基于DSP的FIR濾波器的設(shè)計(jì)報(bào)告

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告u 目錄1 概述- 1 -1.1 數(shù)字濾波器的研究現(xiàn)狀- 1 -2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 3 -2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案- 3 -2.2 主控模塊- 5 -3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)- 6 -3.1 軟件整體設(shè)計(jì)- 6 -3.2 測(cè)量模塊- 10 -4 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)- 10 -4.1系統(tǒng)測(cè)試- 10 -4.2總結(jié)體會(huì)- 12 - 參考文獻(xiàn)- 13 -附錄- 14 - 0 -1 概述1.1 數(shù)字濾波器的研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積

2、、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致RC有源濾波器 、數(shù)字濾波器、開(kāi)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已被研制出來(lái)并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。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(kāi)發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)，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)

3、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規(guī)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。1.2 論文主要完成的工作 本文主要應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，并對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真。應(yīng)用DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS調(diào)試匯編程序，用TMS320C5402來(lái)實(shí)現(xiàn)了FIR數(shù)字濾波。具體內(nèi)容有： (1) 研究數(shù)字濾波器的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，從原理上理解和分析數(shù)字濾波器，并通過(guò)對(duì)數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)，為設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器奠定理論基礎(chǔ)。 (2) 研究FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，及如

4、何用濾波器設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)各種類型的數(shù)字濾波器，并進(jìn)行仿真和分析。 (3) 對(duì)數(shù)字濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率抽樣設(shè)計(jì)法等，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濾波器中，一個(gè)最重要的計(jì)算就是加窗，采用矩形窗是最直接和簡(jiǎn)便的方法，但采用矩形窗存在較大的Gibbis效應(yīng)，且矩形窗的第一旁瓣與主瓣相比僅衰減13 dB，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中一般采用其他窗函數(shù)。主要介紹幾種常用的窗函數(shù)和頻率抽樣設(shè)計(jì)法等。利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR(一)窗函數(shù)法的基本思想窗函數(shù)設(shè)計(jì)的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器，然后將它的脈沖

5、響應(yīng)截?cái)嘁缘玫揭粋€(gè)線性相位和因果的FIR濾波器。因此這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度和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)。 （二）幾種常用的窗函數(shù)工程中比較常用的窗函數(shù)有：矩形窗函數(shù)、三角窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)、海明窗函數(shù)、布萊克曼窗函數(shù)和凱塞窗函數(shù)。窗函數(shù)的選擇原則是：（1）具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度：（2）旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻帶衰減；（3）主瓣的寬度要窄，以獲得較陡的過(guò)渡帶。通常上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿足。當(dāng)選用主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到較陡的過(guò)渡帶，但通帶和阻帶的波動(dòng)明顯增加；當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時(shí)

6、，雖能得到勻滑的幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過(guò)渡帶加寬。因此，實(shí)際選用的窗函數(shù)往往是它們的折衷。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)犧牲主瓣寬度來(lái)?yè)Q取旁瓣波動(dòng)的減少。表2.1幾種常用的窗函數(shù)對(duì)比窗函數(shù) 旁瓣峰值衰減 過(guò)渡帶 阻帶最小衰減矩形窗 -13 -21三角形 -27 -25漢寧窗 -31 -44 海明窗 -41 -53布萊克曼窗 -57 -74凱瑟窗 -57 -80比較可得：凱塞窗可提供變化的過(guò)渡帶寬，通過(guò)改變B的值可達(dá)到最陡的過(guò)渡帶：凱塞窗具有與海明窗相匹敵的特性，通過(guò)調(diào)整p的值，可將凱塞窗完全等價(jià)海明窗；凱塞窗最大旁瓣值比主瓣約低80dB，在所有的窗函數(shù)中旁瓣抑制度最高2。2.2

