基于DSP的FIR濾波器的設計報告

1、沈陽理工大學信息科學與工程學院DSP課程設計報告u 目錄1 概述- 1 -1.1 數(shù)字濾波器的研究現(xiàn)狀- 1 -2 系統(tǒng)硬件設計- 3 -2.1系統(tǒng)設計方案- 3 -2.2 主控模塊- 5 -3 系統(tǒng)軟件設計- 6 -3.1 軟件整體設計- 6 -3.2 測量模塊- 10 -4 系統(tǒng)測試與總結(jié)- 10 -4.1系統(tǒng)測試- 10 -4.2總結(jié)體會- 12 - 參考文獻- 13 -附錄- 14 - 0 -1 概述1.1 數(shù)字濾波器的研究現(xiàn)狀20世紀60年代起由于計算機技術、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，其中小體積

2、、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導致RC有源濾波器 、數(shù)字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴大應用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進，在國內(nèi)外的研究中，設計FIR濾波器所涉及的乘法運算方式有：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。位串行乘法器的實現(xiàn)

3、方法主要是通過對乘法運算進行分解，用加法器來完成乘法的功能，也即無乘法操作的乘法器。位串行乘法器使得乘法器的硬件規(guī)模達到了最省，但是由于是串行運算，使得它的運算周期過長，運算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時不是最優(yōu)的。1.2 論文主要完成的工作 本文主要應用軟件設計FIR數(shù)字濾波器，并對所設計的濾波器進行仿真。應用DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS調(diào)試匯編程序，用TMS320C5402來實現(xiàn)了FIR數(shù)字濾波。具體內(nèi)容有： (1) 研究數(shù)字濾波器的基本理論和實現(xiàn)方法，從原理上理解和分析數(shù)字濾波器，并通過對數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)和設計方法的學習，為設計數(shù)字濾波器奠定理論基礎。 (2) 研究FIR數(shù)字濾波器的設計方法，及如

4、何用濾波器設計工具設計各種類型的數(shù)字濾波器，并進行仿真和分析。 (3) 對數(shù)字濾波器的DSP實現(xiàn)進行研究。2 系統(tǒng)硬件設計2.1系統(tǒng)設計方案FIR濾波器的設計方法主要有窗函數(shù)設計法和頻率抽樣設計法等，其中窗函數(shù)設計法是最基本的設計方法。在設計FIR濾波器中，一個最重要的計算就是加窗，采用矩形窗是最直接和簡便的方法，但采用矩形窗存在較大的Gibbis效應，且矩形窗的第一旁瓣與主瓣相比僅衰減13 dB，因此實際設計中一般采用其他窗函數(shù)。主要介紹幾種常用的窗函數(shù)和頻率抽樣設計法等。利用窗函數(shù)設計FIR(一)窗函數(shù)法的基本思想窗函數(shù)設計的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器，然后將它的脈沖

5、響應截斷以得到一個線性相位和因果的FIR濾波器。因此這種方法的重點在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對于給定的濾波器技術指標，選擇濾波器長度和具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個窗函數(shù)。 （二）幾種常用的窗函數(shù)工程中比較常用的窗函數(shù)有：矩形窗函數(shù)、三角窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)、海明窗函數(shù)、布萊克曼窗函數(shù)和凱塞窗函數(shù)。窗函數(shù)的選擇原則是：（1）具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度：（2）旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻帶衰減；（3）主瓣的寬度要窄，以獲得較陡的過渡帶。通常上述三點很難同時滿足。當選用主瓣寬度較窄時，雖然得到較陡的過渡帶，但通帶和阻帶的波動明顯增加；當選用最小的旁瓣幅度時

