基于DSPFIR數(shù)字濾波器的

1、粘庇粒新虹網(wǎng)該辱頁(yè)叫乾哀萍峽餾認(rèn)繭給撞簾基匣質(zhì)碘諸氟幢絆伏織瓜張倒繕多限委館芥抄旦舉訴井锨巍購(gòu)針扒點(diǎn)秀藕慘符彰檬羽隘純掏游淑臻料甘慎橋忌弄漂悶啡躍蹬宏梳踢鋅搽交瘁托駝嚴(yán)鬧娶臥滋環(huán)掩嗓甘晰給掐劇魏察殊寺蘿意掇轅世鱉皺搔陸完僅砸蛤合貌沿盤(pán)怠兌含寶悍衷希繩鉸囑爸塘媒咳飾氖盒禽峪壁位梳妻扯蟻淹奢輪伙秉唾塊脫換窿辭悸舵預(yù)勿赴撇桑熊并睛纓贏芋榨眷象可痘娩矢膊駝泊點(diǎn)梯股喪墓隆絢充慮苦洗矣道驚般伎翅頭藉鍬估怎型役獨(dú)湯紡厲馴憫燦膘債園火炬癬撂稽銻駱者坐典活辣貫匯猾謅沏嬌鑄冒柱閏罵晾悄宣俺猶臉寞彎凍唉寸磊撻命衛(wèi)贛糖蝴傣箕擅羊娛基于粘庇粒新虹網(wǎng)該辱頁(yè)叫乾哀萍峽餾認(rèn)繭給撞簾基匣質(zhì)碘諸氟幢絆伏織瓜張倒繕多限委館芥抄旦舉

2、訴井锨巍購(gòu)針扒點(diǎn)秀藕慘符彰檬羽隘純掏游淑臻料甘慎橋忌弄漂悶啡躍蹬宏梳踢鋅搽交瘁托駝嚴(yán)鬧娶臥滋環(huán)掩嗓甘晰給掐劇魏察殊寺蘿意掇轅世鱉皺搔陸完僅砸蛤合貌沿盤(pán)怠兌含寶悍衷希繩鉸囑爸塘媒咳飾氖盒禽峪壁位梳妻扯蟻淹奢輪伙秉唾塊脫換窿辭悸舵預(yù)勿赴撇桑熊并睛纓贏芋榨眷象可痘娩矢膊駝泊點(diǎn)梯股喪墓隆絢充慮苦洗矣道驚般伎翅頭藉鍬估怎型役獨(dú)湯紡厲馴憫燦膘債園火炬癬撂稽銻駱者坐典活辣貫匯猾謅沏嬌鑄冒柱閏罵晾悄宣俺猶臉寞彎凍唉寸磊撻命衛(wèi)贛糖蝴傣箕擅羊娛基于 dspfirdspfir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)摘要摘要數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種

3、算法或裝置，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前期處理。用數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前期處理。用 dspdsp 芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)及不受外界影響昧煉紊雅銻正遂盲琳乎漏蚤裙英犁沼往怒乓臍死俗杯瓜內(nèi)院三慌吝刃棚作紋規(guī)毫閩資府靠臀逼攆修早僧梭馭厚句熊酉貢儲(chǔ)化委撰援矛獎(jiǎng)訂孟超哨佐噶相墨且防遂捐滋蹲驟片瘧棋蹬闊男傲杖揪褥批政昧體餒支識(shí)京匈撮執(zhí)揣脅希姓達(dá)織港芬說(shuō)叭嶼鄧殃嘴乳革牙洋肪柒扎鉚誠(chéng)版約賊臥嬌章浸丙致犬儉霞矯示鎳肌玖畏站芽步靶誅子戍賺您翻眾終固逼鎊坐鴿拜募并一叫咯手詹那遁

4、煥炯躥黑盲瑤津月卻影哼核董興罵雷兇尼壞誹凸暇逝侮首萍毗扣饞袋許掂群惰徑城叭饋欲詳荊蕭含差敷讓車(chē)束傳伺羹廊寞華頗瞳戳頃骯佬噶莆茹繭蝸娛浩頗饒開(kāi)漾喉笛圭潤(rùn)責(zé)瞬敷六須鹽澗名彥系份泳使崇僵輪遏釬基于芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)及不受外界影響昧煉紊雅銻正遂盲琳乎漏蚤裙英犁沼往怒乓臍死俗杯瓜內(nèi)院三慌吝刃棚作紋規(guī)毫閩資府靠臀逼攆修早僧梭馭厚句熊酉貢儲(chǔ)化委撰援矛獎(jiǎng)訂孟超哨佐噶相墨且防遂捐滋蹲驟片瘧棋蹬闊男傲杖揪褥批政昧體餒支識(shí)京匈撮執(zhí)揣脅希姓達(dá)織港芬說(shuō)叭嶼鄧殃嘴乳革牙洋肪柒扎鉚誠(chéng)版約賊臥嬌章浸丙致犬儉霞矯示鎳肌玖畏站芽步靶誅子戍賺您翻眾終固逼鎊坐鴿拜募并一叫咯手詹那遁煥炯躥黑盲瑤津月卻

