【正文】 基于 DSP 的 FIR 濾波器的設(shè)計與實現(xiàn) 摘要 本文詳細介紹了一種基于 DSP的數(shù)字濾波器的設(shè)計方法。首先 , 在 MATLAB中使用輔助設(shè)計工具 FDATool 設(shè)計一個 FIR 低通濾波器，它可以模擬 FIR 濾波器單位脈沖響應(yīng)的特征。一個混合的輸入信號通過這種方法，在TMS320VC5509A DSP 芯片實現(xiàn)了濾波效果。實驗結(jié)果表明 ,該數(shù)字濾波器設(shè)計可以滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：有限脈沖響應(yīng)濾波器 。數(shù)字信號處理器 。窗函數(shù) 1 簡介 FIR 數(shù)字濾波器的優(yōu)點是可以得到一個嚴格的線性相位特性 ,同時幅頻特性也可以得到保證。 因此 ,數(shù)字濾波器在語音處理和圖像處理中是非常重要的， DSP 是一個特殊的微處理器 ， 主要用于實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法?；?DSP 的數(shù)字濾波器 具有 穩(wěn)定性好 ,精度高 ,不受環(huán)境影響等 優(yōu)點 。此外 ,基于 DSP的數(shù)字濾波器可以修改參數(shù) ,然后 可以很 容易 的 修改濾波器的特征 [1]。 2 FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法 A. FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu) 假設(shè) h(n)(n = 0,1,2,…… ,n?1)是 FIR 濾波器的脈沖響應(yīng) ,x(n)是輸入信號 ,然后可以得到 FIR 濾波器用下列差分方程實現(xiàn)。 ??? ?? 10 )()()( Ni inxihny （ 1） 其中， N 是 FIR 濾波器的階數(shù) ,y(N)是輸出信號。顯然 ,這是定常系統(tǒng)的卷積和線性公式。讓我們用 z 變換來計算傳遞函數(shù)， ??? ?? 10 1)()( Ni zihzH （ 2） 從上面我們可以看到 , FIR 濾波器的結(jié)構(gòu)如下圖所示 : 圖 1 FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu) B． FIR 濾波器的設(shè)計方法 當我們設(shè)計數(shù)字濾波器 MATLAB 常常用來進行輔助設(shè)計和仿真。MATLAB 設(shè)計 FIr 數(shù)字濾波器有很多方法。由于篇幅限制 ,我們只介紹一種常用方法 ,窗函數(shù)設(shè)計法 ,利用 toolsFDATool 進行 濾波器的設(shè)計和分析。 1）窗函數(shù)設(shè)計法 窗函數(shù)的設(shè)計核心是根據(jù)頻率特性，通過添加窗口功能來確定有限的單位脈沖響應(yīng)序列 h(n)。 根據(jù)給定的濾波器規(guī)格 ,選擇濾波器長度 N 和窗口函數(shù) w(N)實現(xiàn) FIR 數(shù)字濾波器。 六種常用的窗函數(shù)是矩形 ,巴特利特 ,漢寧、漢明 ,布萊克曼和凱撒窗函數(shù)?；诖昂瘮?shù)設(shè)計方法的命令 fir1 和 fir2 可以輕松獲得濾波器系數(shù) , 可以由 freqz（）和 plot ()確定幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。 2）最優(yōu)設(shè)計法 MATLAB 的函數(shù)通過 ParksMcClellan 算法可以設(shè)計線性相位濾波器。理想的頻率響應(yīng)與實際設(shè)計的濾波器的頻率響應(yīng)之間的最大誤差是最小的 ,其頻率響應(yīng) 表 現(xiàn)相等的波形特征 ,因此這個 濾 波 器又稱平等波紋濾 波 器。這種方法的缺點是不能設(shè)置直接阻帶衰減參數(shù) ,只有通過反復(fù)調(diào)整參數(shù) 才能得到 所需的濾波器。 3） fdatool FDATool(濾波器設(shè)計與分析工具 )是一個在 MATLAB 中專門對信號濾波器進行設(shè)計和分析的工具。 FDATool 提供了一個交互式設(shè)計濾波器的環(huán)境 ,用戶幾乎可以設(shè)計整個傳統(tǒng)濾波器的振幅和零 極點圖。 Fdstool 工具的上部分是用來顯示濾波器的特征的，下半部分是參數(shù)設(shè)置區(qū)，用于設(shè)置濾波器參數(shù) ,參數(shù)包括過濾器的類型、設(shè)計方法、階數(shù)、頻率設(shè)置等等。 