【正文】 7 FIR 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) ............................................... 7 FIR 數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì)方法 ....................................... 8 傅氏級(jí)數(shù)設(shè)計(jì) FIR 濾波器的基本理論 ................................... 8 基于 MATLAB 的 FIR 濾波器設(shè)計(jì) ........................................ 9 4 FIR 數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ......................................... 14 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...................................................... 14 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) ...................................................... 14 電源電路設(shè)計(jì) ...................................................... 15 模數(shù) /數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ............................................. 15 FLASH 接口設(shè)計(jì) .................................................... 16 外部存貯器接口設(shè)計(jì) ................................................ 17 5 FIR 濾波器的 DSP 程序?qū)崿F(xiàn) ........................................... 18 傅氏級(jí)數(shù)法的 DSP 程序?qū)崿F(xiàn) .......................................... 18 利用匯編程序?qū)崿F(xiàn) FIR 濾波器 ........................................ 18 小結(jié) .............................................................. 21 結(jié) 論 ............................................................. 23 參 考 文 獻(xiàn) ......................................................... 24 附錄 A 外文文獻(xiàn) ...................................................... 25 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 附錄 B 外文翻譯 ...................................................... 28 附錄 C 源代碼 ....................................................... 29 結(jié) 束 語(yǔ) .......................................................... 39 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引 言 21 世紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理 (PSP)作為技術(shù)核心， DSP 已經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。象處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中的一個(gè)基本處理算法。 數(shù)字濾波器又分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器 (IIR)和有限沖激響應(yīng)濾波器 (FIR)。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來(lái)更加方便、靈活。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器不用考慮器件的噪聲、電壓漂移、溫度漂移等問(wèn)題，可以容易地實(shí)現(xiàn)不同幅度和相位頻率等特性指標(biāo)。為得到模擬信號(hào)，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號(hào)須經(jīng)數(shù) /模轉(zhuǎn)換、平滑。 1978 年 AMI 公司生產(chǎn)出世界上第一片 DSP芯片 S2811。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。 (2)用加法器、乘法器、延時(shí)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專用的濾波電路。第四種方法因 DSP 芯片的哈佛結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得數(shù)字濾波器比較好的容易實(shí)現(xiàn) 。