【正文】 基于 DSP 的 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘 要 DSP 技術(shù)一般指將 DSP 處理器用于完成數(shù)字信號(hào)處理的方法與技術(shù)。目前的 DSP 芯片以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能在通信和其他信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛注意并已成為開(kāi)發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)。許多領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用都是圍繞美國(guó)德州儀器所開(kāi)發(fā)的DSP 處理器來(lái)進(jìn)行的。 DSP 芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器。主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，如卷積及各種變換等。其中利用 DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器就是很重要的一種應(yīng)用，本文深入研究基于美國(guó)德州儀器公司(TI)TMS320C5410 DSP 芯片的濾波器系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法，用窗口設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器，給出了 MATLAB 仿真結(jié)果，并在以 TI TMS320C5410 為微處理器的 DSK 上實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明濾波結(jié)果效果良好，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，用時(shí)間抽取法實(shí)現(xiàn)的 FFT/ IFFT 算法，介紹了自適應(yīng)濾波器的基本原理及應(yīng)用，并對(duì) LMS 算法進(jìn)行了深入的研究。 關(guān)鍵詞 ： DSP； TMS320C5410； FIR 濾波器； FFT/IFFT；自適應(yīng)濾波器 目 錄 1 緒 論 ......................................................................................................................................3 引言 ............................................................. 3 課題背景及研究意義 ............................................... 4 課題背景 .................................................... 4 研究意義 .................................................... 4 國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究 ............................................. 4 主要研究?jī)?nèi)容 ..................................................... 5 2 DSP 及其開(kāi)發(fā)環(huán)境 ....................................................... 7 DSP 系統(tǒng)的構(gòu)成 .............................................. 7 DSP 系統(tǒng)硬件電路圖 .......................................... 8 TI DSP 介紹 ....................................................... 9 CCS 開(kāi)發(fā)環(huán)境 ..................................................... 10 CCS 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 ........................................... 11 3 FIR 濾波器的設(shè)計(jì) ...................................................... 13 FIR 濾波器的基本理論 ............................................. 13 FIR 濾波器的特點(diǎn) ........................................... 13 FIR 濾波器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法 ......................................... 14 窗函數(shù)法 ................................................... 14 Chebyshev 逼近法 ........................................... 16 FIR 濾波器的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) .......................................... 17 帶通濾波器的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ..................................... 17 低通濾波器的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) .................................... 19 4 FIR 濾波器的應(yīng)用及其 DSP 實(shí)現(xiàn) .......................................... 20 FFT/IFFT 算法程序及應(yīng)用 .......................................... 21 FFT 設(shè)計(jì)方法 ............................................... 21 FFT 算法的實(shí)現(xiàn) ............................................. 22 FFT 算法的仿真和測(cè)試結(jié)果 ................................... 24 FIR 濾波器的 DSP 的實(shí)現(xiàn) ........................................... 25 FIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 ....................................... 25 FIR 濾波器的軟件設(shè)計(jì)及其調(diào)試 ............................... 26 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 31 附錄 A MATLAB 程序 ................................................... 32 附錄 B FFT 的 DSP 實(shí)現(xiàn)程序 ............................................ 34 1 緒 論 引言 隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已成為如今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等 眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字信號(hào)處理（ DSP） 包括兩重含義：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（ Digital Signal Processing）和數(shù)字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processor）。 數(shù)字信號(hào)處理（ DSP）是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法、對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、濾波、增強(qiáng)、壓縮、估值和識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的，其應(yīng)用范圍涉及幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域。 在數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用中，數(shù)字濾波器很重要而且得到了廣泛的應(yīng)用。按照數(shù)字濾波器的特性，它可以被分為線性與非線性、因 果與非因果、無(wú)限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（ IIR）與有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（ FIR）等等。