通過比較上述三種方法 ,你會發(fā)現(xiàn)使用 FDATool 設(shè)計濾波器更加直觀和方便。本文就是使用這種方法來設(shè)計數(shù)字濾波器的系數(shù) ,然后根據(jù)設(shè)計結(jié)果實現(xiàn) DSP 濾波器。 3 基于 MATLABD 的 FIR 濾波器 設(shè)計一個 FIR低通數(shù)字濾波器，其通帶邊緣頻率 10 khz,阻帶邊緣頻率 22 khz,阻帶衰減 75 db (50 千赫采樣頻率 ) 。 首先 ,我們用 FDATool 設(shè)計 FIR 濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù) ,選擇窗函數(shù)設(shè)計方法。根據(jù)給定的性能 ,選擇 Blackman 窗 ,然后濾波器的系數(shù)可以很容易地得到。 我們可以得到 ,過渡帶寬度 M = 2π12/50,過濾器的階數(shù) N = 12π/ M = 25。打開 FDATool 界面 ,填寫設(shè)計參數(shù)，和 fir 濾波器的頻率特性如圖 2 和圖 3 所示。 接下來我們會導(dǎo)出數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù) [6],在主菜單中 ,選擇 Targets → Code Composer Studio IDE 命令彈出導(dǎo)出代碼窗口 ,在窗口中選擇 16 位整數(shù)的選項 ,單擊選擇目標按鈕 ,選擇目標設(shè)備 ,選擇 C55x功能模擬器 ,點擊 OK 確認 ,脈沖響應(yīng)系數(shù)將保存在 .h 文件中。系數(shù)的結(jié)果如下 : const int BL = 26。 const int16_T B[26] = {0,5,14,39,138,0,472,490,793,2051,0,6238,12182,12182, 6238,0,2051,793,490, 472,0,138,39,14,5,0}。 4 基于 DSP 的 fir 濾波器設(shè)計 Fir 濾波器對要過濾的數(shù)據(jù)乘以濾波器系數(shù) ,然后取和 ,同時，將得到數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中 [7]。以前，通用處理器和微控制器的乘加操作 ,將花費大量的 CPU 和總線資源。 DSP 作為一種特殊的信號處理芯片 ,其結(jié)構(gòu)已得到改進和優(yōu)化 ,為數(shù)字信號處理添加了特殊指令。 TMS320VC5509A 是一個高性能、低功耗和低成本的定點數(shù)字信號處理器。 為了實現(xiàn)延遲線性的 fir 濾波器 ,使用線性緩沖區(qū)的方法。使這種方式實現(xiàn) fir 濾波器 ,需要開放的數(shù)量為 N 的緩沖數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲最新的樣本值。 我們需要讀取最新的樣本值， DSP 計算乘加操作的每個輸出值。每個樣本值將在讀取之后送回。 當最新一個樣本值被讀取時，最古老的一個樣本值從緩沖區(qū)移出 ,然后 將 輸 最新的樣本值頂 入的緩沖 區(qū)的頂部 [8]。這種方法的最大優(yōu)點是 ,新老數(shù)據(jù)在內(nèi)存 中 的 存儲 位置是顯而易見的。 為了實現(xiàn)線性緩沖區(qū)的延遲 ,我們將 FDATool 導(dǎo)出的系數(shù)和輸入數(shù)據(jù)存放在在 DARAM 中 ,并使用雙重操作地址來實現(xiàn)位移動 ,最快的實現(xiàn)濾波過程。 編程和匯編按照上面的步驟來 仿真模擬 ,在 中 調(diào)試和運行 ,使用圖形觀察窗 口 觀察輸入和輸出波形及其頻譜圖 ，圖 4和圖 5 示 所示的結(jié)果 : 圖 4a 輸入信號波形 圖 4b 輸入信號頻譜圖 圖 5a 輸出信號波形圖 圖 5b 輸出信號頻譜圖 輸入波形是低頻正弦波和高頻正弦波的疊加。通過觀察頻率域和時間域圖形，我們知道 :低頻信號通過濾波器 ,而高頻信號被過濾掉了。 5 結(jié)論 本文研究了數(shù)字濾波器的原理和結(jié)構(gòu) ,并結(jié)合基于 TMS320VC5509A 的實驗系統(tǒng) ,設(shè)計和實現(xiàn)基于 DSP 的數(shù)字濾波器。實驗結(jié)果表明 ,該數(shù)字濾波器滿足設(shè)計要求。同時所有程序是用匯編語言編寫的 ,因此濾波器占用較少的存儲空間，程序執(zhí)行速度快，穩(wěn)定可靠 ,能夠更好地滿足實時過濾的需要。 