FIR濾波器及其DSP實現(xiàn)

FIR濾波器及其DSP實現(xiàn)

摘要DSP技術(shù)一般指將DSP處理器用于完成數(shù)字信號處理的方法與技術(shù)。目前的DSP芯片以其強大的數(shù)據(jù)處理功能在通信和其他信號處理領(lǐng)域得到廣泛注意并己成為開發(fā)應(yīng)用的熱點技術(shù)。許多領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)字信號處理器的應(yīng)用都是圍繞美國德州儀器所開發(fā)的DSP處理器來進行的。DSP芯片是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器。主要應(yīng)用是實時快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，如卷積及各種變換等。關(guān)鍵詞：DSP；FIR濾波器1緒論1.1引言隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理己成為如今一門極其重要的學科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號處理在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號處理的應(yīng)用中，數(shù)字濾波器很重要而且得到了廣泛的應(yīng)用。按照數(shù)字濾波器的特性，它可以被分為線性與非線性、因果與非因果、無限長沖擊響應(yīng)(IIR)與有限長沖擊響應(yīng)(FIR)等等。目前FIR濾波器的實現(xiàn)方法大致可分為三種：利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP器件和可編程邏輯器件實現(xiàn)。單片通用數(shù)字濾波器使用方便，但由于字長和階數(shù)的規(guī)格較少，不能完全滿足實際需要，使用以串行運算為主導的通用DSP芯片實現(xiàn)要簡單，是一種實時、快速、特別適合于實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算的微處理器，借助于通用數(shù)字計算機按濾波器的設(shè)計算法編出程序進行數(shù)字濾波計算。由于它具有豐富的硬件資源、改進的哈佛結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強大的指令系統(tǒng)而在通信、航空、航天、雷達、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。L2課題背景數(shù)字信號處理就是用數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)各種算法，由于具有精度高、靈活性強等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用在數(shù)字圖像處理、數(shù)字通信、數(shù)字音響、聲納、雷達等領(lǐng)域。數(shù)字濾波技術(shù)乂是進行數(shù)字信號處理的最基本手段之一，它是對數(shù)字輸人信號進行運算，產(chǎn)數(shù)字輸出信號，以改善信號品質(zhì)，提取有用信息，或者把組合在一起的多個信號分量分離開來為目的。在信號處理領(lǐng)域中，對于信號處理的實時性、快速性的要求越來越高，因此在許多信息處理過程中，如對信號的過濾、檢測、預測等，都要廣泛地用到濾波器。其中數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、設(shè)計靈活、實現(xiàn)方便等許多突出的優(yōu)點，避免了模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題，因而隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)濾波器的功能越來越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。