【正文】 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(lái)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(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次(1600MIPS)的運(yùn)算，生產(chǎn) DSP 器件的公司也不斷壯大。在國(guó)內(nèi)外的研究中，設(shè)計(jì) FIR 濾波器所涉及的乘法運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)方法主要是通過對(duì)乘法運(yùn)算進(jìn)行分解，用加法器來(lái)完成乘法的功能，也即無(wú)乘法操作的乘法器。，但是由于是串行運(yùn)算，使得它的運(yùn)算周期過長(zhǎng)，運(yùn)算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時(shí)不是最優(yōu)的。分布式算法((distributedarithmetic,DA)的主要特點(diǎn)是巧妙的利用 ROM 查找表將固定系數(shù)的乘累加(Multiplyaccumulator,MAC)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算的不同在于執(zhí)行部分積運(yùn)算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累加功能時(shí)是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對(duì)應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先進(jìn)行相加形成相應(yīng)的部分積，然后再對(duì)各個(gè)部分積累加形成最終結(jié)果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產(chǎn)生之后再來(lái)相加來(lái)完成乘累加運(yùn)算的。DA 算法設(shè)計(jì)的 FIR 濾波器的速度可以顯著的超過基于 MAC 的設(shè)計(jì)。相對(duì)于前兩種方法，DA 算法既可以全并行實(shí)現(xiàn)，又可以全串行實(shí)現(xiàn)，還可以串并行結(jié)合實(shí)現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當(dāng)?shù)恼壑?，是?shù)字濾波器的主要研究課題。 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有以下三種：（1）用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)方法就是在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器把濾波所要完成的運(yùn)算編程程序通過計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫，也可使用現(xiàn)成的。國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、公司已經(jīng)推出了不同語(yǔ)言的信號(hào)濾波器處理軟件包。但是這種方法速度很慢，難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖然可由用快速傅立葉變換算法累加，來(lái)加快計(jì)算速度，但要達(dá)到實(shí)時(shí)處理還是要付出很高的代價(jià)，因而該方法多在教學(xué)與科研中使用。（2）采用 DSP（DigitalSignalProcessing）處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP 處理器是專為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，如 TI 公司的 TMS320CX 系列，AD 公司的 ADSP21X,ADSP210X 系列等。它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器 (MAC)，能夠在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一次成累加運(yùn)算，配有適合于信號(hào)處理的指令，具備獨(dú)特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰?。這些特點(diǎn)都非常適合數(shù)字信號(hào)處理中的濾波器設(shè)計(jì)的有效實(shí)現(xiàn)，并且它速度快，成本低，在過去的 20 多年的時(shí)間里，軟件可編程的 DSP 器件幾乎統(tǒng)治了商用數(shù)字信號(hào)處理硬件的市場(chǎng)。用 DSP 芯片實(shí)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(diǎn)。用可編程 DSP 芯片實(shí)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。（3）用 FPGA 可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)使用相關(guān)開發(fā)工具和 VHDL 等硬件開發(fā)語(yǔ)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(wú)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一個(gè)研究領(lǐng)域 [4]。通過比較以上三種方法可見：可以采用 MATLAB 等軟件來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。也可以采用 DSP 或 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路。本文重點(diǎn)研究在利用 DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。第二章 DSP 技術(shù) DSP 芯片發(fā)展數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing)是利用專用處理器或計(jì)算機(jī)，以數(shù)字的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別、分析、合成、變換處理，提取有用的信息，得到符合人們要求的信號(hào)形式，進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor，簡(jiǎn)稱 DSP)是一種處理數(shù)字信號(hào)的專用微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并增加了特殊指令專門用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效率更高。自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來(lái)，DSP 芯片得到飛速發(fā)展。最初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。