【正文】 ................................................... 錯誤 !未定義書簽。 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 2 第 1 章 緒論 本章主要介紹 數(shù)字濾波器 的 優(yōu)越性 ， 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢， 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法， 主要研究內(nèi)容等。數(shù)字濾波占有極其重要的地位 。 FIR 濾波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 FIR 數(shù)字濾波器。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的 50%。 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 語言 )實(shí)現(xiàn)。 (4)用通用的可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。 本論文研究的重點(diǎn)集中在利用 DSP 來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的硬件電路。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來看，可以分為兩大類 :有限沖擊響應(yīng) (FIR)數(shù)字濾波器和無限沖擊響應(yīng) (IIR)數(shù)字濾波器。圖 23 畫出了 N 為奇數(shù)時 FIR 濾波器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。傅立葉系數(shù) )(nhd 實(shí)際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)。 ③主瓣的寬度要窄，以獲得較陡的過渡帶。 為了提高逼近的質(zhì)量，可以采用人為的擴(kuò)展過渡帶的方法，即在頻率相應(yīng)的過渡帶內(nèi)插入一個或多個比較連續(xù)的采樣點(diǎn)，使過渡帶比較連續(xù)，從而通帶和阻 帶之間變化比較緩慢，使得設(shè)計(jì)得到的濾波器對理想濾波器的逼近誤差較小。MATLAB 具有許多的優(yōu)點(diǎn)比如 : 語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富 。 %清寄存器值 clf。 %截止頻率 Wnl=2*lp/fs。 %做功率譜分析 f=(0:(N/21))。 f=(0:(N/21))。數(shù)字濾波系統(tǒng)的具體方案框圖見圖 41[6][2]。③比較、選擇和存儲單元 (CSSU)，用于加法 /比較選擇。這塊區(qū)域包含的是存儲器映像寄存器，它包含了 DSP 中所有的寄存器，可以通過讀這塊存儲器來了解各個寄存器的值，或者通過寫 這塊寄存器來改變寄存器的值。由于 DSP 系統(tǒng)的時鐘頻率較高，在運(yùn)行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。一種是利用 DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在 DSP 芯片的 Xl 和 X2/CLKIN 之間連接一晶體可啟動內(nèi)部振蕩器，晶體應(yīng)為基本模式，且為并聯(lián)諧振。 CVdd 為 器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流，包括CPU、時鐘電路和所有外設(shè)。理想情況下， DSP 芯片上的兩個電源同時加電，但是在一些場合很難做到。TMS 為測試模式選擇， TMS 用來設(shè)置 JTAG 接口處于某種特定的測試模式 。①取樣定理 :在滿足取樣定理的條件下，可以用一個低通濾波器將信號 vs還原為 vi，這個低通濾波器的電壓傳輸系數(shù) )(fA 在低于 fimax的范圍內(nèi)應(yīng)保持不變，而在 ffis max?以前應(yīng)迅速下降為零。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的 1 表示的數(shù)量大小，就等于△。②轉(zhuǎn)換誤差 :表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。 TLV1570 的高速串行接口包含五根信號線 :SCLK 串行時鐘輸入、 SDIN 串行數(shù)據(jù)輸入、 SDOUT 串行數(shù)據(jù)輸出、 FS 幀同步信號、 CS片選信號。當(dāng)將 McBSP 配置為時鐘停止模式時，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部得到同步，這時 McBSP 可作為 SPI 的主設(shè)備或從設(shè)備。②系統(tǒng)上電檢測，上電前應(yīng)該首先檢查電源的正負(fù)極性及輸入電壓的幅度，然后上電。經(jīng)過實(shí)際的檢測與調(diào)試得到一個穩(wěn)定的硬件平臺后便可以進(jìn)行軟件的聯(lián)調(diào)了。 所完成的工作 :①研究了數(shù)字濾波的理論知識，為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ) 。 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 20 致謝 四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，在此期間得到了很多老師和同學(xué)的關(guān)心與支持，借此機(jī)會向所有他們表示忠心的感謝 ! 首先感謝我的導(dǎo)師婁柯。 In order to make the signal processing can not occur distortion， the signal must satisfy is the Nyquist sampling speed of a specific reason， generally take signal frequency limit of 45 times as the sampling frequency。 感謝所有在我學(xué)習(xí)期間，給予我?guī)椭完P(guān)心的同學(xué)和朋友們。 DSP 技術(shù)已在通信、控制、信號處理、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。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的硬件平臺。通過實(shí)際檢測，本系統(tǒng)的時鐘信號波形良好，沒有嚴(yán)重的過沖現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)是一個基于 DSP 的系統(tǒng)，在系統(tǒng)的調(diào)試中主要測試步驟和實(shí)際結(jié)果如下 :①首先測量電路板的電源和地是否有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)象會對電路板上的器件造成損壞，出現(xiàn)短路情況應(yīng)該及時檢查電阻電容以及芯片的焊接 (電路板上所采用器件多為小封裝器件，管腳間距教小，容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象，焊接完成后要認(rèn) 真檢查 )。④擁有相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受幀同步脈沖和時鐘信號 :⑤多通道發(fā)送和接收，最多可達(dá) 128個通道，速度可為 100Mbit/s。下圖為 TLV1570 的功能時序圖。