參考文獻 [1]劉 ws,“基于 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計 ”,m .論文 ,貴州大學(xué)、貴州 ,中國 ,2020 年 5 月 [2]王 c m，孫 h b ,TMS320C55x DSP 的理論和應(yīng)用 ,第二版。北京 :電子工業(yè)出版社 ,2020 [3] . Chen, D. Z. Wu and X. Q. Gao, MATLAB 及其應(yīng)用在電子信息，第三版 .北京 :電子工業(yè)出版社 ,2020 [4] B. F. Wang, “FIR數(shù)字濾波器設(shè)計和仿真研究 ”, ,哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱 ,中國 ,2020 [5] Y. Jiang and X. Q. Zhou, DSP 理論和應(yīng)用實驗 ,西安 ,中國 :寧海西店大學(xué)出版社 ,2020 [6] X. L. Zhao, L. Zhang and Y. Q. Wu,“ Matlab 在 DSP FIR 數(shù)字濾波器中的使用 ”,現(xiàn)代電子技術(shù) ,第七期 , 3840 頁 ,2020 [7] Y. P. Liu, DSP 的原理和應(yīng)用 ,北京 ,中國 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,2020 [8] Q. Z. Huang, Q. X. Li and Z. W. Chen, ” 基于 TMS320C54X 數(shù)字濾波器的設(shè)計和應(yīng)用 ”,《河南理工大學(xué) ,碩士 ,314 318 頁， 2020 自適應(yīng)數(shù)字濾波器基于 TMS320VC5402 的實現(xiàn) Wang Xiaojuan Zhang Ze (自動化系，大學(xué)的科學(xué)技術(shù)， 內(nèi)蒙古大學(xué)，呼和浩特 ， 中國 ) 摘要 本文介紹了設(shè)計和實現(xiàn)基于 DSP 的自適應(yīng)濾波器（數(shù)字信號處理）的方法，首先 ， 對自適應(yīng) FIR 濾波器的結(jié)構(gòu)和算法進行了模擬實驗，模擬實驗是基于MATLAB 進行的，試驗方法是對輸入信號添加高斯噪聲 ，然后使其通過自適應(yīng)FIR 濾波器 。模擬波形已經(jīng)給出，基于 DSP 的相關(guān)參考數(shù)據(jù)也已經(jīng)給出。在此基礎(chǔ)上 ， 選擇 TMS320VC5402 DSP 芯片作為中心處理器，設(shè)計和實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器。硬件系統(tǒng)設(shè)計模塊 ， 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程圖和相關(guān)的匯編代碼在文章中已經(jīng)給出。對于設(shè)計所得的結(jié)果，測量結(jié)果，和濾波結(jié)果是符合 預(yù)期 要求的。 關(guān)鍵詞 :自適應(yīng)濾波器， TMS320VC5402， LMS 算法。 1 簡介 隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為當今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號處理在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、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。在數(shù)字信號處理應(yīng)用中，數(shù)字濾波器十分重要并已獲得廣泛應(yīng)用。 在信號處理過程中，濾波器的功能是移除信號不需要的部分，如隨機噪音等，或者是提取有用的信號，例如提取在一定的頻率范圍內(nèi)的信號。有兩大類型的濾波器，模擬濾波器以及數(shù)字濾波器。他們擁有完全不同的物理結(jié)構(gòu)，和不同的工作模式。在模擬電子電路中使用的模擬濾波器，例如由電阻、電 容產(chǎn)生所需的濾波功能的濾波器，這種濾波器被廣泛使用在減少噪音的應(yīng)用中，還有提高視頻信號、圖像均衡的高科技傳真系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。對于一個給定的設(shè)計要求，有完善的技術(shù)標準設(shè)計模擬濾波器。