【正文】 有效實現(xiàn)，并且它速度快，成本低，在過去的 20 多年的時間里，軟件可編程的 DSP 器件幾乎統(tǒng)治了商用數(shù)字信號處理硬件的市場。利用可編程邏輯器件實現(xiàn)FIR 濾波器，由于實現(xiàn)的是硬件并行算法，因此特別適用于某些實時性要求高的場合 ??10 。 FIR 帶通濾波器的設(shè)計與實現(xiàn) 濾波器理論 ??7 設(shè)數(shù)字濾波器的輸入為 x(n)、輸出為 y(n)，沖激相應(yīng)為 h(n)，根據(jù) FIR 濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，可知它的數(shù)學表達式為 : ? ? ? ? ? ?knxkhnyk ??? ????? （ 26） 在上節(jié)中曾提到，數(shù)字 濾波器可以用兩種形式來實現(xiàn) — 有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)和無限沖激相應(yīng)濾波器 ((IIR)。如果 ??w? 滿足下式 : ? ? ?? ??dwwd （ 211） 滿足 (211)式為第二類線性相位。 （ 2） h (n) =h(Nn1),N=偶數(shù)，推導(dǎo)情況和前面 N=奇數(shù)相似，不同點是由于 N=偶數(shù)， Hg(w)中沒有單獨項，相等的項合并成 N/2 項。 FIR 濾波器的設(shè)計步驟一般包括 :（ 1） 根據(jù)工程設(shè)計的要求，確定 FIR濾波器的性能指標 。 濾波器的設(shè)計方法 ??11 (1)窗函數(shù)法 窗函數(shù)設(shè)計法的基本原理是 :從所要求的理想濾波器的頻率響應(yīng) ? ?iwd eH 出發(fā)，經(jīng)過傅立葉反變換導(dǎo)出 ??nhd 。如果給出待求濾波器的頻響為 ? ?iwd eH ，那么單位取樣響應(yīng)應(yīng)用式 （ 225） 求出。 4)驗算技術(shù)指標是否滿足要求。 由頻域抽樣法設(shè)計的濾波器，在每個采樣點上，頻率響應(yīng)將嚴格與理想特性一致，而在采樣點之間的頻率響應(yīng)，則是由各采樣點的內(nèi)插函數(shù)延伸疊加來形成的，因此，如果各采樣點之間的理想特性越平緩，則內(nèi)插值就越接近理想值，逼近也就越好。 由于受 N個采樣點的限制，濾波器的截止頻率 c? 不能任意選擇，為了能自 由選擇 c? ，就應(yīng)該增加采樣點數(shù) N。硬件實現(xiàn)指的是根據(jù)數(shù)字濾波器的數(shù)學模型和算法，設(shè)計專用數(shù)字信號處理器，使計算程序全部硬件化。 FIR 濾波器的軟件實現(xiàn)可以選用許多算法語言來完成，例 如 C 語言，Pascal 語言等。 Matlab 的數(shù)字信號處理工具箱包含了各種經(jīng)典和現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術(shù)，所以在實際軟硬件模擬系統(tǒng)之前，可以先根據(jù)工程 實際的需要，選擇 Matlab中的窗函數(shù)來求得濾波器的系數(shù)，并編寫相應(yīng)的程序來檢驗所求得的系數(shù)是否符合最終的要求，以此來縮短設(shè)計周期，減少工作量，提高設(shè)計效率 ??12 。fir2()函數(shù)設(shè)計的 FIR 濾波器，其濾波器的頻率特性由矢量 f 和 m 決定， f、 m 分別為濾波器的期望幅頻相應(yīng)的頻率相量和幅值相量 。 fftfilt()利用效率高的基于 FFT 重疊相加算法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)濾波，該函數(shù)只實用于 FIR 濾波器。窗函數(shù)法設(shè)計 FIR 濾波器的基本思想是 :根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標，選擇濾波器長度 N和窗函數(shù) ??n? ,使其具有最窄寬度的主瓣和最小的旁瓣。