【正文】 as Instruments、 Lucent 、 Analog Device、 Motorola。在所有生產(chǎn) DSP 的公司中， TI 可謂一枝獨(dú)秀，它是世界上最大的 DSP 供應(yīng)商， TI 系列 的 DSP 也是公認(rèn)的最成功的 DSP。其 DSP 市場份額占全世界份額近 50%。其產(chǎn)品覆蓋了高、中、低端幾乎所以市場，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。自從在 1982 年成功推出了其第一代 DSP TMS32020 及其系列產(chǎn)品 TMS320TMS320C10/C14/C15 等， TI 相繼推出了第二代 DSP TMS320 TMS320C25/C26/C28，第三代 DSP TMS320C30/C31/C32 ，第四代 DSP TMS320C40/C44 ，第五代 DSP TMS3205X/C54X/C55X 及目前速度最快的第六代 DSP TMS320C62X/C67X 等等。 DSP 器件應(yīng)用面從起初的局限于軍工，航空航天等軍事領(lǐng)域 ,擴(kuò)展到今天的諸多電子行業(yè)及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。在 TI 公司的 DSP 產(chǎn)品中 C1X、 C2X、 C2XX、 C5XX、C54X、 C62X 等系列是定點(diǎn)運(yùn)算指令系統(tǒng)的 DSP； C3X、 C4X、 C67X 等系列是浮點(diǎn)運(yùn)算指令系統(tǒng)的 DSP； AV7100、 AV7110 等系列是用于視頻、音頻領(lǐng)域的專用數(shù)字壓縮產(chǎn)品。 主要研究內(nèi)容 本課題是基于 TI 公司近年推出的高性能定點(diǎn) DSP TMS320C5410 設(shè)計(jì)濾波器系統(tǒng)，如：有限沖擊響應(yīng)濾波 器（ FIR）。本次課題的主要任務(wù)，就是掌握 DSP 芯片開發(fā)技術(shù)，完成如下工作： 用窗函數(shù)法實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器，通過調(diào)用四種窗口函數(shù)，截取不同的帶通與低通濾波原型，滿足以下性能要求： 帶通濾波器： 下阻帶邊緣： ?? ?s ， dBAs 60? ；下通帶邊緣： ?? ?p ， dBRp 1? 上通帶邊緣： ?? ?p ， dBRp 1? ；上阻帶邊緣： ?? ?s ， dBAs 60? 低通濾波器： ?? ?p ， dBRp ? ； ?? ?s ， dBAs 50? 用時(shí)間抽取法實(shí)現(xiàn) FFT/IFFT 算法，通過此算法，對信號進(jìn)行頻域分析、頻域處理； 自適應(yīng)濾波器是目前數(shù)字濾波器領(lǐng)域中最為活躍的分支，討論采用經(jīng)過改進(jìn)的 LMS（最小圴方誤差）算法實(shí)現(xiàn)自 適應(yīng)濾波器。 研究 DSP 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解 TI 公司的 TMS3205410 DSP 器件，掌握 DSP 系統(tǒng)的構(gòu)成及軟硬件設(shè)計(jì)方法和 CCS 軟件的調(diào)試方法；并以 TI 公司的 TMS3205410 DSP 為核心處理器，在 DSK 上實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器系統(tǒng)。 本論文共分為五個(gè)部分，第一章為緒論部分，介紹 DSP 及其濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀；第二章詳細(xì)介紹 DSP 的特點(diǎn)、性能指標(biāo)、軟件開發(fā)工具、指令系統(tǒng)及硬件結(jié)構(gòu)；第三章介紹了 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)闡述了用窗口設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) FIR 濾波器及MATLAB 實(shí)現(xiàn)；第四章介紹 FIR 濾波器的 應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)；第五章介紹自適應(yīng)濾波器基本理論、算法及其應(yīng)用。其中，三、四章是本論文的核心部分。 2 DSP 及其開發(fā)環(huán)境 DSP 系統(tǒng) DSP 系統(tǒng)的構(gòu)成 一個(gè)典型的 DSP 系統(tǒng)如圖 示。 圖 典型的 DSP系統(tǒng) 圖 是一個(gè)用 DSP 做信號處理的典型框圖。