DSP技術-06電子通信08(精)

1、2章應用程序設計一、FIR濾波器的DSP實現(xiàn)二、IIR濾波器的DSP實現(xiàn)三、FFT運算的DSP實現(xiàn)一、FIR 濾波器的 DSP 實現(xiàn)數(shù)字信號處理主要是面向?qū)崟r密集型數(shù)據(jù)運算，濾 波在數(shù)字信號處理中占有極其重要的地位。用DSP芯片實 現(xiàn)數(shù)字濾波具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響， 以及靈活性好等突出優(yōu)點。數(shù)字濾波又稱為程序濾波，其功能是將輸入的數(shù)字 信號通過一定的運算關系（程序?qū)崿F(xiàn)）變?yōu)樗枰妮?出信號，也即：實現(xiàn)數(shù)字濾波就必須把輸入輸出信號關 系轉(zhuǎn)變成可實現(xiàn)的數(shù)學模型或算法。U1、正弦波信號發(fā)生器4離散系統(tǒng)的輸入輸出關系有幾種不同的描述方法,例如：時域卷積、差分方程、頻域的離散傅立葉變換、

2、 復頻域的 Z Z 變換等， 最常用的描述離散系統(tǒng)的數(shù)學形式 是系統(tǒng)函數(shù) H(Z)H(Z)或差分方程。數(shù)字系統(tǒng)可以分為：無限沖激響應系統(tǒng)(IIR)和有限 沖激響應系統(tǒng)(FIR) oIIR系統(tǒng)因為與過去輸出有關，所以網(wǎng)絡結構有反饋 支路稱為遞歸結構，F(xiàn)IR系統(tǒng)只與激勵有關沒有反饋支路, 稱為非遞歸結構。IIR系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù) H(Z)H(Z)有極點，F(xiàn)IR系統(tǒng)的系統(tǒng)函 數(shù) H(Z)H(Z)只有零點；IIR系統(tǒng)的差分方程 y(n)y(n)除了與當前及以往的激勵有 關，還與以前的輸出有關，F(xiàn)IR系統(tǒng)的差分方程 y(n)y(n)只與當前及以往的激勵有關，而與過去的輸出無關; IIR系統(tǒng)的單位沖激響應 h

3、(n)h(n)有無窮多項，F(xiàn)IR系統(tǒng)的h(n)h(n)只有有限項;61. FIR濾波器基本概念FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為N-1H(z)=h(i)zTi=0沒有反饋回路，因此它是穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位沖激響應 h(n)h(n) 是一個有限長序列。FIR系統(tǒng)的差分方程為y(n)=Zh(i)x(n-i)i=0實際上是一種乘法累加運算。FIR濾波器的基本結構圖:由結構圖看出，實際算法由一組基本運算單元：乘法器、 加法器、延遲器組成。顯然，最主要的問題是延遲環(huán)節(jié) 如何實現(xiàn)。申2. FIR濾波器中zT的實現(xiàn)(1)用線性緩沖區(qū)法實現(xiàn)才1對于N級的FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個 稱為滑窗的N個單元的線性數(shù)據(jù)緩沖

4、區(qū)，存放最新的N個輸入樣本；從最老的樣本開始，每讀一個樣本后， 將此樣本向下移位，讀完最后一個樣本后，輸入最新 樣本至緩沖區(qū)的頂部。用線性緩沖區(qū)實現(xiàn)刃的優(yōu)點是，新老數(shù)據(jù)在存儲 器中存放的位置直接明了。5y(n) = yaix(n i)i=0教惟存蔭券毅悟存儲券教據(jù)存?zhèn)帓昃€隹蟹昭區(qū)頂部x(n)PORTR-x(n+l)PORTR fx (n+2)x(n-l)x(n)x (n+1)x(n-2)x(n-l)x(n)x(n-3)K:n-2)x(n-l)tx(n-4)x(n-3)tx(n-2)*AKx fx(n-5)x(n-4)*ARx fx(n-3)(a)(b)(c)N二6的線性緩沖區(qū)存儲器圖數(shù)據(jù)的輸入