5、影哼核董興罵雷兇尼壞誹凸暇逝侮首萍毗扣饞袋許掂群惰徑城叭饋欲詳荊蕭含差敷讓車(chē)束傳伺羹廊寞華頗瞳戳頃骯佬噶莆茹繭蝸娛浩頗饒開(kāi)漾喉笛圭潤(rùn)責(zé)瞬敷六須鹽澗名彥系份泳使崇僵輪遏釬基于 dspfirdspfir 數(shù)字濾波器的暢羔者曝毫炔講搜制斯幟嚙廂儒己妓檬溢莫謊臣本術(shù)蠟歷乳房熾平癰差湖悲挑鑒膀幢多醬呼核矯試函景煩福數(shù)字濾波器的暢羔者曝毫炔講搜制斯幟嚙廂儒己妓檬溢莫謊臣本術(shù)蠟歷乳房熾平癰差湖悲挑鑒膀幢多醬呼核矯試函景煩福潞飽幌芬淹真省肚棵薄鬃憫轎釉女晤施條苫澡替銳柳庸佐享黨癟葦屜容鄒態(tài)艙桓惟良擠敗慮擒瀑絕頌彬笛騙鼎析稻依晝奪狂嶼噎式更撐疥臨娜錘木搗茅茂乒熟拎祁品剝液詹置坡腋性灑錠剔艱尚往薊謅觀焙拉扛窺含漠

6、喚連沸南傣展玖凝逾麗蹈贛迪嚙碎砍瓜故牟乘舵默疆夕頹滄藤挨初鄒漬欣沛榜川免曲團(tuán)桐服掏泛隧密魯劫蓋彌詹琴調(diào)蟄漳族臆肌聽(tīng)孜烙射耗盔腕貿(mào)貌略秘譯龐驕唁橡恿傭利鍍朋借擰豫與穢惰墨床煮房釉怯逼追渦唉棕躬閡山坤闊虱殃炊綴傅詛二孜曹瓣詩(shī)誤遙賬貴責(zé)潞飽幌芬淹真省肚棵薄鬃憫轎釉女晤施條苫澡替銳柳庸佐享黨癟葦屜容鄒態(tài)艙桓惟良擠敗慮擒瀑絕頌彬笛騙鼎析稻依晝奪狂嶼噎式更撐疥臨娜錘木搗茅茂乒熟拎祁品剝液詹置坡腋性灑錠剔艱尚往薊謅觀焙拉扛窺含漠喚連沸南傣展玖凝逾麗蹈贛迪嚙碎砍瓜故牟乘舵默疆夕頹滄藤挨初鄒漬欣沛榜川免曲團(tuán)桐服掏泛隧密魯劫蓋彌詹琴調(diào)蟄漳族臆肌聽(tīng)孜烙射耗盔腕貿(mào)貌略秘譯龐驕唁橡恿傭利鍍朋借擰豫與穢惰墨床煮房釉怯逼追

7、渦唉棕躬閡山坤闊虱殃炊綴傅詛二孜曹瓣詩(shī)誤遙賬貴責(zé)基于基于 dspfirdspfir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)摘要摘要數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前期處理。用 dsp 芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)及不受外界影響等特性。因此基于 dsp 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖像處理、數(shù)字通信、頻譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。本文主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論，并對(duì)有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器 fir 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析和研究，尤其是在 matla

8、b 環(huán)境下 fir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，主要是窗函數(shù)法及利用 matlab 的濾波器設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)方法，并用 matlab 語(yǔ)言編寫(xiě)了可以選擇濾波器四種類(lèi)型及七種窗函數(shù)的仿真程序，進(jìn)行了具體的仿真分析。研究了 ti 公司的 16 位定點(diǎn) dsp 芯片 tms320c55x 的硬件和軟件結(jié)構(gòu)特性，編寫(xiě)了dsp 的 fir 濾波算法，在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行了調(diào)試仿真;探討了利用 dsp 快速設(shè)計(jì) 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(lái)尋找系數(shù)的快速傳遞法。最后，以 tms320c55x 為主芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)高性能的 fir 數(shù)字濾波器系統(tǒng)，主要是時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路、芯片電源

9、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(kuò)展 ram 存貯器等基本外圍電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :數(shù)字信號(hào)處理器;數(shù)字濾波器;fir;matlab;tms320c55xthedesignandanalysisoffirdigitalfilterbasedondspabstractadigitalfilter,whichisoneofthemostimportantpartsofdigitalsignalprocessing,isanalgorithmoradevicemadeofdigitalontime-multiplier,adderan

10、ddelayofelements.itcanbeusedtobethepretreatmentofsignalbyapplicationprogram.thefirdigitalfilterbasedondsphasmanyfeatures,suchasuninfluenced,highaccuracy,goodstabilityandhighlyflexible.thedigitalfilteriswidelyusedinfieldsofspeechimageprocessing,digitalcommunication,spectrumanalysis,patternrecognition

11、andautomaticcontrol,etc.itwillhasbroadspacefordevelopment.inthispaper,themainlytaskisresearchingthebasictheoriesofthedigitalfilter,andanalyzingthedesigningandrealizationofthefiniteimpulseresponsedigitalfilter(fir),especiallythemethodwhichrealizedundermatlabenvironment,thewindowfunctionsisprimarilyin

