； 豐富的片上外圍電路（通用I/O 引腳，定時(shí)器，時(shí)鐘發(fā)生器， HPI 接口，多通道緩沖串行口McBSP）使其和外部接口方便； 3.3V I/O電壓，1.8V核點(diǎn)壓，工作電流平均值為75mA，其中核45mA，I/O約30mA； 144腳BGA封裝，使體積減少，

8、功耗降低。 2、AD和DA電路 在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了TI公司的TLV1570芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，8通道10位2.7到5.5 V低電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。TLVl570在3V電壓下的采樣頻率為625KSPS，輸入信號(hào)最高頻率不能超過300K。 由于模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇了10位器件，為了簡化程序代碼，減少DSP 的運(yùn)算工作量，在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了TI公司的TLV5608芯片，它是一款8通道10位2.7到5.5V低電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。 3、電源電路 根據(jù)DSP芯片工作的電壓電流需求，及芯片采用雙電源供電對(duì)加電順序的要求，考慮使用TI公司的電源轉(zhuǎn)換芯片TPS73HD318,其輸出電壓為一路3.3V、一路

9、1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA，能滿足本系統(tǒng)的供電需求。而且TPS73xx具有非常低的靜態(tài)電流，能使穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定。 4、時(shí)鐘電路 C54xx系列的時(shí)鐘端子為X1和X2/CLKIN，采用無源晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，由于DSP有一組端子可以用來調(diào)整其工作頻率的高低，故對(duì)晶振頻率大小的選定沒有特別的要求，這里選用10Mhz的晶振。 5、復(fù)位電路 為了克服DSP系統(tǒng)因時(shí)鐘頻率較高導(dǎo)致在運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的干擾和被干擾的現(xiàn)象，最好是使用具有監(jiān)視（Watchdog）功能的自動(dòng)復(fù)位電路,于是采用專門的自動(dòng)復(fù)位芯片MAX706。MAX706的電源為3.1V5.0V,低電平復(fù)位輸出，復(fù)位門限為3.08V。

10、 6、未用端子處理 根據(jù)使用DSP芯片的相關(guān)原則，以及芯片手冊(cè)具體決定未用端子是接上拉電阻還是懸空。 7、基于上述的各部分電路組成，可以得出DSP數(shù)字濾波器的整體硬件電路連線圖，如下所示 程序設(shè)計(jì) 1、設(shè)計(jì)思路 在DSP進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算前首先要進(jìn)行初始化，只有正確設(shè)置了DSP的初始狀態(tài)才能保證芯片能正常運(yùn)行。本系統(tǒng)主要進(jìn)行以下兩方面的初始化： 寄存器初始化：狀態(tài)寄存器ST0、狀態(tài)寄存器ST1、處理器模式控制寄存器PMST、軟件等待狀態(tài)寄存器SWWSR、組交換控制寄存器BSCR和時(shí)鐘模式寄存器等。 中斷矢量表初始化：根據(jù)DSP芯片對(duì)各中斷矢量的設(shè)置位置編寫一個(gè)子程序；設(shè)置PMST控制寄存器；連接

11、時(shí)將矢量表重定位到IPTR指定的地址。 其次就是FIR 數(shù)字濾波的子程序設(shè)計(jì)，主要步驟如下： 查詢SPCR11寄存器的第二位，當(dāng)為1時(shí)說明read ready，將DRR11的值讀入AR3所指向的地址，該值為最新的采樣值。 將最新的采樣值減去200h，然后AR3的值減1。 執(zhí)行MAC指令。 將累加器的值送給變量Y，并將Y加上200h。 查詢SPCR20寄存器的第二位，當(dāng)為1時(shí)說明writeready，將Y值賦給DXR10，該值為濾波器輸出值。 循環(huán)執(zhí)行上面步驟。 2、程序流程圖 依據(jù)上述程序設(shè)計(jì)思路可以得到利用DSP實(shí)現(xiàn)FIR濾波器設(shè)計(jì)的程序流程圖，如下 3、程序代碼 由于初始化程序部分過于龐大

12、繁雜，這里只給出用MAC指令編程實(shí)現(xiàn)FIR低通濾波器的程序片斷： FILT_task1 LD Store_SICX,A STLM A,ar4 STM #1,ar0 ；間址 STM #28,bk LD DEM_Out,A STL A,*ar4+% ；輸入信號(hào):實(shí)部 STM #Coef_Tab1,ar5 ；濾波器實(shí)部系數(shù)地址 LD #0,A STM #27,brc RPTB SICXU-1 MAC *AR4+0%,*AR5+,A SICXU LD A,-16,A ；低通濾波結(jié)果 LD C7FFF,B MIN A NEG B MAX A STL A,DEM_Out LDM AR4,A STL A,Store_SICX RET Coef_Tab1 .word 100 ；h(0) .word 7 ；h(1) ；脈沖響應(yīng)系數(shù) .word -248 .word -71 ；h(N-1) .end 總結(jié) 通過利用DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)，對(duì)DSP芯片的使用，以及利用DSP芯片組成的基本系統(tǒng)的相關(guān)電路有了比較深的認(rèn)識(shí)。熟悉DSP芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用開發(fā)流程，并利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)、詢問同學(xué)等方式查找資料和解決相關(guān)的難題，這是最基礎(chǔ)的工作，也是最關(guān)鍵的步驟。這