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展， DSP 器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次 (1600MIPS，每秒 1600 兆次指令 )的運(yùn)算，目前，市場(chǎng)占有率最大的是 TI 公司的 TMS320 系列 DSP芯片。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個(gè)操作可以獨(dú)立進(jìn)行，不同指令的不同階段在時(shí)間上的執(zhí)行能完全重疊。圖中輸入信號(hào)可以是各種形式，如麥克風(fēng)輸出的語(yǔ)音信號(hào)或電話線出來(lái)的己調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像信號(hào)等。 本設(shè)計(jì)中用到的北京精儀達(dá)盛有限公司的 DSP 實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)板上有 A/D , D/A 轉(zhuǎn)換芯片，相當(dāng)于模型系統(tǒng)中的中間三個(gè)部件。同時(shí)，用 DSP 匯編語(yǔ)言或者高級(jí) C語(yǔ)言或二者相嵌套法生成可執(zhí)行程序，用 DSP仿真器或者軟件模擬器調(diào)試程序。 (2) 2 個(gè) 40bit 累加器 A, B:累加器 A和 B 存儲(chǔ)來(lái)自 ALU 或乘法器 /加法器單元的輸出數(shù)據(jù)，也能輸出到 ALU 或者乘法器 /累加器中。 (7) CPU 狀態(tài)和控制寄存器 :C55X 有三個(gè)，狀態(tài)寄存器 STO、狀態(tài)寄存器 ST1 和處理器工作方式狀態(tài)寄存器 PMST，都是存貯器映像寄存器。 C55X 片內(nèi)存貯器為隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM)和只讀存儲(chǔ)器 (ROM), RAM 一般映射到數(shù)據(jù)空間，但也可組成程序空間 。現(xiàn)代濾波器把信號(hào)和噪聲都視為隨機(jī)信號(hào)，利用它們的統(tǒng)計(jì)特征 (如自相關(guān)函數(shù)、功率譜等 )推導(dǎo)出一套最佳的估值算法，然后用硬件或軟件予以實(shí)現(xiàn)。 FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) FIR 濾波器的單位脈沖響應(yīng) h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列，其傳遞函數(shù) H(z)一般為 : ??? ?? 10 )()( Nn nznhzH 式 （ 31） 對(duì)應(yīng)的差分方程為 )()( 10 inxbzy Ni i ?? ??? n≥ 0 式 （ 32） 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 濾波器輸出為 : )()(*)()( 10 inxHnhnxny Ni i ??? ??? 式 (33) 可以看出，系統(tǒng)的輸出只是輸入的函數(shù)，與過(guò)去的輸出沒(méi)有直接關(guān)系，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不含反饋支路。 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 051642733824915100CbCbbCbbCbbCbbCbb??????????? 由卷積公式 )()( 10 inxbnyNi i ?? ???即可得 N個(gè)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) FIR濾波器。各種窗函數(shù)性能如表 表 窗函數(shù)基本參數(shù) 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 窗函數(shù) 旁瓣峰值幅度 /dB 主瓣寬 阻帶最小衰減/dB 矩形窗 13 4π /N 21 三角窗 25 8π /N 25 漢寧窗 31 8π /N 44 海明窗 41 8π /N 53 布萊克曼窗 57 12π /N 74 凱塞窗 可調(diào) 可調(diào) 可調(diào) 切比學(xué)夫窗 可調(diào) 可調(diào) 可調(diào) 從上表可看出，矩形窗的主瓣寬度最小，布萊克曼窗的旁瓣峰值衰減很大，且旁瓣衰減速度也很快，但主瓣寬度最小。因此一般使主瓣寬度達(dá)到一定要求，而又適當(dāng)犧牲主瓣寬度來(lái)減少旁瓣波動(dòng)。另外還可以進(jìn)行相位延時(shí)、群延時(shí)、零極點(diǎn)、相位響應(yīng)等分析。在其中可選擇 FIR 濾波器類型 :低通、高通、帶通、帶阻 。如設(shè)計(jì)一個(gè)基于哈明窗的采樣頻率關(guān) = 5000，截止頻率關(guān) =100的 FIR 低通濾波器。RAM芯片 IS61LV6416用來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū) (數(shù)據(jù)或程序 )。這種接法中，片內(nèi)振蕩器被激活， X2腳向 DSP 送入一個(gè)頻率與 2腳晶體標(biāo)稱值相同的時(shí)鐘，并通過(guò)外部鎖相環(huán)控制電路選擇適當(dāng)倍頻倍數(shù)為 CPU 內(nèi)部提供系統(tǒng)時(shí)鐘。與 C55X 連接圖如下 : 圖 電源連接電路 /數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 模數(shù) /數(shù)模轉(zhuǎn)換采用芯片 TLC320AD50C(下面簡(jiǎn)稱 AD50C)，該芯片最高采樣速率可達(dá)北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 ，通過(guò) DSP 編程設(shè)置，可進(jìn)行 16位 A/D 和 D/A的高分辨率、低速信號(hào)轉(zhuǎn)換。 