階數(shù)為18。 Wn 是一個包含兩個元素的向量， Wn=[W1 W2],其通帶為 W1WW2。 [h,f]=freqz(b)。 在此程序中 ,向量 b[0,0,0,0,0,0,0,0.0579,0,0,0]就是所求濾波器的系數(shù)，在此設(shè)計的是 18 階濾波器，所以濾波器的返回系數(shù)有 19 個。 plot(t,sig)。 figure。 運行 plot(t,sig)。 第 3 章基于 DSP 平臺的軟件無線電信道的設(shè)計 在這一章里，通過運用 DSP 的集成開發(fā)環(huán)境 CCS，完成了軟件無線電中信道處理技術(shù)的設(shè)計與理論實現(xiàn)，這是本論文的重點研究內(nèi)容。只有選擇了 DSP 芯片，才能進一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。 (2)具有高度并行性和專用硬件邏輯的 CPU 設(shè)計，提高了芯片的性能。 (6)采用先進的 IC制造工藝，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能。因此， DSP 在進行連續(xù)的乘法運算時，每一次乘法運算都是單周期的。 基于 ccs 系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 根據(jù)軟件無線電信道處理技術(shù)的研究步驟，在設(shè)計好所需的濾波器后，首先需要在軟件上實現(xiàn)。對于開發(fā)者，要想在有限的開發(fā)周期內(nèi)充分利用 DSP 器件的每個 MIPS，有效的開發(fā)工具至關(guān)重要。 一、 編譯器 C54x 的 C編譯器對 符合 ANSI 標準的 C 代碼進行編譯，生成匯編代碼。 (2) C 優(yōu)化器對語法分析器的輸出文件進行優(yōu)化，目的是縮短代碼長度和提高代碼執(zhí)行效率，并生成 .opt 文件。 對于性能要求很高的場合，用戶需要用線性匯編對關(guān)鍵的 C代碼進行改寫，然后采用匯編優(yōu)化器進行優(yōu)化，最大限度的提高代碼效率。匯編代碼內(nèi)除了 C54x 機器指令外，還可以有匯編偽指令(asse。 濾波器的 CCS 實現(xiàn)原理 ??16 第一、 FIR 濾波器中 1?z 的實現(xiàn) 。它不斷地輸入樣本 x(n)，經(jīng)延時 (z1? )，做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果 y(n)。如果 I/O 設(shè)備是慢速器件，則需要插入等待狀態(tài)。 在這里，我們先用 N=6 的線性緩沖區(qū)存儲器來說明。 y(n)求得以后，從 I/O 口輸入一個新數(shù)據(jù) x(n+1)至線性緩沖區(qū)的頂部 (低地址 )單元，再將 ARx指向底部高地址單元，開始第二次執(zhí)行 ? ? ? ?inxanyi i ???? ?? 1!50， 如圖 34 所示。例如下面指令 : 延時指令與其它指令相結(jié)合 ，可以在同樣的機器周期內(nèi)附加完成這些數(shù)據(jù) 傳送操作。 6級循環(huán)緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖 35所示，循環(huán)緩沖區(qū)頂部為低地址單元。接著，進行第二次乘法累加運算 ? ? ? ??? ????50 11 i i inxany,最后 ARx 指向 x(n4)。依次循環(huán)進行。要做到這一點，必須利用 BK(循環(huán)緩沖區(qū)長度 )寄存器實現(xiàn)按模間接尋址。第一次間接尋址后，AR1 指向數(shù)據(jù)存儲單元 0061h。 為了使循環(huán)尋址正常進行，除了 用循環(huán)緩沖區(qū)長度寄存器 (BK)來規(guī)定循環(huán)緩沖區(qū)的大小外，循環(huán)緩沖區(qū)的起始的 N 個最低有效位必須為 0。