FIR濾波器在DSP上的實現(xiàn)

1、FIR濾波器在DSP上的實現(xiàn)1-引言在信號處理中，濾波占有十分重要的地位。數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的基本方法。數(shù)字濾波與模擬濾波相比有很多優(yōu)點。它除了可避免模擬濾波器固有的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題外，還能滿足濾波器對幅度和相位的嚴(yán)格要求。數(shù)字濾波是語音處理、圖像處理、頻譜分析等應(yīng)用中的基本處理算法。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。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)境影響等優(yōu)點。數(shù)字濾波器分為有限沖激響應(yīng)濾波器FIR和無限沖激響應(yīng)濾波器HRo對稱FIR濾波器在數(shù)字信號處理中應(yīng)用十分廣泛，常用于相位失真要求較高的場合，

2、例如：(1)通信系統(tǒng)：調(diào)制解調(diào)器、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)等，都要求保證數(shù)據(jù)脈沖的形狀和通道中的相關(guān)時間。f2)希爾伯特變換器：要求輸入輸出信號正交。(3)高保真音響系統(tǒng)：音樂的相位失真必須減到最小，盡可能逼真地重現(xiàn)原來的聲音等等。山于FIR是全零點的濾波器，因而系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。這對于系統(tǒng)綜合是很重要的。2.FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)h(n)(n=0,l,2,.,N1)為濾波器的沖激響應(yīng)，輸入信號為x(n),則FIR濾波器就是要實現(xiàn)下列差分方程：N7y(n)=Ah(k)x(n-k)(1)式(1)就是FIR濾波器的差分方程。FIR濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路，因此它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。它的單位脈沖響應(yīng)h

3、(n)是一個有限長序列。由上面的方程可見，F(xiàn)IR濾波算法實際上足一種乘法累加運算，它不斷地輸入樣本x(n),經(jīng)延時做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果y(n)。FIR濾波器的一個分支的延時線，把每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出。結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由一條均勻間隔的延遲線上對抽失信號進行加權(quán)求和構(gòu)成。h(N-l)圖IFIR濾波器的直接型結(jié)構(gòu)圖3?利用MATLAB確定濾波器的系數(shù)設(shè)計一個線性相位FIR低通濾波器，技術(shù)指標(biāo)：通帶截止頻率fp二1300Hz,阻帶起始頻率fst=2250Hz,通帶允許的最大衰減為Rp二0.25dB,阻帶應(yīng)達(dá)到的最小衰減為As二50dB°濾波器的采樣頻率為fs=160

4、00Hz。這里采用窗函數(shù)設(shè)計法設(shè)計FIR濾波器，首先根據(jù)阻帶衰減As=50dB來選擇窗形狀，海明窗和布拉克曼窗等窗函數(shù)均可提供大于30dB的衰減。由于海明窗可提供較小的過渡帶寬，所以選擇海明窗。然后編寫MATLAB程序，求出技術(shù)指標(biāo)中fp、fst相對應(yīng)的數(shù)字頻率，求出過渡帶寬，由過渡帶寬確定窗口長度N,求出低通濾波器的截止頻率，由firl函數(shù)求出濾波器的系數(shù)。這部分MATLAB程序如下：fp=1500;fst=2250;fs=16000;n=N-l;wp=2*fp/fs;階數(shù)n%輸入設(shè)計指標(biāo)通帶截止頻率%求歸一化數(shù)字ws=2*fst/fs;始頻率deltaw=ws-wp;N0=ceil(6.6

5、/deltaw);N=N0+inod(N0+l,2);%求歸一化數(shù)字阻帶起%求過渡帶寬%求窗口長度%確保窗口長度N為奇數(shù)%求出濾波器的wn=(ws+wp)/2;%求濾波器的截止頻率%利用fi"函數(shù)求出濾b=firl(n,wn);波器的系數(shù)bl=round(b*10000);fn=fopen(<,w,);%將系數(shù)用整數(shù)表示%將系數(shù)存放在文件COEF_FIR.incfclose(fn)運行后得到：N=71,wp=0.1875,ws=0.2813,wn=0.2344o再編制以下MATLAB程序段用于檢驗Rp和As是否滿足設(shè)計要求：H,w=freqz(b,l);%計算頻率響應(yīng)mag=a

6、bs(H);%求幅頻特性db=20*logl0(mag/max(mag);%化為分貝值dw=pi/512;Rp=-(min(db(1：wp*pi/dw+1)%檢驗通帶波動As=-(max(db(ws*pi/dw+1：512)%檢驗最小阻帶衰減求得濾波器的RP=O.0404dBtAs=51.1829dB,滿足設(shè)計要求。4.DSP實現(xiàn)FIR濾波器程序設(shè)計的總體思路是：啟動ADS7864對輸入的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，每采集到一個數(shù)據(jù)就送人DSP濾波運算，運算結(jié)果送DAC7625轉(zhuǎn)換為模擬量。不斷地重復(fù)上述過程，在DAC7625的輸出端就得到濾波后的模擬信號。為了精確地控制ADS7864的采樣率，使用