5、/輸出C54x片內(nèi)沒有I/O資源，CPU通過外部譯碼可以尋址64K的I/O空間。有兩條實現(xiàn)輸入和輸出的指令：PORTR PA, Smem；將PA端口的內(nèi)容送;數(shù)據(jù)存儲器SmemPORTW Smem, PA；將地址為Smem的數(shù)據(jù);存儲器內(nèi)容送端口PA使用存儲器延時指令DELAY,可以將數(shù)據(jù)存儲單元 中的內(nèi)容向較高地址的下一單元傳送。實現(xiàn)多1的運算指令為：DELAY Smem ； (Smem) -Seme+1,數(shù)據(jù)存儲器;單元的內(nèi)容復制下一高地址單元DELAY *AR2 ； AR2指向源地址，即將AR2所指單;元內(nèi)容復制到下一高地址單元中 ;延時指令與其它指令結合LD+DELAY-LTD指令；單

6、數(shù)據(jù)存儲器的值裝入;T寄存器并送下一單元延時MAC+DELAYMACD指令；乘加延遲存儲器的用循環(huán)緩沖區(qū)法實現(xiàn)刃在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個稱為滑窗的N個單元的循環(huán) 緩沖區(qū)，循環(huán)緩沖區(qū)地址首尾相鄰：滑窗中存放最新的N個輸入樣本，每次輸入新樣本時，以新樣本改寫滑窗中環(huán)緩沖區(qū)長度寄存器對滑窗進行間接尋址。利用循環(huán)緩沖區(qū)實現(xiàn)Z-1的優(yōu)點是不需要移動數(shù)據(jù)， 不存在一個機器周期中要求能一次讀和一次寫的數(shù)據(jù)存 儲器，因而可以將循環(huán)緩沖區(qū)定位在數(shù)據(jù)存儲器的任何 位置(線性緩沖區(qū)要求定位在DARAM)。5y(n) =工aiX(n-i)i=0數(shù)據(jù)存儲券數(shù)館存佬醫(yī)教據(jù)存佬髯循牙級衍區(qū)頂加x(n)J ARxlx(n)-t

7、ni*ARxx(n-l)x(n-l)x(n-l)x(n-2)x(n-2)x (n-2)x(n-3)x(n-3)x(n-3)x(n-4)x(n-4)x (n+2)循壞遂沖區(qū)礁郡x(n-5)x(n+l)ARxx (n+1)4(3)(b)(c)N=6的循環(huán)緩沖區(qū)存儲器圖老的數(shù)據(jù)，1114y (n) =box (n) +b】x (n-1) +.+_図(n-N+1)其結構圖FIRFIR 濾波算法實際上是一種乘累加運算。它不斷地從輸入 端讀入樣本值 x/l,x/l,經(jīng)延時(刃)后做乘法累加，輸出濾波 結果+-I IFIRFIR 濾波算法實際上是一種乘累加運算。它不斷地從輸入端讀入樣本值班叭，經(jīng)延時(0)(

8、0)后做乘法累加，輸出 濾波結果yy。C54xC54x 通過兩種方法實現(xiàn) FIRFIR 濾波器的延遲:1.1.線性緩沖區(qū)法2.循環(huán)緩沖區(qū)法3 3 系數(shù)對稱 FIRFIR 濾波器的實現(xiàn)方法3.FIRIR濾波器的輸出表達式寫為x(n)-牙S_l)- .r(n-2)- - p”_N+l)y(/0先將系數(shù)a0a4存放在數(shù)據(jù)存儲器中，然后設置線性緩沖區(qū), 用以存放輸入和輸出數(shù)據(jù)。15 title“FIR1. ASM”:定義源程序名 mmregs;定義存儲器映象寄存器 defstart;定義謠旬標號start bssy,i:為結果y預留1個單元的空間XN usect“XNS 1;在自定義的未初始化段“XN

9、XNM1 .usect“XNJ 1；中保留5個單元的空間XNM2 usect“XNJ XNM3 .usectUXN5 1XNM4 usect“XNX 1AO usect“AO, 1;在自定義的未初始化段“A0”Al usect“A0= 1；中保留5個單元的空間A2 usect“AOS 1A3 usectuA0M, 1A4 usect“AO冷1(1)用線性緩沖區(qū)和直接尋址方法實現(xiàn)FIR:編寫N二5的y(n)計算程序。線性緩沖yy(njXNx(n)XIW1x(n-l)XIIY2x(n-2)xu?nx(n-3)XIW4x(n-4)14PAO set0;定義PAO為輸出端口PAI set1:定義PA1

