【正文】 處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 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(jiǎn)稱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(yùn)算，生產(chǎn)DSP器件的公司也不斷壯大。在上一個(gè)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(gè)過程。高精度無源濾波器從設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)，與其它信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)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(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種[5]:(1)在通用的計(jì)算機(jī)(如PC)上用軟件(如C語言)實(shí)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(diǎn)是速度太慢，不能用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要用于DSP算法的模擬與仿真。(2)在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。這種方法不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。(3)用通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的接口性能良好容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。由于單片機(jī)采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算速度較慢，而在數(shù)字濾波器中涉及大量的乘法運(yùn)算，因此，這種方法適用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。(4)用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比，DSP有著更適合于數(shù)字濾波的特點(diǎn)。它利用改進(jìn)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(diǎn)，并有專門設(shè)計(jì)的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。(5)用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，而通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無須進(jìn)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(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研究領(lǐng)域。 本論文研究的重點(diǎn)集中在利用DSP來實(shí)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(shí)，為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。②研究TI公司TMS320VC5402數(shù)字信號(hào)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(jì)了一個(gè)價(jià)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(shí)現(xiàn)方法。第2章 FIR數(shù)字濾波器的理論研究 FIR濾波器簡(jiǎn)介 數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)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(tái)完成給定運(yùn)算的專用的數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可以將所需要的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)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(diǎn)。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)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]： （） 其差分方程為: （） 其基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又可以稱為卷積型結(jié)構(gòu)。 圖21 FIR濾波器直接型結(jié)構(gòu) 將轉(zhuǎn)置理論應(yīng)用于上圖可以得到圖21所示的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)，可得到圖22所示轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu)[4]。 x(n)y(n)h(N1)h(0)h(2)h(3)h(1)圖22 FIR濾波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖 將式中的系統(tǒng)函數(shù)H(z)分解成二街實(shí)系數(shù)因子的形式，即:（） x(n) 當(dāng)需要控制濾波器的傳輸零點(diǎn)時(shí)，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(jí)聯(lián)起來構(gòu)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(gè)為零。這是因?yàn)檫@時(shí)有奇數(shù)個(gè)根，其中復(fù)數(shù)根成共軛對(duì)，必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個(gè)實(shí)根。圖23畫出了N為奇數(shù)時(shí)FIR濾波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。 圖23 FIR濾波器的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)第3章 FIR濾波器設(shè)計(jì)方法FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率抽樣設(shè)計(jì)法等，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濾波器中，一個(gè)最重要的計(jì)算就是加窗，采用矩形窗是最直接和簡(jiǎn)便的方法，但采用矩形窗存在較大的Gibbis效應(yīng)，且矩形窗的第一旁瓣與主瓣相比僅衰減13dB，因此實(shí)際設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)法。 利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器 (一)窗函數(shù)法的基本思想 窗函數(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)截?cái)嘁缘玫揭粋€(gè)線性相位和因果的FIR濾波器。因此這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，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(gè)窗函數(shù)。任何數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)都是的周期函數(shù)，它的傅立葉級(jí)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(shí)際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)。獲得有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的一種可能方法就是把無窮級(jí)數(shù)截取為有限項(xiàng)級(jí)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(quán)系列{(n)}來修正式()的傅立葉級(jí)數(shù)。以求得要求的有限沖激響應(yīng)序列h(n)。 即有： （） 是有限長序列，當(dāng)nN1及n0時(shí)，=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(duì)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(diǎn)很難同時(shí)滿足。當(dāng)選用主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到較陡的過渡帶，但通帶和阻帶的波動(dòng)明顯增加:當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時(shí)，雖能得到勻滑的幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過渡帶加寬。因此，實(shí)際選用的窗函數(shù)往往是它們的折衷。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)犧牲主瓣寬度來換取旁瓣波動(dòng)的減少。 用頻率抽樣法設(shè)計(jì)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(duì)給定的理想濾波器的頻域響應(yīng)進(jìn)行等間隔采樣[4][5]()K=0，1....N1 把當(dāng)作待設(shè)計(jì)的濾波器頻率響應(yīng)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(yīng):() ()其中，是一個(gè)內(nèi)插函數(shù)：（）() 由于頻譜的有限個(gè)采樣值恢復(fù)出來的頻率響應(yīng)實(shí)際上是對(duì)理想頻率響應(yīng)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(yīng)比較平滑，則各采樣點(diǎn)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(zhì)量，可以采用人為的擴(kuò)展過渡帶的方法，即在頻率相應(yīng)的過渡帶內(nèi)插入一個(gè)或多個(gè)比較連續(xù)的采樣點(diǎn)，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(shè)計(jì)得到的濾波器對(duì)理想濾波器的逼近誤差較小。 數(shù)字濾波器的軟件輔助設(shè)計(jì)MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，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(jiǎn)捷得多。 (Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)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(diǎn)比如:語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)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?qū)ο缶幊痰奶匦?。程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，等等優(yōu)點(diǎn)。因此在各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 為了向DSP所需要的匯編語言轉(zhuǎn)換，需要編寫通用的語言?？梢灾苯佑肅語言，然后調(diào)用CCS自帶的C編譯器將C語言轉(zhuǎn)換成匯編語言，但一般情況下，濾波器對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，而整個(gè)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(shè)計(jì)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(diǎn)數(shù) fs=8000。 %采樣頻率 Dt=(1：N)/fs。 %采樣時(shí)間間隔 y==randn(l，1024)。 %產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào) 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(diǎn)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(zhǔn)備，MATLAB中不需要 yyl=filter(bl，al，y) 。 %濾波 y=fft(y，N)。 %將原始信號(hào)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))。