7、.2用頻率抽樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器所謂頻率抽樣法就是從頻域出發(fā)，根據(jù)頻域的采樣定理，對(duì)給定的理想濾波器的頻域響應(yīng)進(jìn)行等間隔采樣。 （2.2）其中k=0,1,2N-1把當(dāng)作待設(shè)計(jì)的濾波器頻率響應(yīng)的采樣值,通過(guò)下式可以求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)和頻率響應(yīng)： （2.3）（2-3） （2.4）其中，是一個(gè)內(nèi)插函數(shù)： （2.5）由于頻譜的有限個(gè)采樣值恢復(fù)出來(lái)的頻率響應(yīng)實(shí)際上是對(duì)理想頻率響應(yīng)的逼近，因此，這種方法必然有一定的逼近誤差。若被逼近的頻率響應(yīng)比較平滑，則各采樣點(diǎn)之間的逼近誤差較??；反之，則逼近誤差較大。2.2 主控模塊TMS320C5402 的主要特性:T MS320C5402 是T I 公司于1996

8、 年推出的一種定點(diǎn)DSP 芯片, 采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)和8 總線結(jié)構(gòu), 使處理器的性能大大提高。其獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)總線, 允許同時(shí)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 實(shí)現(xiàn)高速并行操作。例如, 可以在一條指令中, 同時(shí)執(zhí)行3 次讀操作和1 次寫(xiě)操作。TMS320C5402 的運(yùn)行速度為40MIPS ( 每秒執(zhí)行40 百萬(wàn)條指令) 。指令周期為25ns。此外, 還可以在數(shù)據(jù)總線與程序總線之間相互傳送數(shù)據(jù)。從而使處理器具有在單個(gè)期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算, 邏輯運(yùn)算, 位移操作, 乘法累加運(yùn)算以及訪問(wèn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的強(qiáng)大功能。包括: CPU, 總線, 存儲(chǔ)器,在片外圍電路, 串行口, 以及外部總線接口等部分

9、組成。1 CPU40 位算數(shù)邏輯運(yùn)算單元( ALU ) , 包括1 個(gè)40 位桶形移位寄存器和2 個(gè)獨(dú)立的40 位累加器。􀀂 17 位X 17 位并行乘法器, 與40 位專用加法器相連, 用于非流水線式單周期乘法/ 累加( MAC)運(yùn)算。比較, 選擇, 存儲(chǔ)單元( CSSU) , 用于加法/比較選擇。雙地址生成器, 包括8 個(gè)輔助寄存器和2 個(gè)輔助寄存器算數(shù)運(yùn)算單元( ARAU ) 。2、總線結(jié)構(gòu)程序總線( PB) 傳送取自程序存儲(chǔ)器的指令代碼和立即數(shù)。3 條數(shù)據(jù)總線( CB, DB 和EB) 將內(nèi)部各單元連接在一起。4 條地址總線( PAB, CAB, DAB 和EAB )

10、傳送執(zhí)行指令所需的地址。3 存儲(chǔ)器192K 字可尋址存儲(chǔ)空間( 64K 字程序存儲(chǔ)器, 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 以及64K 字I/ O 空間) 。片內(nèi)2K 字ROM。片內(nèi)10K 字雙存取RAM。4 在片外圍電路 用來(lái)周期產(chǎn)生中斷的定時(shí)器。8 位主機(jī)接口( HPI) , 用來(lái)與主設(shè)備或主處理器接口。一個(gè)自動(dòng)緩沖串口( BSP) 和時(shí)分多路串行口( TPM) , 都可用作標(biāo)準(zhǔn)同步串口。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件整體設(shè)計(jì)FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有以下幾種形式(1) 直接型結(jié)構(gòu) 該種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)需N個(gè)乘法器、N-1個(gè)延遲器和N-1個(gè)加法器。結(jié)構(gòu)圖如下:圖3.1 直接型結(jié)構(gòu)圖(2) 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)FIR系統(tǒng)函

11、數(shù)H(z)是z-1的N-1次多項(xiàng)式，其分解為實(shí)系數(shù)二階因子的乘積形式為：H(z)=(0k+1kz-1+2kz-2) 根據(jù)上式就可畫(huà)出級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)如下圖。其中Nc為N/2的最大整數(shù)。該結(jié)構(gòu)即是把H(z)的共軛零點(diǎn)或兩個(gè)單個(gè)零點(diǎn)組成基本二階節(jié)，H(z)為基本二階因子的子系統(tǒng)函數(shù)積。圖3.2 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)圖從圖3.2中可看出，每個(gè)二階因子用直接型實(shí)現(xiàn)，每一節(jié)控制一對(duì)零點(diǎn)，便于傳輸零點(diǎn)的控制。但系數(shù)1k的個(gè)數(shù)比h(n)的個(gè)數(shù)多，其乘法次數(shù)比直接型多。(3) 線性相位型結(jié)構(gòu)線性相位特性是指濾波器對(duì)不同頻率的正弦波所產(chǎn)生的相移和正弦波的頻率成直線關(guān)系。在濾波器通帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)濾波器后，除了由相頻特性的斜率決定的

