基于DSPFIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、1 / 24基于基于 DSPFIRDSPFIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)摘要摘要數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前期處理。用 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)與不受外界影響等特性。因此基于 DSP 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖像處理、數(shù)字通信、頻譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。本文主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論，并對(duì)有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器 FIR 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析和研究，尤其是在 MATLAB 環(huán)境下 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

2、，主要是窗函數(shù)法與利用 MATLAB 的濾波器設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)方法，并用 MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)了可以選擇濾波器四種類(lèi)型與七種窗函數(shù)的仿真程序，進(jìn)行了具體的仿真分析。研究了 TI 公司的 16 位定點(diǎn) DSP 芯片 TMS320C55x 的硬件和軟件結(jié)構(gòu)特性，編寫(xiě)了DSP 的 FIR 濾波算法，在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行了調(diào)試仿真;探討了利用 DSP 快速設(shè)計(jì) FIR 數(shù)字濾波器的方法，主要是在 MATLAB 中調(diào)試仿真 DSP 程序來(lái)尋找系數(shù)的快速傳遞法。最后，以 TMS320C55x 為主芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)高性能的 FIR 數(shù)字濾波器系統(tǒng)，主要是時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路、芯片電源供電電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與

3、C55X 連接電路、外掛程序存貯器 FLASH 電路、擴(kuò)展 RAM 存貯器等基本外圍電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :數(shù)字信號(hào)處理器;數(shù)字濾波器;FIR;MATLAB;TMS320C55xThedesignandanalysisofFIRdigitalfilterbasedonThedesignandanalysisofFIRdigitalfilterbasedonDSPDSPA Ab bs st tr ra ac ct tAdigitalfilter,whichisoneofthemostimportantpartsofdigitalsignalprocessing,isanalgorithmo

4、radevicemadeofdigitalontime-multiplier,adderanddelayofelements.Itcanbeusedtobethepretreatmentofsignalbyapplicationprogram.TheFIRdigitalfilterBasedonDSPhasmanyfeatures,suchasuninfluenced,highaccuracy,goodstabilityandhighlyflexible.Thedigitalfilteriswidelyusedinfieldsofspeechimageprocessing,digitalcom

5、munication,spectrumanalysis,patternrecognitionandautomaticcontrol,etc.Itwillhasbroadspacefordevelopment.Inthispaper,themainlytaskisresearchingthebasictheoriesofthedigitalfilter,andanalyzingthedesigningandrealizationoftheFiniteImpulseResponsedigitalfilter(FIR),especiallythemethodwhichrealizedunderMAT

6、LABenvironment,thewindowfunctionsisprimarilyintroduced,themethodofusingthedigitalfilterdesigntoolsinMATLABisalsoapplied.ItalsocompilesaprocedurewithMATLABlanguagewhichcanselectfoursortsofdigitalfilterandsevenkindsofwindowfunctions.Then,thispaperresearchesthestructureandpropertyofthe16bitfixed-pointD

7、SPchipTMS320C55x,andwritestheFIRfilterprogramwhichisdebuggedandsimulatedbyexperiments.ThedesignoftheFIRfilterusingDSPisdiscussed,whichfocusonthemethodofcoefficienttransmissionoverpassingdebuggingtheDSPprograminMATLAB.Finally,adigitalfiltersystemwithpreferablecapabilityisdesignedbasedontheC55x,itscon

8、sistsofthedesignofhardwareinterface,whichincludingtheclock-generatingcircuit,thechippowersupplycircuit,theA/DandD/Achipconnectinginterface,theFLASHchipconnectinginterface,extendedRAMconnectinginterfaceandsoon.Keywords:DSP;DigitalSignalFilter;FIR;MATLAB3 / 24引引言言在許多數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，F(xiàn)IR 濾波器是最常用的組件之一，它完成信號(hào)預(yù)調(diào)、

9、頻帶選擇和濾波等功能。F 工 R 濾波器在截止頻率的邊沿陡峭性能雖然不與 11R 濾波器，但是，考慮到 FIR 濾波器嚴(yán)格的線性相位特性和不像 IIR 濾波器存在穩(wěn)定性的問(wèn)題，F(xiàn)IR 濾波器能夠在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器（DigitalFilter，簡(jiǎn)稱(chēng)為 DF）是指用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的硬件和軟件。所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的器件。數(shù)字濾波器和模擬濾波器相比，因?yàn)樾盘?hào)的形式和實(shí)現(xiàn)濾波的方法不同，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已成為

10、當(dāng)今一門(mén)極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、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(hào)處理中數(shù)字濾波占有極其重要的地位，與模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有很多突出優(yōu)點(diǎn)，比如精確度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹配、容易實(shí)現(xiàn)線性相位、還可以避免模擬濾波器無(wú)法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲偏移等問(wèn)題。數(shù)字濾波器又分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器(IIR)和有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)。FIR 濾波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以與可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 F1R 數(shù)字濾波器。同時(shí)，由于在許多場(chǎng)合下，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，

11、因而對(duì)于單片機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。由于 DSP 控制器具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理，獨(dú)立的累加器和乘法器以與豐富的尋址方式，采用 DSP 控制器就可以提高數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)做到實(shí)時(shí)處理。而普通的單片機(jī)例如 MCS-51 難以滿足這一要求。用可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢(shì)是:通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點(diǎn):(1)簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。(2)對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力有了明顯提高，這對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的