而有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器能在設(shè)計任意幅頻特性的同時保證嚴格的線性相位特性，在示否音、數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用非常廣泛。1.3研究意義用可編程DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波可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。因此，我們有必要對濾波器的設(shè)計方法進行研究，理解其工作原理，優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計開發(fā)穩(wěn)定性好的濾波器系統(tǒng)。我們將通過DSP設(shè)計平臺，實現(xiàn)較為重要的FIR和自適應(yīng)濾波器系統(tǒng)。從而通過本課題的研究，掌握濾波器的設(shè)計技術(shù)，為通信、信號處理等領(lǐng)域?qū)嵱没瘮?shù)字濾波器設(shè)計提供技術(shù)準備。本科題的研究，將為今后設(shè)計以DSP為核心部件的嵌入式系統(tǒng)集成提供技術(shù)準備，這不僅具有重要的理論意義，同時還具有重要的實際意義。1.4主要研究內(nèi)容本課題是基于TI公司近年推出的高性能定點DSPTMS320C5410設(shè)計濾波器系統(tǒng)，如：有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)o本次課題的主要任務(wù)，就是掌握DSP芯片開發(fā)技術(shù)，完成如下工作：1、用窗函數(shù)法實現(xiàn)FIR濾波器，通過調(diào)用四種窗口函數(shù)，截取不同的帶通與低通濾波原型，滿足以下性能要求：帶通濾波器：下阻帶邊緣：％=0眼，4=60/；下通帶邊緣：％=0.35/,匕=IdB上通帶邊緣：口”=0.65/r,Rp=\dB；上I；且?guī)н吘墸嚎凇?0.8勿，A,=60dB低通濾波器：弓,=0.2勿，Rp=0.25JB:饑=0.3萬，A,=50"B2、研究DSP的結(jié)構(gòu)特點，了解TI公司的TMS3205410DSP器件，掌握DSP系統(tǒng)的構(gòu)成及軟硬件設(shè)計方法和CCS軟件的調(diào)試方法;并以TI公司的TMS3205410DSP為核心處理器，在DSP上實現(xiàn)FIR濾波器系統(tǒng)。

2、DSP及其開發(fā)環(huán)境一個典型的DSP系統(tǒng)如圖2.1示。圖2.1典型的DSP系統(tǒng)圖2.1是一個用DSP做信號處理的典型框圖。由于DSP是用來對數(shù)字信號進行處理的，所以首先必須將輸入的模擬信號變換為數(shù)字信號。于是先對輸入模擬信號進行調(diào)整，輸出的模擬信號經(jīng)過AD變換后變成DSP可以處理的數(shù)字信號，DSP根據(jù)實際需要對其進行相應(yīng)的處理，如FFT、卷積等；處理得到的結(jié)果仍然是數(shù)字信號，可以直接通過相應(yīng)通信接口將它傳輸出去，或者對它進行D/A變換將其轉(zhuǎn)換為模擬采樣值，最后再經(jīng)過內(nèi)插和平滑濾波就得到了連續(xù)的模擬波形模擬信號。一般來說DSP的設(shè)計過程應(yīng)遵循一定的設(shè)計流程，如圖2.2示。圖2.2DSP基本設(shè)計流程3、FIR濾波器的DSP的實現(xiàn)3.1FIR濾波器的實現(xiàn)方法在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，常常要用到FIR數(shù)字濾波器，這是因為用FIR濾波器可以逼近任意幅頻特性的濾波器，并獲得很好的性能，在本論文中介紹FIR低通濾波器的DSP實現(xiàn)。TMS3205410是16位的定點處理器，所以在進行匯編程序設(shè)計時，F(xiàn)IR濾波器系數(shù)要采用Q15格式，即必須將上述系數(shù)轉(zhuǎn)化為Q15格式，這只要將濾波器各系數(shù)乘以2"即可。用DSP實現(xiàn)ZT算法是十分方便的，常用的方法有兩種：線性緩沖區(qū)法和循環(huán)緩沖區(qū)法。