當 CCS 程序?qū)ζ溲h(huán)連續(xù)讀取時，就可得到連續(xù)輸入的方波信號。 else { for(i=0。 else t=9000。圖中只截取了 1024 點的一個周期的數(shù)據(jù)。在這里，我們利用循環(huán)緩沖區(qū)和雙操作數(shù)尋址方法實現(xiàn) FIR 濾波器，采用 中所設(shè)計出的濾波器進行 濾波 :相當于軟件無線電中的信道帶寬為 45MHz105MHz。 方波數(shù)據(jù)圖 第三、 FIR 濾波器程序的實現(xiàn)。 } fclose(fw)。i++) { j=i%20。 Int i,j,t。 第二，出入信號的產(chǎn)生。到第 6 次間接尋址后指向 0066h。這樣，就能保證循環(huán)緩沖區(qū)的指針 ARx 始終指向循環(huán)緩沖區(qū)，實現(xiàn)循環(huán)緩沖區(qū)頂部和底部單元相鄰。所以，在這里采用循環(huán)緩沖區(qū)法實現(xiàn)濾波器中的 z1? 。之后，再進行第 3次乘法累加運算 y(n+2)，最后 ARx 將指向 x(n3)。然后，從 I/O 口輸入數(shù)據(jù) x(n+1)。利用卡片 BK(循環(huán)緩沖區(qū)長度 )寄存器對滑窗進行間接尋址，循環(huán)緩沖區(qū)地址首尾相鄰。 對存儲器的延時操作是通過使用 存儲器延時指令 DELAY 實現(xiàn)的，它可以將數(shù)據(jù)存儲單元中的內(nèi)容向較高地址的下一單元傳送。在圖 中，當 第一次執(zhí)行 ? ? ? ?inxanyi ?? ?時，由 ARx 指向線性緩沖區(qū)的底部，并開始取數(shù)、運算。 實現(xiàn) FIR運算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實現(xiàn) z1? ，常用的方法是用 線性緩沖區(qū)法實現(xiàn) z1?和用循環(huán)緩沖區(qū)法實現(xiàn) z1? 。有兩條指令實現(xiàn)輸入和輸出 : PORTR PA, Smem:將 PA 的端口內(nèi)容送數(shù)據(jù)存儲器 Smem PORTW Smem, PA。由于 FIR 濾波器沒有反饋回路，因此它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位沖激響應(yīng) h(n)是一個有限長序列。 四、 連接器 連接器的作用是接受可重新分配地址的目標文件 (.obj)作為輸入，生成可執(zhí)行的目標文件 (.out )。與 C54x 標準匯編語言相比，采用線性匯編不需要考慮以下因素 : （ 1） 并行指令安排 （ 2） 指令延遲 （ 3） 寄存器使用 三、 匯編器 匯編器產(chǎn)生可重新分配地址的機器語言目標文件。 二、 匯編優(yōu)化器 匯編優(yōu)化器的作用是對用戶編寫的線性匯編代碼 (.sa )進行優(yōu)化。 (1)語法分析器的功能是對 C 代碼進行預(yù)處理，進行語法檢查，然后產(chǎn)生一個中間文件 (.if)作為 C 優(yōu)化器或代碼產(chǎn)生器的輸入。在一個開放式的插件 (plugin )結(jié)構(gòu)下， CCS 內(nèi)部集成了以下的軟件工具 : (1)C54x 代碼產(chǎn)生工具 (2)軟件模擬器 (Simulator ) (3)實時基礎(chǔ)軟件 DSP/BIOS (4)主機與目標機之間的實時數(shù)據(jù)交換軟件 RTDX (5)實時分析 (realtime analysis)和數(shù)據(jù)可視化 (data visualization capabilities )軟件 代碼產(chǎn)生工具 (Code Generate Tools)構(gòu)成了 CCS 集成開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)部件。 軟件開發(fā)環(huán)境 目前 DSP 的發(fā)展趨勢是處理器更復(fù)雜，更新速度更快， DSP 的應(yīng)用也向多處理器、多通道發(fā)展，變得越來越復(fù)雜。