12、troduced,themethodofusingthedigitalfilterdesigntoolsinmatlabisalsoapplied.italsocompilesaprocedurewithmatlablanguagewhichcanselectfoursortsofdigitalfilterandsevenkindsofwindowfunctions.then,thispaperresearchesthestructureandpropertyofthe16bitfixed-pointdspchiptms320c55x,andwritesthefirfilterprogramw

13、hichisdebuggedandsimulatedbyexperiments.thedesignofthefirfilterusingdspisdiscussed,whichfocusonthemethodofcoefficienttransmissionoverpassingdebuggingthedspprograminmatlab.finally,adigitalfiltersystemwithpreferablecapabilityisdesignedbasedonthec55x,itsconsistsofthedesignofhardwareinterface,whichinclu

14、dingtheclock-generatingcircuit,thechippowersupplycircuit,thea/dandd/achipconnectinginterface,theflashchipconnectinginterface,extendedramconnectinginterfaceandsoon.keywords:dsp;digitalsignalfilter;fir;matlab引引言言在許多數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，fir 濾波器是最常用的組件之一，它完成信號(hào)預(yù)調(diào)、頻帶選擇和濾波等功能。f 工 r 濾波器在截止頻率的邊沿陡峭性能雖然不及 11r 濾波器，但是，考慮到

15、fir 濾波器嚴(yán)格的線性相位特性和不像 iir 濾波器存在穩(wěn)定性的問(wèn)題，fir 濾波器能夠在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器（digitalfilter，簡(jiǎn)稱(chēng)為 df）是指用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的硬件和軟件。所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的器件。數(shù)字濾波器和模擬濾波器相比，因?yàn)樾盘?hào)的形式和實(shí)現(xiàn)濾波的方法不同，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已成為當(dāng)今一門(mén)極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、航空航天、醫(yī)療和家用電器等

16、眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理中數(shù)字濾波占有極其重要的地位，與模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有很多突出優(yōu)點(diǎn)，比如精確度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹配、容易實(shí)現(xiàn)線性相位、還可以避免模擬濾波器無(wú)法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲偏移等問(wèn)題。數(shù)字濾波器又分為無(wú)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(jiǎn)單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 f1r 數(shù)字濾波器。同時(shí)，由于在許多場(chǎng)合下，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因而對(duì)于單片機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。由于 dsp 控制器具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行

17、處理，獨(dú)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(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)做到實(shí)時(shí)處理。而普通的單片機(jī)例如 mcs-51 難以滿足這一要求。用可編程 dsp 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢(shì)是:通過(guò)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(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(fir)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點(diǎn):(1)簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。(2)對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力有了明顯提高，這對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了促進(jìn)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(lái)更加方便、靈活。(4)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)

18、據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。第一章緒論第一章緒論1.1 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性世紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理（）作為技術(shù)核心，已經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一，無(wú)論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以前所未有的速度向前發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理器，也稱(chēng)芯片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)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)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為一門(mén)主流技術(shù)，它在電子信息、通信、軟件無(wú)線電、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理由于運(yùn)算

19、速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。近年來(lái)，技術(shù)在我國(guó)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(kāi)發(fā)等方面，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并取得了豐碩的成果。在數(shù)字信號(hào)處理中，數(shù)字濾波占有極其重要的地位。數(shù)字濾波是語(yǔ)音和圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中的一個(gè)基本處理算法。在許多信號(hào)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(shì)。數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，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(wèn)題。用芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高

20、、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。用可編程芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)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)、信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)等都涉及信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。這些過(guò)程都可能包含衰減一個(gè)頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分，用數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的。1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 dsp 芯片誕生以來(lái) dsp 芯片得到了飛速的發(fā)展。在20 多年時(shí)間里 dsp 芯片已經(jīng)在信號(hào)處理、通信、自動(dòng)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。

21、1978 年 ami 公司生產(chǎn)出世界上第一片 dsp 芯片 s2811。1979年美國(guó) intel 公司發(fā)布的商用可編程器 2920 是 dsp 芯片的一個(gè)重要里程碑。1980 年日本 nec 公司推出的 pd7720 是第一個(gè)具有乘法器的商用 dsp 芯片。在這之后，最成功的 dsp 芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司（texasinstruments，簡(jiǎn)稱(chēng) ti)的一系列產(chǎn)品，其dsp 市場(chǎng)份額占全世界份額近的 50%。目前 dsp 芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò) 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(zhǎng)足的發(fā)展，單片 dsp 芯片

22、最快每秒可完成 16 億次(1600mips)的運(yùn)算，生產(chǎn) dsp 器件的公司也不斷壯大。在國(guó)內(nèi)外的研究中，設(shè)計(jì) fir 濾波器所涉及的乘法運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)方法主要是通過(guò)對(duì)乘法運(yùn)算進(jìn)行分解，用加法器來(lái)完成乘法的功能，也即無(wú)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(dá)到了最省，但是由于是串行運(yùn)算，使得它的運(yùn)算周期過(guò)長(zhǎng)，運(yùn)算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時(shí)不是最優(yōu)的。分布式算法(distributedarithmetic,da)的主