在本文中采用的是循環(huán)緩沖法，循環(huán)緩沖區(qū)法的特點是：對于N階的FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個也稱為滑窗的N個單元的緩沖區(qū)，滑窗中存放最新的N個輸入樣本；每次移入新的樣本時，以新樣本改寫滑窗中老的數(shù)據(jù)，而滑窗中的其他數(shù)據(jù)不需要移動；利用片內(nèi)BK(循環(huán)緩沖區(qū)長度)寄存器對滑窗進行間接尋址，循環(huán)緩沖區(qū)地址首尾相鄰。FIR濾波器的核心算法是計算輸入信號與濾波器系數(shù)的卷積。設(shè)x(n)為輸入信號，h(n)為FIR濾波器的沖擊響應(yīng)，n=0,…，N-1,貝"FIR濾波器的輸出y(n)就是x(n)與h(n)的卷積，即：Ar-1y(n)=￡x(n-/n)*h(m);?r=0由于卷積是數(shù)字信號處理中最常用到的算法，因此兒乎所有的DSP芯片中都設(shè)有專門的指令支持卷積運算。在TMS3205410中可以用macd指令完成卷積。macd指令的形式如下：macd(Smem,pmad,sic)；在macd指令中，Smem是間接尋址參數(shù)，它是指令中指向數(shù)據(jù)存儲器的單地址。Pmad是表示程序存儲器地址的16位常數(shù)。Src表示累加器，可以是A累加器或是B累加器。這條指令在執(zhí)行時，先把指令中的pmad常數(shù)送到程序地址寄存器的PAR中，然后將Smem地址中的數(shù)據(jù)用PAR地址在程序存儲器中讀取的數(shù)據(jù)相乘，并將乘積結(jié)果累加到由Stc指定的累加器中。在指令執(zhí)行時，Smem地址中的內(nèi)容被同時復制到T寄存器和Smem低中之后的下一個地址單元中。若采用repeat指令重復執(zhí)行macd指令，則在執(zhí)行指令的最后，PAR寄存器自動加1,這樣當macd再次執(zhí)行時就直接用PAR中的地址讀取程序存儲器中的數(shù)據(jù)。通常情況下，macd指令執(zhí)行時需要三個周期。但是若用repeat指令執(zhí)行macd,進入流水線后只要一個周期就可以執(zhí)行一次macd指令。由此可見，該指令同時完成了乘累加和數(shù)據(jù)延退(移位)的功能，這正是卷積算法所要求的。對于輸入序列，它在兩個循環(huán)緩沖器里的存儲情況如下，要建立緩沖區(qū)首先將循環(huán)緩沖區(qū)大小寄存器的值設(shè)為N/2輔助寄存器AR4指到緩沖區(qū)KBuffeiD的頂部AR5指到緩沖區(qū)2(Buffer2)的底部，新來一個樣本存儲到緩沖區(qū)1中時，應(yīng)先將緩沖區(qū)1頂部的數(shù)據(jù)移到緩沖區(qū)2底部，處理器然后進行乘加運算，濾波程序每步運算后AR4指向數(shù)據(jù)移到的下一個窗口，而AR5則指向下一個輸入數(shù)據(jù)，對于下一步運算AR4指向地址1,AR5指向地址N/2。如圖3.1示。InputSequenceStorage圖3.1FIR系數(shù)存儲格式示意圖考慮到在執(zhí)行macd指令時是將低地址的數(shù)據(jù)復制到高地址來完成延退功能，所以在用macd指令計算卷積時，先計算x(n-N+l)與h(N-l)的乘積，最后才計算x(n)與h(0)的乘積。因此在程序中，F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)在程序存儲器中按倒序存儲。3.2FIR濾波器的軟件設(shè)計及其調(diào)試本設(shè)計中采用C語言和匯編語言混合編程的方式進行的，程序主體由C語言編寫，而核心的FIR濾波算法則由匯編語言編寫。用C語言開發(fā)DSP程序不僅使DSP開發(fā)的速度大大加快，而且開發(fā)出來的DSP程序的可讀性和可移植性也大大增加，程序修改也很方便。采用C編譯器的優(yōu)化功能可以增加C代碼的效率，在某些情況下，C代碼的效率甚至接近手工代碼的效率。用C語言開發(fā)DSP程序，在DSP芯片的運算能力不是十分緊張時是非常適合的。雖然C編譯器的優(yōu)化功能可以使C代碼的效率大大增加，但是在某些情況下，C代碼的效率還是無法與手工編寫的匯編代碼的效率相比，比如FIR濾波器程序。這是因為，即使最佳的C編譯器，也無法在所有的情況下都能夠最佳地利用DSP芯片所提供的各種資源。用C語言編寫的中斷程序雖然可讀性很好，但由于進入中斷程序以后，有時不管程序中是否用到，中斷程序都將寄存器進行保護，從而大大降低中斷程序的效率。