此外，許多 DSP 的多處理單元結(jié)構(gòu)還可以將一些特殊的算法，例如 FFT 的位倒序?qū)ぶ泛腿∧＿\算等，這種芯片內(nèi)部的特殊硬件結(jié)構(gòu)可以提高運行速度。它們可以在一個指令周期內(nèi)同時進行運算。 (4)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使派生 器件得到了更快的發(fā)展。不同的 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場合、應(yīng)用目的等不盡相同，對 DSP 的選擇也不同。 設(shè)計流程基本如下： FIR 程序設(shè)計流程圖 在進行 DSP 系統(tǒng)設(shè)計時，選擇合適的 DSP 芯片是非常重要的一個環(huán)節(jié)。 當用函數(shù) fftfilt 濾波后，運行 plot(t,newsig)。 xlabel(‘ 時間 ’ )。 ylalbel(‘幅值’ )。 Matlab 試驗程序如下 : t=0:1/300000000:。 xlabel(‘歸一化頻率’ )。 n=18。這個帶通濾波器的設(shè)計函數(shù)如下 : B=firl(N,Wn,’ bandpass’ )，表示設(shè)計一個 N階 (N 點 )的低通 FIR 數(shù)字濾波器，返回的向量 B 為濾波器的系數(shù) (單位沖激響應(yīng)序列 )。 假設(shè)軟件無線電中需要設(shè)計一個線性相位帶通 FIR 濾波器指標如下 : 阻帶截止頻率為 30MHZ 和 120MHz。并且提供了各種窗函數(shù)的函數(shù)，比如， hamming()是海明窗函數(shù)，kaiser()是凱塞窗函數(shù)，使在設(shè)計的過程中，不用自己重新設(shè)計窗函數(shù)。 Firrcos()用于設(shè)計具有光滑，正弦過渡帶的低通線性相位濾波器。其設(shè)計流程圖如下： 在 Matlab 中提供了一些濾波器的函數(shù)，使 FIR 濾波器的運算更加方便和快 速 ??13 。 Matlab 是一種使用簡便，特別適用于科學研究和工程計算的高級語言，它集科學計算，自動控制，信號處理，圖像處理，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和小波分析等于一體。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，程度也越來越復(fù)扎，因而對于算法及實現(xiàn)的研究更顯重要。軟件實現(xiàn)指的是在計算機上執(zhí)行編好的程序。在窗函數(shù)法中用加寬過渡帶 來換取阻帶的衰減，在這里可以通過選擇適當?shù)耐◣c阻帶之間的過渡帶的頻率采樣來達到峰值逼近誤差最小。 (2)頻率抽樣法 對于所期望的濾波器的頻率響應(yīng) ? ?iwd eH ，可以在頻域?qū)ζ溥M行采樣，以此來確定 FIR 濾波器的 H(k)，即令 ? ?????????? kNjd eHkH?2 (228) 這樣設(shè)計的濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 : ? ? ? ???? ??????10 111 Nk kNNzW kHNzzH (229) 對于線性相位 FIR 濾波器的 H(k)，在設(shè)計時還應(yīng)滿足采樣值的幅度與相位約束條件。設(shè)待求濾波器的過渡帶用 w? 表示，它近似等于窗函數(shù)主瓣寬度。 ? ? ? ? ? ?nwnhnh d? （ 226） 其中窗函數(shù) w(n)可以有多種形式，常見的有矩形窗、三角形窗、漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗和凱撒窗等。（ 3） 選擇合適的 FIR 濾波器結(jié)構(gòu)，并利用有限精度數(shù)值實現(xiàn)這個濾波器。設(shè) N 為偶數(shù)，則有