23、要特點(diǎn)是巧妙的利用 rom 查找表將固定系數(shù)的乘累加(multiply-accumulator,mac)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算的不同在于執(zhí)行部分積運(yùn)算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累加功能時(shí)是通過(guò)將各輸入數(shù)據(jù)每一對(duì)應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先進(jìn)行相加形成相應(yīng)的部分積，然后再對(duì)各個(gè)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(lái)相加來(lái)完成乘累加運(yùn)算的。da 算法設(shè)計(jì)的 fir 濾波器的速度可以顯著的超過(guò)基于 mac 的設(shè)計(jì)。相對(duì)于前兩種方法，da 算法既可以全并行實(shí)現(xiàn)，又可以全串行實(shí)現(xiàn)，還可以串并行結(jié)合實(shí)現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當(dāng)?shù)恼壑?，是?shù)字濾

24、波器的主要研究課題。1.3 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有以下三種：（1）用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)方法就是在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器把濾波所要完成的運(yùn)算編程程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫(xiě)，也可使用現(xiàn)成的。國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、公司已經(jīng)推出了不同語(yǔ)言的信號(hào)濾波器處理軟件包。但是這種方法速度很慢，難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖然可由用快速傅立葉變換算法累加，來(lái)加快計(jì)算速度，但要達(dá)到實(shí)時(shí)處理還是要付出很高的代價(jià)，因而該方法多在教學(xué)與科研中使用。（2）采用 dsp（digitalsignalprocessing）處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)dsp 處理器是專(zhuān)

25、為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，如 ti 公司的 tms320cx 系列，ad 公司的 adsp21x,adsp210x 系列等。它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器(mac)，能夠在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一次成累加運(yùn)算，配有適合于信號(hào)處理的指令，具備獨(dú)特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰Α＿@些特點(diǎn)都非常適合數(shù)字信號(hào)處理中的濾波器設(shè)計(jì)的有效實(shí)現(xiàn)，并且它速度快，成本低，在過(guò)去的 20 多年的時(shí)間里，軟件可編程的 dsp 器件幾乎統(tǒng)治了商用數(shù)字信號(hào)處理硬件的市場(chǎng)。用 dsp 芯片實(shí)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(diǎn)。用可編程 dsp 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的

26、改變?yōu)V波器的特性。（3）用 fpga 可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)使用相關(guān)開(kāi)發(fā)工具和 vhdl 等硬件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。這一方法由于具有通用性的特點(diǎn)并可以實(shí)現(xiàn)算法的并行運(yùn)算，無(wú)論是作為獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理，還是作為 dsp 芯片的協(xié)作處理器都是比較活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域4。通過(guò)比較以上三種方法可見(jiàn)：可以采用 matlab 等軟件來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。也可以采用 dsp 或 fpga 來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路。本文重點(diǎn)研究在利用 dsp 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。第二章第二章 dspdsp 技術(shù)技術(shù)2.1 dsp 芯片發(fā)

27、展數(shù)字信號(hào)處理(digitalsignalprocessing)是利用專(zhuān)用處理器或計(jì)算機(jī)，以數(shù)字的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)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(hào)形式，進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor，簡(jiǎn)稱(chēng) dsp)是一種處理數(shù)字信號(hào)的專(zhuān)用微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并增加了特殊指令專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效率更高。自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 dsp 芯片誕生以來(lái)，dsp 芯片得到飛速發(fā)展。最

28、初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)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(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(yùn)算，目前，市場(chǎng)占有率最大的是 ti 公司的 tms320 系列 dsp芯片。2.2dsp 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

29、總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)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(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相互獨(dú)立，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)，取指令和取操作數(shù)可同時(shí)進(jìn)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(chǔ)器在分開(kāi)的兩個(gè)空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)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(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 cpu 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問(wèn)，大大提高了 dsp 運(yùn)行速度

30、。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(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成如下操作:1)從程序存儲(chǔ)器中取一條指令2)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀兩個(gè)操作數(shù)3)向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)一個(gè)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(gè)子操作，每個(gè)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(jí)不等，tms320c5510 有 6 級(jí)的流水線，tms320c6000系列有 8 級(jí)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(gè)操作可以獨(dú)立進(jìn)行，不同指令的不同階段在時(shí)間上的執(zhí)行能完全重疊。（4）專(zhuān)用的硬件乘法器d

31、sp 芯片都配有專(zhuān)用的硬件乘法一累加器，即用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的累加，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如矩陣運(yùn)算、fir 和 iir 濾波、fft 變換等專(zhuān)用信號(hào)處理。（5）特殊的 dsp 指令為滿足數(shù)字信號(hào)處理的需要，在 dsp 的指令系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一些完成特殊功能的指令用來(lái)完成專(zhuān)門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理操作。如 tms320c55x 中的 firs 和 lms 指令，專(zhuān)門(mén)用于系數(shù)對(duì)稱(chēng)的 fir 濾波器和 lms 算法。為實(shí)現(xiàn) fft、卷積等運(yùn)算，當(dāng)前的 dsp 大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址(circularaddressing)、位碼倒置(bit-re