6、，雖能得到勻滑的幅度響應和較小的阻帶波動，但過渡帶加寬。因此，實際選用的窗函數(shù)往往是它們的折衷。在保證主瓣寬度達到一定要求的條件下，適當犧牲主瓣寬度來換取旁瓣波動的減少。表2.1幾種常用的窗函數(shù)對比窗函數(shù) 旁瓣峰值衰減 過渡帶 阻帶最小衰減矩形窗 -13 -21三角形 -27 -25漢寧窗 -31 -44 海明窗 -41 -53布萊克曼窗 -57 -74凱瑟窗 -57 -80比較可得：凱塞窗可提供變化的過渡帶寬，通過改變B的值可達到最陡的過渡帶：凱塞窗具有與海明窗相匹敵的特性，通過調(diào)整p的值，可將凱塞窗完全等價海明窗；凱塞窗最大旁瓣值比主瓣約低80dB，在所有的窗函數(shù)中旁瓣抑制度最高2。2.2

7、.2用頻率抽樣法設計FIR濾波器所謂頻率抽樣法就是從頻域出發(fā)，根據(jù)頻域的采樣定理，對給定的理想濾波器的頻域響應進行等間隔采樣。 （2.2）其中k=0,1,2N-1把當作待設計的濾波器頻率響應的采樣值,通過下式可以求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)和頻率響應： （2.3）（2-3） （2.4）其中，是一個內(nèi)插函數(shù)： （2.5）由于頻譜的有限個采樣值恢復出來的頻率響應實際上是對理想頻率響應的逼近，因此，這種方法必然有一定的逼近誤差。若被逼近的頻率響應比較平滑，則各采樣點之間的逼近誤差較??；反之，則逼近誤差較大。2.2 主控模塊TMS320C5402 的主要特性:T MS320C5402 是T I 公司于1996

8、 年推出的一種定點DSP 芯片, 采用先進的修正哈佛結(jié)構(gòu)和8 總線結(jié)構(gòu), 使處理器的性能大大提高。其獨立的程序和數(shù)據(jù)總線, 允許同時訪問程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器, 實現(xiàn)高速并行操作。例如, 可以在一條指令中, 同時執(zhí)行3 次讀操作和1 次寫操作。TMS320C5402 的運行速度為40MIPS ( 每秒執(zhí)行40 百萬條指令) 。指令周期為25ns。此外, 還可以在數(shù)據(jù)總線與程序總線之間相互傳送數(shù)據(jù)。從而使處理器具有在單個期內(nèi)同時執(zhí)行算術運算, 邏輯運算, 位移操作, 乘法累加運算以及訪問程序和數(shù)據(jù)存儲器的強大功能。包括: CPU, 總線, 存儲器,在片外圍電路, 串行口, 以及外部總線接口等部分

9、組成。1 CPU40 位算數(shù)邏輯運算單元( ALU ) , 包括1 個40 位桶形移位寄存器和2 個獨立的40 位累加器。􀀂 17 位X 17 位并行乘法器, 與40 位專用加法器相連, 用于非流水線式單周期乘法/ 累加( MAC)運算。比較, 選擇, 存儲單元( CSSU) , 用于加法/比較選擇。雙地址生成器, 包括8 個輔助寄存器和2 個輔助寄存器算數(shù)運算單元( ARAU ) 。2、總線結(jié)構(gòu)程序總線( PB) 傳送取自程序存儲器的指令代碼和立即數(shù)。3 條數(shù)據(jù)總線( CB, DB 和EB) 將內(nèi)部各單元連接在一起。4 條地址總線( PAB, CAB, DAB 和EAB )

10、傳送執(zhí)行指令所需的地址。3 存儲器192K 字可尋址存儲空間( 64K 字程序存儲器, 64K 字數(shù)據(jù)存儲器, 以及64K 字I/ O 空間) 。片內(nèi)2K 字ROM。片內(nèi)10K 字雙存取RAM。4 在片外圍電路 用來周期產(chǎn)生中斷的定時器。8 位主機接口( HPI) , 用來與主設備或主處理器接口。一個自動緩沖串口( BSP) 和時分多路串行口( TPM) , 都可用作標準同步串口。3 系統(tǒng)軟件設計3.1 軟件整體設計FIR濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有以下幾種形式(1) 直接型結(jié)構(gòu) 該種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時需N個乘法器、N-1個延遲器和N-1個加法器。結(jié)構(gòu)圖如下:圖3.1 直接型結(jié)構(gòu)圖(2) 級聯(lián)型結(jié)構(gòu)FIR系統(tǒng)函