12、提高起到了促進(jìn)作用。(3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來(lái)更加方便、靈活。(4)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。第一章緒論第一章緒論1.1 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性世紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理（）作為技術(shù)核心，已經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一，無(wú)論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以前所未有的速度向前發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理器，也稱(chēng)芯片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為一門(mén)主流技術(shù)，它在電子信息

13、、通信、軟件無(wú)線電、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。近年來(lái)，技術(shù)在我國(guó)也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并取得了豐碩的成果。在數(shù)字信號(hào)處理中，數(shù)字濾波占有極其重要的地位。數(shù)字濾波是語(yǔ)音和圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中的一個(gè)基本處理算法。在許多信號(hào)處理應(yīng)用中用數(shù)字濾波器替代模擬濾波器具有許多優(yōu)勢(shì)。數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克

14、服了與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問(wèn)題。用芯片實(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)。用可編程芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)等都涉與信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。這些過(guò)程都可能包含衰減一個(gè)頻率圍，阻止或隔離一些頻率成分，用數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的。1.2 國(guó)外研究進(jìn)展自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來(lái) DSP 芯片得到了飛速的發(fā)展。在20

15、多年時(shí)間里 DSP 芯片已經(jīng)在信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、信息家電等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1978 年 AMI 公司生產(chǎn)出世界上第一片 DSP 芯片 S2811。1979年美國(guó) Intel 公司發(fā)布的商用可編程器 2920 是 DSP 芯片的一個(gè)重要里程碑。1980 年日本 NEC 公司推出的 PD7720 是第一個(gè)具有乘法器的商用 DSP 芯片。在這之后，最成功的 DSP 芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)儀器公司（TexasInstruments，簡(jiǎn)稱(chēng) TI)的一系列產(chǎn)品，其 DSP 市場(chǎng)份額占全世界份額近的 50%。目前 DSP 芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò) 20

16、 年的發(fā)展，DSP 器件在高速度，可編程，小型化，低功耗等方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次(1600MIPS)的運(yùn)算，生產(chǎn) DSP 器件的公司也不斷壯大。在國(guó)外的研究中，設(shè)計(jì) FIR 濾波器所涉與的乘法運(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。5 / 24位串行乘法器的實(shí)現(xiàn)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.觀模達(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)

17、，運(yùn)算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時(shí)不是最優(yōu)的。分布式算法(distributedarithmetic,DA)的主要特點(diǎn)是巧妙的利用 ROM 查找表將固定系數(shù)的乘累加(Multiply-accumulator,MAC)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算的不同在于執(zhí)行部分積運(yùn)算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累加功能時(shí)是通過(guò)將各輸入數(shù)據(jù)每一對(duì)應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先進(jìn)行相加形成相應(yīng)的部分積，然后再對(duì)各個(gè)部分積累加形成最終結(jié)果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產(chǎn)生之后再來(lái)相加來(lái)完成乘累加運(yùn)算的。DA 算法設(shè)計(jì)的 FIR 濾波器的速度可以顯著的超過(guò)基于 MAC 的設(shè)計(jì)。相對(duì)于前兩種方法，DA 算法既

18、可以全并行實(shí)現(xiàn)，又可以全串行實(shí)現(xiàn)，還可以串并行結(jié)合實(shí)現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當(dāng)?shù)恼壑?，是?shù)字濾波器的主要研究課題。1.3 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有以下三種：（1）用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)方法就是在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件來(lái)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)算編程程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫(xiě)，也可使用現(xiàn)成的。國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)、公司已經(jīng)推出了不同語(yǔ)言的信號(hào)濾波器處理軟件包。但是這種方法速度很慢，難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖然可由用快速傅立葉變換算法累加，來(lái)加快計(jì)算速度，但要達(dá)到實(shí)時(shí)處理還是要付出很高的代價(jià)，因而該方法多在教學(xué)與科研

19、中使用。（2）采用 DSP（DigitalSignalProcessing）處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP 處理器是專(zhuān)為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，如 TI 公司的 TMS320CX 系列，AD 公司的 ADSP21X,ADSP210X 系列等。它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器(MAC)，能夠在一個(gè)機(jī)器周期完成一次成累加運(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，在過(guò)去的 20 多年的時(shí)間里，軟件可編程的 DSP 器件幾乎統(tǒng)治了商用數(shù)字信號(hào)處理硬件的市場(chǎng)。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、

20、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。用可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。（3）用 FPGA 可編程器件來(lái)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一個(gè)研究領(lǐng)域4。通過(guò)比較以上三種方法可見(jiàn)：可以采用 MATLAB 等軟件來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。也可以采用 DSP 或 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路。本文

21、重點(diǎn)研究在利用 DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。第二章第二章 DSPDSP 技術(shù)技術(shù)2.1 DSP 芯片發(fā)展數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing)是利用專(zhuān)用處理器或計(jì)算機(jī)，以數(shù)字的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別、分析、合成、變換處理，提取有用的信息，得到符合人們要求的信號(hào)形式，進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor，簡(jiǎn)稱(chēng) DSP)是一種處理數(shù)字信號(hào)的專(zhuān)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。它在結(jié)構(gòu)上針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并增加了特殊指令專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，

22、效率更高。自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來(lái)，DSP 芯片得到飛速發(fā)展。最初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用，近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域也得到很好的應(yīng)用。目前 DSP 芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，DSP 器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次(1600MIPS，每秒1600 兆次指令)的運(yùn)算，目前，市場(chǎng)占有率最大的是 TI 公司的 TMS320 系列 DS