由于 DSP 是用來對數(shù)字信號進(jìn)行處理的，所以首先必須將輸入的模擬信號變換為數(shù)字信號。于是先對輸入模擬信號進(jìn)行調(diào)整，輸出的模擬信號經(jīng)過 A/D 變換后變成 DSP 可以處理的數(shù)字信號， DSP 根據(jù)實(shí)際需要對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，如 FFT、卷積等；處理得到的結(jié)果仍然是數(shù)字信號，可以直接通過相應(yīng)通信接口將它傳輸出去，或者對它進(jìn)行 D/A 變換將其轉(zhuǎn)換為模擬采樣值，最后再經(jīng)過內(nèi)插和平滑濾波就得到了連續(xù)的模擬波形模擬信號。當(dāng)然，圖中的有些環(huán)節(jié)并不是必需的。如 A/D 轉(zhuǎn)換，如果輸入的是數(shù)字信號，就可以直接交給 DSP 進(jìn)行運(yùn)算 ]5[ 。 DSP 系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)過程 由于數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理理論為基礎(chǔ)，所以具有數(shù)字信號處理的全部優(yōu)點(diǎn)： (1)接口 方便 DSP 系統(tǒng)與其它以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多。 (2)編程方便 DSP 系統(tǒng)中的可編程 DSP 芯片可以使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便的進(jìn)行修改和升級，可以將 C 語言與匯編語言結(jié)合使用。 (3)具有高速性 DSP 系統(tǒng)的運(yùn)行較高，最新的 DSP 芯片運(yùn)行速度高達(dá) 10GMIPS 以上。 (4)穩(wěn)定性好 DSP 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)， 受周圍環(huán)境，如噪聲、溫度等的影響小、可靠性高； (5)精度高 例如 16 位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到 105 的精度； (6)可 重復(fù)性好 模擬系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)性能變化影響大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，更便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。 (7)集成方便 DSP 系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模生產(chǎn)。 當(dāng)然 DSP 也存在一定的缺點(diǎn)。例如，對于一些簡單的信號處理任務(wù)，如與模擬交換線的電話接口，若采用 DSP 則使成本增加。另外， DSP 系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘通常在幾十兆赫，可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題， 而且 DSP 的功率消耗在系統(tǒng)中也是較大的。此外， DSP 技術(shù)發(fā)展得很快，數(shù)學(xué)知識要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還很不完善。雖然 DSP 系統(tǒng)還存在一 些缺點(diǎn)，但是隨著近兩年來 DSP 技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成本的下降，很多問題都得到了緩解。其突出的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使其在通信、語音、圖像、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 一般來說 DSP 的設(shè)計(jì)過程應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)流程，如圖 示。 圖 DSP基本設(shè)計(jì)流程 DSP 系統(tǒng)硬件電路圖 根據(jù)使用 DSP芯片的相關(guān)原則，以及芯片手冊具體決定未用端子是接上拉電阻還是DSP 應(yīng)用 定義系統(tǒng)性能指標(biāo) 硬件調(diào)試 選擇 DSP 芯片 軟件編程 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)集成 軟件調(diào)試 系統(tǒng)測試和調(diào)試 懸空?？