11、數(shù)H(z)是z-1的N-1次多項式，其分解為實系數(shù)二階因子的乘積形式為：H(z)=(0k+1kz-1+2kz-2) 根據(jù)上式就可畫出級聯(lián)結(jié)構(gòu)如下圖。其中Nc為N/2的最大整數(shù)。該結(jié)構(gòu)即是把H(z)的共軛零點或兩個單個零點組成基本二階節(jié)，H(z)為基本二階因子的子系統(tǒng)函數(shù)積。圖3.2 級聯(lián)型結(jié)構(gòu)圖從圖3.2中可看出，每個二階因子用直接型實現(xiàn)，每一節(jié)控制一對零點，便于傳輸零點的控制。但系數(shù)1k的個數(shù)比h(n)的個數(shù)多，其乘法次數(shù)比直接型多。(3) 線性相位型結(jié)構(gòu)線性相位特性是指濾波器對不同頻率的正弦波所產(chǎn)生的相移和正弦波的頻率成直線關系。在濾波器通帶內(nèi)的信號通過濾波器后，除了由相頻特性的斜率決定的

12、延遲外，可以不失真地保留通帶以內(nèi)的全部信號。線性相位的因果的FIR系統(tǒng)的單位取樣響應具有如下特性h(n)=±h(N-1-n) 當N為偶數(shù)時，式變?yōu)镠(z)=h(n)z-n+z-(N-1-n) 當N為奇數(shù)時，此式為H(z)= h(n)z-n+z-(N-1-n)+h()z-() 由上面兩個式子可知:實現(xiàn)直接形式的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡只需要N/2(N為偶數(shù))或(N十1)/2次乘法(N為奇數(shù))，利用h(n)的對稱比直接卷積形式少用一半的乘法器。圖3.3 N為偶數(shù)，線性相位結(jié)構(gòu)圖3.4 N為奇數(shù)，線性相位結(jié)構(gòu)(4) 頻率取樣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)函數(shù)H(z)在單位圓上作N等分取樣的值得到h(n)的離散傅立葉變換值H(k

13、):H(k)=H()=|H(k)| = h(k) 根據(jù)內(nèi)插公式，得H(z)=(1-z-N) 上式即為頻率取樣結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)函數(shù)其中，H(k)為單位圓上的頻率取樣值?？梢?，該系統(tǒng)是由一個子FIR系統(tǒng)(1-z-N)和一個子IIR系統(tǒng)級聯(lián)組成的。圖3.5 頻率取樣結(jié)構(gòu)圖FIR濾波器的實現(xiàn)方法數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法一般有以下幾種(1)用計算機軟件實現(xiàn) 軟件實現(xiàn)方法即是在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)。利用計算機的存儲器、運算器和控制器把濾波所要完成的運算編成程序通過計算機來執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫，也可以使用現(xiàn)成的。但是這種方法速度慢，難以對信號進行實時處理，雖然可以用快速傅立葉變換算法來加快計算速度，但

14、要達到實時處理要付出很高的代價。(2)采用DSP(Digital Signal Processing)處理器來實現(xiàn) DSP處理器是專為數(shù)字信號處理而設計的，它的主要數(shù)字運算單元是一個乘累加器，能夠在一個機器周期內(nèi)完成一次乘累加運算，配有適合于信號處理的指令，具備獨特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰?。這些特點都非常適合數(shù)字信號處理中的濾波器設計的有效實現(xiàn)，并且它速度快，成本低。用DSP芯片實現(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。(3)采用固定功能的專用信號處理器實現(xiàn) 專用信號處理器采用專用集成電路ASIC來實現(xiàn)，適用于過程固定而又追求高速的信號處理任務，是以指定的算