如果中斷程序頻繁被調(diào)用，那么即使一條指令也是至關(guān)重要的。此外，用C語言實現(xiàn)DSP芯片的某些硬件控制也不如匯編程序方便，有些甚至無法用c語言實現(xiàn)。因此，在很多情況下，DSP應(yīng)用程序往往需要用c語言和匯編語言的混合編程方法來實現(xiàn)，以達到最佳利用DSP芯片軟硬件資源的目的。用C語言和匯編語言混合編程的方法主要有以下三種：獨立編寫C程序和匯編程序，分開編譯和匯編，形成各自的目標代碼模塊，然后用鏈接器將c模塊和匯編模塊鏈接起來。例如，F(xiàn)IR濾波程序用匯編語言編寫，對FIR程序用匯編器進行匯編，形成目標代碼模塊，與C模塊鏈接就可以在C程序中調(diào)用FIR程序。直接在C語言程序的相應(yīng)位置嵌入?yún)R編語句。對c程序進行編譯.生成相應(yīng)的匯編程序，然后對匯編程序進行手工優(yōu)化和修改。上面的例子采用的是第一種方法，這是一種常用的C語言和匯編語言接口方法，采用這種方法最重要的是必須遵守c編譯器所定義的函數(shù)調(diào)用規(guī)則和寄存器使用規(guī)則。遵循這兩個規(guī)則就可以保證所編寫的匯編模塊不破壞C語言的運行環(huán)境。C模塊和匯編模塊可以相互訪問各自定義的函數(shù)或變量。在編寫?yīng)毩⒌膮R編程序時，必須注意以下兒點：不論是用c語言編寫的函數(shù)還是用匯編編寫的函數(shù)，都必須遵循寄存器使用規(guī)則。必須保護函數(shù)要用到的兒個特定寄存器，在TMS320C54X的的c編譯中，這些特定的寄存器包括:ARD(FP),ARI(SP),AR6和AR70其中，如果SP正常使用,則不必明確加以保護。換句話說，只要匯編函數(shù)在函數(shù)返回時彈出壓入的對象，實際上就己經(jīng)保護了SP,因而AR1可以自由地使用。其它寄存器是可以自由使用的。函數(shù)返回時ARP必須為to(3),中斷程序必須保護所有用到的寄存器。從匯編程序調(diào)用C函數(shù)時，以逆序方式壓入堆棧，調(diào)用時再將參數(shù)彈出。調(diào)用C函數(shù)時，C函數(shù)只保護兒個特定的寄存器，而對于其它寄存器C函數(shù)是自由使用的。長整型和浮點數(shù)在存儲器中存放的順序是低位字在低地址，高位字在高地址。如果函數(shù)有返回值，則返回值存放在累加器ACC中。匯編模塊不能改變由C程序產(chǎn)生的.emit塊，如果改變其內(nèi)容則會引起不可預測的后果。編譯器在所有的標識符(函數(shù)名、變量名)前要加一下劃杠o因此，編寫匯編語言程序時，必須在C程序可以訪問的所有對象前加。例如，在C程序中定義了變量x,如果要在匯編程序使用，既標記為“x”，如果僅在匯編中使用，則只要不加下劃杠，即使與C程序中定義的對象名相同，也不會造成沖突。任何在匯編中定義的對象或函數(shù)，如果需要在C程序中訪問或調(diào)用，則必須用匯編指令.global定義。同樣，如果在C程序中定義的對象或函數(shù)，需要在匯編程序中訪問或調(diào)用，在匯編程序中也必須用.global指令定義。另外一種C語言和匯編混合編程的方法就是直接在C程序中嵌入?yún)R編語句。采用這種方法一方面可以在C程序中實現(xiàn)用C語言無法實現(xiàn)的一些硬件控制功能，如修改中斷控制寄存器、中斷使能或無效、讀取狀態(tài)寄存器和中斷標志寄存器等。另一方面，也可以用這種方法在C程序中的關(guān)鍵部分用匯編語句代替C語句以優(yōu)化程序。采用這種方法的缺點是比較容易破壞C環(huán)境，因為C編譯器在編譯嵌入了匯編語句的C程序時，并不檢查或分析所嵌入的匯編語句。但是如果對C編譯器和C環(huán)境比較熟悉，采用這種方法也可以對C變量進行自由地操作。與獨立編寫匯編程序?qū)崿F(xiàn)混合編程相比，這種方法具有以下優(yōu)點：程序的入口和出口由C語言自動管理，不必手工編寫匯編程序?qū)崿F(xiàn)。程序結(jié)構(gòu)清晰。這種方法保留了C程序的結(jié)構(gòu)，如變量的定義等，因此程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強。程序調(diào)試方便。由于C程序中的變量全部由C語言來定義，因此采用C源碼調(diào)試器可以方便地觀察C語言變量。