【正文】 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 (1600MIPS)的運算，生產(chǎn) DSP 器件的公司也不斷壯大。 在國內(nèi)外的研究 中，設(shè)計 FIR 濾波器所涉及的乘法運算方式有 :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。 位串行乘法器的實現(xiàn)方法主要是通過對乘法運算進行分解，用加法器來完成乘法的功能，也即無乘法操作的乘法器。位串行乘法器使得乘法器的硬件 .觀模達到了最省，但是由于是串行運算，使得它的運算周期過長，運算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時不是最優(yōu)的。 分布式算法 ((distributedarithmetic,DA)的主要特點是巧妙 的利用 ROM 查找表將固定系數(shù)的乘累加 (Multiplyaccumulator,MAC)運算轉(zhuǎn)化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法實現(xiàn)乘累加運算的不同在于執(zhí)行部分積運算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累加功能時是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預先進行相加形成相應(yīng)的部分積，然后再對各個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)生之后再來相加來完成乘累加運算的。 DA 算法設(shè)計的 FIR 濾波器的速度可以顯著的超過基于 MAC 的設(shè)計。 相對于前兩種方法， DA 算法既可以全并行實現(xiàn)，又可以全串行實現(xiàn)，還可以串并行 結(jié)合實現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當?shù)恼壑?，是?shù)字濾波器的主要研究課題。 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法有以下三種： （ 1）用計算機軟件實現(xiàn) 軟件實現(xiàn)方法就是在通用的微型計算機上用軟件來實現(xiàn)。利用計算機的存儲器、運算器和控制器把濾波所要完成的運算編程程序通過計算機來執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫，也可使用現(xiàn)成的。國內(nèi)外的研究機構(gòu)、公司已經(jīng)推出了不同語言的信號濾波器處理軟件包。但是這種方法速度很慢，難以對信號進行實時處理，雖然可由用快速傅立葉變換算法累加，來加快計算速度，但要達到實 時處理還是要付出很高的代價，因而該方法多在教學與科研中使用。 （ 2）采用 DSP（ DigitalSignalProcessing）處理器來實現(xiàn) DSP 處理器是專為數(shù)字信號處理而設(shè)計的，如 TI 公司的 TMS320CX 系列， AD 公司的 ADSP21X,ADSP210X 系列等。它的主要數(shù)字運算單元是一個乘累加器 (MAC)，能夠在一個機器周期內(nèi)完成一次成累加運算，配有適合于信號處理的指令，具備獨特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰Α＿@些特點都非常適合數(shù)字信號處理中的濾波器設(shè)計的有效實現(xiàn)，并且它速度快，成本低，在過去的 20 多年的時間 里，軟件可編程的 DSP 器件幾乎統(tǒng)治了商用數(shù)字信號處理硬件的市場。 用 DSP 芯片實現(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。用可編程 DSP 芯片實現(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 可編程器件來實現(xiàn) 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一個研究領(lǐng)域[4]。 通過比 較以上三種方法可見：可以采用 MATLAB 等軟件來學習數(shù)字濾波器的基本知識，計算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對數(shù)字濾波器進行前期的仿真。也可以采用 DSP 或 FPGA 來實現(xiàn)硬件電路。本文重點研究在利用 DSP 來實現(xiàn)數(shù)字濾波的設(shè)計。 第二章 DSP 技術(shù) DSP 芯片發(fā)展 數(shù)字信號處理 (DigitalSignalProcessing)是利用專用處理器或計算機，以數(shù)字的形式對信號進行采樣、變換、濾波、增強、壓縮、識別、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形式，進行有效的傳輸與應(yīng) 用。數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor，簡稱 DSP)是一種處理數(shù)字信號的專用微處理器，主要應(yīng)用于實時快速地實現(xiàn)各種信號的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對數(shù)字信號處理的特點進行了改進和優(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 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來， DSP 芯片得到飛速發(fā)展。最初僅在信號處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，其高速運算能力使很多復雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，同時將實時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 芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，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 )的運算，目前，市場占有率最大的是 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 特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器相互獨立，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，取指令和取操作數(shù)可同時進行，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)存儲器在分開的兩個空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運行，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)，可同時進行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進行尋址，使 CPU 在一個機器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進行訪問，大大提高了 DSP 運行速度。 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，這樣在一個機器周期內(nèi)可以完成如下操作 : 1)從程序存儲器中取一條指令 2)從數(shù)據(jù)存儲器讀兩個操作數(shù) 3)向數(shù)據(jù)存儲器寫一個操作數(shù) （ 3）流水線操作 (Pipeline) 流水線操作原理 :將指令分成幾個子操作，每個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 級不等， TMS320C5510 有 6 級的流水線， TMS320C6000系列有 8 級流水線。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個操作可以獨立進行，不同指令的不同階段在時 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，即用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來處理多個乘積的累加，可在一個周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如矩陣運算、 FIR 和 IIR 濾波、 FFT 變換等專用信號處理。 （ 5）特殊的 DSP 指令 為滿足數(shù)字信號處理的需要，在 DSP 的指令系統(tǒng)中，設(shè)計了一些完成特殊功能的指令用來完成專門的數(shù)字信號處理操作。如 TMS320C55X 中的 FIRS 和 LMS 指令，專門用于系數(shù)對稱的 FIR 濾波器和 LMS 算法。 為實現(xiàn) FFT、卷積等運算，當前的 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，使得在進行這些運算時，尋址、排序及計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，使指令周期可在 20ns 以下。 TMS320C55X 的運算速度可達 1OOMIPS，即 100 百萬條 /秒。 系統(tǒng)構(gòu)成 下圖所示即是一個典型的 DSP 系統(tǒng)。圖中輸入信號可以是各種形式，如麥克風輸出的語音信號或電話線出來的己調(diào) 數(shù)據(jù)信號或數(shù)碼相機拍攝的圖像信號等。 圖 21 典型的 DSP 系統(tǒng)框圖 其中，輸入信號應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進行 A/D 變換，將輸入信號變換成數(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)該不小于輸入信號最高頻率的 2倍，一般取 4 到 6 倍。在本設(shè)計中，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， DSP 芯片對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理，如進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)換為模擬信號樣值，之后再進行內(nèi)插和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模擬信號。 上面給出的 DSP 系統(tǒng)只是一個典型模型，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)具體要求來變化。 本設(shè)計中用到的北京精儀達盛有限公司的 DSP實驗箱的實驗板上有 A/D,D/A轉(zhuǎn)換芯片，相當于模型系統(tǒng)中的中間三個部件。在不是自行設(shè)計 DSP 系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計。另外，有些輸入信號本身就是數(shù)字信號，如 CD(CompactDisk)，就可以沒有模數(shù)變換這個過程。 系統(tǒng)設(shè)計過程 在設(shè)計 DSP 系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求確定系統(tǒng)的性能指標、信號處理的要求，對系統(tǒng)進行任務(wù)劃分 。然后用 C 等高級語言或者 MATLAB,SystemView 等開發(fā)工具模擬所選抗混疊濾波器 A/D轉(zhuǎn)換 DSP芯片 D/A轉(zhuǎn)換 低通濾波器 輸入 輸出 定的對數(shù)字信號進行處理的算法，此處的輸入數(shù)據(jù)是實際信號經(jīng)采集而獲得的，常以計算機文件的形式存儲為數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為實際采集的信號數(shù)據(jù)，只要能夠驗證算法的可行性，輸入模擬假設(shè)的數(shù)據(jù)