【正文】 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計 ................................................................................. 17 McBSP 接口設(shè)計 ............................................................................................ 17 硬件平臺的調(diào)試與結(jié)果 .................................................................................... 18 結(jié)論與展望 ........................................................................................................................... 19 1 本文的主要工作 ......................................................................................................... 19 2 前景展望與未來的工作 .............................................................................................. 19 致謝 ....................................................................................................................................... 20 參考文獻 ............................................................................................................................. 21 附錄 A：英語引文及翻譯 ................................................................................................. 22 附錄 B：參考文獻及摘要 ................................................................................................. 26 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計 IV 插圖清單 圖 2 1 F IR 濾波器直接型結(jié)構(gòu) …………………………………………… 5 圖 22 FIR 濾波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖 ………………………………………………… 6 圖 23 FIR 濾波器的級聯(lián)型結(jié)構(gòu) …………………………………………………… 6 圖 4 1 數(shù)字濾波器系統(tǒng)方案框圖 ………………………………………1 2 圖 42 數(shù)字濾波器系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 …………… …………………………1 4 圖 4 3 D S P 時 鐘 電 路 原 理 圖 …… ……… …… ……… ……… …… 1 5 圖 44 JTAG 仿真接口定義 ……………………………………………………1 6 V 表格清單 表 31 幾種常用窗函數(shù)對比 ………………………………………………… 8 1 引 言 當(dāng)前我們正處于數(shù)字化時代，數(shù)字信號處理技術(shù) 受到了人們的廣泛關(guān)注，其理論及算法隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展得到了飛速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于語音圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識別、自動控制等領(lǐng)域。 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。 數(shù)字濾波器是指完成信號濾波處理的功能，用有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性非時變系統(tǒng)，其輸入是一組 (由模擬信號取樣和量化的 )數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換的另一組數(shù)字量。同時 DSP(數(shù)字信號處理器 )的出現(xiàn)和迅速發(fā)展也促進了數(shù)字濾波器的發(fā)展，并為數(shù)字濾波器的硬件實現(xiàn)提供了更多的選擇。 數(shù)字信號處理由于運算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用 DSP 芯片來實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。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 本論文的主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論，基于 TI 公司的數(shù)字信號處理器TMS320VC5402 設(shè)計了一款穩(wěn)定度高，低功耗的 FIR 數(shù)字濾波器系統(tǒng)。 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計 2 第 1 章 緒論 本章主要介紹 數(shù)字濾波器 的 優(yōu)越性 ， 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢， 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法， 主要研究內(nèi)容等。 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性 21 世紀(jì)是數(shù)字化的時代，隨著越來越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號處理 (PSP)作為技術(shù)核心， DSP 已經(jīng)成為推動數(shù)字化進程的動力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一， DSP 無論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以汀所未有的速度向前發(fā)展。 數(shù)字信號處理器，也稱 DSP 芯片，是針對數(shù)字信號處理需要而設(shè)計的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā) 展，計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)數(shù)字信號處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為它在電子信息、通信、軟件無線電、自動控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號處理由于運算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用 DSP 芯片來實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。 近年來， DSP 技術(shù)在我國也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開發(fā)等方面，在數(shù)字信號處理中，其應(yīng)用越來越廣泛，并取得了豐碩的成果。數(shù)字濾波占有極其重要的地位 。 數(shù)字濾波器容易實現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服了與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問題。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。