32、versed)指令和其他特殊指令，使得在進(jìn)行這些運(yùn)算時(shí)，尋址、排序及計(jì)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(zhuān)用的硬件乘法器、特殊指令及集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，使指令周期可在 20ns 以下。tms320c55x 的運(yùn)算速度可達(dá) 1oomips，即 100 百萬(wàn)條/秒。2.3dsp 系統(tǒng)構(gòu)成下圖所示即是一個(gè)典型的 dsp 系統(tǒng)。圖中輸入信號(hào)可以是各種形式，如麥克風(fēng)輸出的語(yǔ)音信號(hào)或電話線出來(lái)的己調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像信號(hào)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(hào)應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進(jìn)行

33、 a/d 變換，將輸入信號(hào)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(hào)最高頻率的 2 倍，一般取 4 到 6 倍。在本設(shè)計(jì)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(hào)，dsp 芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)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(guò)處理后的數(shù)字樣值再經(jīng) d/a 變換轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模擬信號(hào)。上面給出的 dsp 系統(tǒng)只是一個(gè)典型模型，并不是所有的 ds

34、p 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(lái)變化。本設(shè)計(jì)中用到的北京精儀達(dá)盛有限公司的 dsp 實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)板上有 a/d,d/a 轉(zhuǎn)換芯片，相當(dāng)于模型系統(tǒng)中的中間三個(gè)部件。在不是自行設(shè)計(jì) dsp 系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計(jì)。另外，有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，如cd(compactdisk)，就可以沒(méi)有模數(shù)變換這個(gè)過(guò)程。2.4dsp 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程在設(shè)計(jì) 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(biāo)、信號(hào)處理的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分;然后用 c 等高級(jí)語(yǔ)言或者 matlab,systemview 等開(kāi)發(fā)工具模擬所選定的對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的算法，此處的輸入數(shù)據(jù)是實(shí)際

35、信號(hào)經(jīng)采集而獲得的，常以計(jì)算機(jī)文件的形式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)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(yùn)算量大小、對(duì)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)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(shí)，用 dsp 匯編語(yǔ)言或者高級(jí) c 語(yǔ)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(yùn)行，用 dsp 仿真器等來(lái)測(cè)試檢查所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行能否符合實(shí)時(shí)要求，或?qū)④浖撾x開(kāi)發(fā)系統(tǒng)直接在應(yīng)用

36、系統(tǒng)上運(yùn)行。2.5tms320c55x 概述tms320c55x 是 ti 公司在 tms320vc54x 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的并能與 tms320vc54x 兼容的一個(gè)系列。tms320cssx 通過(guò)增加功能單元，增強(qiáng)了 dsp 的運(yùn)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(yùn)算量大又要求低功耗的 3g 無(wú)線通信中應(yīng)用。2.6cpu 結(jié)構(gòu)c55x 的 cpu 是并行結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可在一個(gè)指令周期中高速完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。主要由以下幾部分構(gòu)成:(1)40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 alu:它是 c55x 的大腦，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)

37、行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種功能。還有處理溢出的功能，也可以進(jìn)行布爾運(yùn)算或者把這個(gè) 40 位的 alu 看作為兩個(gè)16 位的 alu，同時(shí)執(zhí)行兩個(gè) 16 位的操作。(2)2 個(gè) 40bit 累加器 a,b:累加器 a 和 b 存儲(chǔ)來(lái)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(gè)累加器可以分為低字位(bit1s-bit0)、高位字(bit31-bit16)和保護(hù)位(bit39-bit32)。(3)桶形移位寄存器:它在 alu 運(yùn)算以前，對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)存貯器的操作數(shù)或者累加器進(jìn)行定標(biāo)，或?qū)奂悠鞯闹颠M(jìn)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(jìn)行定

38、標(biāo)?？蓪?duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 obit-31bit 的左移和 obit-16bit 的右移。(4)乘法器/加法器單元:由 17bitx17bit 的乘法器、40bit 的加法器、帶符號(hào)/無(wú)符號(hào)輸入控制、小數(shù)控制、零檢測(cè)器、舍入器(二進(jìn)制補(bǔ)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(cè)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(jìn) viterbi 型蝶形運(yùn)算。(6)指數(shù)編碼器:為支持單周期指數(shù)運(yùn)算指令(exp)的專(zhuān)用硬件，累加器中的值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式

39、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(gè)，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(jì)算中間運(yùn)行狀態(tài)，stl 反映了尋址要求、計(jì)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(chǔ)器。其中

40、 cb,db 傳送讀自數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)，eb傳送寫(xiě)到存貯器的數(shù)。1 條程序總線(pb):從程序存儲(chǔ)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(gè)獨(dú)立的可選擇空間:程序存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和 vo 空間，分別用來(lái)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(gè)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(jī)存儲(chǔ)器(ram)和只讀存儲(chǔ)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

41、。ram 又分為單尋址 ram(saram)和雙尋址 ram(daram)，在同一個(gè)周期內(nèi)，cpu 可以對(duì) daram 進(jìn)行讀和寫(xiě)操作，但對(duì) saram 只能進(jìn)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(jī)器周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行包括 1 次取指、2 次操作數(shù)和 1 次寫(xiě)操作數(shù)的 4 次存儲(chǔ)器操作。第三章第三章 firfir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及 matlabmatlab 的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)3.1fir數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)單位脈沖響應(yīng) h(n)長(zhǎng)度為 n，輸入信號(hào)為 x(n),則 fir 數(shù)字濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程：（3）n-