23、P 芯片。2.2DSP 芯片基本結(jié)構(gòu)TMS320 系列 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括:哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令、快速的指令周期。（1）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相互獨(dú)立，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)，取指令和取操作數(shù)可同時(shí)進(jìn)行，程序空間和數(shù)據(jù)空間之間可相互傳送數(shù)據(jù);系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍。由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在分開(kāi)的兩個(gè)空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，提高了指令執(zhí)行速度。（2）多總線結(jié)構(gòu)DSP 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)

24、行尋址，使 CPU 在一個(gè)機(jī)器周期可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問(wèn)，大大提高了 DSP 運(yùn)行速度。TMS320C55X 系列部有 P,C,D,E 等 4 組總線，每組總線中有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣在一個(gè)機(jī)器周期可以完成如下操作:1)從程序存儲(chǔ)器中取一條指令2)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀兩個(gè)操作數(shù)3)向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)一個(gè)操作數(shù)（3）流水線操作(Pipeline)流水線操作原理:將指令分成幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同的操作階段完成。TMS320 系列流水線深度從 2 到 6 級(jí)不等，TMS320C5510 有 6 級(jí)的流水線，TMS320C60007 / 24系列有 8 級(jí)流水線。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼

25、、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個(gè)操作可以獨(dú)立進(jìn)行，不同指令的不同階段在時(shí)間上的執(zhí)行能完全重疊。（4）專(zhuān)用的硬件乘法器DSP 芯片都配有專(zhuān)用的硬件乘法一累加器，即用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的累加，可在一個(gè)周期完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如矩陣運(yùn)算、FIR 和 IIR 濾波、FFT 變換等專(zhuān)用信號(hào)處理。（5）特殊的 DSP 指令為滿足數(shù)字信號(hào)處理的需要，在 DSP 的指令系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一些完成特殊功能的指令用來(lái)完成專(zhuān)門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理操作。如 TMS320C55X 中的 FIRS 和 LMS 指令，專(zhuān)門(mén)用于系數(shù)對(duì)稱(chēng)的 FIR 濾波器和 LMS 算法。為實(shí)現(xiàn) FFT、卷積等運(yùn)算，當(dāng)前的

26、 DSP 大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址(Circularaddressing)、位碼倒置(bit-reversed)指令和其他特殊指令，使得在進(jìn)行這些運(yùn)算時(shí)，尋址、排序與計(jì)算速度有了很大的提高。（6）快速的指令周期采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊指令與集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，使指令周期可在 20ns 以下。TMS320C55X 的運(yùn)算速度可達(dá) 1OOMIPS，即 100 百萬(wàn)條/秒。2.3DSP 系統(tǒng)構(gòu)成下圖所示即是一個(gè)典型的 DSP 系統(tǒng)。圖中輸入信號(hào)可以是各種形式，如麥克風(fēng)輸出的語(yǔ)音信號(hào)或線出來(lái)的己調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像信號(hào)等?？够殳B濾波器A/D轉(zhuǎn)換DSP芯片D/A轉(zhuǎn)換

27、低通濾波器輸入輸出圖 2-1 典型的 DSP 系統(tǒng)框圖其中，輸入信號(hào)應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進(jìn)行 A/D 變換，將輸入信號(hào)變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息的不丟失，抽樣頻率應(yīng)該不小于輸入信號(hào)最高頻率的 2 倍，一般取 4 到 6 倍。在本設(shè)計(jì)中，所使用的抽樣頻率為 5 倍的截止頻率。DSP 芯片的輸入是經(jīng) A/D 變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號(hào)，DSP 芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘法累加操作(MAC)等。數(shù)字處理是該 DSP 系統(tǒng)的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同。最后，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)字樣值再經(jīng) D/A 變換轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)樣值，之后再進(jìn)行插

28、和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模擬信號(hào)。上面給出的 DSP 系統(tǒng)只是一個(gè)典型模型，并不是所有的 DSP 系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件，應(yīng)根據(jù)具體要求來(lái)變化。本設(shè)計(jì)中用到的精儀達(dá)盛的 DSP 實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)板上有 A/D,D/A 轉(zhuǎn)換芯片，相當(dāng)于模型系統(tǒng)中的中間三個(gè)部件。在不是自行設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計(jì)。另外，有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，如 CD(CompactDisk)，就可以沒(méi)有模數(shù)變換這個(gè)過(guò)程。2.4DSP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程在設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分;然后用 C 等高級(jí)語(yǔ)言或者 MATLAB,S

29、ystemView 等開(kāi)發(fā)工具模擬所選定的對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的算法，此處的輸入數(shù)據(jù)是實(shí)際信號(hào)經(jīng)采集而獲得的，常以計(jì)算機(jī)文件的形式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)證算法的可行性，輸入模擬假設(shè)的數(shù)據(jù)也可以。然后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量大小、對(duì)精度要求、系統(tǒng)成本與體積、功耗等要求選擇合適的 DSP 芯片與其他組件;再接著進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，即根據(jù)選定的原件建立原理圖、制作 PCB 板、器件安裝與加電調(diào)試;同時(shí)，用 DSP 匯編語(yǔ)言或者高級(jí) C 語(yǔ)言或二者相嵌套法生成可執(zhí)行程序，用 DSP 仿真器或者軟件模擬器調(diào)試程序。最后，將軟件加載到硬件系統(tǒng)中運(yùn)行，用 D

