【正文】 器（ TI） 電子科技大學(xué) DSPs 技術(shù) /培訓(xùn)中心聯(lián)合開發(fā)的第三代教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)，通常采用 MATLAB 來進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真。它不但能準(zhǔn)確的指定通帶和阻帶的邊緣，而且還在一定意義上實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)所期望的頻率響應(yīng)實(shí)行最佳逼近 ]2[ 。 2 頻率抽樣法 設(shè)計(jì)的基本思想是：從頻域出發(fā)，把給定的理想的頻率響應(yīng) )( ?jd eH 以等間隔抽樣，所得到的 h(k)作逆離散傅氏變換，從而求得 h(n)，并用與之相應(yīng)的頻率響應(yīng) )( ?jeH 去逼近理想的頻率響應(yīng) )( ?jd eH 。由于 FIR 濾波器很容易實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位，所以 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的革新思想是求出有限的脈沖響應(yīng)來逼近給定的頻率響應(yīng)。之后，利用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際濾波器模型來逼近給定的目標(biāo)。對(duì)于相位響應(yīng)指標(biāo)形式，通常希望系 統(tǒng)在通頻帶中 仍 有線性相位。它提供對(duì)幅度響應(yīng)函數(shù)的要求，一般應(yīng)用于 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來實(shí)現(xiàn)選頻操作。 本文的內(nèi)容提要 本文第一部分是引言，第二部分介紹濾波器的基本原理和設(shè)計(jì)方法 ；第三部分是 FIR 濾波器的 DSP 實(shí)現(xiàn)；最后，第四部分是結(jié)論，對(duì)本文作了總結(jié)。數(shù)字濾波和模擬濾波相比有很多優(yōu)點(diǎn)，它除了可避免模擬濾波器固有的電壓飄移、溫度漂移和噪聲等問題外，還能滿足濾波器對(duì)幅度和相位的嚴(yán)格要求。本文首先介紹了 FIR 數(shù)字濾波器的原理，接下給出了在 MATLAB 環(huán)境下設(shè)計(jì)濾波器的方法，同時(shí)對(duì)本論文中的 FIR 數(shù)字濾波器給以設(shè)計(jì)，最后用 DSP 來實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 ： FIR 濾波器 ； MATLAB ； DSP 2 MATLAB design and realization based on DSP of FIR filter [Abstract]: In the digital signal processing application, the digital filter holds the extremely important status. Firstly, the FIR digital filter principle is introduced in this paper. Then, the paper provides the method of the filter designing under the MATLAB environment , simultaneously it gives the designing of the digital filter. Last the paper offers the realization of the digital filter by DSP. [Key word]: FIR filter ； MATLAB ； DSP 3 目 錄 1 引言 ............................................................................................................................ 4 設(shè)計(jì)背景 ........................................................................................................ 4 工具簡(jiǎn)介 ........................................................................................................ 4 本文的內(nèi)容提要 ............................................................................................ 4 2 FIR濾波器的基本原理和設(shè)計(jì)方法 ........................................................................ 4 FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu) .................................................................................. 5 FIR 濾波器的基本步驟 .................................................................................. 5 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)方法 .................................................................................. 6 FIR 濾波器的 MATLAB 設(shè)計(jì) ........................................................................ 7 3 FIR濾波器的 DSP實(shí)現(xiàn) .............................................................................................. 9 DSP 實(shí)現(xiàn)方式 ................................................................................................. 9 硬件平臺(tái) —— TMS320VC5402 DSK......................................................... 9 軟件開發(fā)環(huán)境 —— Code Composer Studio(CCS) ................................. 10 FIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 ............................................................................. ...11 FIR 濾波器的 DSP 實(shí)現(xiàn) ........................................................................... ..11 使用帶 MAC 指令的循環(huán)尋址實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器 ...................11 利用 C54x 系列芯片的提供的 FIRS 指令來實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器 ...........12 DSP 實(shí)現(xiàn) ………………………………………………………… .14 4 結(jié)束語 ...................................................................................................................... 