DSP 的 I/O 端口8000H 映射為 SST39VF040 的 A15~A8 地址的控制信號(hào)使能，即當(dāng)對(duì) I/O 端口 8000H 寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候， A15~A18 分別等于數(shù)據(jù)的低 4 位，當(dāng)對(duì)外部存儲(chǔ)空間操作時(shí)，首先向 Il0端口 8000H 寫(xiě)入數(shù)據(jù)。這是一種優(yōu)化的混和程序和數(shù)據(jù)區(qū)外接 RAM 的方法，省去了 C55X 的地址線 A15，這種方法可充分利用外部擴(kuò)展 RAM，不會(huì)因內(nèi)部 RAM和外部 RAM 的地址重疊而造成外部 RAM 的浪費(fèi)?？梢愿鶕?jù)系數(shù)表達(dá)式采用 C語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現(xiàn)濾波算法。 } 相應(yīng)的其它三種類型 FIR 濾波器算法程序都可以由對(duì)應(yīng)的系數(shù)表達(dá)式編寫(xiě)出來(lái)。圖為 加大高頻率信號(hào)的幅度時(shí)濾波效果。頭文件名不變，每當(dāng) MATLAB 中的系數(shù)改變時(shí)，相應(yīng)的頭文件中系數(shù)也改變，方便了調(diào)試仿真。 （ 4） int firs(data *x, data *r, data *dbuffer, ushort nh2,ushort nx)對(duì)稱、均衡型。然后在 CCS 中編寫(xiě) DSP 程序，編譯并修改，直到?jīng)]有錯(cuò)誤，然后 MATLAB 把模擬信號(hào)寫(xiě)給 DSP 程序，經(jīng) DSP 芯片濾波后， MATLAB 把濾波信號(hào)讀回，跟 MATLAB 中的濾波信號(hào)進(jìn)行比較 ，即 MATLAB 直接控制運(yùn)行 CCS 中的 DSP程序。 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 結(jié) 論 本文就 DSP 實(shí)現(xiàn) FIR 數(shù)字濾波器進(jìn)行了研究。 也可以把庫(kù)的函數(shù)復(fù)制到自己的工程名下，再進(jìn)行編譯，這跟函數(shù)調(diào)用一樣，直接使用。這樣就需要了解 DSP 匯編程序與 C 語(yǔ)言之間的參數(shù)傳遞及有關(guān)的調(diào)用關(guān)系。圖 為減小濾波器階數(shù)到 30 階的濾波效果，可看出濾波器的階數(shù)越高，濾波效果相對(duì)越好。 編譯 通過(guò)后 ，生成可執(zhí)行文件 (*.out 文件 )，下載到 DSP 程序存儲(chǔ)器中， 這時(shí)打開(kāi) Momery 窗口 , 可以看到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器已經(jīng)被劃分 coff_ fir, d_ data_ buffer, in_ buffer,out_ buffer等區(qū)。 for（ t=O。如今，高效的信號(hào)處理工具M(jìn)ATLAB 逐漸滲透到 DSP 設(shè)計(jì)中。這樣設(shè)置以后，將 DSP 上使用的外部數(shù)據(jù)空間映射到了 SST39VF040 的數(shù)據(jù)空間。 TLC320AD50C與 C55X 的 McBSP 串行口直接相連，不需要外圍電路不，占用并行總線，避免了總線沖突。三個(gè)管腳與倍頻關(guān)系如下表 : 表 CLKMD1~CLKMD3 與倍頻關(guān)系 CLKMD1 CLKMD2 CLKMD3 復(fù)位值 時(shí)鐘模 式 0 0 0 E007H PLL*15 0 0 1 9007H PLL*10 0 1 0 4007H PLL*5 1 0 0 1007H PLL*2 1 1 0 F007H PLL*1 1 1 1 0000H PLL*1/2 1 0 1 F000H PLL*1/4 0 1 1 保留 C55X 電源分為內(nèi)核電源 CVdd 和 I/O 電源 DvDD，內(nèi)核電源為 ，為包括 CPU、時(shí)鐘電路和所有外設(shè)的器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流 。CPLD用于時(shí)序控制 。 第二步，在 SPTooI 中，導(dǎo)入模擬輸入信號(hào) x1， x1 為頻率 100 和 1OOOHz 的正弦波的混疊信號(hào)。 圖 SPTooI 設(shè)計(jì)界面 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 如要求設(shè)計(jì)一個(gè) Fp = 400Hz， Rp=， Fs = 350Hz， Rs = 60dB，采樣頻率為 1000 的等波紋算法的高通 FIR 濾波器。它可以實(shí)現(xiàn)濾波器建模、量化、類型或結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、分析、生成 MATLAB腳本文件等功能。其中 FDATooI 主要用于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與分析，而 SPTooI 不僅可以設(shè)計(jì)、分析數(shù)字濾波器，還可對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域與頻域的分析。 選擇窗函數(shù)時(shí)，一般要求 :具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度 。推出四種濾波器系數(shù)如下，設(shè)關(guān)為截止頻率 (fc1，和 fc2為帶通、帶阻的兩個(gè)截止頻率 )， fs為采樣頻率， b(n)為頻響為常數(shù)的單位沖擊響應(yīng)。通過(guò)查閱資料，總結(jié)出主要有三大方面 : （ 1） 基于傅氏級(jí)數(shù)的 F