30、SP 仿真器等來(lái)測(cè)試檢查所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行能否符合實(shí)時(shí)要求，或?qū)④浖撾x開(kāi)發(fā)系統(tǒng)直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。2.5TMS320C55X 概述TMS320C55x 是 TI 公司在 TMS320VC54x 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的并能與 TMS320VC54x 兼容的一個(gè)系列。TMS320CSSx 通過(guò)增加功能單元，增強(qiáng)了 DSP 的運(yùn)算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前 TMS320 家族中最省電的芯片。這些特性使其更適合在數(shù)據(jù)速率高，運(yùn)算量大又要求低功耗的 3G 無(wú)線通信中應(yīng)用。2.6CPU 結(jié)構(gòu)C55X 的 CPU 是并行結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可在一個(gè)指令周期中高速完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。主要由以下幾部

31、分構(gòu)成:(1)40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU:它是 C55X 的大腦，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種功能。還有處理溢出的功能，也可以進(jìn)行布爾運(yùn)算或者把這個(gè) 40 位的 ALU 看作為兩個(gè)16 位的 ALU，同時(shí)執(zhí)行兩個(gè) 16 位的操作。(2)2 個(gè) 40bit 累加器 A,B:累加器 A 和 B 存儲(chǔ)來(lái)自 ALU 或乘法器/加法器單元的輸出數(shù)據(jù)，也能輸出到 ALU 或者乘法器/累加器中。每個(gè)累加器可以分為低字位(bit1s-bit0)、高位字(bit31-bit16)和保護(hù)位(bit39-bit32)。(3)桶形移位寄存器:它在 ALU 運(yùn)算以前，對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)存貯器的操作數(shù)或者累加器進(jìn)行定標(biāo)

32、，或?qū)奂悠鞯闹颠M(jìn)行算術(shù)邏輯移位和歸一化處理，或?qū)υ诶奂悠鞯闹祵⒁尜A到存貯器之前進(jìn)行定標(biāo)?？蓪?duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 Obit-31bit 的左移和 Obit-16bit 的右移。(4)乘法器/加法器單元:由 17bitx17bit 的乘法器、40bit 的加法器、帶符號(hào)/無(wú)符號(hào)輸入控制、小數(shù)控制、零檢測(cè)器、舍入器(二進(jìn)制補(bǔ)碼)、溢出/飽和邏輯和 16bit 的暫存器組成。(5)比較、選擇和存貯單元 CSSU:完成累加器的高位字和低位字間的最大值比較，并存貯在數(shù)據(jù)存貯器中，不改變狀態(tài)寄存器 STO 中的測(cè)試/控制位和傳送寄存器 TRN 的值。還可利用優(yōu)化的片硬件促進(jìn) Viterbi 型蝶形運(yùn)算。(6)

33、指數(shù)編碼器:為支持單周期指數(shù)運(yùn)算指令(EXP)的專(zhuān)用硬件，累加器中的值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式在 T 寄存器中存貯，圍為-8bit-31bit。(7)CPU 狀態(tài)和控制寄存器:C55X 有三個(gè)，狀態(tài)寄存器 STO、狀態(tài)寄存器 ST1 和處理器工作方式狀態(tài)寄存器 PMST，都是存貯器映像寄存器。STO 反映了尋址要求和計(jì)算中間運(yùn)行狀態(tài)，STl 反映了尋址要求、計(jì)算的初始設(shè)置、I/O 與中斷控制，PMST 反映了處理器工作狀態(tài)。9 / 242.7 總線結(jié)構(gòu)C55X 有 8 條 16bit 的總線，即:4 條地址總線(PAB,CAB,DAB,EAB):傳送執(zhí)行指令所需地址。3 條數(shù)據(jù)總線(CB,DB,EB)

34、:連接部各單元，即連接 CPU、程序地址產(chǎn)生邏輯、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生邏輯、片外設(shè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其中 CB,DB 傳送讀自數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)，EB 傳送寫(xiě)到存貯器的數(shù)。1 條程序總線(PB):從程序存儲(chǔ)器裝載指令碼和立即數(shù)。部存貯器C55X 共有 192K 字的尋址空間，分為大小都是 64K 字 3 個(gè)獨(dú)立的可選擇空間:程序存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和 vo 空間，分別用來(lái)存放要執(zhí)行的指令和系數(shù)表、指令所用數(shù)據(jù)、連接存貯器映像外圍設(shè)備。在任一個(gè)存貯空間中，RAM,ROM,EPROM,EEPROM 或存貯器映像外圍設(shè)備，都可駐留在片或片外。C55X 片存貯器為隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM),RAM

35、一般映射到數(shù)據(jù)空間，但也可組成程序空間;ROM 一般構(gòu)成程序空間，也可部分安排到數(shù)據(jù)空間。RAM 又分為單尋址 RAM(SARAM)和雙尋址 RAM(DARAM)，在同一個(gè)周期，CPU 可以對(duì) DARAM 進(jìn)行讀和寫(xiě)操作，但對(duì) SARAM 只能進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮?。C55X 并行結(jié)構(gòu)和部 RAM 的雙尋址能力，使 CPU 在任一給定的機(jī)器周期同時(shí)進(jìn)行包括 1 次取指、2 次操作數(shù)和 1 次寫(xiě)操作數(shù)的 4次存儲(chǔ)器操作。第三章第三章 FIRFIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理與數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理與 MATLABMATLAB 的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)3.1FIR數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)單位脈沖響應(yīng) h(n)長(zhǎng)度為 N