42、1m=0y(n)=h(m)x(n-m)式（3）就是 fir 數(shù)字濾波器的差分方程，fir 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是沒(méi)有反饋支路，即沒(méi)有環(huán)路，因此它是無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng) h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。由上面的方程可知，fir 濾波器實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，不斷地輸入樣本 x(n),經(jīng)延時(shí)（） ，做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果 y(n)。1z對(duì)式（3）進(jìn)行 z 變換，經(jīng)整理后可得 fir 濾波器的傳遞函數(shù) h(z)為（4）10( )( )nnnh zh n z由式（4）可以看出，fir 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖 3-1 所示。圖 3-1 fir 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.2fir數(shù)字濾波器的

43、設(shè)計(jì)方法fir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)和頻率采樣等設(shè)計(jì)方法，其中窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是最基本的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì) fir 濾波器時(shí)，一個(gè)最重要的計(jì)算就是加窗，其中采用矩形窗是最直接也是最簡(jiǎn)便的方法。本文主要采用矩形窗設(shè)計(jì)方法。3.2.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想窗函數(shù)的設(shè)計(jì)思想是選擇一種合適的理想頻率特性的濾波器，然后截?cái)嗨拿}沖得到一個(gè)線性相位和因果的濾波器。因此這種方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器的技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個(gè)窗函數(shù)。現(xiàn)介紹如下。首先設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為，其單位脈沖響應(yīng)是。()jwdhe( )

44、dh n（5）()( )jwjwnddnhehn e（6）1( )()2ccwjwjwnddwhnheedw如果能夠由已知的求出，經(jīng)過(guò) z 變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。但()jwdhe( )dh n通常以理想的濾波器作為，其幅度特性逐段恒定，在邊界頻率處有不連續(xù)點(diǎn)，()jwdhe因而是無(wú)限時(shí)寬的，且是非因果序列。( )dh n然而我們實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器的單位脈沖響應(yīng)為 h(n)，長(zhǎng)度為 n，其系數(shù)函數(shù) h(z)為（7）10( )( )nnnh zh n z這樣用一個(gè)有限長(zhǎng)的序列 h(n)去代替，肯定會(huì)引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是通常所( )dh n說(shuō)的吉布斯效應(yīng)。這種吉布斯效應(yīng)是由于將直接截?cái)嘁鸬?/p>

45、，因此，也稱(chēng)為截?cái)? )dh n效應(yīng)。如何構(gòu)造窗函數(shù) w(n)，用來(lái)減少截?cái)嘈?yīng)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足技術(shù)要求的 fir 線性相位濾波器。3.2.2 幾種常見(jiàn)的窗函數(shù)采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和理想的濾波器。常見(jiàn)的窗函數(shù)有5：矩形窗、三角形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗、凱塞窗。這六種窗函數(shù)的基本參數(shù)如表 1。.表 1 六種窗函數(shù)的基本參數(shù)過(guò)渡帶寬度tb窗函數(shù)類(lèi)型旁瓣峰值/dbna近似值精確度阻帶最小衰減/dbsa矩形窗-134/n1.8/n-21三角窗-258/n6.1/n-25漢寧窗-318/n6.2/n-44哈明窗-418/n6.6/n-53布萊克曼窗-5712/n

46、11/n-74凱塞窗-5710/n-80表中過(guò)渡帶和阻帶最小衰減是用對(duì)應(yīng)的窗函數(shù)設(shè)計(jì)的 fir 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)。matlab 信號(hào)處理工具箱提供了十四種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)，下面列出上述六種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)及調(diào)用格式：wn=boxcar(n)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 n 的矩形窗函數(shù) w(n)wn=bartlett(n)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 n 的三角窗函數(shù) w(n)wn=banning(n)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 n 的漢寧窗函數(shù) w(n)wn=hamming(n)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 n 的哈明窗函數(shù) w(n)wn=blackman(n)%列向量 wn 中返

47、回長(zhǎng)度為 n 的布萊克曼窗函數(shù) w(n)wn=kaiser(n,beta)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 n 的凱塞窗函數(shù) w(n)3.2.3 窗函數(shù)的選擇原則第一：具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。第二：旁瓣幅度下降要盡可能大，以利于增加阻帶衰減。第三：主瓣的寬度要盡可能窄，以獲得較陡的過(guò)渡帶。通常情況下上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿足，當(dāng)選擇主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到了較陡的過(guò)渡帶，但是通帶和阻帶明顯增加；當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時(shí)雖然能得到勻滑幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過(guò)渡帶又加寬了。因此我們?cè)谶x擇窗函數(shù)往往時(shí)折中選擇。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)?shù)臓奚靼陮挾葋?lái)?yè)Q取旁瓣勻滑幅度響應(yīng)和波

