【正文】 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、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為 70 年代以后的主攻方向。導(dǎo)致 RC有源濾波器 、數(shù)字濾波器、開關(guān)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(yīng)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(yīng)用范圍。 90 年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)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行。 我國廣泛使用濾波 器是 50 年代后期的事，當時主要用于話路濾波和報路濾波。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國際發(fā)展有一段距離。 我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國有源濾波器發(fā)展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國各類濾波器的應(yīng)用情況： LC 濾波器占 50%；晶體濾波器占 20%；機械濾波器占 15%；陶瓷和聲表面濾波器各占 1%； 其余各類濾波器共占 13%。從這些應(yīng)用比例來看，我國電子產(chǎn)品要想實現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個重要課題。 湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 2 圖 11 濾波器的分類 濾波器的分類 濾波器有各種不同的分類，一般有如下幾種。 （ 1） 按處理信號類型分類 按處理信號類型分類，可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類；離散濾波器又可分為數(shù)字、取樣模擬、混合三個分類。當然，每個分類又可繼續(xù)分下去，總之，它們的分類可以形成一個樹形結(jié)構(gòu)，如圖 11所示。 實際上有些濾波器很難歸于哪一類，例如開關(guān)電容濾波器既可屬于取樣模擬濾波器，又 可屬于混合濾波器，還可屬于有源濾波器。因此，我們不必苛求這種 “ 精確 ”分類，只是讓人們了解濾波器的大體類型，有個總體概念就行了。 （ 2） 按選擇物理量類 按選擇物理量分類，濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇（例如 PCM制中的話路信號）和信息選擇（例如匹配濾波器）等四類濾波器。 （ 3） 按頻率通帶范分類 按頻率通帶范圍分類，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別，而梳形濾波器屬于帶通和帶阻濾波器，因為它有周期性的通帶和阻帶。 DSP 芯片的發(fā)展與應(yīng)用 自從 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。湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 3 DSP芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技術(shù)的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。在近 20 年時間里， DSP 芯片已經(jīng)在信號處理、通信、雷達等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。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。 DSP 芯片的 應(yīng)用主要有： (1) 信號處理 —— 如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等； (2) 通信 —— 如調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴頻通信、 糾錯編碼、可視電話等； (3) 語音 —— 如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人辨認、說話人確認、語音郵件、語音存儲等； (4) 圖形、圖像 —— 如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫、機器人視覺等； (5) 軍事 —— 如保密通信、雷達處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等； (6) 儀器儀表 —— 如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等； (7) 自動控制 —— 如引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等； (8) 醫(yī)療 —— 如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護等； (9) 家用電器 —— 如高保 真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話電視等。 隨著 DSP 芯片性能價格比的不斷提高，可以預(yù)見 DSP 芯片將會在更多的領(lǐng)域內(nèi)得到更為廣泛的應(yīng)用。 