目前 DSP 芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過十幾年的發(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(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次(1600MIPS，每秒 1600 兆次指令)的運(yùn)算，目前，市場(chǎng)占有率最大的是 TI 公司的 TMS320 系列 DSP芯片。 芯片基本結(jié)構(gòu)TMS320 系列 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括:哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令、快速的指令周期。（1）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相互獨(dú)立，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，取指令和取操作數(shù)可同時(shí)進(jìn)行，程序空間和數(shù)據(jù)空間之間可相互傳送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍。由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在分開的兩個(gè)空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，提高了指令執(zhí)行速度。（2）多總線結(jié)構(gòu)DSP 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 CPU 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問，大大提高了 DSP 運(yùn)行速度。TMS320C55X 系列內(nèi)部有 P,C,D,E 等 4 組總線，每組總線中有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成如下操作:1)從程序存儲(chǔ)器中取一條指令2)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀兩個(gè)操作數(shù)3)向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫一個(gè)操作數(shù)（3）流水線操作(Pipeline)流水線操作原理:將指令分成幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同的操作階段完成。TMS320 系列流水線深度從 2 到 6 級(jí)不等，TMS320C5510 有 6 級(jí)的流水線，TMS320C6000系列有 8 級(jí)流水線。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個(gè)操作可以獨(dú)立進(jìn)行，不同指令的不同階段在時(shí)間上的執(zhí)行能完全重疊。（4）專用的硬件乘法器DSP 芯片都配有專用的硬件乘法一累加器，即用專門的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的累加，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如矩陣運(yùn)算、FIR 和 IIR 濾波、FFT 變換等專用信號(hào)處理。（5）特殊的 DSP 指令為滿足數(shù)字信號(hào)處理的需要，在 DSP 的指令系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一些完成特殊功能的指令用來(lái)完成專門的數(shù)字信號(hào)處理操作。如 TMS320C55X 中的 FIRS 和 LMS 指令，專門用于系數(shù)對(duì)稱的 FIR 濾波器和 LMS 算法。為實(shí)現(xiàn) FFT、卷積等運(yùn)算，當(dāng)前的 DSP 大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址(Circularaddressing)、位碼倒置(bitreversed)指令和其他特殊指令，使得在進(jìn)行這些運(yùn)算時(shí)，尋址、排序及計(jì)算速度有了很大的提高。（6）快速的指令周期采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊指令及集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，使指令周期可在 20ns 以下。TMS320C55X 的運(yùn)算速度可達(dá) 1OOMIPS，即 100 百萬(wàn)條/秒。 系統(tǒng)構(gòu)成下圖所示即是一個(gè)典型的 DSP 系統(tǒng)。圖中輸入信號(hào)可以是各種形式，如麥克風(fēng)輸出的語(yǔ)音信號(hào)或電話線出來(lái)的己調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像信號(hào)等?？够殳B濾波器A/D轉(zhuǎn)換DSP芯片D/A轉(zhuǎn)換低通濾波器輸入 輸出圖 21 典型的 DSP 系統(tǒng)框圖其中，輸入信號(hào)應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進(jìn)行 A/D 變換，將輸入信號(hào)變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息的不丟失，抽樣頻率應(yīng)該不小于輸入信號(hào)最高頻率的 2 倍，一般取 4 到 6 倍。在本設(shè)計(jì)中，所使用的抽樣頻率為 5 倍的截止頻率。DSP 芯片的輸入是經(jīng) A/D 變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號(hào)，DSP 芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘法累加操作(MAC)等。數(shù)字處理是該 DSP 系統(tǒng)的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng) D/A 變換轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模擬信號(hào)。上面給出的 DSP 系統(tǒng)只是一個(gè)典型模型，并不是所有的 DSP 系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件，應(yīng)根據(jù)具體要求來(lái)變化。本設(shè)計(jì)中用到的北京精儀達(dá)盛有限公司的 DSP 實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)板上有 A/D,D/A 轉(zhuǎn)換芯片，相當(dāng)于模型系統(tǒng)中的中間三個(gè)部件。在不是自行設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計(jì)。另外，有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，如CD(CompactDisk)，就可以沒有模數(shù)變換這個(gè)過