【正文】 此速度快，便于實(shí)時(shí)處理，從而得到了廣泛的應(yīng)用。Wiener濾波是最早提出的一種濾波方法，當(dāng)信號(hào)混有白噪聲時(shí)，可以在最小均方誤差條件下得到信號(hào)的最佳估計(jì)。并行處理:數(shù)字濾波器的另外一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)并行處理，比如數(shù)字濾波器可以采用DSP處理器來實(shí)現(xiàn)并行處理?？煽啃愿?因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)電平信號(hào)“0”和“1”，受噪聲及環(huán)境條件的影響小，而模擬濾波器各個(gè)參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影響。同時(shí)DSP(Digital Signal Processor)處理器的出現(xiàn)和FPGA(Field Programmable Gate Array)的迅速發(fā)展也促進(jìn)了數(shù)字濾波器的發(fā)展，并為數(shù)字濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)提供了更多的選擇。數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理的各種應(yīng)用中發(fā)揮著十分重要的作用,它是通過對采樣數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的。DSP器件應(yīng)用面從起初的局限于軍工，航空航天等軍事領(lǐng)域，擴(kuò)展到今天的諸多電子行業(yè)及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP芯片。DSP技術(shù)已在通信、控制、信號(hào)處理、儀器儀表、醫(yī)療、家電等很多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。從而通過本課題的研究，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。與模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，它可以滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴(yán)格要求，可以避免模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。關(guān)鍵字?jǐn)?shù)字濾波器 DSP FIR(有限長單位脈沖響應(yīng))Abstract:The mostly important task of this paper is researching the basic theories of digital filter，base on the TMS320VC5402 of Tl pany design digital filter system with high stability and low power consume，acplish the hardware and software task as following:(1)Reach the basic theory of digital filter and the method of realize of digital filter，grasp the principle and characteristic of each digital filter.(2)Reach and analyse how to use the simulate software of MATLAB to design the required digital several function design some universal digital filter，get the coefficient of digital filter，prepare the prophase task of design a digital filter base on DSP.(3)Reach the structure and characteristic of TMS320VC5402，according to the particular characteristic of this digital signal processor，disign an rationalization system structure of digital and integrated design the each part of circuit with different function，process the connection of ADC and DAC with Digital Signal a stability hardware system to realize digital filter.(4)According to the basic structure and characteristic of spectrum 5000 digital signal processor of TI，make the best of of the resource on chip，bined with simulate software MATLAB，realized a high performance and high stability digital filter.Key Words: Digital filter DSP(Digital Signals Processor) FIR(Finity Impulse Respons)目 錄1 引 言 12 緒 論 3 數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn) 3 數(shù)字濾波器的發(fā)展動(dòng)態(tài) 4 濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 4 本文的研究內(nèi)容 53 數(shù)字濾波器理論研究 6 數(shù)字濾波器的定義和分類 6 FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)5 