36、，輸入信號(hào)為 x(n),則 FIR 數(shù)字濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程：（3）N-1m=0y(n)=h(m)x(n-m)式（3）就是 FIR 數(shù)字濾波器的差分方程，F(xiàn)IR 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是沒(méi)有反饋支路，即沒(méi)有環(huán)路，因此它是無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng) h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。由上面的方程可知，F(xiàn)IR 濾波器實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，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)。1z對(duì)式（3）進(jìn)行 Z 變換，經(jīng)整理后可得 FIR 濾波器的傳遞函數(shù) H(z)為（4）10( )( )NnnH zh n z由式（4）可以看出，F(xiàn)IR 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖

37、3-1 所示。圖 3-1 FIR 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.2FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)和頻率采樣等設(shè)計(jì)方法，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 濾波器時(shí)，一個(gè)最重要的計(jì)算就是加窗，其中采用矩形窗是最直接也是最簡(jiǎn)便的方法。本文主要采用矩形窗設(shè)計(jì)方法。3.2.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想窗函數(shù)的設(shè)計(jì)思想是選擇一種合適的理想頻率特性的濾波器，然后截?cái)嗨拿}沖得到一個(gè)線性相位和因果的濾波器。因此這種方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器的技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度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)?，F(xiàn)介紹如

38、下。首先設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為，其單位脈沖響應(yīng)是。()jwdHe( )dh n（5）()( )jwjwnddnHehn e11 / 24（6）1( )()2ccwjwjwnddwhnHeedw如果能夠由已知的求出，經(jīng)過(guò) Z 變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。但通()jwdHe( )dh n常以理想的濾波器作為，其幅度特性逐段恒定，在邊界頻率處有不連續(xù)點(diǎn)，因()jwdHe而是無(wú)限時(shí)寬的，且是非因果序列。( )dh n然而我們實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器的單位脈沖響應(yīng)為 h(n)，長(zhǎng)度為 N，其系數(shù)函數(shù) H(z)為（7）10( )( )NnnH zh n z這樣用一個(gè)有限長(zhǎng)的序列 h(n)去代替，肯定會(huì)引

39、起誤差，表現(xiàn)在頻域就是通常所( )dh n說(shuō)的吉布斯效應(yīng)。這種吉布斯效應(yīng)是由于將直接截?cái)嘁鸬模虼?，也稱(chēng)為截?cái)? )dh n效應(yīng)。如何構(gòu)造窗函數(shù) w(n)，用來(lái)減少截?cái)嘈?yīng)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足技術(shù)要求的 FIR 線性相位濾波器。3.2.2 幾種常見(jiàn)的窗函數(shù)采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和理想的濾波器。常見(jiàn)的窗函數(shù)有5：矩形窗、三角形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗、凱塞窗。這六種窗函數(shù)的基本參數(shù)如表 1。.表 1 六種窗函數(shù)的基本參數(shù)過(guò)渡帶寬度tB窗函數(shù)類(lèi)型旁瓣峰值/dBna近似值精確度阻帶最小衰減/dBsa矩形窗-134/N1.8/N-21三角窗-258/N6.1/N-2

40、5漢寧窗-318/N6.2/N-44哈明窗-418/N6.6/N-53布萊克曼窗-5712/N11/N-74凱塞窗-5710/N-80表中過(guò)渡帶和阻帶最小衰減是用對(duì)應(yīng)的窗函數(shù)設(shè)計(jì)的 FIR 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)。MATLAB 信號(hào)處理工具箱提供了十四種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)，下面列出上述六種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)與調(diào)用格式：wn=boxcar(N)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 N 的矩形窗函數(shù) w(n)wn=bartlett(N)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 N 的三角窗函數(shù) w(n)wn=banning(N)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 N 的漢寧窗函數(shù) w(n)wn=hamming(N)%列向量

41、wn 中返回長(zhǎng)度為 N 的哈明窗函數(shù) w(n)wn=blackman(N)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 N 的布萊克曼窗函數(shù) w(n)wn=kaiser(N,beta)%列向量 wn 中返回長(zhǎng)度為 N 的凱塞窗函數(shù) w(n)3.2.3 窗函數(shù)的選擇原則第一：具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。第二：旁瓣幅度下降要盡可能大，以利于增加阻帶衰減。第三：主瓣的寬度要盡可能窄，以獲得較陡的過(guò)渡帶。通常情況下上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿足，當(dāng)選擇主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到了較陡的過(guò)渡帶，但是通帶和阻帶明顯增加；當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時(shí)雖然能得到勻滑幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過(guò)渡帶又加寬了。因此我們?cè)谶x擇窗函數(shù)往

42、往時(shí)折中選擇。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)?shù)臓奚靼陮挾葋?lái)?yè)Q取旁瓣勻滑幅度響應(yīng)和波動(dòng)減少。3.2.4 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) FIR 濾波器的步驟窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的步驟如下：（1）根據(jù)對(duì)阻帶衰減與過(guò)渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)的類(lèi)型，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類(lèi)型。原則是保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選擇主瓣窄的窗函數(shù)。然后根據(jù)過(guò)渡帶寬度估計(jì)窗口長(zhǎng)度 N。（2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)，即()jwdHe(8)(1)/2()( )jwjw NddgHeHw e所謂的“標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法” ，就是選擇為線性相位理想濾波器（理想低通、理想()jwdHe高通、理想帶通、理想帶阻） 。