論文結(jié)構(gòu) 本論文共分四章： 第一章緒論部分提出了課題的相關(guān)背景以及研究目的、意義等，同時大致介紹了濾波器的工作原理和特點以及在今后的發(fā)展趨勢。 第二章是 系統(tǒng)總體方案論證與比較 。 第三章詳細描述 TMS320C54xDSP 結(jié)構(gòu)、原理及 IIR濾波器設(shè)計原理。 湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 4 第四章主要是 系統(tǒng)軟件設(shè)計。 第五章是本文的總結(jié)。 本文的最后是參考文獻和致謝。 湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 5 第二章 系統(tǒng)總體方案的論證 與選擇 IIR 濾波器是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位沖激響應(yīng)是有限的，沒有輸入到輸出的反饋，是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此， IIR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 目前 IIR 濾波器的硬件實現(xiàn)有以下幾種方式： 第 一種是使用單片通用數(shù)字濾波器集成電路，這種電路使用簡單，但是由于字長和階數(shù)的規(guī)格較少，不易完全滿足實際需要。雖然可采用多片擴展 來滿足要求，但會增加體積和功耗，因而在實際應(yīng)用中受到限制。 只適用于簡單的 DSP算法，可用于實現(xiàn)一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理任務(wù)，如數(shù)字控制。 在工業(yè)自動化的許多領(lǐng)域都要使用濾波器。一般有源濾波器均由運算放大器和 RC元件組成，對元器件的參數(shù)精度要求比較高，設(shè)計和調(diào)試都比較麻煩。美信公司（ MAXIM）生產(chǎn)垢可編程濾波器芯片 MAX262可以通過編程對各種低頻信號實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理，而且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等也可以通過編程進行設(shè)置。 有源濾波器一般通過改變 RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來改變頻率特性，采用運算放大器和可切換元件參數(shù)的 RC網(wǎng)絡(luò)，可以用同一電路組成各種頻率特性的濾波器。美信公司的可編程濾器芯片采用編程數(shù)據(jù)來完成 RC網(wǎng)絡(luò)的切換。 MAX262主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)（ SCN）和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)（ SCN）和工作模式選擇器分別由編程數(shù)據(jù) M0M1， F0～ F5和Q0～ Q6控制。 MAX262內(nèi)部有兩個二級濾波器，濾波器 A和 B可以單獨使用，也可級聯(lián)成四階濾波器使用。芯片的使用非常靈活，但它們均受同一組編程數(shù)據(jù)的控制。MAX262芯片的工作頻率為 1Hz～ 140kHz。當時鐘頻率為 4MHz，工作模式選擇為模式 3時，芯片可以對 140kHz的輸入信號進行濾波處理。其它工作模式的最高工作頻率為 100kHz。濾波器 A和 B可以采用內(nèi)部時鐘，也可以采用外部時鐘。外部時鐘分別從芯片的引腳 CLKA、 CLKB引入，對外部時鐘無占空比要求。如果要對更低頻率的信湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 6 號進行濾波處理，可采用 MAX260芯片，它的工作頻率為 ～ 。輸入的低頻信號可以直接送到 MAX260芯片的輸入端（即 INA或 INB引腳），輸入信號的幅度范圍為 0V～ +5V。 DSP芯片的濾波器的設(shè)計 第二 種是使用 DSP芯片。 與單片機相比， DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源。 DSP芯片有專用的數(shù)字信號處理函數(shù)可調(diào)用 ，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法 ， 且靈活，速度快，因此在 實現(xiàn) IIR濾波器 時也給我們帶來了方便。 但是 它本身同時也存在著一些缺點，在一些實時性要求較高的如雷達控制或無線通訊等系統(tǒng)中 ,由于程序的順序執(zhí)行 ,軟件方式的實時性往往不能滿足要求 。而且，就是同一公司的不同系統(tǒng)的 DSP芯片，其編程指令也會有所不同， 直接導(dǎo)致了 開發(fā)周期 的延長 。 DSP 實現(xiàn)的優(yōu)點與缺點 1．精度高，抗干擾性 強，穩(wěn)定性好。精度僅受量化誤差即有限字長的影響，信噪比高，對器件性能影響較少。 編程方便，容易實現(xiàn)復(fù)雜算法。 可程控。當系統(tǒng)的功能和性能發(fā)生改變時，不需要重新設(shè)計，例如實現(xiàn)不同的數(shù)字濾波；軟件無線電中不同工作模式的電臺通訊；虛擬儀器中的濾波器、頻譜儀等。 接口簡單。系統(tǒng)的電氣特性簡單，數(shù)據(jù)流采用標準協(xié)議。 集成方便。 