64 數(shù)字濾波器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 8 濾波器的表達(dá)方式 8 FIR濾波器的MATLAB輔助設(shè)計(jì) 9 MATLAB軟件數(shù)字濾波器仿真結(jié)果 125 數(shù)字濾波器硬件電路設(shè)計(jì) 14 基于DSP的數(shù)字濾波器總體硬件設(shè)計(jì)方案 14 TMS320VC5402內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu) 14 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 15 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 16 電源設(shè)計(jì) 16 JTAG接口設(shè)計(jì) 17 內(nèi)部存儲(chǔ)單元及外部存儲(chǔ)擴(kuò)展 17 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件與DSP連接設(shè)計(jì) 21 PCB設(shè)計(jì)中采用的關(guān)鍵技術(shù) 24 硬件平臺(tái)的調(diào)試與結(jié)果 246 數(shù)字濾波器的TMS320VC5402定點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 26 DSP芯片的定點(diǎn)運(yùn)算 26 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì) 27 FIR程序設(shè)計(jì) 28 軟件開發(fā)環(huán)境及實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)流程 29 軟硬件聯(lián)調(diào)與結(jié)論 317 研究結(jié)論 32參考文獻(xiàn) 33致 謝 34附 錄 35351 引 言一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于設(shè)備或者是外界環(huán)境的原因，總存在各種干擾，使信號(hào)中混入噪聲，譬如音頻信號(hào)中高頻成分的噪聲使得音樂聽起來刺耳，失去了原有悅耳的音質(zhì)。并采用了相關(guān)的函數(shù)設(shè)計(jì)了帶阻數(shù)字濾波器，并得到了濾波器的相關(guān)系數(shù)，為利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波做好了一些前期的工作。主要工作如下:(1)研究數(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。通過學(xué)習(xí)識(shí)字濾波器的結(jié)構(gòu)、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)理論，掌握了各種數(shù)字濾波器的原理和特性。(3)研究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。為了提高信號(hào)質(zhì)量，可以對信號(hào)進(jìn)行濾波，從噪聲中提取信號(hào)，即對一個(gè)具有噪聲和信號(hào)的混合源進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過一個(gè)數(shù)字濾波器，濾除噪聲，提取有用信號(hào)。用可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)十分方便地改變?yōu)V波器的特性。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。自20世紀(jì)70年代末80年代初DSP芯片誕生以來，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司(Texas Instruments，簡稱TI)的一系列產(chǎn)品，其DSP市場份額占全世界份額近50%。在TI公司DSP的產(chǎn)品中，’C1X’C2X’C2XX’C5XX’C54X’C62X等系列是定點(diǎn)運(yùn)算指令系統(tǒng)的DSPs；’C3X、’C4X、’C67X等系列是浮點(diǎn)運(yùn)算指令系統(tǒng)的DSPs；C8X等系列是多DSPs集成系統(tǒng)；’AV7100、AV7110等系列是用于視頻、音頻領(lǐng)域的專用數(shù)字壓縮產(chǎn)品。數(shù)字濾波器是提取有用信息非常重要、非常靈活的方法，是現(xiàn)代信號(hào)處理的重要內(nèi)容。相對于模擬濾波器數(shù)字濾波器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn):精度高:模擬電路中元件的精度很難達(dá)到103以上，而數(shù)字系統(tǒng)17位字長就可以達(dá)到105精度。并且數(shù)字濾波器多采用大規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路的故障率遠(yuǎn)比眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)的故障率低。Tl公司TMS320CS5000系列的DSP芯片采用8條指令并行處理的結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘頻率為l00MHZ的DSP芯片。但是，由于求解WienerHoff方程的復(fù)雜性，使得Wiener濾波實(shí)際應(yīng)用起來很困難，不過Wiener濾波在理論上的意義是非常重要的，利用Wiener濾波的純一步預(yù)測，可以求解信號(hào)的模型參數(shù)，進(jìn)而獲得著名的Levinson算法。Kalman濾波推廣到二維，可以用于圖象的去噪。同態(tài)濾波主要用于解決信號(hào)和噪聲之間不是相加而是相乘關(guān)系時(shí)濾波問題。這種濾波方法的優(yōu)點(diǎn)，就是能夠保持信號(hào)的邊緣不模糊。軟件可以是由自己編寫，也可以使用現(xiàn)成的軟件包。