(完整版)利用DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)

1、題目：利用DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字處理器（DSP）有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，它在高速數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域有廣泛的使用，例如數(shù)字濾波、音頻處理、圖像處理等。相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒(méi)有漂移，能夠處理低頻信號(hào)，頻率響應(yīng)特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達(dá)到很高，容易集成等。使用可編程的DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可以通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便地改變?yōu)V波器的特性，下面主要說(shuō)明利用TMS320VC54XDSP芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器。設(shè)計(jì)目的意義一個(gè)實(shí)際的使用系統(tǒng)中,總存在各種干擾，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,濾波器的好壞將直接影響系統(tǒng)的性能。使用DSP進(jìn)行數(shù)字處理，可以對(duì)一個(gè)具有噪聲和信號(hào)的混合信號(hào)源

2、進(jìn)行采樣,再經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波,濾除噪聲，就可以提取有用信號(hào)了。所以說(shuō)，數(shù)字濾波器是DSP最基本的使用領(lǐng)域，熟悉基于DSP的數(shù)字濾波器能為DSP使用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供良好的基礎(chǔ)。技術(shù)指標(biāo)1、數(shù)字濾波器的頻率參數(shù)主要有：通帶截頻：為通帶和過(guò)渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到規(guī)定的下限。阻帶截頻：為阻帶和過(guò)渡帶的邊界點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗下降到規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率：為信號(hào)功率衰減到1/2（約3dB）時(shí)的頻率，在很多情況下，也常以fc作為通帶或阻帶截頻。當(dāng)電路沒(méi)有損耗時(shí)，固有頻率：就是其諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。2、增益和衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對(duì)低通濾波器通帶增益，一般指3=0時(shí)的增益；高通

3、指38時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。通帶增益變化量指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果通帶增益變化量以dB為單位，則指增益dB值的變化量。3、阻尼系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)a是表征濾波器對(duì)角頻率為30信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)，它是和傳遞函數(shù)的極點(diǎn)實(shí)部大小相關(guān)的一項(xiàng)系數(shù)。4、靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。5、群時(shí)延函數(shù)在濾波器設(shè)計(jì)中，常用群時(shí)延函數(shù)評(píng)價(jià)信號(hào)經(jīng)濾波后相位失真程度。以上的幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)是一般濾波器的特性，但在實(shí)際使用中，數(shù)字濾波器通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻操作，因此在利用DSP實(shí)

4、現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中要求的技術(shù)指標(biāo)主要為在頻域中給出的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。如對(duì)于幅頻響應(yīng)，它的含義是信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)之后的輸出信號(hào)的幅度和它輸入時(shí)的信號(hào)的幅度的比值，一般以分貝值表示。對(duì)于相頻響應(yīng)，含義是信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)之后的輸出信號(hào)的相位和它輸入時(shí)的信號(hào)的相位之差，在運(yùn)用線性相頻響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：只包含實(shí)數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算；不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲；可以采用FFT算法，從而提高運(yùn)行效率；由于FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列，故FIR濾波器沒(méi)有不穩(wěn)定的問(wèn)題，且誤差較小?；驹砝肈SP實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法和頻率抽樣法，其中窗函數(shù)法是基本的設(shè)計(jì)方

5、法，這里采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器。設(shè)希望得到的濾波器理想響應(yīng)為那么FIR濾波器的設(shè)計(jì)就在于尋找一個(gè)傳遞函數(shù)N-'l4（門(mén)=En=D去逼進(jìn)，汀、r設(shè)%（$）=2U咖"hd（n）=JuHe"）嚴(yán)d3這里叫就是傅立葉級(jí)數(shù)的系數(shù)。在這種逼近中，最直接的一種方法就是從單位脈沖響應(yīng)吐門(mén)入手，使吐門(mén)逼近理想的單位脈沖響應(yīng)叫。由于hW是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)序列，因此，最簡(jiǎn)單的方法就是對(duì)做截尾處理，即得到一個(gè)近似的傳遞函數(shù)X)=fhd(n)e-皿n-Q上式中，Q就是最終確定FIR濾波器的階數(shù)，Q越大，近似程度就越高。對(duì)截尾，實(shí)際上就是對(duì)h：山1丿乘上一個(gè)矩形窗口匚小丿，即h(n)=hd(n