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)、通信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達等都涉及信號。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個信號的頻譜加以修改、整形或運算。這些過程都可能包含衰減一個頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分， 用數(shù)字濾波器來實現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的 [3]。數(shù)字濾波器又分為無限沖激響應(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)簡單以及可以實現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點，因而在對相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 FIR 數(shù)字濾波器。 由于 DSP 控制器具有許多獨特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)并行處理，獨立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 DSP 控制器就可以提高數(shù)字信號處理運算的能力，可以對數(shù)字信號做到實時處理。用可編程 DSP 芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢是 :通 過修改濾 波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。有限長單位沖激響應(yīng) (FIR) 數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過硬件電路實現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點 [3]: (l)簡化了硬件電路的設(shè)計，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 (2)對干擾信號的抑制能力有了明顯提高，這對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的 提高起到了促進作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來更加方便、靈活。 (4)數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運行速度。 3 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯 片誕生以來 DSP 芯片得到了飛速的發(fā)展。最成功的 DSP 芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司 (Texas Instruments，簡稱 TI)的一系列產(chǎn)品，其DSP 市場份額占全世界份額近的 50%。目前 DSP 芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過 20 年的發(fā)展， DSP 器件在高速度，可編程，小型化，低功耗等 方面都有了長足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次 (160OMIPS)的運 算，生產(chǎn) DSP 器件的公司也不斷壯大。 在上一個世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無源到有源和從模擬到數(shù)字兩個過程。高精度 無源濾波器從設(shè)計到制造都是難度非常高的技術(shù)。有源濾波器雖然很大地改進了濾波器的性能，也降低了一些制造工藝的難度，但從其性能的大幅度改進，與其它信號處理技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器后來居上。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。 我國濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任 [9]。 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法一般有以下幾種 [5]: (1)在通用的計算機 (如 PC)上用軟件 (如 C 語言 )實現(xiàn)。軟件可以是由自己編寫，也可以使用現(xiàn)成的軟件包。這種方法的缺點是速度太慢，不能用于實時系統(tǒng)，主要用于 DSP 算法的模擬與仿真。 (2)在通用的計算機系統(tǒng)中加上專用的加速處理機實現(xiàn)。這種方法不便于系統(tǒng)的獨立運行。 (3)用通用的單片機實現(xiàn)。單片機的接口性能良好容易實現(xiàn)人機接口。由于單片機采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，實現(xiàn)乘法運算速度較慢，而在數(shù)字濾波器中涉及大量的乘法運算，因此，這種方法適用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理。 (4)用通用的可編程 DSP 芯片實現(xiàn)。與單 片機相比， DSP 有著更適合于數(shù)字濾波的特點。它利用改進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行特點，并有專門設(shè)計的適用于數(shù)字信號處理的指令系統(tǒng)等。 (5)用專用的 DSP 芯片實現(xiàn)。在一些特殊的場合，要求的信號處理速度極高，而通用 DSP芯片很難實現(xiàn)，這種芯片將相應(yīng)的信號處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實現(xiàn)，無須進行編程。 (6)用 FPGA 等可編程器件來開發(fā)數(shù)字濾波算法。使用相關(guān)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 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計 4 的協(xié)作處理器都是比較活躍的研究領(lǐng)域。 本論文研究的重點集中在利用 DSP 來實現(xiàn)數(shù)字濾波的硬件電路。 主要研究內(nèi)容 本論文主要 : ①研究數(shù)字濾波的理論知識，為系統(tǒng)整體設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ) 。 ②研究 TI 公司 TMS320VC5402 數(shù)字信號處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及片上資源，并研究通信電子線路中各種接口的相互連接關(guān)系，設(shè)計了一個價格低、功耗小、精度高的數(shù)字濾波器系統(tǒng)。 ③研究有限長沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（ FIR）在 DSP 中的具體實 現(xiàn)方法。 5 第 2 章 FIR 數(shù)字濾波器的理論研究 FIR濾波器簡介 數(shù)字濾波器是指完成信號濾波處理功能的，用有限精度算法實現(xiàn)的離散時 間線性非時變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換的另一組數(shù)字量。 因此，數(shù)字濾波器本身既可以是用數(shù)字硬件裝配成的一臺完成給定運算的專用 的數(shù)字計算機，也可以將所需要的運算編成程序，讓通用計算機來執(zhí)行。數(shù)字 濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出的優(yōu)點。 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。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來看，可以分為兩大類 :有限沖擊響應(yīng) (FIR)數(shù)字濾波器和無限沖擊響應(yīng) (IIR)數(shù)字濾波器。本文研究 FIR 數(shù)字濾波器。 FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) 有限長單位脈沖響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 [1]： ????? 10)()( NnnznhzH （ ） 其差分方程為 : ?