【正文】 .......... 13 TMS320C54xDSP 的硬件結構 ......................................... 錯誤 !未定義書簽。 總線結構 和中央處理單元 ...................................................................... 14 內部存儲器 及片內外設 .......................................................................... 15 DSP 系統(tǒng)的設 計與開發(fā) ................................................................................. 16 DSP 系統(tǒng)的特點 ...................................................................................... 18 FIR 匯編程序及 CCS 調試 ...................................................................... 18 FIR 濾波器的 DSP 實現(xiàn) .......................................................................... 20 本章小結 ...................................................................................................... 21 結 論 ............................................................................................................................ 22 參考文獻 .................................................................................................................... 23 1 第 1章 緒論 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性 21 世紀是數(shù)字化的時代，隨著越來越多的電子產品將數(shù)字信號處理 (DSP)作為技術核心， DSP 已經(jīng)成為推動數(shù)字化進程的動力。作為數(shù)字化最重要的技術之一， DSP 無論在其應用的深度還是廣度，正在以前所未有的速度向前發(fā)展。 數(shù)字信號處理器，也稱 DSP 芯片，是針對數(shù)字信號處理需要而設計的一種具有特殊結構的微處理器 。隨著信息處理技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術逐漸發(fā)展成為一門主流技術，它在電子信息、通信、軟件無線電、自動控制、儀表技術、信息家電等高科技領域得到了越來越廣泛的應用。 數(shù)字濾波器又分為無限沖激響應濾波器 (IIR)和有限沖激響應濾波器 (FIR)。FIR 濾波器具有不含反饋環(huán)路、結構簡單以及可以實現(xiàn)的嚴格線性相位等優(yōu)點，因而在對相位要求比較嚴格的條件下，采用 FIR 數(shù)字濾波器。同時，由于在許多場合下，需要對信號進行實時處理，因而對于單片機的性能要求也 越來越高。而普通的單片機例如 MCS51 難以滿足這一要求。用可編程 DSP 芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢是 ： 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。有限長單位沖激響應 (FIR)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過硬件電路實現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點 ： 1． 簡化了硬件電路的設計，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 2． 對干擾信號的抑制能力有了明顯提高，這對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了促進作用。 3． 數(shù)字濾波器的參數(shù)調節(jié)比起模擬濾波器來更加方便、靈活。 4．數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運行速度。 國 內外相關領域的相關進展 在國內外的研究中，設計 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 規(guī)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 (distributed arithmetic， 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 2 算法在完成乘累加功能時是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對應位產生的部分積預先進行相加形成相應的部分積，然后再對各個部分積累加形成最終結果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產生之后再來相加來完成乘累加運算的。 DA 算法設計的FIR 濾波器的速度可以顯著的超過基于 MAC 的設計。 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 目前數(shù)字濾波器的主要實現(xiàn)方法有 ： 1． 在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)。軟件可以是自己編寫的，也可以使用現(xiàn)成的軟件包，這種方法的缺點是速度太慢，不能用于實時系統(tǒng)，只能用于教學和算法的仿真研究。 2． 用 DSP(Digital Signal Processing)處理器實現(xiàn) DSP 處理器是專為數(shù)字信號處理而設計的，如 TI 公司的 TMS320C54x 系列， AD 公司的 ADSP2IX， ADSP210X 系列等。它的主要數(shù)字運算單元是一個乘累加器 (Multiplyaccumulator， MAC)，能夠在一個機器周期內完成一次乘累加運算，配有適合于信號處理的指令，具備獨特的循環(huán)尋址和倒序尋址能力。這些特點都非常適合數(shù)字信號處理中的濾波器設計的有效實現(xiàn)，并且它速度快、穩(wěn)定性好、編程方便。 3． 