15、法來確定它的結(jié)構(gòu)，使用各種隨機邏輯器件組成的信號處理器。它們體積小、保密性好，具有極高的性能，然而靈活性差。(4)用FPGA等可編程器件實現(xiàn) 使用相關開發(fā)工具和VHDL等硬件開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實現(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并可以實現(xiàn)算法的并行運算，無論是作為獨立的數(shù)字信號處理，還是作為DSP芯片的協(xié)作處理器都是比較活躍的研究領域。可以采用DSP或FPGA來實現(xiàn)硬件電路。3.2 測量模塊 CCS算法流程圖4 系統(tǒng)測試與總結(jié)4.1系統(tǒng)測試在View的Graph中單擊Time/frequency出現(xiàn)graph property dialog框。將顯示類型，圖形名稱，起

16、始地址，抽樣點數(shù)，數(shù)據(jù)類型等分別進行設置，輸出各種波形。輸出濾波前的信號時域波形。首先，設置如圖4.1所示，輸出濾波前的信號時域波形。圖4.1 Graph property dialog設置框圖單擊OK后生成如下圖4.2波形。圖4.2濾波前信號波形圖圖4.2為濾波前的信號，波形很雜亂，從時域上很難看出信號的周期性。修改相應設置，輸出如圖4.3所示濾波前信號頻譜。圖4.3濾波前信號頻譜波形圖經(jīng)過濾波后，時域波形頻譜波形如圖4.4和4.5所示。圖4.4濾波后信號時域波形圖圖4.5濾波后信號頻譜圖4.2總結(jié)體會通過本次課程設計，讓我了解了數(shù)字濾波是信號處理技術中的重要部分，研究了數(shù)字濾波器的基本理論

17、知識以及它實現(xiàn)方法。學習了數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、設計理論，掌握了各種數(shù)字濾波器的原理和特性。并且復習了MATLAB的相關知識，并且利用MATLAB與CCS設計了低通濾波器以及高通濾波器，還研究了如何在定點DSP中實現(xiàn)數(shù)字濾波器的算法，掌握了CCS環(huán)境下的程序開發(fā)方法、調(diào)試工具的使用及優(yōu)化級別的選擇等。研究了MATLAB環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的設計方法，利用MATLAB軟件編程實現(xiàn)FIR濾波器設計。DSP作為一門新興學科，越來越引起人們的關注，目前已廣泛應用在各個領域。所以在今后的工作和學習生活中，綜合運用模擬電子、數(shù)字電子和DSP基本原理等課程中所學的理論知識去獨立完成一個項目的設計。不僅要完善以

18、上的MATLAB設計方法，更要學會利用多種途徑設計各種DSP最小系統(tǒng)，熟練C語言編程，用DSP芯片實現(xiàn)低通FIR數(shù)字濾波，除了具有準確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點外。通過對本課題的研究，關于數(shù)字濾波器理論知識得到了豐富和提高，熟悉了課題研究的整體思路和方法，認識到進行課題研究應具備的素質(zhì) 參考文獻1王念旭DSP基礎與應用系統(tǒng)設計北京：北京航空航天大學出版社，20012張雄偉DSP集成開發(fā)與應用實例北京：電子工業(yè)出版社，20023張雄偉DSP芯片的原理與開發(fā)應用(第二版)北京：電子工業(yè)出版社，20004彭宗啟DSP技術原理及應用北京：電子工業(yè)出版社，19985朱銘銘基于模糊的DSP系統(tǒng)設計北京：電子