的選擇與簡介 DSP芯片系列簡介： TMS320C2020： TMS320C2020系列包括 C24x和 C28x系列。 C28x系列主要用于大存儲設(shè)備管理，高性能的控制 場合。 TMS320C3x： TMS320C3x系列包括 C3x和 VC33，主要推薦使用 VC33。 C3x湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 7 系列是 TI浮點 DSP的基礎(chǔ)。 TMS320C5x： TMS320C5x系列，但不推薦使用，已被 C24x或 C5000系列替代。 TMS320C5000： TMS320C5000系列包括 C54x和 C55x系列。其中 VC54xx還不斷有新的器件出現(xiàn)，如： TMS320VC5471（ DSP＋ ARM7）。 C55x系列是 TI的第三代DSP，功耗為 VC54xx的 1/6，性能為 VC54xx的 5倍，是一個正在發(fā)展的 系列。 C5000系列是目前 TI DSP的主流 DSP，它涵蓋了從低檔到中高檔的應(yīng)用領(lǐng)域，目前也是用戶最多的系列。 TMS320C6000： TMS320C6000系列包括 C62xx、 C67xx和 C64xx。此系列是TI的高檔 DSP系列。其中 C62xx系列是定點的 DSP，系列芯片種類較豐富，是主要的應(yīng)用系列。 C67xx系列是浮點的 DSP，用于需要高速浮點處理的領(lǐng)域。 C64xx系列是新發(fā)展，性能是 C62xx的 10倍。 OMAP系列： OMAP系列是 TI專門用于多媒體領(lǐng)域的芯片，它是 C55＋ ARM9，性能 卓越，非常適合于手持設(shè)備、 Inter終端等多媒體應(yīng)用。 在本次設(shè)計中采用 TMS320C54x系列的 VC5402 DSP 芯片 CPLD 的數(shù)字濾波器的設(shè)計 第三 種是使用可編程邏輯器件， FPGA/CPLD。 FPGA 有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯塊整列和豐富的連線資源，特別適合用于細粒度和高并行度結(jié)構(gòu)的 IIR 濾波器的實現(xiàn)，相對于串行運算主導(dǎo)的通用 DSP 芯片來說，并行性和可擴展性都更好。 濾波器功能的實現(xiàn)實際上是通過大量的加法和乘法運算來完成的 ,因此在進行實時濾波處理時 ,必須解決乘法和累加運算的耗時問題 ,使運算速度盡可能的快以滿足實時處理的要求。微處理器或單片機 (MCU) 是難于直接參與高速處理工作的。由于 MCU的工作方式是通過內(nèi)部的 CPU逐條執(zhí)行軟件指令來完成各種運算和邏輯功能的 ,因而無論多么高的工作時鐘頻率和多么好的指令時序方式 ,在排隊式串行指令執(zhí)行方式面前 ,其工作速度和效率也將大打折扣。 DSP處理器也不能逃脫這種工作式。可編程邏輯器是新一代的數(shù)字器件 ,它不僅具有很高的速度和可靠性 ,而且具有用戶可重復(fù)定義的邏輯功能 ,即具有可重復(fù)編程的特點 ,其固有的品質(zhì)不僅能提供卓越的性能而且還有極高的靈活性。當前可 編程邏輯器件中應(yīng)用最廣泛的 ,當屬現(xiàn)場可編程湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 8 門陣列 ( FPGA) 和復(fù)雜可編程邏輯器件 ( CPLD) ,它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點 。雖然 CPLD與 FPGA都可集成成千上萬門的數(shù)字邏輯電路 ,但比較而言 ,CPLD更適合于 FPGA相比具有更高的速度和更小的芯片尺寸。在設(shè)計中 ,選用 ALTERA公司的 CPLD可實現(xiàn) IIR濾波器 ,器件為 ACEX1K系列的EP1K10TC10023芯片。 利用 FPGA的高速度、高密度的特點 , 可以滿足一些高精度實時處理系統(tǒng)對精度和速度的要求。由于實 現(xiàn)的硬件并行算法 ， 因此特別適合那些實時性要求較高或計算量很大的場合 ， 例如航天、國防等。而且解決方案便宜 ,靈活 ,集成度高 ,穩(wěn)定性好 ， 可以根據(jù)具體情況 ,按系統(tǒng)要求編程設(shè)計出最合適的濾波器 。 基于三種不同的方案，在本次設(shè)計中采用第二種方案，利用 DSP 芯片來實現(xiàn) IIR數(shù)字濾波器。雖然說到 DSP 的實時性比較差，但在本次設(shè)計中不會因為它的缺點而受影響。 湖南人文科技學(xué)院（畢業(yè)論文） 9 第三章 TMS320C54xDSP 結(jié)構(gòu)、原理及 IIR 濾波器設(shè)計原理 TMS320C54x 是 TI 公司于 1996 年推出的新一 代定點數(shù)字信號處理器。它采用先進的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有 8條總線（ 1 條程序存儲總線、 3條數(shù)據(jù)存儲總線和4條地址總線）、 CPU、在片存儲器和在外圍電路等硬件，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使 C54x 具有功耗小、高度并行等優(yōu)點，可以滿足電信等眾多領(lǐng)域的實時處理的要求。 C54x DSP 的主要特點如下： 1，圍繞 8 條總線構(gòu)成的增強型哈佛結(jié)構(gòu)； 2，高度并行和帶有專用硬件邏輯的 CPU 設(shè)計； 3，高度專業(yè)的指令系統(tǒng)； 4，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計； 5，先進的 IC工藝 。6,能