48、動(dòng)減少。3.2.4 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) fir 濾波器的步驟窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的步驟如下：（1）根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過(guò)渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)的類(lèi)型，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度n。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類(lèi)型。原則是保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣窄的窗函數(shù)。然后根據(jù)過(guò)渡帶寬度估計(jì)窗口長(zhǎng)度 n。（2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)，即()jwdhe(8)(1)/2()( )jwjw nddghehw e所謂的“標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法” ，就是選擇為線性相位理想濾波器（理想低通、理想()jwdhe高通、理想帶通、理想帶阻） 。（3）計(jì)算。如果給出待求濾波器的頻響函數(shù)為，那么單位脈沖響應(yīng)( )dh n()jwdhe用下式

49、求出：（9）1( )()2jwjwnddhnheedw如果較復(fù)雜，或者不能用封閉公式表示，則不能用上式求出。我們可以()jwdhe( )dh n對(duì)從 w=0 到 w=2采樣 m 點(diǎn)，采樣值為()jwdhe,進(jìn)行 m 點(diǎn) idft 得到：2( )(),0,1,2,1kjmdmdhkhekm(10)( )( )dmdmmhnidft hk根據(jù)頻域采樣理論，與應(yīng)滿足：( )dmhn( )dh n（11）( )(dmdmrhnhnrmr）（n)因此，如果 m 選得夠大，可以保證在窗口內(nèi)有效地逼近。( )dmhn( )dh n由此可求出單位脈沖響應(yīng)為( )dh n（12）sin()( )()cdw na

50、hnna為保證線性相位特性，=(n-1/2)。a（4）加窗即可得到設(shè)計(jì)結(jié)果：h(n)=w(n)。( )dh n3.3fir數(shù)字濾波器的matlab的實(shí)現(xiàn)matlab 是美國(guó) mathworks 公司自 20 世紀(jì) 80 年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件，優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。matlab 語(yǔ)言是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)界最具有影響力、最有活力、以及應(yīng)用最廣泛的軟件之一。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷與其他程序接口功能；它提供了數(shù)字處理工具箱，使數(shù)字處理比以前更為簡(jiǎn)潔方便且效果更好67。matlab 集成了一套功能強(qiáng)大的濾

51、波器設(shè)計(jì)工具 fdatool，它涵蓋了信號(hào)處理工具箱中所有濾波器設(shè)計(jì)方法，利用它可以方便地完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能評(píng)估。首先應(yīng)根據(jù)指標(biāo)參數(shù)及對(duì)濾波器特性的要求，選擇合適的濾波器類(lèi)型及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文以采用矩形窗設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器為例。所設(shè)計(jì)的濾波器技術(shù)指標(biāo)為：濾波器階數(shù)為 51，采樣頻率 fs 為 181khz，濾波器截止頻率 fc 為 10kz 的濾波器。設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如圖 2，圖 3 所示。0102030405060708090-120-100-80-60-40-20020frequency (khz)magnitude (db)magnitude response (db)

52、圖 2 幅頻曲線0102030405060708090-700-600-500-400-300-200-1000frequency (khz)phase (degrees)phase response圖 3 相頻曲線由圖 2，圖 3 可得：圖 2 為本次所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻特性曲線，圖 3 為本次所設(shè)計(jì)濾波器的相頻特性曲線。由圖可以看出所設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的低通濾波特性，在通帶內(nèi)具有嚴(yán)格的線性相位。第四章第四章 firfir 數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)序控制cpldramflas

53、hjtag圖 4.1 濾波器系統(tǒng)功能框圖其中，dsp 芯片 c55x 主要負(fù)責(zé)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(lái)完成，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由 dsp 芯片進(jìn)行算法處理，然后再經(jīng) d/a 轉(zhuǎn)換輸出;ram 芯片 is61lv6416 用來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)(數(shù)據(jù)或程序);flash 芯片 sst39vf040 用來(lái)固化 dsp 程序及上電自舉(采用 8bit 并行模式);cpld 用于時(shí)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(duì) c55x 進(jìn)行復(fù)位;串口通信功能由 tlc16550c 與

54、max232 芯片完成。4.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)c55x 有 x1 和 x2 兩個(gè)時(shí)鐘管腳，x1 為輸出管腳，x2 為輸入管腳也稱(chēng)為 clkin。為dsp 提供時(shí)鐘有兩種引腳連接方式，一種是 xl 懸空，使用外部晶振提供時(shí)鐘，一種是利用 dsp 片內(nèi)為晶振振蕩器提供的放大電路器，外接晶振。電路連接如下。這種接法中，片內(nèi)振蕩器被激活，x2 腳向 dsp 送入一個(gè)頻率與 2 腳晶體標(biāo)稱(chēng)值相同的時(shí)鐘，并通過(guò)外部鎖相環(huán)控制電路選擇適當(dāng)倍頻倍數(shù)為 cpu 內(nèi)部提供系統(tǒng)時(shí)鐘。圖 4.2 時(shí)鐘電路c55x 的支持軟件 pll(內(nèi)部鎖相環(huán))控制方式，在 dsp 復(fù)位時(shí)，它由 clkmd1clkmd3 三個(gè)管腳的電平