19、工業(yè)出版社，20036李真芳，蘇濤等.DSP程序開發(fā)一MATLAB調(diào)試及直接目標代碼生成M.西安:西安電子科技大學出版社，2003附錄用線性緩沖區(qū)實現(xiàn)FIR濾波器程序清單： .title “FIR1.ASM” .mmregs .def start x .usect “x”，8 PA0 .set 0 PA1 .set 1 .data COEF： .word 1*32768/10 .word 2*32768/10 .word -4*32768/10 .word 3*32768/10 .word -4*32768/10 .word 2*32768/10 .word 1*32768/10 .texts

20、tart: SSBX FRCT STM #x+7,AR2 STM #6,AR0 LD #x+1,DP PORTR PA1,x+1FIR1: RPTZ A,#6 MACD *AR2-,COEF,A STH A,*AR2 PORTW *AR2+,PA0 BD FIR1 PORTR PA1,*AR2+0 .end 用循環(huán)緩沖區(qū)實現(xiàn)FIR濾波器程序清單： .title “FIR2.ASM” .mmregs .def start .bss y,1xn .usect “xn”,7b0 .usect “b0”,7PA0 .set 0PA1 .set 1 .datatable: .word 1*32768/1

21、0 .word 2*32768/10 .word 3*32768/10 .word 4*32768/10 .word 5*32768/10 .word 6*32768/10 .word 7*32768/10 .text start: SSBX FRCT STM #b0,AR1 RPT #6 MVPD table,*AR1+ STM #xn+6,AR2 STM #b0+6,AR3 STM #7,BK STM #-1,AR0 LD #xn,DP PORTR PA1,xnFIR2: RPTZ A,#6 MAC *AR2+0%,*AR3+0%,A STH A,y PORTW y,PA0 BD FIR2

22、 PORTR PA1,*AR2+0% .end 匯編程序清單lhm.h文件內(nèi)容： .datacoeff .word -85, -64, -61, -36, 8, 62, 110, 136, 131 .word 96, 42, -11, -44, -44, -11, 39, 85, 106 .word 88, 37, -29, -83, -101, -73, -7, 70, 124 .word 131, 82, -5, -96, -151, -144, -72, 37, 140 .word 191, 162,61, -76, -191, -231, -174, -35, 132 .word 25

23、6, 278, 180, -7, -208, -337, -330, -176, 72 .word 316, 445, 392, 156, -178, -475, -599, -470, -108 .word 361, 745, 857, 594, -6, -748, -1336, -1456, -893 .word 386, 2192, 4154, 5816, 6768, 6768, 5816, 4154, 2192 .word 386, -893, -1456, -1336, -748, -6, 594, 857, 745 .word 361, -108, -470, -599, -475

24、, -178, 156, 392, 445 .word 316, 72, -176, -330, -337, -208, -7, 180, 278 .word 256, 132, -35, -174, -231, -191, -76, 61, 162 .word 191, 140, 37, -72, -144, -151, -96, -5, 82 .word 131, 124, 70, -7, -73, -101, -83, -29, 37 .word 88, 106, 85, 39, -11, -44, -44, -11, 42 .word 96, 131, 136, 110, 62, 8,

25、 -36, -61, -64 .word -85Fir.asm內(nèi)容：.title"fir.asm".mmregs.global_c_int00ORDER .set154D_LEN.set1024; The Length of Input Dataxn.usect"xn",(ORDER-1)a0.usect"a0",(ORDER-1)input.usect"input",D_LENoutput.usect"output",D_LEN.copy "HM.h" Get coefs from "coef.h".text.asgAR0, FIR_INDEX.asgAR2, FIR_DATA.asgAR3, FIR_COEF.asgAR5, DATA_IN.asgAR6, DATA_OUT_c_int00:SSBX FRCT STM #a0,FIR_COEF; Copy a0(coefs) to FIR_COEF(AR3) RPT #ORDER-1 MVPD #coeff,*FIR_COEF+ STM#1, FIR_INDEX STM#xn, FIR_DATA; Copy xn(data) to FIR_