【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 比如數(shù)字濾波器可采用 DSP 處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)并行處理。 TI公司的 TMS320C5000 系列的 DSP 芯片采用 8條指令并行處理的結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘頻率為 l00MHZ 的 DSP 芯片，可高達(dá) 800MIPS(即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令 )。 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 1 在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn) 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(diǎn)是速度太慢，不能用 于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，只能用于教學(xué)和算法的仿真研究。比如近年來(lái)迅速發(fā)展的 MATLAB，就幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字濾波器的仿真。而且在 MATLAB下的部分仿真程序還可以通過(guò)轉(zhuǎn)化為 C語(yǔ)言，再通過(guò) DSP的 C編譯器直接在 DSP硬件上運(yùn)行。這對(duì)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很有吸引力的。 2 用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)在不斷地發(fā)展，如 Intel 96000的運(yùn)算速度就非?？捎^，而且單片機(jī)的接口性能比較良好，容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。但是由于單片機(jī)采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算速度較慢，而在數(shù)字濾波器中卻要涉及大量的乘加運(yùn)算 ，因此這種方法在運(yùn)算量大的實(shí)時(shí)信號(hào)濾波處理當(dāng)中很難有所作為。 3 利用專門用于信號(hào)處理的可編程 DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn) 與單片機(jī)相比， DSP有著更適合于數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)。如采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行特性，并有專門設(shè)計(jì)的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。 DSP芯片的這些特點(diǎn)使其在不允許延遲的實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域中，如蜂窩電話、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器等得到了非常理想的應(yīng)用。 4 利用特殊用途的 DSP芯片實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)在國(guó)際上己經(jīng)推出了不少專門用于 FFT, FIR濾波、卷積等的專用芯片，如 TDC 1028可天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 以實(shí)現(xiàn) FIR濾波和相關(guān)運(yùn)算。美國(guó) INMOS公司推出的 IMSA100芯片，可以完成 FFT, FIR濾波、卷積等運(yùn)算，它可以在 2ms內(nèi)完成 1024點(diǎn)復(fù)數(shù) FFT運(yùn)算。其它的，如 Motorola公司的 DSP56200, Zoron公司的 ZR34881，也都屬于專用型的 DSP芯片。在采用的 DSP芯片中，其軟件算法己在芯片內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)，使用者只要給出輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的組合即可在輸出端得到結(jié)果。這一 般用于對(duì)速度要求很高的場(chǎng)合。這種方案的缺點(diǎn)是靈活性差，而且開(kāi)發(fā)工具很不完善。 5 用 FPGA等可編程器件來(lái) 開(kāi)發(fā)數(shù)字濾波算法 由于 FPGA產(chǎn)品的迅速發(fā)展，人們可以利用 Atera. Xilinx等公司提供的產(chǎn)品，使用其相關(guān)開(kāi)發(fā)工具和 VHDL等硬件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。這一方法由于具有通用性的特點(diǎn)并可以實(shí)現(xiàn)算法的并行運(yùn)算，無(wú)論是作為獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理器，還是作為 DSP芯片的協(xié)處理器，目前都是比較活躍的研究領(lǐng)域。 6 在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中安裝加速卡來(lái)實(shí)現(xiàn) 加速卡可以是通用的加速處理機(jī)，也可是由 DSP開(kāi)發(fā)的用戶加速卡，如果加速卡是用 DSP開(kāi)發(fā)的用戶加速卡，那么在日益復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，在 DSP芯片價(jià)格不斷下降的條件下，這一方法是很常用的。當(dāng)然，在一般的控制系統(tǒng)中。通用計(jì)算機(jī)僅充當(dāng)沒(méi)有實(shí)時(shí)要求方法管理者的角色，而不再參與實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)的處理。 比較以上方法可見(jiàn) :可以采用 MATLAB等軟件來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器的系數(shù)等，同時(shí)也可以研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。而采用 DSP處理器或 FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波設(shè)計(jì)則各有優(yōu)點(diǎn)， FPGA可以用來(lái)做模型機(jī)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)一個(gè)電路時(shí)，首先要確定線路，然后進(jìn)行軟件模擬及優(yōu)化，以確定所設(shè)計(jì)電路的功能及性能。然而隨著電路規(guī)模的不斷增大，工作頻 率的不斷提高，將會(huì)給電路引入許多分布參數(shù)的影響，而這在用軟件模擬中很難反映出來(lái)，這時(shí)候就有必要做硬件仿真，由于 FPGA具有非常靈活的可編程特性，所以就可以用來(lái)做硬件仿真的模型機(jī)了。有了該模型機(jī)就可以直觀地測(cè)試其邏輯功能及性能指標(biāo)。 DSP則是專用的數(shù)字信號(hào)處理芯片，其特有的一些硬件結(jié)構(gòu)及特性使其非常適合做數(shù)字濾波電路。 [4] 總之，可以采用 MATLAB 來(lái)做算法的軟件仿真，用 FPGA 來(lái)做硬件仿真，也可以直接做成硬件電路，或用 DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路。若使它們相互結(jié)合，充分利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)，則能發(fā)揮出更大的威力。 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 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。在 MATLAB 環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。它優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在同類軟件中脫穎而出。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 MATLAB 系統(tǒng)最初是由 Cleve Moler 用 FORTRAN 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在的 MATLAB 程序是 Mathworks 公司用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。它的第一版 (DOS 版本 )發(fā)行于 1984 年；經(jīng)過(guò) 20年的不斷改進(jìn)， MATLAB 已經(jīng)成為國(guó)際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，最流行的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言了，有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它在國(guó)內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色。 MATLAB 語(yǔ)言的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。