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這 個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。 圖 44 JTAG 仿真接口定義 A/D轉(zhuǎn)換器件與 DSP連接設(shè)計(jì) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 TMS TDI VCC TDO TCKRET TCK EMUO TRST GND KEY GND GND GND EMUI 17 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì) 在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，因?yàn)檩斎氲哪M信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號代碼是離散量，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間 (亦即時間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)上 )對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。TDI 為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過 TDI 引腳輸入 JTAG 接口 。系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，邏輯電平在不停的快速發(fā)生變化，因此系統(tǒng)的電源也會出現(xiàn)不同程度的波動，為保證系統(tǒng)的電源完整性，在輸入 5V電源、 、 ，在所有芯片的各個電源管腳處都增加了去禍電容。一般的，與 CPU相比，外設(shè)消耗的電流比較小。該芯片具有上電復(fù)位功能，電壓監(jiān)測功能和看門狗功能 [9]。但是，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，一般為 100200ms。根據(jù)需要，通過改變處理器狀態(tài)寄存器的三個位 MP/MC、 OVYL 和 DROM 來靈活地改變存儲器的配置。CPU的基本組成如下 :① 40 位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 (ALU)，包括一個 40 位桶形移位 寄存器和 2 個獨(dú)立的 40 位累加器 。 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 12 第 4章 數(shù)字濾波器硬件電路設(shè)計(jì) DSP的數(shù)字濾波器總體硬件設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)采用 5000 系列的 DSP 通用型的芯片， 5000 系列的 DSP 具有更高的時鐘頻率、更低的價格和更加強(qiáng)大的運(yùn)算功能，在數(shù)字濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了 TI 公司的一款高性能、低功耗的定點(diǎn) DSP:TMS320VC5402。 y=fft(yyl， N)。 %濾波 11 y=fft(y， N)。 z=y。濾波器設(shè)計(jì)需要編寫的 通用語言。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB 的符號計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時控制等功能。若被逼近的頻率響應(yīng)比較平滑，則各采樣點(diǎn)之間的逼近誤差較小 。 表 32幾種常用窗函數(shù)對比 窗函數(shù)的選擇原則是 : ①具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度 。對于給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長度和具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個窗函數(shù)。 若 N 為偶數(shù)，則 N1 為奇數(shù)，故系數(shù) ?k2中有一個為零。數(shù)字 濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出的優(yōu)點(diǎn)。使用相關(guān)開發(fā)工具和 VHDL 等硬件開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。單片機(jī)的接口性能良好容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。 (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。這些過程都可能包含衰減一個頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分， 用數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的 [3]。采用 DSP 芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。采用 DSP 芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。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。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。當(dāng)前我們正處于數(shù)字化時代，數(shù)字信號處理技術(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)用于語音圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識別、自動控制等領(lǐng)域。研究了 TMS320VC5402 器件的結(jié)構(gòu)和特性，根據(jù)該數(shù)字信號處理器的獨(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。 第 3 章 FIR 濾波器設(shè)計(jì)方法 .............................................................................................. 7 利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) FIR 濾波器 ............................................................................. 7 幾種常用的窗函數(shù) ............................................................................................... 8 用頻率抽樣法設(shè)計(jì) FIR 濾波器 ........................................................................... 9 數(shù)字濾波器的軟件輔助設(shè)計(jì) ............................................................................. 10 第 4 章 數(shù)字濾波器硬件電路設(shè)計(jì) ..................................................................................... 12 基于 DSP 的數(shù)字濾波器總體硬件設(shè)計(jì)方案 ..................