43、（3）計(jì)算。如果給出待求濾波器的頻響函數(shù)為，那么單位脈沖響應(yīng)( )dh n()jwdHe用下式求出：（9）1( )()2jwjwnddhnHeedw如果較復(fù)雜，或者不能用封閉公式表示，則不能用上式求出。我們可以()jwdHe( )dh n對(duì)從 w=0 到 w=2采樣 M 點(diǎn)，采樣值為,()jwdHe2( )(),0,1,2,1kjMdMdHkHekM進(jìn)行 M 點(diǎn) IDFT 得到：(10)( )( )dMdMMhnIDFT Hk根據(jù)頻域采樣理論，與應(yīng)滿足：( )dMhn( )dh n（11）( )(dMdMrhnhnrMR）（n)因此，如果 M 選得夠大，可以保證在窗口有效地逼近。( )dMhn

44、( )dh n由此可求出單位脈沖響應(yīng)為( )dh n13 / 24（12）sin()( )()cdw nahnna為保證線性相位特性，=(N-1/2)。a（4）加窗即可得到設(shè)計(jì)結(jié)果：h(n)=w(n)。( )dh n3.3FIR數(shù)字濾波器的MATLAB的實(shí)現(xiàn)MATLAB 是美國(guó) MathWorks 公司自 20 世紀(jì) 80 年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件，優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。MATLAB 語(yǔ)言是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)界最具有影響力、最有活力、以與應(yīng)用最廣泛的軟件之一。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷與其他程序接口功能

45、；它提供了數(shù)字處理工具箱，使數(shù)字處理比以前更為簡(jiǎn)潔方便且效果更好67。MATLAB 集成了一套功能強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)工具 FDATool，它涵蓋了信號(hào)處理工具箱中所有濾波器設(shè)計(jì)方法，利用它可以方便地完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能評(píng)估。首先應(yīng)根據(jù)指標(biāo)參數(shù)與對(duì)濾波器特性的要求，選擇合適的濾波器類(lèi)型與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文以采用矩形窗設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器為例。所設(shè)計(jì)的濾波器技術(shù)指標(biāo)為：濾波器階數(shù)為 51，采樣頻率 fs 為 181KHz，濾波器截止頻率 fc 為 10Kz 的濾波器。設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如圖 2，圖 3 所示。0102030405060708090-120-100-80-60-40-2002

46、0Frequency (kHz)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB)圖 2 幅頻曲線0102030405060708090-700-600-500-400-300-200-1000Frequency (kHz)Phase (degrees)Phase Response圖 3 相頻曲線由圖 2，圖 3 可得：圖 2 為本次所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻特性曲線，圖 3 為本次所設(shè)計(jì)濾波器的相頻特性曲線。由圖可以看出所設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的低通濾波特性，在通帶具有嚴(yán)格的線性相位。15 / 24第四章第四章 FIRFIR 數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1

47、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)FIR 數(shù)字濾波器系統(tǒng)功能電路圖如下：串口電源A/DD/ADSP（C55X）時(shí)序控制CPLDRAMFLASHJTAG圖 4.1 濾波器系統(tǒng)功能框圖其中，DSP 芯片 C55X 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理(濾波算法):A/D,D/A 轉(zhuǎn)換任務(wù)由芯片TLC320AD50C 來(lái)完成，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由 DSP 芯片進(jìn)行算法處理，然后再經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換輸出;RAM 芯片 IS61LV6416 用來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)(數(shù)據(jù)或程序);FLASH 芯片 SST39VF040 用來(lái)固化 DSP 程序與上電自舉(采用 8bit 并行模式);CPLD 用于時(shí)序控制;電源芯片TPS73HD318 提供給 C55X 所需的

48、1.8V 和 3.3V 電壓，并用引腳 RESET2 對(duì) C55X 進(jìn)行復(fù)位;串口通信功能由 TLC16550C 與 MAX232 芯片完成。4.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)C55X 有 X1 和 X2 兩個(gè)時(shí)鐘管腳，X1 為輸出管腳，X2 為輸入管腳也稱(chēng)為 CLKIN。為DSP 提供時(shí)鐘有兩種引腳連接方式，一種是 Xl 懸空，使用外部晶振提供時(shí)鐘，一種是利用 DSP 片為晶振振蕩器提供的放大電路器，外接晶振。電路連接如下。這種接法中，片振蕩器被激活，X2 腳向 DSP 送入一個(gè)頻率與 2 腳晶體標(biāo)稱(chēng)值一樣的時(shí)鐘，并通過(guò)外部鎖相環(huán)控制電路選擇適當(dāng)倍頻倍數(shù)為 CPU 部提供系統(tǒng)時(shí)鐘。圖 4.2 時(shí)鐘電路C55

49、X 的支持軟件 PLL(部鎖相環(huán))控制方式，在 DSP 復(fù)位時(shí)，它由 CLKMD1CLKMD3 三個(gè)管腳的電平?jīng)Q定，這三個(gè)管腳值也決定了時(shí)鐘模式寄存器的值。三個(gè)管腳與倍頻關(guān)系如下表:表 4.1CLKMD1CLKMD3 與倍頻關(guān)系CLKMD1CLKMD2CLKMD3復(fù)位值時(shí)鐘模式000E007HPLL*150019007HPLL*100104007HPLL*51001007HPLL*2110F007HPLL*11110000HPLL*1/2101F000HPLL*1/4011保留4.3電源電路設(shè)計(jì)C55X 電源分為核電源 CVdd 和 I/O 電源 DvDD，核電源為 1.8V，為包括 CPU、