匯編程序調(diào)試首先在CCS中建立新的工程fii-.mak,然后將匯編語言源文件(.asm或.c)文件以及中斷向量文件(.asm)、位文件(.emd)添加到工程中。如果是C語言程序則還要添加“stdio.h”、“math,h”“its.hb”編譯通過后生成.out文件，可以直接下載到實驗板上。這時，要注意硬件狀況，特別是要注意硬件指示燈是否各自處于正常狀況，也要注意硬件仿真器是否正常工作。如果硬件沒有問題，程序就可以正常下載，這時打開Momery窗口，可以看到數(shù)據(jù)存儲器己經(jīng)被劃分cofflfir,d_data_buffer,in_buffer,out_buffer等區(qū)。編譯并將整個FIR項目成功地下載到目標系統(tǒng)板后,FIR程序就可以在EVM板上運行。程序見附錄。在主程序中，在flag=0處設(shè)置斷點；單擊“Run”運行程序，程序?qū)⑦\行

至斷點處停止；用View/至斷點處停止；用View/Graph/Tmie/Frequency打開一個圖形觀察窗口如圖3.2所示。圖3.2圖形參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置觀察圖形窗口變量及參數(shù)為：采用雙蹤觀察啟始地址分別為x和y,長度為256的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為32位浮點型變量，這兩個數(shù)組中分別存放的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入混疊信號（輸入信號）和對該信號進行FIR濾波的結(jié)果；單擊“Animate”運行程序，調(diào)整觀察窗口并觀察濾波結(jié)果，如圖3.3ZjSo|t.?rn-*>I*_JjJ,E&>|t.?rn-*>I*_JjJ,E&>■‘?通過測試波形可以看到，該DSP5410實際濾波表現(xiàn)達到了算法仿真的要求。考慮到DSP5410是定點DSP,所以將輸入信號以及濾波器系數(shù)都轉(zhuǎn)換成了定點數(shù),為了防止溢出，將輸入信號的幅值進行縮小，將其控制在-1到1之間。附錄FIR的DSP實現(xiàn)程序Cl:FIR.cJ******************************************************************************TheprogranmieoftheFIRfilter.UsingINT2togettheinputsignal.AiiayxistliemputsignalfiomA/D,thelengthis256,32-bitfloatingpomt.Aiiayyistliesignaloutoffilter,thelengthis256,32-bitfloatingpomt.AiiayhistliecoefficientoftheFIRfilter,thelengthis101,101orderfilter.*******************************************************************************#piagniaCODE_SECTION(vect「'vect”)#include"stdio.h"#iiicludeHmath.hH#definepi3.1415927#defineIMR*(pmem+0x0000)#defineIFR*(pmem+0x0001)#definePMST*(pmem+0x001D)#defineSWCR*(pmem+0x002B)#defineSWWSR*(pmem+0x0028)#defineAL*(pmem+0x0008)#defineCLKMD0x0058/*clockmodereg*/#defineLen256#defineFLen101doublenpass,h[FLen],x[Len],y[Len],xmid[FLen];voidfirdes(doublenpass);unsignedint*pmem=0;loportunsignedcharpoit8001;hitin_x[Len];hitm=0;mtiiitnum=0;doublexinean=0;mti=0;hitflag=0;doublefs,fstop,i;rm;mti,j,p.k=O;voidcpu_init()(//asm(HnopH);//asm(MSTM#0,CLKMD”)；//asm(HSTM#0,CLKMD”)；//asm(Mipt//asm(Mnop”)；//asm(MSTM#0x97ff,CLKMD”)；*(unsignedmt*)CLKMD=0x0;//switchtoDI\Zmodeclkout=1/2clkinwhile(((*(unsignedint*)CLKMD)&01)!