(3)用通用的單片機(jī)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)。(6)用FPGA等可編程器件來開發(fā)數(shù)字濾波算法?？梢圆捎肈SP或FPGA來實(shí)現(xiàn)硬件電路。③研究TI公司TMS320VC5402數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及片上資源，并研究通信電子線路中各種接口的相互連接關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)價(jià)格低、功耗小、精度高的數(shù)字濾波器系統(tǒng)。⑥研究TI公司DSP系統(tǒng)開發(fā)工具的應(yīng)用，調(diào)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和程序。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能越來越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。FIR濾波器直接型結(jié)構(gòu)圖將轉(zhuǎn)置理論應(yīng)用于上圖可以得到如下圖所示的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)，即可得到下圖所示的具體結(jié)構(gòu)。如果軟件來實(shí)現(xiàn)時(shí)，它即是一段線性卷積程序。MATLAB的信號(hào)處理工具箱的兩個(gè)基本組成就是濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及頻譜分析。不管是IIR還是FIR濾波器的設(shè)計(jì)都包括以下三個(gè)步驟:給出所需要的濾波器的技術(shù)指標(biāo)。在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中只介紹濾波器的傳遞函數(shù)模型。設(shè)式中輸入信號(hào)與輸出信號(hào)城在以前處于零起始狀態(tài)，則有 (6)式中的，對上式兩邊進(jìn)行變換，得到 (7)得到系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為 (8)對LTI系統(tǒng)來說，上式中和均為常數(shù)。窗函數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)是FIR濾波器設(shè)計(jì)的主要方法之一，由于其運(yùn)算方便，物理意義直觀，己成為工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的方法。(3) 頻率采樣法頻率取樣設(shè)計(jì)是從頻域出發(fā)，因?yàn)橛邢揲L序列h(n)又可用其離散傅立葉變換H(k)來唯一確定，H(k)與所要求的FIR濾波器系數(shù)函數(shù)之間存在著頻率取樣關(guān)系。向量F和M指定濾波器的采樣點(diǎn)的頻率及其幅值。升余弦FIR濾波器設(shè)計(jì)firrcos()，語法格式為B=firrcos(N，F(xiàn)0，DF，F(xiàn)s)返回一個(gè)N階低通線性有著升余弦過度頻帶的FIR濾波器。FIR階數(shù)估計(jì)(低通、高通、帶通、多頻帶)renezord()，語法格式為[N, Fo，An，W]=remezord(F，A，DEV，F(xiàn)s)返回調(diào)用:remez()函數(shù)需要給定的輸入?yún)?shù)即階數(shù)N，歸一化頻帶邊緣Fo，頻帶幅值A(chǔ)o和權(quán)值W。矩形窗函數(shù)boxcar()，語法格式為boxcar(N)返回一N點(diǎn)矩形窗，結(jié)果為列向量。Chebyshev窗函數(shù)chebwin()，語法格式為chebwin (N)返回一N點(diǎn)Chebyshev窗，其紋波為R(dB)，N必須為奇數(shù)。本畢業(yè)論文以設(shè)計(jì)FIR帶阻數(shù)字濾波器為例：阻帶頻率為2500HZ一3500HZ，通帶起始頻率分別為1500HZ和4500HZ，采樣頻率為16000HZ。[h,f]=freqz(b)。)。該DSP具有較快的運(yùn)算速度:運(yùn)算速度最快可達(dá)532MIPS?？紤]到TMS320VC5402的片上包含兩個(gè)McBSP(多通道緩沖串行口)接口，可以將這兩個(gè)通道模仿實(shí)現(xiàn)SPI的時(shí)序，因此本設(shè)計(jì)中采用了SPI接口器件，ADC芯片采用的是TLV1570，實(shí)現(xiàn)將需要濾波信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣。 TMS320VC5402內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)TMS320VC5402是定點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器。②17X17位并行乘法器，與40位專用加法器相連，用于非流水線式單周期乘法/累加(做C)運(yùn)算。器片內(nèi)存儲(chǔ)器的種類只要有以下幾種:雙訪問RAM(DARAM)，單訪問RAM(SRAM)和ROM。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間還有一塊特殊的區(qū)域，00H~08H。 復(fù)位電路設(shè)計(jì)為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，復(fù)位電路是系統(tǒng)中必不可少的電路。對于實(shí)際的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)品化的DSP系統(tǒng)，其可靠性是一個(gè)不容忽視的問題。自動(dòng)復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)再次復(fù)位的功能。數(shù)字濾波器系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)給DSP芯片提供時(shí)