【正文】 呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） I 摘 要 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。當(dāng)前我們正處于數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注，其理論及算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展得到了飛速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理的功能，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組 (由模擬信號(hào)取樣和量化的 )數(shù)字量 ，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒(méi)有漂移，能夠處理低頻信號(hào)，頻率響應(yīng)特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達(dá)到很高，容易集成等，這些優(yōu)勢(shì)決定了數(shù)字濾波器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 本論文的主要研究了 FIR 數(shù)字濾波器的基本理論，基于 TI 公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402 設(shè)計(jì)了一款穩(wěn)定度高，低功耗的數(shù)字濾波器系統(tǒng)。研究了 FIR 數(shù)字濾波器的基本理論，以及數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)學(xué)習(xí) FIR 濾波器的結(jié)構(gòu)、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)理論，掌握了 FIR 數(shù)字濾波器的原理和特性。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾 波器奠定了理論基礎(chǔ)。研究了 TMS320VC5402 器件的結(jié)構(gòu)和特性，根據(jù)該數(shù)字信號(hào)處理器的獨(dú)特的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的系統(tǒng)架構(gòu)，并系統(tǒng)全面的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的各個(gè)模塊電路，合理的處理模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與 DSP 的連接。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的硬件平臺(tái)。 根據(jù) TI 公司 5000 系列數(shù)字信號(hào)處理器的基本結(jié)構(gòu)和特征，充分利用其片上資源，用通用的可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)本次基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： DSP；數(shù)字濾波器； FIR II Design of Digital Filter Based on DSP Abstract Digital filter is one of the most important part of digital signal processing， almost appeared in all digital signal processing we are in a digital age， digital signal processing technology has received wide attention， its theory and algorithm with the development of puter technology and microelectronic technology has been rapid development， the voice is widely used in image processing， digital munications， spectrum analysis， pattern recognition， automatic control， filter is one of the most important part of digital signal processing， almost appeared in all digital signal processing filter is to point to plete the function of the signal filtering processing， with limited accuracy algorithm of discrete time linear timeinvariant system， its input is a set of (by the analog signal sampling and quantization) digital quantity， its output is a transformation of another set of with analog filters， digital filter without drift， able to handle low frequency signal， the frequency response can be made 呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） III very close to the ideal characteristics， and can reach high precision， easy integration and so on， these advantages determine the application of digital filter is more and more widely. This paper mainly studies the basic theory of FIR digital filter， based on TI pany39。s digital signal processor TMS320VC5402 designed a high degree of stability， low power consumption digital filter the basic theory of FIR digital filter， as well as the realization of the digital filter studying the structure of FIR filter， digital filter design theory， master the principle and characteristics of FIR digital the theoretical basis for the realization of the digital the structure and properties of TMS320VC5402 device， according to the unique characteristics of digital signal processor， design a suitable system architecture， and the design of the system modules of digital filter circuit， a reasonable processing analogtodigital conversion and digital to analog conversion chip connected with order to realize digital filter system provides a stable hardware platform. Based on TI pany39。s basic structure and features of the 5000 series digital signal processor， make full use of the onchip resources， general programmable DSP chip is used to implement the digital filter design based on DSP. Keywords： DSP。Digital Filter。FIR呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 1 第 1 章 緒論 本章主要介紹 數(shù)字濾波器 的 優(yōu)越性 ， 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)， 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法， 主要研究?jī)?nèi)容等。 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性 21 世 紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理 (PSP)作為技術(shù)核心， DSP 已經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一， DSP 無(wú)論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以汀所未有的速度向前發(fā)展。 數(shù)字信號(hào)處理器，也稱 DSP 芯片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為它在電子信息、通信、軟件無(wú)線電、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、 信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用 DSP 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。 近年來(lái)， DSP 技術(shù)在我國(guó)也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面，在數(shù)字信號(hào)處理中，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并取得了豐碩的成果。數(shù)字濾波占有極其重要的地位。 數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服了與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲 問(wèn)題。用 DSP 芯片實(shí)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(diǎn)。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)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。 幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、通信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)等都涉及信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。這些過(guò)程都可能包含衰減一個(gè)頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分，用數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的 [3]。數(shù)字濾波器又分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器 (IIR)和有限沖激響應(yīng) 濾波器 (FIR)。 FIR 濾波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 FIR 數(shù)字濾波器。 由于 DSP 控制器具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理，獨(dú)立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 DSP 控制器就可以提高數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)做到實(shí)時(shí)處理。用可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢(shì)是 :通 過(guò)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(zhǎng)單位沖激響應(yīng) (FIR) 數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾 波器相比有以下優(yōu)點(diǎn) [3]: (l)簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 2 (2)對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力有了明顯提高，這對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的 提高起到了促進(jìn)作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來(lái)更加方便、靈活。 (4)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來(lái) DSP 芯片得到了飛速的發(fā)展。最成功的 DSP 芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司 (Texas Instruments，簡(jiǎn)稱 TI)的一系列產(chǎn)品，其DSP 市場(chǎng)份額占全世界份額近的 50%。目前 DSP 芯片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò) 20 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(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次 (160OMIPS)的運(yùn) 算，生產(chǎn) DSP 器件的公司也不斷壯大。 在上一個(gè)世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)源到有源和從模擬到數(shù)字兩個(gè)過(guò)程。高精度無(wú)源濾波器從設(shè)計(jì)到制造都是難度非常高的技術(shù)。有源濾波器雖然很大地改進(jìn)了濾波器的性能，也降低了一些制造工藝的難度， 但從其性能的大幅度改進(jìn)，與其它信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器后來(lái)居上。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來(lái)越高，功能也越來(lái)越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。 我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任 [9]。 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種 [5]: (1)在通用的計(jì)算機(jī) (如 PC)上用軟件 (如 C 語(yǔ)言 )實(shí)現(xiàn)。軟件可以是由自己編寫(xiě)，也可以使用現(xiàn)成的軟件包。這種方法的缺點(diǎn)是速度太慢，不能 用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要用于 DSP 算法的模擬與仿真。 (2)在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。這種方法不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。 (3)用通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的接口性能良好容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。由于單片機(jī)采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算速度較慢，而在數(shù)字濾波器中涉及大量的乘法運(yùn)算，因此，這種方法適用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。 (4)用通用的可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比， DSP 有著更適合于數(shù)字濾波的特點(diǎn)。呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 3 它利用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)， 具有良好的并行特點(diǎn)，并有專門設(shè)計(jì)的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。 (5)用專用的 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，而通用 DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用