12、延遲外，可以不失真地保留通帶以內(nèi)的全部信號(hào)。線性相位的因果的FIR系統(tǒng)的單位取樣響應(yīng)具有如下特性h(n)=±h(N-1-n) 當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，式變?yōu)镠(z)=h(n)z-n+z-(N-1-n) 當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，此式為H(z)= h(n)z-n+z-(N-1-n)+h()z-() 由上面兩個(gè)式子可知:實(shí)現(xiàn)直接形式的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)只需要N/2(N為偶數(shù))或(N十1)/2次乘法(N為奇數(shù))，利用h(n)的對(duì)稱比直接卷積形式少用一半的乘法器。圖3.3 N為偶數(shù)，線性相位結(jié)構(gòu)圖3.4 N為奇數(shù)，線性相位結(jié)構(gòu)(4) 頻率取樣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)函數(shù)H(z)在單位圓上作N等分取樣的值得到h(n)的離散傅立葉變換值H(k

13、):H(k)=H()=|H(k)| = h(k) 根據(jù)內(nèi)插公式，得H(z)=(1-z-N) 上式即為頻率取樣結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)函數(shù)其中，H(k)為單位圓上的頻率取樣值?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)是由一個(gè)子FIR系統(tǒng)(1-z-N)和一個(gè)子IIR系統(tǒng)級(jí)聯(lián)組成的。圖3.5 頻率取樣結(jié)構(gòu)圖FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種(1)用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn) 軟件實(shí)現(xiàn)方法即是在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件實(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)算編成程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫(xiě)，也可以使用現(xiàn)成的。但是這種方法速度慢，難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖然可以用快速傅立葉變換算法來(lái)加快計(jì)算速度，但

14、要達(dá)到實(shí)時(shí)處理要付出很高的代價(jià)。(2)采用DSP(Digital Signal Processing)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn) DSP處理器是專為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器，能夠在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一次乘累加運(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?。這些特點(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。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)。(3)采用固定功能的專用信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn) 專用信號(hào)處理器采用專用集成電路ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)，適用于過(guò)程固定而又追求高速的信號(hào)處理任務(wù)，是以指定的算

15、法來(lái)確定它的結(jié)構(gòu)，使用各種隨機(jī)邏輯器件組成的信號(hào)處理器。它們體積小、保密性好，具有極高的性能，然而靈活性差。(4)用FPGA等可編程器件實(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研究領(lǐng)域?？梢圆捎肈SP或FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路。3.2 測(cè)量模塊 CCS算法流程圖4 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)4.1系統(tǒng)測(cè)試在View的Graph中單擊Time/frequency出現(xiàn)graph property dialog框。將顯示類型，圖形名稱，起

16、始地址，抽樣點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)類型等分別進(jìn)行設(shè)置，輸出各種波形。輸出濾波前的信號(hào)時(shí)域波形。首先，設(shè)置如圖4.1所示，輸出濾波前的信號(hào)時(shí)域波形。圖4.1 Graph property dialog設(shè)置框圖單擊OK后生成如下圖4.2波形。圖4.2濾波前信號(hào)波形圖圖4.2為濾波前的信號(hào)，波形很雜亂，從時(shí)域上很難看出信號(hào)的周期性。修改相應(yīng)設(shè)置，輸出如圖4.3所示濾波前信號(hào)頻譜。圖4.3濾波前信號(hào)頻譜波形圖經(jīng)過(guò)濾波后，時(shí)域波形頻譜波形如圖4.4和4.5所示。圖4.4濾波后信號(hào)時(shí)域波形圖圖4.5濾波后信號(hào)頻譜圖4.2總結(jié)體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，讓我了解了數(shù)字濾波是信號(hào)處理技術(shù)中的重要部分，研究了數(shù)字濾波器的基本理論