=0);'(unsignediiit*)CLKMD=0x27ff;//switchtoPLLX10modePMST=0x3FA0;SWWSR=0x7fff:SWCR=0x0000;IMR=0;IFR=IFR:}iiitemiptvoidint2()(m_x[m]=port8001;in_x[m]&=OxOOFF;intnum=m;if(iiitnum==Len)fmtiium=0;xinean=0.0;fbr(i=0;i<Len;i++){xinean=in_x[i]+xinean;)xinean=1.0*xineaiVLen;fbr(i=0;i<Len;i++){x[i]=(double)(in_x[i]?xinean);)fbr(i=0;i<Len;i++){for(p=0;p<FLen;p++){ximd[FLen-p-l]=ximd[FLen-p-2];)ximd[0]=x[i];r=0;nn=0;for(j=0;j<FLen;j++)r=ximd|j]*h[j];rm=rm+r;)y[i]=nil；)m=0:flag=1;)}voidfirdes(doublenpass){mtt;for(t=0;t<FLen;t++)h[t]=sin(pi*(N?(N-l)/2.0))*(0.54?0.46(cos(2*pi/(N?l)))/(pi*(N.(N.l)/2.0));}if(t=((FLen-l)/2))h[t]=npass;}voidset_iiitQ(asm(HssbxIMR=INIRl0x0004;asm(HrsbxintnT);}voidmain(void)(cpu_imt();fs=250000;/*samplingfrequency*/fstop=31250;/*cut-offfrequency*/npass=fstop/fs;for(i=0;i<FLen;i++)ximd[i]=0;}fiides(npass);secint();foH；；）if(flag=1)/flag=0;}}}voidvectQ(asni(H.ref_c_intOOM);asm(M.refasm(Mb_c_int00”);asm(MnopH)；asm(MnopH);asm(MreteM);asm(MnopH);asm(Mnopn);asm(MnopH);asm(Miete,r);asm(MnopH);asm(MnopH)；asm(MnopH);asm(MieteM);asm(MnopH);asm(Mnopn);asm(MnopH);asm(MieteM);asm(MnopH);asm(MnopH)；asm(MnopH);asm(MieteM);asm(MnopH)；asm(MnopH);asm(MnopM);asm(Mreten);asm(MnopH);asm(MnopH)；asm(MnopH);asm(MreteH);/*setbreakpointhere*/.*pseudoinstiuction*//*reset*//*into*/asm(MnopH);asm(MnopH);asm(MnopH);asm(MieteH);asm(MnopH);asm(Mnop”)；asm(MnopH);asm(MieteH);asm(MnopH);asm(Mnopn);asm(Mnop”)；asm(MreteH);asm(MnopH);asm(Mnopn);asm(Mnopn);asm(MreteH);asm(Mnopn)；asm(Mnopn);asm(Mnopn);asm(nreteH);asm(Mnopn);asm(Mnop,r);asm(MnopH);asm(Hrete,f);asm("nop”);asm("nop");asm("nop”);asm(Mreten);asm(HnopH);asm(HnopH);asm(HnopH);asm(HreteH);asm(MnopM);asm(MnopH);asm(Mnop”);asm(MreteH);asm(MnopH);asm(Mnop/*into*/asm(MnopH);asm(MreteH);asm(Mno