【正文】 ......... 9 設(shè)計要求 和指標(biāo) ........................................................................................ 9 設(shè)計過程 及結(jié)果 ........................................................................................ 9 FIR 濾波器的 MATLAB 仿真 .........................................................................11 本章小結(jié) ......................................................................................................... 12 第 4 章 數(shù)字濾波器的 DSP 實現(xiàn) ............................................................................ 13 DSP 的基本特征 ............................................................................................. 13 TMS320C54xDSP 的硬件結(jié)構(gòu) ......................................... 錯誤 !未定義書簽。而普通的單片機例如 MCS51 難以滿足這一要求。如果濾波器的階數(shù)增加，乘法器位數(shù)也將變大，硬件規(guī)模將變得十分龐大。軟件可以是自己編寫的，也可以使用現(xiàn)成的軟件包，這種方法的缺點是速度太慢，不能用于實時系統(tǒng)，只能用于教學(xué)和算法的仿真研究。而后，用 DSP 處理器或 FPGA 進(jìn)行數(shù)字濾波的硬件實現(xiàn)。另外，它還有以下特點 ：設(shè)計方式是線性的 ； 硬件容易實現(xiàn) ； 濾波器過渡過 程具有有限區(qū)間 ； 相對 IIR濾波器而言，階次較高，其延遲也要比同樣性能的 IIR 濾波器大得多 [。傅立葉系數(shù) ()dhn實際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)。 為了進(jìn)一步抑制旁瓣，對升余弦窗函數(shù)再加上一個二次諧波的余弦分量，變成布拉克曼窗，故又稱二階升余弦窗。 Chebyshev 方法是最佳一致逼近法。 (2－ 19)、 (2－ 20)式說明逼近誤差 ()iE? 至少要有 L+2 交錯點，從而使 E 最小， ()jeAe? 唯一。 FIR 濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu) FIR 濾波器的傳遞函數(shù)一般有如下形式： 10( ) [ ]N nnH z h n z? ???? （ 2－ 23） 其基本結(jié)構(gòu)有以下幾種 ： 直接型，級聯(lián)型，線性相位型，頻率采樣型。 3．線性相位型 FIR 濾 波器的重要特點是可設(shè)計成具有嚴(yán)格線性相位的濾波器，其單位沖擊響應(yīng)有如下特性 ： ( ) ( 1 )h n h N n? ? ? （ 2－ 26） 當(dāng) N 為偶數(shù)時， 12 ( 1 )0( ) [ ][ ]N n N nnH z h n z Z? ? ? ? ????? （ 2－ 27） 其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (信號流圖 )如圖 23(a)所示 當(dāng) N 為奇數(shù)， 12 1[]( 1 ) 201( ) [ ] [ ] ( )2N nn N nnNH z h n z Z h z? ??? ? ? ???? ? ?? （ 2－ 28） 該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是 ： 簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 9 第 3章 基于 MATLAB 的 FIR 濾波器的設(shè)計 MATLAB 簡介 MATLAB 語言是當(dāng)今國際上科學(xué)界最具影響力、也是最有活力的軟件之一。 濾波器指標(biāo) 根據(jù)采樣定律，采樣頻率 sf 應(yīng)大于或等于所有信號頻率成分中，最大頻率的兩倍。 采樣頻率 fs=lhz； 通帶截止頻率 fpass=； 阻帶截止頻率 fstop=； 通帶衰減 Apass=ldB； 阻帶衰減 Astop=40dB。 %采樣間隔 n=0:T:400。 subplot(2,1,1)。 13 第 4章 數(shù)字濾波器的 DSP 實現(xiàn) 數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processor)是一種適合對數(shù)字信號進(jìn)行高速實時處理的專用處理器，其主要用來實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。統(tǒng)一編址依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令數(shù)據(jù)還是地址。其中， CB 和 DB 傳輸從程序存儲器讀來的數(shù)據(jù) ； EB 傳輸待寫入 存儲器的數(shù)據(jù)。由于這些寄存器是存儲器映像，所以可以像對數(shù)據(jù)存儲器操作那樣對它們進(jìn)行讀出和寫入。 