用固定功能的專用信號處理器實現(xiàn) 專用信號處理器采用專用集成電路 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)實現(xiàn)，適用于過程固定而又追求高速的信號處理任 務，是以指定的算法來確定它的結構，使用各種隨機邏輯器件組成的信號處理器。它們體積小、保密性好，具有極高的性能，但靈活性差。 4． 用 FPGA 等可編程器件來開發(fā)數(shù)字濾波算法。比較以上方法可見 ： 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)字濾波器的系數(shù)，研究算法的可行性，對數(shù)字濾波器進行前期的設計和仿真。而后，用 DSP 處理器或 FPGA 進行數(shù)字濾波的硬件實現(xiàn)。本課題設計的 FIR 數(shù)字濾波器就是用MATLAB 進行設計和仿真，用 DSP 處理器來實現(xiàn)。 主要研究內容 本課題主要應用 MATLAB 軟件設計 FIR 數(shù) 字濾波器，并對所設計的濾波器進行仿真 ： 應用 DSP 集成開發(fā)環(huán)境 —— CCS 調試匯編程序，用 TMS320C5416來實現(xiàn)了 FIR 數(shù)字濾波。具體工作包括 ： 對 FIR 數(shù)字濾波器的基本理論進行了分析和探討 ； 采用 MATLAB 軟件來學習數(shù)字濾波器的基本知識，對 FIR 低通數(shù)字濾波器進行前期的設計和仿真 ； 系統(tǒng)介紹了 TI 公司 TMS320C54x 系列數(shù)字信號處理器的硬件結構、性能特點和 DSP 的集成開發(fā)環(huán)境 CCS； 應用 DSP 集成開發(fā)環(huán)境 —— CCS 調試匯編程序，用 TMS320C5416 來實現(xiàn)了 FIR 數(shù)字濾波。 3 第 2章 FIR 濾波器基礎 FIR 濾 波器的特點 在數(shù)字信號處理應用中往往需要設計線性相位的濾波器， FIR 濾波器在保證幅度特性滿足技術要求的同時，很容易做到嚴格的線性相位特性。 FIR 濾波器不斷地對輸入樣本 x(n)延時后，再作乘法累加算法，將濾波結果 y(n)輸出，因此， FIR 實際上是一種乘法累加運算。 在數(shù)字濾波器中， FIR 濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路，故不存在不穩(wěn)定的問題 ； 同時，可以在幅度特性是隨意設置的同時，保證精確的線性相位。穩(wěn)定和線性相位特性是 FIR 濾波器的突出優(yōu)點。另外，它還有以下特點 ：設計方式是線性的 ； 硬件容易實現(xiàn) ； 濾波器過渡過 程具有有限區(qū)間 ； 相對 IIR濾波器而言，階次較高，其延遲也要比同樣性能的 IIR 濾波器大得多 [。 FIR 濾波器的設計方法 FIR 濾波器的設計方法主要有窗函數(shù)設計法和頻率抽樣設計法等，其中窗函數(shù)設計法是最基本的設計方法。在設計 FIR 濾波器中，一個最重要的計算就是加窗，采用矩形窗是最直接和簡便的方法，但采用矩形窗存在較大的 Gibbis效應，且矩形窗的第一旁瓣與主瓣相比僅衰減 13dB，因此實際設計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)和頻率抽樣設計法等。 利用窗函數(shù)法設計 FIR 濾波器 1．窗函數(shù)法的基 本思想 窗函數(shù)設計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截斷以得到一個線性相位和因果的 FIR 濾波器。因此這種方法的重點在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對于給定的濾波器技術指標，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窗函數(shù)。 任何數(shù)字濾波器的頻率響應 ()jAe? 都是 ? 的周期函數(shù)，它的傅立葉級數(shù)展開式為 ： 10( ) ( )Nj jndnH e h n e??? ??? ? （ 2－ 1） 其中 201sin [ ( ) ]1 2( ) ( )12 ()2cj j nddLnh n H e e d Ln??????????? ??? （ 2－ 2） 其中的 c? 為濾波器的歸一化的截止頻率。傅立葉系數(shù) ()dhn實際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應。 4 窗函數(shù)法就是用被稱為窗函數(shù)的有限加權系列 (){}n? 來修正式（ 2－ 2）的傅立葉級數(shù)，以求得要求的有限沖激響應序列 ()hn ，即有： ( ) ( ) ( )dh n h n n?? （ 2－ 3） ()n? 是有限長序列，當 1nN??及 0n? 時， ( ) 0n? ? 。 2．幾種常用的窗函數(shù) 1．漢寧 (Hanning)窗 漢寧窗又稱升余弦窗。 2 12( ) s in ( ) ( ) [ 1 c o s ( ) ] ( )1 2 1NNnnw n R n R nNN??? ? ??? （ 2－ 4） 利用傅里葉變換特性，可得 1()21()222( ) { 0 .5 ( ) 0 .2 5 [ ( ) ( ) ] }11()NjjR R RNjW e W W W eNNWe?????? ? ??????? ? ? ? ???? （ 2－ 5） 當 1N 時， 1NN?? ，所以窗函數(shù)的幅頻函數(shù)為 22( ) 0 . 5 ( ) 0 . 2 5 [ ( ) ( ) ]R R RW W W WNN??? ? ? ?? ? ? ? ? （ 2－ 6） 這三部分之和，使旁瓣互相抵消，能量更集中在主瓣，它的最大旁瓣值比主瓣值約低 31dB。但是代價是主瓣寬度比矩形窗的主瓣寬度增加一倍，即為 8/N? 。 2．海明 (Hamming)窗 海明窗又稱改進的升余弦窗。把升余弦窗加以改進，可以得到旁瓣更小的效果，窗形式為 2( ) [ 0 . 5 4 0 . 4 6 c o s ( ) ] ( )1 Nnw n R nN ??? ? （ 2－ 7） ()wn 的頻率響應的幅度特性為 22( ) 0 .5 4 ( ) 0 .2 3 [ ( ) ( ) ]11220 .5 4 ( ) 0 .2 3 [ ( ) ( ) ]R R RR R RW W W WNNW W WNN??? ? ? ???? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ? ? （ 2－ 8） 與漢寧窗相比，主瓣寬度相同，為 8/N? ，但旁瓣又被進一步壓低，結果可將 %的能量集中在窗譜的主瓣內，它的最大旁瓣值比主瓣值約低41dB。 3．布萊克曼 (Blackman)窗 布萊克曼窗又稱二階升余弦窗。 為了進一步抑制旁瓣，對升余弦窗函數(shù)再加上一個二次諧波的余弦分量，變成布拉克曼窗，故又稱二階升余弦窗。 24( ) [ 0 . 4 2 0 . 5 c o s ( ) 0 . 0 8 c o s ( ) ] ( )11 Nnnw n R nNN??? ? ??? （ 2－ 9）