18 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 19 致謝 .............................................................................................................................. 20 附錄 .............................................................................................................................. 21 4 1 引言 設(shè)計(jì)背景 隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號(hào)處理已成為 當(dāng) 今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。低通有限沖激響應(yīng)濾波器（低通 FIR 濾波器）有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，由于 FIR 系統(tǒng)只有零點(diǎn)，因此，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，而且容易實(shí)現(xiàn)線性相位和允許實(shí)現(xiàn)多通道濾波器。 2 FIR 濾波器的基本原理和設(shè)計(jì)方法 FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu) 濾波器的功能是把輸入序列通過一定的運(yùn)算，變成輸出序列。因此，指標(biāo)的形6 式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。第二種指標(biāo)是相對(duì)指標(biāo)。運(yùn)用線性相位響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)： ① 只包含實(shí)數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算； ② 不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲； ③ 長(zhǎng)度為 N 的濾波器（階數(shù)為 N1），計(jì)算量為 N/2 數(shù)量級(jí)。 3 性能分析和計(jì)算機(jī)仿真 上兩步的結(jié)果是得到以差分或系統(tǒng)函數(shù)或沖激響應(yīng)描述的濾波器。目前常用的 FIR 濾波器的 設(shè)計(jì)方法主要有三種，分別是窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近優(yōu)化設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)過程如下： )( ?jd eH ?? ?? ?? Nk ?2 h(k) ?? ?? IDTFT h(n) ?? ?? DTFT )( ?jeH 優(yōu)點(diǎn)是直接在頻域進(jìn)行設(shè)計(jì) ，便于優(yōu)化，缺點(diǎn)是截止頻率不能自由取值 ]3[ 。 FIR 濾波器的 MATLAB 設(shè)計(jì) MATLAB 是 英文 Matrix Laboratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫，它是由美國(guó)MathWorks 公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的數(shù)學(xué)計(jì)算環(huán)境， 一套用于科學(xué)計(jì)算的可視化高性能語言與軟件環(huán)境。 MATLAB 設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)一個(gè) 38 階的 FIR 低通濾波器，其采樣頻率 Fs 為 25KHZ， 通帶截止頻率 ，阻帶截止頻率為 ，阻帶衰減為 40dB。該設(shè)備采用廣泛使用的 TMS320VC5402 為核心，配備包括 AD/DA、 鍵盤、液晶等 I|O 在內(nèi)的完整的DSP 系統(tǒng) ]4[ 。 FIR 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 ： 1 采用加法器 、乘法器、延時(shí)器設(shè)計(jì)專用的濾波電路。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用 DSP 芯片很難實(shí)現(xiàn)。第 ① 、 ④ 種方法專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大的限制。 13 使用帶 MAC 指令的循環(huán)尋址實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器 為了能正確使用循環(huán)尋址，必須先初始化 BK，塊長(zhǎng)為 N。而數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針指向的是需要更新的數(shù)據(jù)，如 x(n)。 AR0=1 STM N,BK 。 完成濾波計(jì)算。長(zhǎng)度為 N 的線性相位 FIR 濾波器的輸出表達(dá)式為： ?)(ny ? ?? ?????12/0 )]}1([)(){(NK kNnxknxkh 32 利用 FIRS 指令 ,需要將輸入數(shù)據(jù)緩沖分成兩個(gè) ,循環(huán)緩沖區(qū)大小寄存器的值設(shè)為N/2。處理器然后使用 FIRS 指令進(jìn)行乘加運(yùn)算，即 h(0){x(0)+x(N+1)} ]6[ 。注意 FIR 濾波系數(shù)存 ；放在程序存貯區(qū)， filter_coff 為系數(shù)起始地址 MAR *ar2% ； 修改 Buffer1 指針 15 MAR *+ar3(2)% ； 修改 Buffer2 指針 圖 4 輸入序列的存儲(chǔ)形式 DSP 實(shí)現(xiàn) 利用 DES5402PP 實(shí)驗(yàn)箱的模擬信號(hào)輸出通道產(chǎn)生一個(gè) 1KHz 的方波 ,然后利用信號(hào)輸入通道對(duì)產(chǎn)生的方波進(jìn)行低通濾波 ,得到一個(gè) 1KHz 的正弦信號(hào)，并使用 CCS 的圖形顯示工具顯示輸入和輸出的波形。 AC01 與 VC5402 通過串口 0 連接。由于串口發(fā)送中斷將每 （ 25KHz ）產(chǎn)生一次，所以我們將一個(gè)周期的方波信號(hào)分 25 次送出，這樣經(jīng) D/A 變化后便可得到 1KHz 的方波。使用發(fā)送中斷產(chǎn)生方波信號(hào)和完成對(duì) AC01 的初始化；使用接收中斷存貯輸入的數(shù)據(jù)，并設(shè)置新數(shù)據(jù)到達(dá)標(biāo)志。濾波后經(jīng) D/A 輸出模擬量，結(jié)果證實(shí)該程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣率為 25kHz 的模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波處理。 18 [參考文獻(xiàn) ] [1]彭紅平，楊福寶 .基于 MATLAB 的 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021 [2]張亞妮 .基于 MATLAB 的數(shù)字濾波 器設(shè)計(jì) [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，