其中，線性時(shí)不變的數(shù)字濾波器是最基本的類型；而由于數(shù)字系統(tǒng)可以對(duì)延時(shí)器加以利用，因此可以引入一定程度的非因果性，獲得比傳統(tǒng)的因果濾波器更靈活強(qiáng)大的特性； IIR 濾波器的特征是具有無(wú)限持續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)，這種濾波器一般需要用遞歸模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而有時(shí)也稱之為遞歸濾波器，而 FIR濾波器的沖激響應(yīng)只能延續(xù)一定時(shí)間，在工程實(shí)際中可以采用遞歸的方式實(shí)現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實(shí)現(xiàn)，但其結(jié)構(gòu)主要還是是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反饋，并且 FIR濾波器很容易 獲得嚴(yán)格的線性相位特性，避免被處理信號(hào)產(chǎn)生相位失真，而線性相位體現(xiàn)在時(shí)域中僅僅是 h(n)在時(shí)間上的延遲，這個(gè)特點(diǎn)在圖像信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中是非常重要的，且不會(huì)發(fā)生阻塞現(xiàn)象，能避免強(qiáng)信號(hào)淹沒(méi)弱信號(hào)，因此特別適合信號(hào)強(qiáng)弱相差懸殊的情況。 相對(duì)于 IIR濾波器， FIR濾波器有著易于實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛的應(yīng)用；對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)濾波器的研究則導(dǎo)致了以卡爾曼濾波為代表的自適應(yīng)濾波理論的產(chǎn)生。自適應(yīng)濾波即利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動(dòng)地調(diào)節(jié)（更新）現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未 知的統(tǒng)計(jì)特性，或者隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。幾種主要的自適應(yīng)濾波器為：最小均方（ LMS）自適應(yīng)濾波器、遞推最小二乘（ RLS）自適應(yīng)濾波器、格型自適應(yīng)濾波器、無(wú)限沖擊響應(yīng)（ IIR）自適應(yīng)濾波器。而自適應(yīng)去噪電路是信號(hào)處理領(lǐng)域一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，一個(gè)被噪聲污染的信號(hào)借助于相關(guān)噪聲可以把信號(hào)提取出來(lái)，而噪聲不斷變化 ,為了得到較清晰的語(yǔ)音信號(hào)必須采用自適應(yīng)去噪技術(shù) ,隨噪聲變化進(jìn)行自適應(yīng)濾波 .濾波器自動(dòng)調(diào)整它們的系數(shù)。 目前 FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法大致可分為三種：利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP器件和可 編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。單片通用數(shù)字濾波器使用方便，但由于字長(zhǎng)和階數(shù)的規(guī)格較少，不能完全滿足實(shí)際需要，使用以串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用 DSP芯片實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單，是一種實(shí)時(shí)、快速、特別適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。由于它具有豐富的硬件資源、改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)而在通信、航空、航天、雷達(dá)、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 ]2[ 。 課題背景及研究意義 課 題背景 數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種算法，由于具有精度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在數(shù)字圖像處理、數(shù)字通信、數(shù)字音響、聲納、雷達(dá)等領(lǐng)域。數(shù)字濾波技術(shù)又是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的最基本手段之一，它是對(duì)數(shù)字輸人信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)數(shù)字輸出信號(hào)，以改善信號(hào)品質(zhì)，提取有用信息，或者把組合在一起的多個(gè)信號(hào)分量分離開(kāi)來(lái)為目的。 在信號(hào)處理領(lǐng)域中，對(duì)于信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性、快速性的要求越來(lái)越高，因此在許多信息處理過(guò)程中，如對(duì)信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)、預(yù)測(cè)等，都要廣泛地用到濾波器。其中數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、設(shè) 計(jì)靈活、實(shí)現(xiàn)方便等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，避免了模擬濾波器所無(wú)法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問(wèn)題，因而隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能越來(lái)越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。而有限沖激響應(yīng) (FIR)濾波器能在設(shè)計(jì)任意幅頻特性的同時(shí)保證嚴(yán)格的線性相位特性，在示否音、數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用非常廣泛 ]3[ 。 研究意義 用可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便地改變?yōu)V波器的特性。因此，我們有必要對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，理解其工作原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)方 法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性好的濾波器系統(tǒng)。我們將通過(guò) DSP 設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)較為重要的FIR 和自適應(yīng)濾波器系統(tǒng)。從而通過(guò)本課題的研究，掌握濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)，為通信、信號(hào)處理等領(lǐng)域?qū)嵱没瘮?shù)字濾波器設(shè)計(jì)提供技術(shù)準(zhǔn)備。本科題的研究，將為今后設(shè)計(jì)以DSP 為核心部件的嵌入式系統(tǒng)集成提供技術(shù)準(zhǔn)備，這不僅具有重要的理論意義，同時(shí)還具有重要的實(shí)際意義。 國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并得到了迅猛的發(fā)展。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有 DSP，數(shù)字信號(hào)處理只能依靠 MPU 來(lái)完成。但 MPU（微處理器）的速度無(wú)法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。因此數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)多是停留在理論上，得不到廣泛的應(yīng)用，但這為 DSP 的誕生打下了基礎(chǔ)。 70 年代至 80 年代初是 DSP 發(fā)展的第二階段。 70 年代初，有人提出了 DSP 的理論和算法基礎(chǔ)。但是直到 1978，世界上第一個(gè)世界上第一枚 DSP 才誕生，它是由 1978AMI公司發(fā)布的 S2811。 1979 年美國(guó) Intel 公司發(fā)布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個(gè)主要里程碑； 1980 年 NEC 公司推出的 PD7720 是第一個(gè)具有乘法器的商用 DSP 芯片。美國(guó)德州儀器公司 Texas Instruments 也于 1982 年推出了其第一代 DSP 芯片 TMS32020及其系列產(chǎn)品，它們都是基于 NMOS 工藝。此時(shí)的 DSP 運(yùn)行速度較以前的 MPU 有了較大的提高，但由于制造工藝所限，體積和功耗都比較大，內(nèi)部資源較少，且價(jià)格昂貴。 80 年代中期直到現(xiàn)在是 DSP 得到了蓬勃發(fā)展并廣泛應(yīng)用的時(shí)期。 80 年代中期，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)尤其是 CMOS 技術(shù)的發(fā)展，基于 CMOS 工藝的 DSP 應(yīng)運(yùn)而生，體積功耗都大大減少，而存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都得到成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)； 80 年代后期， DSP 運(yùn)算速 度進(jìn)一步提高，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。 90 年代直到現(xiàn)在， DSP 發(fā)展最快，此時(shí)的 DSP 集成度極高，體積、功耗進(jìn)一步減少，內(nèi)部資源更是成倍增加，而價(jià)格卻進(jìn)一步下降。此時(shí)， DSP 芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且已擴(kuò)大到人們的學(xué)習(xí)、工作和生活的各個(gè)方面。生產(chǎn) DSP 器件的公司也不斷壯大，目前，市場(chǎng)占有率前四名依次為 :Tex