FIR濾波器在DSP上的實(shí)現(xiàn)

院系：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：信號(hào)與信息處理PAGE4FIR濾波器在DSP上的實(shí)現(xiàn)引言在信號(hào)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(hào)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(diǎn)。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(wèn)題外，還能滿足濾波器對(duì)幅度和相位的嚴(yán)格要求。數(shù)字濾波是語(yǔ)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(hào)的專用微處理器，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。用DSP芯片實(shí)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(diǎn)。數(shù)字濾波器分為有限沖激響應(yīng)濾波器FIR和無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器IIR。對(duì)稱FIR濾波器在數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用十分廣泛，常用于相位失真要求較高的場(chǎng)合，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(shí)間。f2)希爾伯特變換器：要求輸入輸出信號(hào)正交。(3)高保真音響系統(tǒng)：音樂(lè)的相位失真必須減到最小，盡可能逼真地重現(xiàn)原來(lái)的聲音等等。由于FIR是全零點(diǎn)的濾波器，因而系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。這對(duì)于系統(tǒng)綜合是很重要的。FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)h(n)(n=0,1,2,…,N一1)為濾波器的沖激響應(yīng)，輸入信號(hào)為x(n)，則FIR濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程： (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(diǎn)是沒(méi)有反饋回路，因此它是無(wú)條件穩(wěn)定系統(tǒng)。它的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。由上面的方程可見，F(xiàn)IR濾波箅法實(shí)際上足一種乘法累加運(yùn)算，它不斷地輸入樣本x(n)，經(jīng)延時(shí)做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果y(n)。FIR濾波器的一個(gè)分支的延時(shí)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(duì)抽失信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和構(gòu)成。x(n)x(n)h(0)h(1)h(2)h(N-1)y(n)圖1FIR濾波器的直接型結(jié)構(gòu)圖利用MATLAB確定濾波器的系數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)線性相位FIR低通濾波器，技術(shù)指標(biāo)：通帶截止頻率fp=1500Hz，阻帶起始頻率fst=2250Hz，通帶允許的最大衰減為Rp=0.25dB，阻帶應(yīng)達(dá)到的最小衰減為As=50dB。濾波器的采樣頻率為fs=16000Hz。這里采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)FIR濾波器，首先根據(jù)阻帶衰減As=50dB來(lái)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50dB的衰減。由于海明窗可提供較小的過(guò)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(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率，求出過(guò)渡帶寬，由過(guò)渡帶寬確定窗口長(zhǎng)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; %輸入設(shè)計(jì)指標(biāo)wp=2*fp/fs; %求歸一化數(shù)字通帶截止頻率ws=2*fst/fs; %求歸一化數(shù)字阻帶起始頻率deltaw=ws-wp; %求過(guò)渡帶寬N0=ceil(6.6/deltaw); %求窗口長(zhǎng)度N=N0+mod(N0+l,2); %確保窗口長(zhǎng)度N為奇數(shù)n=N-1; %求出濾波器的階數(shù)nwn=(ws+wp)/2; %求濾波器的截止頻率b=firl(n，wn); %利用firl函數(shù)求出濾波器的系數(shù)bl=round(b*10000); %將系數(shù)用整數(shù)表示fn=fopen(‘COEF_FIR.inc’,’w’); %將系數(shù)存放在文件COEF_FIR．inc中fclose(fn)運(yùn)行后得到：N=71，wp=0.1875，ws=0.2813，wn=0.2344。再編制以下MATLAB程序段用于檢驗(yàn)Rp和As是否滿足設(shè)計(jì)要求：[H,w]=freqz(b,1); %計(jì)算頻率響應(yīng)mag=abs(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(yàn)通帶波動(dòng)As=-(max(db(ws*pi/dw+1:512))) %檢驗(yàn)最小阻帶衰減求得濾波器的Rp=0.0404dB，As=51.1829dB，滿足設(shè)計(jì)要求。DSP實(shí)現(xiàn)FIR濾波器程序設(shè)計(jì)的總體思路是：?jiǎn)?dòng)ADS7864對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，每采集到一個(gè)數(shù)據(jù)就送人DSP濾波運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送DAC7625轉(zhuǎn)換為模擬量。不斷地重復(fù)上述過(guò)程，在DAC7625的輸出端就得到濾波后的模擬信號(hào)。為了精確地控制ADS7864的采樣率，使用TMS320VC5416內(nèi)部的定時(shí)器控制采樣時(shí)間間隔T，設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間等于采樣時(shí)間間隔T，并讓它工作在中斷方式，則定時(shí)器每過(guò)T時(shí)間就向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)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(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行濾波運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送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(shí)器中斷服務(wù)程序兩部分。為了提高程序運(yùn)行速度，全部程序用匯編語(yǔ)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(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，最后等待定時(shí)器中斷。DSP的初始化包括：設(shè)置堆棧用于存放定時(shí)中斷的斷點(diǎn)地址；設(shè)置DSP的工作頻率，TMS320VC5416的工作頻率最高可達(dá)到160MHz，可以根據(jù)采樣率來(lái)選擇相應(yīng)的工作頻率；設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)參數(shù)，以確定A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率；定時(shí)器開中斷等。(2)定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。由圖3看出，濾波運(yùn)算是在定時(shí)器中STL A,@x+1 ;送入x+1，準(zhǔn)備由DSP進(jìn)行運(yùn)算STM #x+71,AR1 ;AR1指向線性緩沖區(qū)FIR3 RPTZ A,#70 ;DSP進(jìn)行濾波運(yùn)算MACD *AR1-,COEF,ASTH A,*AR1 ;運(yùn)算結(jié)果送D/A轉(zhuǎn)換器PORTW *AR1,1000hLD #1FH,A ;使D/A轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換PORTW *(8H),1004HGOBACKRSBX INTM ;開中斷RETE ;返回主程序.END結(jié)束語(yǔ)在上面的匯編語(yǔ)言程序中，F(xiàn)IR濾波器采用的是直接型結(jié)構(gòu)，并且采用帶移位雙操作數(shù)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的程序直觀易懂。由于是線性相位的FIR濾波器，還可以采用線性相位FIR濾波器的