【正文】 處理，提高了系統(tǒng)運行速度。 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 自20世紀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芯片當數(shù)美國德州儀器公司(Texas Instruments，簡稱TI)的一系列產品，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，具有巨大的應用潛力。經過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DSP器件的公司也不斷壯大。在上一個世紀中，電濾波器的發(fā)展經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計到制造都是難度非常高的技術。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的結合，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與上述要求相差甚遠，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負有重大的歷史責任[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構，系統(tǒng)比較復雜，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構，內部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結構，具有良好的并行特點，并有專門設計的適用于數(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)，這種芯片將相應的信號處理算法在芯片內部用硬件實現(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。 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)整體設計奠定了理論基礎。②研究TI公司TMS320VC5402數(shù)字信號處理器的內部結構及片上資源，并研究通信電子線路中各種接口的相互連接關系，設計了一個價格低、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數(shù)字濾波器（FIR）在DSP中的具體實現(xiàn)方法。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)字技術的發(fā)展，用數(shù)字技術實現(xiàn)濾波器的功能越來越受到人們的注意和廣泛的應用。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應來看，可以分為兩大類:有限沖擊響應(FIR)數(shù)字濾波器和無限沖擊響應(IIR)數(shù)字濾波器。本文研究FIR數(shù)字濾波器。 FIR數(shù)字濾波器的結構 有限長單位脈沖響應濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為[1]： （） 其差分方程為: （） 其基本結構型式有以下幾種:y(n)+h(N1)h(2)h(1)h(0)x(n) 由上式可以得出如下圖21所示的直接型結構，這種結構又可以稱為卷積型結構。 圖21 FIR濾波器直接型結構 將轉置理論應用于上圖可以得到圖21所示的轉置直接型結構，可得到圖22所示轉置型結構[4]。 x(n)y(n)h(N1)h(0)h(2)h(3)h(1)圖22 FIR濾波器轉置結構圖 將式中的系統(tǒng)函數(shù)H(z)分解成二街實系數(shù)因子的形式，即:（） x(n) 當需要控制濾波器的傳輸零點時，可將系統(tǒng)函數(shù)H（z）分解成上式形式，這樣就可以用二階節(jié)級聯(lián)起來構成。其中[N/2]表示取N/2的整數(shù)部分。若N為偶數(shù)，則N1為奇數(shù)，故系數(shù)中有一個為零。這是因為這時有奇數(shù)個根，其中復數(shù)根成共軛對，必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個實根。圖23畫出了N為奇數(shù)時FIR濾波器的級聯(lián)結構。 圖23 FIR濾波器的級聯(lián)型結構第3章 FIR濾波器設計方法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13dB，因此實際設計中一般采用其他窗函數(shù)。本小節(jié)主要介紹幾種常用的窗函數(shù)和頻率抽樣設計法。 利用窗函數(shù)法設計FIR濾波器 (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)。任何數(shù)字濾波器的頻率響應都是的周期函數(shù)，它的傅立葉級數(shù)展開式為： （） 其中 ：（） 其中的為濾波器的歸一化的截止頻率。傅立葉系數(shù)實際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應。獲得有限沖激響應數(shù)字濾波器的一種可能方法就是把無窮級數(shù)截取為有限項級數(shù)來近似，而吉布斯(Gibbs)現(xiàn)象使得直接截取法不甚令人滿意[1] 窗函數(shù)法就是用被稱為窗函數(shù)的有限加權系列{(n)}來修正式()的傅立葉級數(shù)。以求得要求的有限沖激響應序列h(n)。 即有： （） 是有限長序列，當nN1及n0時，=0。 幾種常用的窗函數(shù) 工程中比較常用的窗函數(shù)有[l][3]: 矩形窗函數(shù)、三角形(Bartlett)窗函數(shù)、漢寧(Hanning)窗函數(shù)、海明(Hamming)窗函數(shù)、布萊克曼(Blackman)窗函數(shù)和凱塞(Kaiser)窗函數(shù)。 這幾種窗函數(shù)的比較見表31所示。表32幾種常用窗函數(shù)對比窗函數(shù)旁瓣峰值衰減（db）過渡帶（）阻帶最小衰減（db）矩形窗134/N21三角窗278/N25漢寧窗318/N44海明窗418/N53克萊克曼窗5712/N74凱塞窗5710/N80 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，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。 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[4][5]()K=0，1....N1 把當作待設計的濾波器頻率響應的采樣值H(k)，通過下式可求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)和頻率響應:() ()其中，是一個內插函數(shù)：（）() 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小。反之，則逼近誤差較大。 為了提高逼近的質量，可以采用人為的擴展過渡帶的方法，即在頻率相應的過渡帶內插入一個或多個比較連續(xù)的采樣點，使過渡帶比較連續(xù)，從而通帶和阻帶之間變化比較緩慢，使得設計得到的濾波器對理想濾波器的逼近誤差較小。 數(shù)字濾波器的軟件輔助設計MATLAB是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。 (Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。MATLAB具有許多的優(yōu)點比如:語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB既具有結構化的控制語句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句)，又有面向對象編程的特性。程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行，等等優(yōu)點。因此在各個學科和領域得到了廣泛的應用。 為了向DSP所需要的匯編語言轉換，需要編寫通用的語言?？梢灾苯佑肅語言，然后調用CCS自帶的C編譯器將C語言轉換成匯編語言，但一般情況下，濾波器對實時性要求比較高，而整個濾波器的程序編寫也不是很大，所以采用匯編語言編寫。濾波器設計需要編寫的通用語言。 程序： Clear all。 %清寄存器值 clf。 %清屏 N=1024。 %數(shù)據(jù)點數(shù) fs=8000。 %采樣頻率 Dt=(1：N)/fs。 %采樣時間間隔 y==randn(l，1024)。 %產生隨機信號 figure(3)。 z=y。 plot(z) lp=500。 %截止頻率 Wnl=2*lp/fs。 %函數(shù)的參數(shù) [zl，pl，kl]=CHEBY1(3，wnl)。 %濾波器的零極點表示 [bl，al]=CHEBY1(3，wnl)。 %濾波器的傳遞函數(shù)表示 bl=bl/(8*)。 %將參數(shù)按比例縮小 Al=al/(8*) 。 %為DSP程序做準備，MATLAB中不需要 yyl=filter(bl，al，y) 。 %濾波 y=fft(y，N)。 %將原始信號做FFT變換 Pyy=y.*conj(y)。 %做功率譜分析 f=(0:(N/21))。 for i=1:N/21。 f(i)=f(i)*fs/N。 end。 figure(l)。 Plot(f，pyy(1:N/2))。 y=fft(yyl，N)。 Pyy=y.*conj(y)。 f=(0:(N/21))。 for i=1:N/21。 f(i)=f(i)*fs/N。 end figure(2)。 Plot(f，pyy(1。N/2))。