梢缘贸?DSP數(shù)字濾波器的整體硬件電路連線圖，如圖 圖 DSP 系統(tǒng)硬件電路圖 TI DSP 介紹 TI 公司 DSP 種類多，品種齊全，適合各種需要。目前，使用較為廣泛的主要有三個(gè)系列： C2020， C5000 和 C6000。其他系列產(chǎn)品應(yīng)用較少或已經(jīng)淘汰。每個(gè)系列又有多種 DSP 可供選擇。同一系列的 DSP 具有相同的內(nèi)核、相同或兼容的匯編指令集；它們之間的差別是具有不同大小的片內(nèi)存儲器、不同的片內(nèi)外設(shè)和外部接口等，工作電壓和速度也有所區(qū)別。 以上 3 大系列 DSP 實(shí)現(xiàn)功能的側(cè)重點(diǎn)不同，也就是說應(yīng) 用領(lǐng)域有所不同： (1)C2020 系列是 16 位定點(diǎn) DSP。它是一個(gè)控制器系列，主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，它除了具有一個(gè) DSP 內(nèi)核外，還有大量的片內(nèi)外設(shè)資源，如 A/D、定時(shí)器、各種同步和異步串口、看門狗、 CAN 總線接口等；加上其價(jià)格低廉，速度更高，可靠性更強(qiáng)，可以取代傳統(tǒng)單片機(jī)。內(nèi)部具有 Flash，方便固化程序，而其他系列 DSP都沒有內(nèi)部 Flash。 (2)C5000 系列 DSP 是 16 位定點(diǎn)低功耗 DSP，性價(jià)比極高，主要應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)及手持式通訊產(chǎn)品，如手機(jī)， PDA 和 GPS 等。 C5000 又分為 C54X 和 C55X 兩個(gè)系列。相對 C2020 系列來說，其內(nèi)部存儲更大，運(yùn)行速度更快，更適合執(zhí)行較為復(fù)雜的數(shù)字信號處理任務(wù)，但控制功能相對較弱。一般由核心電壓和 I/O 電壓兩種電壓供電。核心電壓較低，所以功耗很低，且體積很小，方便集成。 (3)C6000 系列是 32 位的 DSP 系列。在 TI 的所有系列 DSP 中運(yùn)行速度最快。其中C62XX 是定點(diǎn) DSP，而 C64XX 和 C67XX 是浮點(diǎn) DSP，它主要應(yīng)用于需要大量快速運(yùn)算的場合，如數(shù)字視頻處理、無線基站等。由于速度很高，所以功耗也很大。 C54x 芯片 在本設(shè)計(jì)中使用的 DSP 是 TMS320VC5410。它屬于 TI C5000 系列中的 C54X 系列，正如前面所說，同一系列的 DSP 具有相同的內(nèi)核、相同或兼容的匯編指令集，差別僅在于內(nèi)存儲器的大小，片內(nèi)外設(shè)等等，所以就首先介紹一下 C54 系列 DSP 普遍具有的特點(diǎn)和性能。 54X 具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，使其處理能力達(dá)到最大。分開的程序空間和地址空間提供了高度的并行性，可以同時(shí)訪問程序指令和數(shù)據(jù)，例如三次讀操作和一次寫操作可以在一個(gè)周期內(nèi)完成。帶并行存儲的指令和具有特殊應(yīng)用的指令充分利用了這種結(jié)構(gòu)。這種并行性支持一套強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和位操作運(yùn)算 ，所以使得這些運(yùn)算可以在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。而且 54X 的運(yùn)行機(jī)制還支持中斷處理、重復(fù)操作和函數(shù)調(diào)用等等 ]6[ 。 對于任意通用可編程芯片來說，一般都具備以下幾個(gè)部分： (1)內(nèi)部存儲器：主要用來存儲程序、執(zhí)行程序、存儲數(shù)據(jù)等； (2)中央處理單元 (CPU)：用來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算功能； (3)片內(nèi)外設(shè)：用來實(shí)現(xiàn)一些特定功能，如時(shí)鐘發(fā)生器、硬件定時(shí)器等等； (4)外部總線接口：用來和其他芯片接口，協(xié)同工作； (5)通信接口：用來從外圍芯片獲得數(shù)據(jù)或者將處理完的數(shù)據(jù)傳輸出去； (6)內(nèi)部總線：用來連接芯片中不同的單元。也就是說，以上各個(gè)部分的通信是通過內(nèi)部總縣來完成的。 . CCS 開發(fā)環(huán)境 本節(jié)將介紹 CCS Code Composer Studio 的基本開發(fā)環(huán)境、軟件開發(fā)過程、 CCS 組件。 