6、)RN(n)令則其脈沖響應(yīng)系數(shù)為山(，叮QI1，IJlN,H(z)=，h,(n)zn嘰，MO"叮Q)。為使具有因果性，延時(shí)Q個(gè)樣值，可得:H=z一他二Ehd(n)zn=-Q令n+Q二k，上式成為H(z)=hd(k-Q)z_kk-0令ln：k)lijlkQi,N=2Q，得NH二h(k)z-kk=0式中，l】k)是脈沖響應(yīng)系數(shù)，這里h(O)=hd(-Q),h(l)=hJl-Q),h(Q)=hJO),，一般來(lái)說(shuō),FIR數(shù)字濾波器輸出鞏心的Z變換形式譏門(mén)和輸入丸山；-h(2-Z變換結(jié)構(gòu)圖實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示的Z變換形式之間的關(guān)系如下：Y(Z)=H(z)X(z)=h(0)+h(l)從上面的Z變換

7、和結(jié)構(gòu)圖可以很容易得出FIR濾波器的差分方程表示形式，即對(duì)上式進(jìn)行反Z變換得：y(n)=h(0)x(n)+h(l)x(n-1)+.+h(n-1)x(1)上式為FIR數(shù)字濾波器的時(shí)域表示方法，其中x(n)是在時(shí)間n的濾波器的輸入抽樣值，根據(jù)上式即可對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)1、DSP芯片根據(jù)設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)的核心器件采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器芯片TMS320C5402。選擇該芯片主要是因?yàn)樗悄壳白畛Ｓ玫牡统杀綝SP芯片，而且包括以下主要特點(diǎn)：運(yùn)算速度快，最快可達(dá)532MIPS；多總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線(1條程序存儲(chǔ)器總線、3條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線和4條地址總線）；CPu采用馮

8、諾依曼并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使其能在一條指令周期內(nèi),高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算；片內(nèi)集成了4KX16bitROM和16KX16bit的雙存取RAM；豐富的片上外圍電路（通用I/O引腳，定時(shí)器，時(shí)鐘發(fā)生器，HPI接口，多通道緩沖串行口McBSP）使其和外部接口方便；3.3VI/O電壓，1.8V核點(diǎn)壓，工作電流平均值為75mA，其中核45mA,I/O約30mA；（7）144腳BGA封裝，使體積減少，功耗降低。2、AD和DA電路在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了TI公司的TLV1570芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，8通道10位2.7到5.5V低電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。TLV1570在3V電壓下的采樣頻率為625KSPS，輸入信號(hào)最高

9、頻率不能超過(guò)300K。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇了10位器件，為了簡(jiǎn)化程序代碼，減少DSP的運(yùn)算工作量，在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了TI公司的TLV5608芯片，它是一款8通道10位2.7到5.5V低電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。3、電源電路根據(jù)DSP芯片工作的電壓電流需求，及芯片采用雙電源供電對(duì)加電順序的要求，考慮使用TI公司的電源轉(zhuǎn)換芯片TPS73HD318,其輸出電壓為一路3.3V、一路1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA，能滿足本系統(tǒng)的供電需求。而且TPS73xx具有非常低的靜態(tài)電流，能使穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定。4、時(shí)鐘電路C54xx系列的時(shí)鐘端子為XI和X2/CLKIN，采用無(wú)源晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，由于DSP