5． 乘法器 /加法器單元 TMS320C54x 的乘法器 /加法器單元包含一個 17X17 位的硬件乘法器，一個40 位的加法器，有符號輸入 /無符號輸入控制邏輯，小數(shù)控制邏輯，一個零檢測器，一個圓整器，溢出 /飽和邏輯和一個 16 位的暫存寄存器 T。 程序存儲空間包含待執(zhí)行的指令和執(zhí)行中需要使用的數(shù)據(jù)表格 ； 數(shù)據(jù)存儲空間包含程序指令所用到的數(shù)據(jù) ： I/O 空間主要用來接外圍芯片，這些外圍芯片和 DSP 一起完成特定的功能。每過一個 CLKOUT 周期，定時器做減 1 操作。 DSP 和主處理器通過 DSP 的片內(nèi)存儲器交換信息，這塊片內(nèi)存儲器既可以被 DSP 訪問，也可以被主處理器訪問。 DSP 系統(tǒng)的特點 DSP 系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的，因此不但具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點而且還具有以下特點 [24]: 1．接口方便 ： DSP 應(yīng)用系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代 數(shù) 字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多。 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計流程 一個 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計過程大概要有以下幾個步驟。在 TI 收購了 GO DSP 后，將 CCS 擴展到了 其他系列。 FIR 濾波器的 DSP 實現(xiàn) FIR 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 在 FIR 數(shù)字濾波器的幾種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，直接型結(jié)構(gòu)簡單直觀，乘法運算量較少，本文也采用這種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 43 所示。即程序的編譯和連接成功，生成了 .obj 目標(biāo)文件和 .out 可執(zhí)行文件。第一，對一個課題的研究必須要閱讀大量的文獻(xiàn)和 書 籍來獲得一定的感性認(rèn)識，然后才會有一定的思路和設(shè)計方法。在數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法上，除了應(yīng)用 DSP 來實現(xiàn)外，可采用 CPLD、 FPGA 等來實現(xiàn)。應(yīng)用功能強大的軟件來進(jìn)行計算、設(shè)計和仿真，可使研究工作得到 事半功倍的效果。 將圖 45 的輸入 /輸出信號的頻譜圖與前面 34 圖的 FIR 濾波器的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看到，該 DSPC5416 實際濾波可以基本達(dá)到和算法仿真同樣的效果 。buffer size for the filter ． def fir_task。 DSP/BIOS 可以看作是一個準(zhǔn)實時操作系統(tǒng)，支持TI DSP 芯片的各種實時操作系統(tǒng)都是以 DSP/BIOS 作為底層軟件，為嵌入式應(yīng)用提供 基本的運行服務(wù)。硬件設(shè)計是指根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的 DSP 芯片，然后設(shè)計相應(yīng)的外圍電路。 5．可重復(fù)性好 ： 模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。 6． 可編程存儲體切換邏輯 當(dāng)訪問過程跨越程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器存儲體的邊界時，可編程存儲器組切換邏輯會自動插入一個周期 ： 當(dāng)在存儲操作過程中，由程序存儲器轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)存儲器時，也會插入一個周期。內(nèi)部時鐘發(fā)生器可以通過外接一晶振或直接接外部時鐘源而工 作。 RAM( 包括 DARAM 和SARAM)一般映射在數(shù)據(jù)空間，但也可以映射在程序空間 ； ROM 映射在程序空間，但也可以部分地映射在數(shù)據(jù)空間。當(dāng)選擇了合適的片內(nèi)硬件后，CSSU 還可以加速維特比 (Viterbi)蝶形運算。 系統(tǒng)提供的指令可以存儲保護(hù)位、高位字和低位字 ； 累加器可以向數(shù)據(jù)存儲器讀出或?qū)懭?32 位字 ； 而且任一累加器可以作為另一個累加器的暫時存儲器。還可以把這個 40 位的 ALU看作為兩個 16 位的 ALU，來同時執(zhí) 行兩個 16 位的操作。 3． 流水線結(jié)構(gòu) TMS320C54xDSP 系列由于指令和操作數(shù)來自不同的空間，同一時刻，可以有四條指令的不同階段在并行處理，盡管每條指令執(zhí)行的時間仍然是幾個機器周期，但由于指令的流水作業(yè)，實現(xiàn)了多條指令的并行執(zhí)行 [25]。 