17、知識(shí)以及它實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)習(xí)了數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論，掌握了各種數(shù)字濾波器的原理和特性。并且復(fù)習(xí)了MATLAB的相關(guān)知識(shí)，并且利用MATLAB與CCS設(shè)計(jì)了低通濾波器以及高通濾波器，還研究了如何在定點(diǎn)DSP中實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的算法，掌握了CCS環(huán)境下的程序開(kāi)發(fā)方法、調(diào)試工具的使用及優(yōu)化級(jí)別的選擇等。研究了MATLAB環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，利用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)FIR濾波器設(shè)計(jì)。DSP作為一門新興學(xué)科，越來(lái)越引起人們的關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。所以在今后的工作和學(xué)習(xí)生活中，綜合運(yùn)用模擬電子、數(shù)字電子和DSP基本原理等課程中所學(xué)的理論知識(shí)去獨(dú)立完成一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。不僅要完善以

18、上的MATLAB設(shè)計(jì)方法，更要學(xué)會(huì)利用多種途徑設(shè)計(jì)各種DSP最小系統(tǒng)，熟練C語(yǔ)言編程，用DSP芯片實(shí)現(xiàn)低通FIR數(shù)字濾波，除了具有準(zhǔn)確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)外。通過(guò)對(duì)本課題的研究，關(guān)于數(shù)字濾波器理論知識(shí)得到了豐富和提高，熟悉了課題研究的整體思路和方法，認(rèn)識(shí)到進(jìn)行課題研究應(yīng)具備的素質(zhì) 參考文獻(xiàn)1王念旭DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20012張雄偉DSP集成開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)例北京：電子工業(yè)出版社，20023張雄偉DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用(第二版)北京：電子工業(yè)出版社，20004彭宗啟DSP技術(shù)原理及應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，19985朱銘銘基于模糊的DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：電子

19、工業(yè)出版社，20036李真芳，蘇濤等.DSP程序開(kāi)發(fā)一MATLAB調(diào)試及直接目標(biāo)代碼生成M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003附錄用線性緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器程序清單： .title “FIR1.ASM” .mmregs .def start x .usect “x”，8 PA0 .set 0 PA1 .set 1 .data COEF： .word 1*32768/10 .word 2*32768/10 .word -4*32768/10 .word 3*32768/10 .word -4*32768/10 .word 2*32768/10 .word 1*32768/10 .texts

20、tart: SSBX FRCT STM #x+7,AR2 STM #6,AR0 LD #x+1,DP PORTR PA1,x+1FIR1: RPTZ A,#6 MACD *AR2-,COEF,A STH A,*AR2 PORTW *AR2+,PA0 BD FIR1 PORTR PA1,*AR2+0 .end 用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器程序清單： .title “FIR2.ASM” .mmregs .def start .bss y,1xn .usect “xn”,7b0 .usect “b0”,7PA0 .set 0PA1 .set 1 .datatable: .word 1*32768/1

21、0 .word 2*32768/10 .word 3*32768/10 .word 4*32768/10 .word 5*32768/10 .word 6*32768/10 .word 7*32768/10 .text start: SSBX FRCT STM #b0,AR1 RPT #6 MVPD table,*AR1+ STM #xn+6,AR2 STM #b0+6,AR3 STM #7,BK STM #-1,AR0 LD #xn,DP PORTR PA1,xnFIR2: RPTZ A,#6 MAC *AR2+0%,*AR3+0%,A STH A,y PORTW y,PA0 BD FIR2

22、 PORTR PA1,*AR2+0% .end 匯編程序清單lhm.h文件內(nèi)容： .datacoeff .word -85, -64, -61, -36, 8, 62, 110, 136, 131 .word 96, 42, -11, -44, -44, -11, 39, 85, 106 .word 88, 37, -29, -83, -101, -73, -7, 70, 124 .word 131, 82, -5, -96, -151, -144, -72, 37, 140 .word 191, 162,61, -76, -191, -231, -174, -35, 132 .word 25

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