10、有一組端子可以用來(lái)調(diào)整其工作頻率的高低，故對(duì)晶振頻率大小的選定沒(méi)有特別的要求，這里選用10Mhz的晶振。5、復(fù)位電路為了克服DSP系統(tǒng)因時(shí)鐘頻率較高導(dǎo)致在運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的干擾和被干擾的現(xiàn)象，最好是使用具有監(jiān)視（Watchdog）功能的自動(dòng)復(fù)位電路，于是采用專門(mén)的自動(dòng)復(fù)位芯片MAX706。MAX706的電源為3.1V5.0V，低電平復(fù)位輸出，復(fù)位門(mén)限為3.08V。6、未用端子處理根據(jù)使用DSP芯片的相關(guān)原則，以及芯片手冊(cè)具體決定未用端子是接上拉電阻還是懸空。7、基于上述的各部分電路組成，可以得出DSP數(shù)字濾波器的整體硬件電路連線圖，如下所示TLV57Q4-JV|iAtNC&-AVddSD

11、INDV*1SDOUTA-GNDMND5CLKMODEOUTADINAVddEX)CTDVdlAG>(D5CLKDGND-GOl706SVCC+JV程序設(shè)計(jì)殆ADrst4-SV1、設(shè)計(jì)思路圭GND在rP573HD3I.BIiClOK|R2DSP進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算前首方面的初"3ir7GNDNC始狀態(tài)7NC2RJSET-NCNC伙口化：UN2OCTUNMCTNCNCNCNC才能保證芯片能JJuF.VC54OIEMUI.-OFI-正確設(shè)置Nil-正常運(yùn)行。本系統(tǒng)行以下兩BDKLBDRIBf5RIBCLECKLECLKRIMOLD-打阿iXFBDXQBDROKFSXOBFSROKlOO

12、KLKJQL區(qū)報(bào)強(qiáng)I嘶J1C6 寄存器初始化：狀態(tài)寄存器ST0、狀態(tài)寄存器ST1、處理器模式控制寄存器PMST、軟件等待狀態(tài)寄存器SWWSR、組交換控制寄存器BSCR和時(shí)鐘模式寄存器等。 中斷矢量表初始化：根據(jù)DSP芯片對(duì)各中斷矢量的設(shè)置位置編寫(xiě)一個(gè)子程序；設(shè)置PMST控制寄存器；連接時(shí)將矢量表重定位到IPTR指定的地址。其次就是FIR數(shù)字濾波的子程序設(shè)計(jì)，主要步驟如下： 查詢SPCR11寄存器的第二位，當(dāng)為1時(shí)說(shuō)明readready，將DRR11的值讀入AR3所指向的地址，該值為最新的采樣值。 將最新的采樣值減去200h，然后AR3的值減1。 執(zhí)行MAC指令。 將累加器的值送給變量Y,并將Y

13、加上200h。 查詢SPCR20寄存器的第二位，當(dāng)為1時(shí)說(shuō)明writeready，將Y值賦給DXR10，該值為濾波器輸出值。 循環(huán)執(zhí)行上面步驟。2、程序流程圖依據(jù)上述程序設(shè)計(jì)思路可以得到利用DSP實(shí)現(xiàn)FIR濾波器設(shè)計(jì)的程序流程圖，如下3、程序代碼由于初始化程序部分過(guò)于龐大繁雜，這里只給出用MAC指令編程實(shí)現(xiàn)FIR低通濾波器的程序片斷：FILT_task1LDStore_SICX,ASTLMA,ar4STM#1,ar0；間址STM#28,bkLDDEM_Out,ASTLA,*ar4+%；輸入信號(hào):實(shí)部STM#Coef_Tab1,ar5；濾波器實(shí)部系數(shù)地址LD#0,ASTM#27,brcRPTBSICXU-1LDC7FFF,BMINANEGBMAXASTLA,DEM_OutLDMAR4,ASTLA,Store_SICXRETCoef_Tab1.word100；h(0).word7；h(1).word9-248.word-71；h(N-1).endA,-16,ASICXULD總結(jié)脈沖響應(yīng)系數(shù)MAC*AR4+0%,*AR5+,A；低通濾波結(jié)果通過(guò)利用DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)，對(duì)DSP芯片的使用，以及利用DSP芯片組成的基本系統(tǒng)的相關(guān)電路有了比較深的認(rèn)識(shí)。熟悉DSP芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用開(kāi)發(fā)流程，并利用圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)、詢問(wèn)同學(xué)等方式查找資料和解決相關(guān)的難題