10、為輸入端口.dataMVPD table/AR1+；傳送程序空間的系數(shù)到數(shù)據(jù)空間LD #XN,DP:設置數(shù)據(jù)存儲器頁指針的起始位置MPYA4,A；a4*x(n-4)ALTDXNM3；x(n-3)T, x(n-3)x(n-4)MACA3,A；A+a3*x(n-3)ALTDXNM2；x(n-2)T, x(n 2) )Tx(n-3)MACA2,A；A+a2JT, x(n l)x(n-2)MACA1,A；A+a巾x(n l)LTDXN;x(n)x(n)-*x(n-l)MACA0,A；A+a0*x(n)ASTHA,y;保存y(n)的高字節(jié)PORTW y,PA0；輸出y(n)BD FIR1；執(zhí)行完下條指令

11、后循環(huán)(帶延遲轉(zhuǎn)移)PORTR PA1,XN；輸入新的x(n)PORTR PA1,XN;從數(shù)據(jù)輸入端口I/O輸入最新數(shù)據(jù)x(n)FIR1: LD XNM4,T；x(n-4)Ttable: .word 1咖32768/10.word -3*32768/10.word 5*32768/10;假定程序空間有五個參數(shù)textstart:SSBXSTM #A0,ARRPT #4;設置進行小數(shù).end20vectors.obj fir 1 obj一0 firl. out -m firl. map一e startMEMORY PAGE 0 :EPROM:VECS:org=01000Horg=03F80Hle

12、n=01000Hlen00080HPAGE 1 :SPRAM:org=00060Hlen00020HDARAM: org=00080Hlen01380H SECTIONS VECSPAGE 0EPROMPAGE 0EPROMPAGE 0SPRAMPAGE 1DARAM align(8) PAGEDARAM align(8) PAGE 用線性緩沖區(qū)和間接尋址方法實現(xiàn)FIR| 例： 編寫y (n) =aO*x (n) +al*x (nl) +a2*x (n2) +a3*x (n3) +a4*x (n4),的計算程序，其中N=5。將系數(shù)aa。存放在數(shù)據(jù)存儲器中，并設置線性緩沖區(qū) 存放輸入數(shù)據(jù)。利用A

13、R1和AR2分別作為間接尋址線性緩沖 區(qū)和系數(shù)區(qū)的輔助寄存器。 vectors: text:bss:XN: title “FIR2 ASfcT :定義源程序名 mmregs9定義存儲器映象寄存器 defstart；定義語句標號start bssy, 1；為結果y預留1個單元的空間x usect x, 5；在自定義的未初始化段“x中保留5個單元的空間d usect W 5;在自定義的未初始化段“曠中保留5個單元的空間PAO set0 :定義PAO為輸出端口PAI set1 ;定義PA1為輸入端口 datatable:. word2*32768/10；假定程序空間有五個參數(shù) word-3*3276

14、8/10 word4*32768/10 word-3*32768/10 word2*32768/10textstart:SSBXSTM#a,ARRPT#4MVPD table/5* AR2+:小數(shù)相乘;將數(shù)據(jù)空間用于放系數(shù)的首地址送AR2;重復下條指令5次傳送:傳送程序空間的系數(shù)到數(shù)據(jù)空間STM#x4,STM#a4,AR2;ARI指向x(n 4)24系數(shù)a0a4存放在程序存儲器中，輸入數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù) 存儲器的線性緩沖區(qū)中。乘法累加利用MACD指令，該指令完成數(shù)據(jù)存儲器單元與程序存儲器單元相乘，并累加、移位的功能。MPYLTDMACLTDMACLTDMACLTDMACSTHPORTW y(n),

15、PAOBDPORTRPAlARl+Oend；x(n-4)-T；a4:A；x(n-3)T, x(n-3)x(n-4)）用線性緩沖區(qū)和帶移位雙操作數(shù)尋址方法實現(xiàn)FIR例： 編寫y (n)二aO*x (n) +al*x (nl)+a2*x (n2)+a3*x (n3) +a4*x (n4),的計算程序，其中N二5。FIR2:LDtitle “FIR3.ASM”mmregs.def startbss y,l;定義源程序名;定義存儲器映象寄存器;定義語句標號start；為結果y預留1個單元的空間Xusect6；在自定義的未初始化;段“亡中保留6個單元PAOset 0:定義PA0為輸出端口PAIset 1