DSP 的基本特征 本課題采用的是 TMS320C54x 系列的 TMS320C5416DSP，具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、硬件乘法器、流水線結(jié)構(gòu)、高效特殊 指 令集等優(yōu)點，使它的處理 速度和容量大大提高，為數(shù)字濾波中的復(fù)雜算法的實現(xiàn)提供了硬件的保證 [21]。 在 MATLAB 環(huán)境下運行 文件，可得 34 圖。用于設(shè) 計指標(biāo)歸一化 x=sin(2*pi*f1*n)+sin(2*pi*f2*(n2))cos(2*pi*f3*(n+2))。 FIR 低通濾波器的仿真程序如下 (文件名為 )： f1=。 1．啟動 fdatool： 打開的 fdatool 界面，如 31 圖所示： 2．濾波器設(shè)計 ： 濾波器類型 (Filter type) 包括 ： 低通 (Lowpass)、高通 (Highpass)、帶通 (Bandpass)和帶阻 (Bandstop)。 基于 MATLAB 的 FIR濾波器的設(shè)計 在本小節(jié)中將使用 MATLAB 來進(jìn)行 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計。 FIR 濾波器常表示為直接型和轉(zhuǎn)置型兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的功能是等效的。 1100( ) ( ) ( ) ( )NNrniy n b x n r h i x n i????? ? ? ??? （ 2－ 24） 式中， rb 為實數(shù) ； ()xn 為輸入序列， ()yn 為輸出序列， ()hi 單位采樣響應(yīng)。 通過 (2－ 22)式可計算通帶和阻帶中多處頻域的 ()jeAe? 和 ()E? 值。 故， ()jeAe? 可改寫 0( ) (c o s )LjkekkA e a? ??? ? （ 2－ 17） 其中， ka 是與 ()ehn相關(guān)的常數(shù)。 綜合以上窗函數(shù)特點，選用最優(yōu)和適應(yīng)性較強的凱塞窗來設(shè)計 FIR 濾波器。但是代價是主瓣寬度比矩形窗的主瓣寬度增加一倍，即為 8/N? 。 利用窗函數(shù)法設(shè)計 FIR 濾波器 1．窗函數(shù)法的基 本思想 窗函數(shù)設(shè)計的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器，然后將它的脈沖響應(yīng)截斷以得到一個線性相位和因果的 FIR 濾波器。 3 第 2章 FIR 濾波器基礎(chǔ) FIR 濾 波器的特點 在數(shù)字信號處理應(yīng)用中往往需要設(shè)計線性相位的濾波器， FIR 濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時，很容易做到嚴(yán)格的線性相位特性。 3． 用固定功能的專用信號處理器實現(xiàn) 專用信號處理器采用專用集成電路 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)實現(xiàn)，適用于過程固定而又追求高速的信號處理任 務(wù)，是以指定的算法來確定它的結(jié)構(gòu)，使用各種隨機邏輯器件組成的信號處理器。分布式 2 算法在完成乘累加功能時是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先進(jìn)行相加形成相應(yīng)的部分積，然后再對各個部分積累加形成最終結(jié)果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產(chǎn)生之后再來相加來完成乘累加運算的。 3． 數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來更加方便、靈活。隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為一門主流技術(shù)，它在電子信息、通信、軟件無線電、自動控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。DSP。 imitates the designed filter。相對于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒有漂移，能夠處理低頻信號，頻率響應(yīng)特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達(dá)到很高，容易集成等，這些優(yōu)勢決定了數(shù)字濾波器的應(yīng)用越來越廣泛。具體工作包括：對 FIR 數(shù)字濾波器的基本理論進(jìn)行了分析和探討 ；采用 MATLAB 軟件來學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識，計算數(shù)字濾波器的系數(shù)，研究算法的可行性，對 FIR 低通數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的設(shè)計和仿真；系統(tǒng)介紹了 TI 公司 TMS320C54x 系列數(shù)字信號處理器的硬件結(jié)構(gòu)、性能特點和 DSP 的集成開發(fā)環(huán)境 CCS；應(yīng)用 DSP 集成開發(fā)環(huán)境 —— CCS 調(diào)試匯編程序，用 TMS320C5416 來實現(xiàn)了 FIR 數(shù)字濾波。 designing and imitating the earlier stage of FIR digital filter。 總線結(jié)構(gòu) 和中央處理單元 ......................