CCS 提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，它便于實(shí)時(shí)、嵌入式信號處理程序的編制和測試，能夠加速開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。 CCS 概述 CCS 全稱是 Code Composer Studio 它提供了基本的代碼生成工具，具有一定的調(diào)試、分析能力，在 CCS 下的程序開發(fā) 過程如圖 示 ]8[ 。 圖 CCS 包括： CCS 代碼生成工具 CCS 集成開發(fā)環(huán)境 IDE DSP/BIOS 插件程序和 API RTDX 插件，主機(jī)接口和 API 等。 下面將著重介紹前兩項(xiàng)。 CCS 集成開發(fā)環(huán)境 調(diào)試 DSP 目標(biāo)程序，它主要由幾個(gè)主要的窗口組成：工程組顯示窗口、程序內(nèi)容顯示窗口、編輯信息提示窗口和主要工具欄。另外，在編輯過程中 還可以顯示諸如存儲器觀察窗口、變量監(jiān)視框、圖形顯示框等調(diào)試界面，他們?yōu)槌绦蚓帉懻{(diào)試提 供多種手段為軟件開發(fā)提供了極大的方便。圖 就是基本編輯界面。 圖 CCS基本編輯界面 在利用 CCS 編程的過程中，不可避免的要遇到如何將程序變量分配到內(nèi)存中去的問題。因?yàn)椋词? DSP 的存儲空間比較大，速度也十分快，但是如果內(nèi)存空間分配不當(dāng)?shù)脑?，還是會出現(xiàn)空間不夠行速度下降，甚至程序跑飛的情況，這樣會時(shí)程序調(diào)試起來十分麻煩。所以，一定要分配好內(nèi)存空間 CCS 提供了兩種分配空間的方法：利用 cmd文件或 rcp 文件分配空間，其中 cmd 文件是純文本格式的描述性的空間分配方式 , 它的優(yōu)點(diǎn)是程序員對空 間的可控制性較高，可以將不同的塊分配到指定的地址，并規(guī)定長度。但它對于初學(xué)者來說，要求對 C5410 的內(nèi)存空間的分配有較清楚的認(rèn)識，否則容易將數(shù)據(jù)分配到不該分配的地方，引起程序運(yùn)行的沖突，甚至程序跑飛。所以，一般在編程過程中，使用 rcp 文件對程序進(jìn)行內(nèi)存分 rcp 文件全稱是 recipe 文件，這是一種圖形化界面的內(nèi)存分配文件。對于一個(gè)新生成的工程組 rcp 文件的生成方法是：選擇 CCS 菜單上的 Tools 項(xiàng)，選擇 linker configuration 項(xiàng)，將分配方式改為 use the visual linker 之后直接編譯，編譯信息提示窗口中會顯示出錯(cuò)信息，提示找不到 rcp 文件，雙擊提示 CCS 會自動(dòng)彈出 rcp 生成向?qū)?，按照要求選擇 rcp 模板，就會生成這個(gè)工程對應(yīng)的 rcp 文件，雙擊生成的 rcp 文件，通過 visual linker 連接器可以打開這個(gè)文件。 當(dāng)程序中新增加了變量后，在 rcp 文件中會出現(xiàn) Not yet placed 項(xiàng)，只要將其下的文件夾，根據(jù)類型拖動(dòng)到 run_view 下的相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器即可。還可以選擇用何種類型的存儲器空間裝載，通過觀察存儲空間以使用的狀況自行分配空間，所以十分靈活，并且不會 出現(xiàn)空間重疊的現(xiàn)象，避免了程序跑飛。 3 FIR 濾波器的設(shè)計(jì) FIR 濾波器的基本理論 FIR 濾波器的特點(diǎn) 數(shù)字濾波器的功能，就是把輸入序列通過一定的運(yùn)算變換成輸出序列?？梢杂脙煞N方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器： — 種方法是采用通用計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)的存儲器、運(yùn)算器和控制器把濾波器所要完成的運(yùn)算編成程序通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)；另一種方法是設(shè)計(jì)專用的數(shù)字硬件（通常稱之為數(shù)字信號處理器）。 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法是多種多樣的，其中比較常用到的是無限長脈沖響應(yīng)濾波器 IIR 和有限長 脈沖響應(yīng)濾波器 FIR 兩種，另外還有維納濾波器、自適應(yīng)濾波器等，但是在一般通信領(lǐng)域，尤其是信號傳輸領(lǐng)域，在一個(gè)信號的發(fā)送與接