16、 data;定義PA1為輸入端口;假定程序空間有五個參數(shù)COEF:word廣32768/10；a4.word 4 32768/10;a3.word 3*32768/10;a2word -4*32768/10;alword l:PAR, x(n-4)-x(n-3);暫存結果到y(tǒng)(n);輸出y(n)到PAU, ARI指向x(n);執(zhí)行下條指令后循環(huán);輸入新數(shù)據(jù)到x(n),ARl指向x(n-4)start：SSBXSTMSTMFRCT #x+5,ARI #4, ARO#x+l, DPPORTR PAI, x+lFIR3：RPTZ A,#4;設置小數(shù)乘法:ARI指向x(n 4);設MACD疥AR1 ,

17、COEF,ASTHA JAR1PORTW AR1+, PAOBDFIR3PORTR PAI,碎AR1+028(4)用循環(huán)緩沖區(qū)和雙操作數(shù)尋址方法實現(xiàn)FIR【例】用循環(huán)緩沖區(qū)和雙操作數(shù)尋址方法編寫實現(xiàn)FIR濾波的程序。1) FIR濾波器設計設計一個FIR低通濾波器，通帶邊界頻率為1500Hz,通帶波紋小于ldB；阻帶邊界頻率為2000Hz,阻帶衰減大 于40dB；釆樣頻率為8000HzoFIR濾波器的設計可以用MATLAB窗函數(shù)法進行。b=firl(16, 1500/8000*2)-設計濾波器參數(shù)h=round(b*215)-浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為定點數(shù)Q15格式272)產(chǎn)生濾波器輸入信號的文件按照通常的

18、程序調(diào)試方法，先用Simulator逐步調(diào) 試各子程序模塊，再用硬件仿真器在實際系統(tǒng)中與硬 件儀器聯(lián)調(diào)。使用CCS的Simulator進行濾波器特性測 試時，需要輸入時間信號x(n)。本例設計一個采樣頻率Fs為8000Hz,輸入信號頻 率為1000Hz和2500Hz的合成信號，通過設計的低通濾 波器將2500Hz信號濾掉，余下1000Hz信號。*一個FIR濾波器源程序fir. asm * mmregs global start defstart, _c_int00INDEX set1KS set256;輸入樣本數(shù)據(jù)個數(shù)N set17；FIR濾波器階數(shù)COEF FIR sec trCOEF FI

19、R；FIR濾波器系數(shù)29 word word data0, 158, 264廠290廠1406廠951, 3187, 9287, 122729287, 3187, -951, T406, -290, 264,158,0INPUT copyfirin. inc；輸入數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)0 x2400OUTPUT space1024;輸出數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)0 x2500COEFTAB useet“FIR_COEF”，N;自定義段，為未初始化變量DATABUF useet“FIR_BFR” ,N；保留存儲空間BOS useet“STACK” ,0FhTOS useet“STACK” , 1）編寫FIR數(shù)FIR數(shù)字

20、濾#(DATABUF+N-1),DATA_P ；數(shù)據(jù)循環(huán)緩沖區(qū)指針;指向xn- (N-l)STM #COEFTAB, COEF_PFIR_TASK:STM #INPUT, INBUF_PSTM #OUTPUT, OUTBUF_PSTM #KS-1,BRC；塊重復計數(shù)器nopnopSSBX FRCT；設置小數(shù)乘法將FIR系數(shù)從程序存儲區(qū)STM#COEFTAB, COEF_P ；RPT#N-1；移到數(shù)據(jù)存儲區(qū)MVPD#COEF_FIR, *COEF_P+STM#INDEX, INDEX_Pstart:textasg ARO, INDEX_Pasg AR4, DATA_Pasg AR5, COEF_

21、Pasg AR6, INBUF_Pasg AR7, OUTBUF_Pc_intOOb start.文本段;將一個字符串賦給一個符號;輸入數(shù)據(jù)x(n)循環(huán)緩沖區(qū)指針:FIR系數(shù)表指針;模擬輸入數(shù)據(jù)指針;FIR濾波器輸出數(shù)據(jù)指針STM#DATABUF,;數(shù)據(jù)循環(huán)STLSTMA, *DATA P+34LOOP:EENDB EEND endfir. obj-m fir. map -o fir. outMEMORYPAGE0:R0M1(RIX):ORIGIN二0080H, LENGTH二100HPAGE1:INTRAMI (RW) :ORIGIN二2400H, LENGTH二0200HINTRAM2 (