50、時(shí)鐘電路和所有外設(shè)的器件的所有部邏輯提供電流;I/O 電源為 3.3V，為外部接口引腳提供電壓。C55X 的電流消耗主要取決于器件的激活度，核電源消耗的電流主要取決于 CPU的激活度，外設(shè)消耗的電流決定于正在工作的外設(shè)與其速度，一般與 CPU 相比，外設(shè)消耗的電流是比較小的。時(shí)鐘電路也需要消耗一部分電流，而且這部分電流是恒定的，與 CPU 和外設(shè)的激活度無(wú)關(guān)。本設(shè)計(jì)中采用 TI 公司的芯片 TPS73HD318 來(lái)提供電源。該芯片電源輸入為 5V，可提供兩路輸出電壓，一路為 3.3V，一路為 1.8V，每路最大輸出電流為 750mA，還提供兩個(gè)寬度為 200ms 的低電平復(fù)位信號(hào)，可直接與 C

51、55X 的復(fù)位引腳連接。與 C55X 連接圖如下:圖 4.3 電源連接電路4.4模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換采用芯片 TLC320AD50C(下面簡(jiǎn)稱(chēng) AD50C)，該芯片最高采樣速率可達(dá)22.05KB/s，通過(guò) DSP 編程設(shè)置，可進(jìn)行 16 位 A/D 和 D/A 的高分辨率、低速信號(hào)轉(zhuǎn)換。該芯片部 ADC 之后有抽樣濾波器，DAC 之前有插值濾波器，接收和發(fā)送可同時(shí)進(jìn)行。TLC320AD50C 與 C55X 的 McBSP 串行口直接相連，不需要外圍電路不，占用并行總線，避免了總線沖突。連接圖如下:17 / 24圖 4.4C55X 和 ADSOC 的硬件連接C55X 工作于 SP

52、I 方式的從機(jī)模式，它的 BFSX,BCLKR,BCLKX 通過(guò)寄存器配置為外部輸入;AD50 工作在主機(jī)模式(M/S=1)，它的 SCLK 配置為部產(chǎn)生，這樣數(shù)據(jù)接收/發(fā)送幀同步信號(hào)(FS)、移位時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)均由 AD50C 產(chǎn)生。串行口的接收/發(fā)送過(guò)程受 AD50C 的控制。該種連接方式不占并行總線，避免了總線沖突。4.5FLASH接口設(shè)計(jì)FLASH 芯片采用使用 SST39VF040，該芯片是 SST 公司的 39 系列多用途閃存，它是單電壓讀寫(xiě)操作，有極高的可靠性，功耗較低，具有塊區(qū)域擦除能力。DSP 的 I/O 端口8000H 映射為 SST39VF040 的 A15A8 地

53、址的控制信號(hào)使能，即當(dāng)對(duì) I/O 端口 8000H 寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候，A15A18 分別等于數(shù)據(jù)的低 4 位，當(dāng)對(duì)外部存儲(chǔ)空間操作時(shí)，首先向 Il0 端口 8000H 寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，使用外部數(shù)據(jù)空間 8000HFFFFH，所以寫(xiě)入的是數(shù)據(jù)0,實(shí)際對(duì)應(yīng) SST39VF040 數(shù)據(jù)空間的 OOOOH7FFFH。這樣設(shè)置以后，將 DSP 上使用的外部數(shù)據(jù)空間映射到了 SST39VF040 的數(shù)據(jù)空間。接口電路如下圖所示。在編寫(xiě)引導(dǎo)程序之前，要編制一個(gè)引導(dǎo)表，容包括:引導(dǎo)方式標(biāo)識(shí)、預(yù)置 SWWSR 和BSCR 寄存器的值、程序入口(XPC)、程序入口地址(PC)、用戶程序長(zhǎng)度、首塊存放目標(biāo)(XPC

54、)、首塊存放目標(biāo)地址(PC)等。圖 4.5C55X 與 FLASH 接口電路FLASH 控制管腳的邏輯關(guān)系如下:(其中， “十”表示邏輯或),DSCE WRMSTRBOE/WRMSTRBWE/4.6外部存貯器接口設(shè)計(jì)外擴(kuò) RAM 芯片采用 IS61LV6416，該芯片是一種高速 CMOS 靜態(tài) RAM 存儲(chǔ)容量為64Kx16 位，數(shù)據(jù)存取時(shí)間為 10ns，能滿足高速運(yùn)行需要。其工作電壓為 3.3V，與C55X 工作電壓一致，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。與 C55X 連接圖如圖 4.6.所示。這是一種優(yōu)化的混和程序和數(shù)據(jù)區(qū)外接 RAM 的方法，省去了 C55X 的地址線 A15，這種方法可充分利用外部擴(kuò)展 R

55、AM，不會(huì)因部 RAM 和外部 RAM 的地址重疊而造成外部 RAM 的浪費(fèi)。圖 4.6C55X 與 RAM 連接電路5FIR濾波器的DSP程序?qū)崿F(xiàn)使在初期階段，因 DSP 的性能指標(biāo)較低，主要用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)高效、專(zhuān)用的程19 / 24序代碼，后來(lái)隨著 DSP 運(yùn)算速度的提高，采用 C 語(yǔ)言編程來(lái)降低開(kāi)發(fā)難度、縮短開(kāi)發(fā)周期，但關(guān)鍵程序段仍結(jié)合 DSP 硬件編寫(xiě) DSP 匯編程序。如今，高效的信號(hào)處理工具M(jìn)ATLAB 逐漸滲透到 DSP 設(shè)計(jì)中。利用 MATLAB 輔助 DSP 程序開(kāi)發(fā)，提高了程序開(kāi)發(fā)效率，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期。TMS320C55x 對(duì)數(shù)字濾波器算法的實(shí)現(xiàn)在指令集和硬件結(jié)構(gòu)上都