7、TMS320VC5416內(nèi)部的定時器控制采樣時間間隔設(shè)置定時器的定時時間等于采樣時間間隔并讓它工作在中斷方式，則定時器每過T時間就向CPU發(fā)岀中斷請求，CPU響應(yīng)中斷請求，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，對轉(zhuǎn)換結(jié)果進行濾波運算，并將運算結(jié)果送分。為了D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量。因此，程序分為主程序和定時器中斷服務(wù)程序兩部提高程序運行速度，全部程序用匯編語言編寫。(1)主程序流程圖主程序流程圖如圖2所示。主程序首先完成DSP的初始化，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，最后等待定時器中斷。DSP的初始化包括：設(shè)置堆棧用于存放定時中斷的斷點地址；設(shè)置DSP的工作頻率，TMS320VC541

8、6的工作頻率最高可達(dá)到160MHz,可以根據(jù)采樣率來選擇相應(yīng)的工作頻率；設(shè)置定時器的定時參數(shù)，以確定A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率；定時器開中斷等。(2)定時器中斷服務(wù)程序流程圖定時器中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。由圖3看出，濾波運算是在定時器中斷服務(wù)程序中完成的，因此，中斷服務(wù)程序稍長，但由于全部程序采用匯編語言指令編寫，執(zhí)行速度快，而且TMS320VC5416的工作頻率最高可達(dá)160MHz,在定時器定時周期內(nèi)有充裕的時間完成中斷服務(wù)程序的運行(3)匯編語言程序主程序.mmregs.defstart.defINLOOP.bsswO,l.bsswljSTACK.usect“STACKOHx?“

9、7;-7Ax,71usect.dataCOEF.copy“COEF_FIR.Inc”；FIR濾波器系數(shù).textstartSSBXINTM;關(guān)中斷STM#STACK+IOH,SP;設(shè)置堆棧STM#0124H,PMST;OVLY=1,MP/MC=O,IPTR=002HSSBXOVM;OVM=1SSBXFRCT；FRCT=1,準(zhǔn)備做小數(shù)乘法RSBXSXMLD#6h,A;選擇ADS7864的通道APORTW*(8H),3H;設(shè)置DSP時鐘頻率STM#0b,CLKMD；切換到DIV方式CLKMD,ATst:LDMAPOrTR2H,w#01b,A;讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存于wO中BCTst,ANEQ；AZ0

10、,繼續(xù)檢測STM#97FFH,CLKMD；設(shè)置為PLLxlO方式LD#OH,A；hold=0,啟動A/D轉(zhuǎn)換PORTW*(8H),4HRPT#30;延時NOPLD#1H,A;hold=1PORTW*(8H),4H;設(shè)置定時器，采樣速率16000赫茲STM#0E79H,TCR;預(yù)定標(biāo)分頻系數(shù)TDDR=9STM#3E7H.PRD淀時器時間常數(shù)=999STM#08H,IMR;允許定時器中斷STM#08H.IFR;定時器中斷標(biāo)志清零STM#0E69H.TCR;啟動定時RSBXINTM;開中斷WAITBWAIT;等待定時中斷由于所設(shè)計的FIR濾波器的系數(shù)多達(dá)71個，所以在前面的MATLAB程序中將系數(shù)放

11、在文件COEF_FIR.inc中，這樣在匯編語言主程序中就可以通過.copy匯編命令將文件COEF_FIR.inc復(fù)制到匯編程序中，免去手工輸入系數(shù)的麻煩。INLOOPSSBXINTM;禁止中斷）定時器中斷服務(wù)程序LD#OH,APORTW*(8H),4HRPT#30NOPLD#1H,APORTW*(8H),4HLD#wO,DPLD#OFOOOH,A否有效ANDwO,ASTLA,wlCMPMwl,8000HBCGOBACK,NTC主程序LDwO,A有效，wO送ASTLA,4,w0wO中LDwO,-4,ALD#x+l,DPSTLA,x+1由DSP進行運算STM#x+71,AR1FIR3RPTZA,#70:hold=0?啟動A/D轉(zhuǎn)換;延時;hold=l;判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果是:若轉(zhuǎn)換結(jié)果無效則返回;去掉高4位后再存于:右移4位；送入x+1,準(zhǔn)備:AR1指向線性緩沖區(qū):DSP進行濾波運算;轉(zhuǎn)換結(jié)果MACD*AR1-,C0EF,ASTHA,*ARIPORTR2H,wO;讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存于wO中；運算結(jié)果送D/A轉(zhuǎn)換器PORTW*ARI,1000hLD#1FH,APORTW*(8H),1004HGOBACKRSBXINTMRETE.END5.結(jié)束語;使D/A轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換;開中斷;返回主程序在上面的匯編語言程序中，F(xiàn)IR濾波器采用的是直接型結(jié)構(gòu)，