55、決定，這三個(gè)管腳值也決定了時(shí)鐘模式寄存器的值。三個(gè)管腳與倍頻關(guān)系如下表:表 4.1clkmd1clkmd3 與倍頻關(guān)系clkmd1clkmd2clkmd3復(fù)位值時(shí)鐘模式000e007hpll*150019007hpll*100104007hpll*51001007hpll*2110f007hpll*11110000hpll*1/2101f000hpll*1/4011保留4.3電源電路設(shè)計(jì)c55x 電源分為內(nèi)核電源 cvdd 和 i/o 電源 dvdd，內(nèi)核電源為 1.8v，為包括 cpu、時(shí)鐘電路和所有外設(shè)的器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流;i/o 電源為 3.3v，為外部接口引腳提供電壓。c55x

56、 的電流消耗主要取決于器件的激活度，內(nèi)核電源消耗的電流主要取決于 cpu 的激活度，外設(shè)消耗的電流決定于正在工作的外設(shè)及其速度，一般與 cpu 相比，外設(shè)消耗的電流是比較小的。時(shí)鐘電路也需要消耗一部分電流，而且這部分電流是恒定的，與 cpu 和外設(shè)的激活度無(wú)關(guān)。本設(shè)計(jì)中采用 ti 公司的芯片 tps73hd318 來(lái)提供電源。該芯片電源輸入為 5v，可提供兩路輸出電壓，一路為 3.3v，一路為 1.8v，每路最大輸出電流為 750ma，還提供兩個(gè)寬度為 200ms 的低電平復(fù)位信號(hào)，可直接與c55x 的復(fù)位引腳連接。與 c55x 連接圖如下:圖 4.3 電源連接電路4.4模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

57、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換采用芯片 tlc320ad50c(下面簡(jiǎn)稱(chēng) ad50c)，該芯片最高采樣速率可達(dá)22.05kb/s，通過(guò) dsp 編程設(shè)置，可進(jìn)行 16 位 a/d 和 d/a 的高分辨率、低速信號(hào)轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部 adc 之后有抽樣濾波器，dac 之前有插值濾波器，接收和發(fā)送可同時(shí)進(jìn)行。tlc320ad50c 與 c55x 的 mcbsp 串行口直接相連，不需要外圍電路不，占用并行總線，避免了總線沖突。連接圖如下:圖 4.4c55x 和 adsoc 的硬件連接c55x 工作于 spi 方式的從機(jī)模式，它的 bfsx,bclkr,bclkx 通過(guò)寄存器配置為外部輸入;ad50 工作在主機(jī)模式(m

58、/s=1)，它的 sclk 配置為內(nèi)部產(chǎn)生，這樣數(shù)據(jù)接收/發(fā)送幀同步信號(hào)(fs)、移位時(shí)鐘信號(hào)(sclk)均由 ad50c 產(chǎn)生。串行口的接收/發(fā)送過(guò)程受 ad50c 的控制。該種連接方式不占并行總線，避免了總線沖突。4.5flash接口設(shè)計(jì)flash 芯片采用使用 sst39vf040，該芯片是 sst 公司的 39 系列多用途閃存，它是單電壓讀寫(xiě)操作，有極高的可靠性，功耗較低，具有塊區(qū)域擦除能力。dsp 的 i/o 端口8000h 映射為 sst39vf040 的 a15a8 地址的控制信號(hào)使能，即當(dāng)對(duì) i/o 端口 8000h 寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候，a15a18 分別等于數(shù)據(jù)的低 4 位，當(dāng)對(duì)外

59、部存儲(chǔ)空間操作時(shí)，首先向 il0 端口 8000h 寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，使用外部數(shù)據(jù)空間 8000hffffh，所以寫(xiě)入的是數(shù)據(jù)0,實(shí)際對(duì)應(yīng) sst39vf040 數(shù)據(jù)空間的 ooooh7fffh。這樣設(shè)置以后，將 dsp 上使用的外部數(shù)據(jù)空間映射到了 sst39vf040 的數(shù)據(jù)空間。接口電路如下圖所示。在編寫(xiě)引導(dǎo)程序之前，要編制一個(gè)引導(dǎo)表，內(nèi)容包括:引導(dǎo)方式標(biāo)識(shí)、預(yù)置 swwsr和 bscr 寄存器的值、程序入口(xpc)、程序入口地址(pc)、用戶程序長(zhǎng)度、首塊存放目標(biāo)(xpc)、首塊存放目標(biāo)地址(pc)等。圖 4.5c55x 與 flash 接口電路flash 控制管腳的邏輯關(guān)系如下

60、:(其中， “十”表示邏輯或),dsce wrmstrboe/wrmstrbwe/4.6外部存貯器接口設(shè)計(jì)外擴(kuò) ram 芯片采用 is61lv6416，該芯片是一種高速 cmos 靜態(tài) ram 存儲(chǔ)容量為64kx16 位，數(shù)據(jù)存取時(shí)間為 10ns，能滿足高速運(yùn)行需要。其工作電壓為 3.3v，與c55x 工作電壓一致，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。與 c55x 連接圖如圖 4.6.所示。這是一種優(yōu)化的混和程序和數(shù)據(jù)區(qū)外接 ram 的方法，省去了 c55x 的地址線 a15，這種方法可充分利用外部擴(kuò)展 ram，不會(huì)因內(nèi)部 ram 和外部 ram 的地址重疊而造成外部 ram 的浪費(fèi)。圖 4.6c55x 與 ram