22、RW) :ORIGIN二2600H, LENGTH二0100HINTRAM3(RW) :ORIGIN二2700H, LENGTH二0100HB2B(RW):ORIGIN二0070H, LENGTH二10HRPTBD LOOP-1STM#N, BK;FIR循環(huán)緩沖區(qū)大小LD*INBUF_P+, A;裝載輸入數(shù)據(jù);FIR濾波運算STLA, *DATA_P+%;用最新的樣本值;替代最舊的樣本值RPTZ A,N-1MAC*DATA_P+0%, *C0EF_P+0%, A ；計算STHA, *OUTBUF_P+FIR_FILTER:編寫FIR濾波器鏈接命令文件以上匯編程序的鏈接命令文件f ir cmd如

23、下:36SECTIONS text dataFIR_COEF FIR_BFR stack5) CCS集成開發(fā)環(huán)境下上機操作過程 在CCS上建立fir工程并運行fir. out程序。(2)觀察輸入信號的波形及頻譜。(3)觀察輸出信號的波形及頻譜。35(ROM1INTRAM1INPAGE0PAGE38Graph 性設置窗口37輸入信號的時域波形輸入信號的頻譜圖40濾波器輸出信號時域波形濾波器輸出信號頻譜圖系數(shù)對稱的FIR濾波器具有線性相位特性，這種濾波 器是用得最多的FIR濾波器，特別是對相位失真要求很高 的場合。如果FIR濾波器的h(n)是實數(shù)，且滿足偶對稱h(n)=h(N-l-n)或奇對稱h(

24、n)=-h(N-l-n)的條件，則濾波 器具有線性相位特性。兀/2-1y(n) =，h ： x(n - i) + x(n - N +1 + i)i=O一個對稱FIR濾波器滿足h (n)二h (N-l-n)。LB3953Graphical Display1aw1WO 2400A FFTbiaaLh AutcScale Rectana血394.系42例如，N二8的FIR濾波器，其輸出方程為：Y (n) =hox (n) +hX (nl) +h2x (n-2) +h3x (n3) +h3x (n4)+h2x (n-5) +hX (n-6) +hx (n-7)總共有8次乘法和7次加法。如果利用對稱性，

25、可將其 改寫成：Y (n) =h0 x (n) +x (n-7) +h】x (n-1) +x (n-6) +h2x (n-2)+x (n-5) +h3x (n-3) +x (n4)變成4次乘法和7次加法，乘法運算的次數(shù)少了一半。這是對稱FIR的一個優(yōu)點。41對稱FIR濾波器的實現(xiàn)可按如下步驟進行:43(1)將數(shù)據(jù)存儲器分為新舊兩個循環(huán)緩沖區(qū)，每個循環(huán)緩 沖區(qū)的長度為N/2,New循環(huán)緩沖區(qū)中存放N/2=4個新數(shù)據(jù);Old循環(huán)緩沖區(qū)中存放N/2二4個老數(shù)據(jù)。88hx(n4)COEF力089hx (n-5)TJI8 Ahx (n-6)hi8Bhx (n-7)-*-AR3數(shù)據(jù)存住券Old循壞嫂沖區(qū)系

26、數(shù)奩低地址高地址44(2)設置循環(huán)緩沖區(qū)指針，以AR2指向New循環(huán)緩沖區(qū)中最新 數(shù)據(jù)；以AR3指向Old循環(huán)緩沖區(qū)中最老數(shù)據(jù)。(3)在程序存儲器中設置系數(shù)表。(4)(AR2) + (AR3)AH(累加器A的高位)，AR2-1AR2, AR3-AR3。(5)將累加器B清0,重復執(zhí)行4次(i二0, 1,2, 3)下面的運算:(AH)*系數(shù)hj+(B)fB,系數(shù)指針(PAR)加1, (AR2) + (AR3) AH, AR2和AR3減1。43保存和輸出結果(結果在BH中)。(7)修正數(shù)據(jù)指針，讓AR2和AR3分別指向New循環(huán)緩沖區(qū)最新的數(shù)據(jù)和Old循環(huán)緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)。(8)用New循環(huán)緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)替代Old循環(huán)緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)。Old循環(huán)緩沖區(qū)指針減1。(9)輸入一個新數(shù)據(jù)替代New循環(huán)緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)。 重復執(zhí)行(4)(9)步。C54x的有限沖激響應濾波器指令FIRS為：FIRS Xmem, Ymem, Pmad該指令執(zhí)行Pmad-PAR (程序存儲器地址寄存器)當(RC)!= 0(B) + (A (3216) X(