56、有考慮。它有 MAC指令，該指令將數(shù)據(jù)區(qū)的兩個(gè)數(shù)相乘，然后再與累加器中的值累加，運(yùn)算結(jié)果仍存在累加器中為下次操作準(zhǔn)備;在硬件上有間接尋址時(shí)的循環(huán)尋址功能，即將濾波器系數(shù)保存在一個(gè)可循環(huán)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，尋址指針由低地址自動(dòng)增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到緩沖區(qū)頂部時(shí)，自動(dòng)返回低地址重新尋址，這樣，配合單指令重復(fù)指令 RPT，就可以快速實(shí)現(xiàn)卷積操作。5.1傅氏級(jí)數(shù)法的DSP程序?qū)崿F(xiàn)在第三章最后算出了濾波器四種類(lèi)型的系數(shù)表達(dá)式?？梢愿鶕?jù)系數(shù)表達(dá)式采用 C語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現(xiàn)濾波算法。下面是 FIR 帶通濾波器算法程序段:voidfirbpf(doublelpass,doublehpass)intt;for（t=O;tFLe

57、n;t+)doublem;m=sin(t-(FLen-1)/2.0)*hpass*pi)/(t-(FLen-1)/2.0)*pi);h(t)=m-sin(t-(FLen-1)/Z.0)*lpass*pi)/(t-(FLen-1)/2.0)*pi);if(t=(FLen-1)12)ht=hpass-lpass;相應(yīng)的其它三種類(lèi)型 FIR 濾波器算法程序都可以由對(duì)應(yīng)的系數(shù)表達(dá)式編寫(xiě)出來(lái)。5.2利用匯編程序?qū)崿F(xiàn)FIR濾波器匯編程序調(diào)試首先在 CCS 中建立新的工程 fir.mak,然后將匯編語(yǔ)言源文件(.asm或.c)文件以與中斷向量文件(.asm)、位文件(.cmd)添加到工程中。編譯通過(guò)后，生成

58、可執(zhí)行文件(*.out 文件)，下載到 DSP 程序存儲(chǔ)器中，這時(shí)打開(kāi) Momery 窗口,可以看到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器已經(jīng)被劃分 coff_fir,d_data_buffer,in_buffer,out_buffer 等區(qū)。編譯并將整個(gè) FIR 項(xiàng)目成功地下載到目標(biāo)系統(tǒng)板后,FIR 程序就可以在 EVM 板上運(yùn)行進(jìn)行調(diào)試（程序見(jiàn)附錄 A） 。下圖為程序流程圖。主程序系統(tǒng)初始化輸入緩沖區(qū)初始化為零根據(jù)指標(biāo)生成系數(shù)開(kāi)放中斷等待中斷中斷程序是否采集到256 個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)值歸一化輸入緩沖區(qū)值下移一位，加入最新輸入信號(hào)進(jìn)行乘加運(yùn)算返回是否圖 5.1 程序流程圖在主程序中，在 flag=0 處設(shè)置斷點(diǎn)；單擊“R

59、un”運(yùn)行程序，程序?qū)⑦\(yùn)行至斷點(diǎn)處停止；用 View/Graph/Time/Frequency 打開(kāi)一個(gè)圖形觀察窗口如圖 5.2 示。圖 5.2 圖形參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置觀察圖形窗口變量與參數(shù)為：采用雙蹤觀察啟始地址分別為 x 和 y，長(zhǎng)度為21 / 24256 的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類(lèi)型為 32 位浮點(diǎn)型變量，這兩個(gè)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(hào)（輸入信號(hào)）和對(duì)該信號(hào)進(jìn)行 FIR 濾波的結(jié)果；單擊“Animate”運(yùn)行程序，調(diào)整觀察窗口并觀察濾波結(jié)果如下圖 5.3圖 5.3 輸入混頻與濾波后信號(hào)比較濾波前與濾波后的信號(hào)，可以看到，通過(guò)測(cè)試波形可以看到，濾波后的信號(hào)比濾波前的

60、信號(hào)要平滑很多，確實(shí)達(dá)到了濾波效果。在實(shí)驗(yàn)中，還可通過(guò)改變混頻信號(hào)的混疊情況，來(lái)觀察濾波器的濾波情況，如加大或減小高頻率的幅度(頻率)或者改變?yōu)V波器的長(zhǎng)度與采樣頻率來(lái)觀察 DSP 芯片的濾波效果。圖為 5.4 加大高頻率信號(hào)的幅度時(shí)濾波效果。圖 5.5 為加大濾波器階數(shù)到 80的濾波效果。圖 5.6 為減小濾波器階數(shù)到 30 階的濾波效果，可看出濾波器的階數(shù)越高，濾波效果相對(duì)越好。圖 5.4 加大濾波的濾波情況圖 5.580 階濾波效果圖 5.630 階濾波效果5.3小結(jié)一般用 DSP 芯片實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器，都是先在 MATLAB 里設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器，得到濾波器系數(shù)，然后在 DSP 匯編程