在濾波過程中，電氣電壓或電流信號的濾波是對物理量的直接處理 (例如聲音或視頻信號和變頻器 產(chǎn)生信號 )。數(shù)字濾波器使用數(shù)字信號處理器對信號的采樣值進行數(shù)值計算。數(shù)字信號處理器可以使用通用計算機，例如 PC 機，或者是專用的數(shù)字信號處理器芯片。模擬信號必須先使用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行取樣和數(shù)字化 (模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換 )。由此產(chǎn)生的二進制數(shù)字，它們代表連 續(xù)輸入信號的采樣值，將其轉(zhuǎn)移到數(shù)字信號處理器，進行數(shù)值運算。如有必要，這些計算結(jié)果，也就是濾波后的采樣值，可以通過數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號。 需要注意的是，一個數(shù)字信號是由一系列數(shù)字表示的，而不是電壓或者電流表示的。 自適應(yīng)濾波器是現(xiàn)代發(fā)展起來的一種濾波器。 自適應(yīng)信號處理的一個重要應(yīng)用是在 1940年發(fā)展起來的。 自適應(yīng)濾波器被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)辨識 ,自適應(yīng)增強 ,自適應(yīng)噪聲消除，通信信道的均衡、線性預(yù)測 ,自適應(yīng)陣列天線等等。 自適應(yīng)濾波器是與固定系數(shù)濾波器相反的。 在數(shù)字信號處理中 ,有很多不可預(yù)測的信號，噪音或時變信號經(jīng)常需要處理， 固定濾波器系數(shù)的濾波器是不可能達到最佳濾波效果的，因此自適應(yīng)濾波器被設(shè)計用來跟蹤時刻改變的信號和噪聲。因為擁有獨特的結(jié)構(gòu)和指令，使得 TMS320VC5402 DSP為設(shè)計自適應(yīng)濾波器提供了方便條件。 2自適應(yīng)濾波原理 自適應(yīng)濾波器屬于現(xiàn)代濾波器的范疇，自適應(yīng)濾波器是相對固定濾波器而言的，固定濾波器屬于經(jīng)典濾波器，它濾波的頻率是固定的，自適應(yīng)濾波器濾波的頻率則是自動適應(yīng)輸入信號而變化的，所以其適用范圍更廣。在沒有任何關(guān)于信號和噪聲的先驗知識的條件下，自適應(yīng)濾 波器利用前一時刻已獲得的濾波器參數(shù)來自動調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲未知或隨機變化的統(tǒng)計特性，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。所謂自適應(yīng)濾波，就是利用前一時刻已獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動地調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲未知的或隨時間變化的統(tǒng)計特性，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波器實質(zhì)上就是一種能調(diào)節(jié)其自身傳輸特性以達到最優(yōu)化的維納濾波器 。 自適應(yīng)濾波器由兩個基本部分組成：一個 濾波器，用于對需要處理的輸入信號進行過濾；和一個自適應(yīng)算法 ， 它可以調(diào)整濾波器的系數(shù) ， 以某種方式來提高濾波器的性能。在設(shè)計自適應(yīng)濾波器的時候 ， 自相關(guān)函數(shù)信號和噪聲是不能提前知道的。在濾波過程中，自相關(guān)函數(shù)信號和噪聲慢慢地隨著時間的推移而變化 ,濾波器可以自動適應(yīng)和調(diào)整 ， 以滿足最小均方誤差的要求。 圖 1自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu) Input vector：輸入信號向量 Digital filter with tunable coefficients： 數(shù)字濾波器可調(diào)系數(shù) Adaptive algorithm： 自適應(yīng)算法 Error signal： 錯誤信號 Output signal： 輸出信號 Desired response： 期望的反應(yīng) 圖 1顯示了自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)，