可以預(yù)見(jiàn)，在科學(xué)運(yùn)算、自動(dòng)控制與科學(xué)繪圖領(lǐng)域 MATLAB 語(yǔ)言將長(zhǎng)期保持其獨(dú)一無(wú)二的地位。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué) ,工程中常用的形式十分相似 ,故用 MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C， FORTRAN 等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多 .。包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi) 部函數(shù)的主包和三十幾種工具包 (Toolbox).工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包 。 功能工具包用來(lái)擴(kuò)充 MATLAB 的符號(hào)計(jì)算 ,可視化建模仿真 ,文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能 。 學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包 ,控制工具包 ,信號(hào)處理工具包 ,通信工具包等都屬于此類 。 開(kāi)放性使 MATLAB 廣受用戶歡迎 。 除內(nèi)部函數(shù)外 ， 所有 MATLAB 主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件 ， 用戶通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包 。 到 70 年代后期 ， 身為美國(guó) New Mexico 大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的 Cleve Moler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用 FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手 ,利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫 EISPACK 和LINPACK 的接口程序。 Cleve Moler 給這個(gè)接口程序取名為 MATLAB,該名為矩陣 (matrix)和實(shí)驗(yàn)室 (labotatory)兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母的組合 。 在以后的數(shù)年里 ， MATLAB 在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用 ， 并作為面向大眾的免費(fèi)軟件廣為流傳 。 1983 年春天 ， Cleve Moler 到 Standford 大學(xué)講學(xué)， MATLAB 深深地吸引了工程師 Little 敏銳地覺(jué)察到 MATLAB 在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年，他和CleveMoler,Steve Bangert 一起，用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的 MATLAB 語(yǔ)言同 時(shí)具備了數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能 。 1984 年 ， Cleve Moler 和 John Little 成立了 Math Works 公司，正式把 MATLAB 推向市場(chǎng)，并繼續(xù)進(jìn)行 MATLAB 的研究和開(kāi)發(fā)。 在當(dāng)今 30多個(gè) 數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中 ,就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言 ， 可分為兩大類 。一類是數(shù)值計(jì)算型軟件 ， 如 MATLAB,Xmath,Gauss 等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算 ,對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件 ， Mathematica,Maple 等，這類軟件以符號(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)，能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低 。 MathWorks 公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開(kāi)拓了其符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，開(kāi)發(fā)了適合多學(xué)科，多部門要求的新一代科技應(yīng) 用軟件 ， MATLAB 以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位 。 在 MATLAB 進(jìn)入市場(chǎng)前，國(guó)際上的許多軟件包都是直接以 FORTRANC 語(yǔ)言等編程語(yǔ)言天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 開(kāi)發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄，接口簡(jiǎn)陋，程序結(jié)構(gòu)不開(kāi)放以及沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的基庫(kù)，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。 MATLAB 的出現(xiàn)，為各國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。在 MATLAB 問(wèn)世不久的 80 年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在 MATLAB 上重建。 [5] 時(shí)至今日，經(jīng)過(guò) MathWorks 公司的不斷完善， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大大大型軟件。在國(guó)外， MATLAB 已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動(dòng)控制理論，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理，時(shí)間序列分析，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門， MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)，特別是工程界， MATLAB 一 定會(huì)盛行起來(lái)。可以說(shuō)，無(wú)論你從事工程方面的哪個(gè)學(xué)科，都能在 MATLAB 里找到合適的功能 。 MATLAB 的語(yǔ)言特點(diǎn) 一種語(yǔ)言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語(yǔ)言的特點(diǎn)，正如同 FORTRAN 和 C 等高級(jí)語(yǔ)言使人們擺脫了需要直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的 MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來(lái)。 MATLAB 最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。 MATLAB 用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語(yǔ)言的冗長(zhǎng)代碼。 MATLAB 給用戶帶來(lái)的是最直觀，最簡(jiǎn)潔的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。以下簡(jiǎn)單介紹一下 MATLAB 的主要特點(diǎn)。 1．語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。 MATLAB 程序書寫形式自由，利用其豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)了繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編纂工作。由于庫(kù)函數(shù)都是由本領(lǐng)域的專家編寫，所以用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。 2．運(yùn)算符號(hào)豐富。由于 MATLAB 是用 C 語(yǔ)言編寫的，所以 MATLAB 提供了 C 語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用 MATLAB 的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短 。 3．高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算。 MATLAB 語(yǔ)言像 Basic、 Fortran、 C 語(yǔ)言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算 符及賦值運(yùn)算符，而且這些運(yùn)算符大部分可以毫無(wú)改變地照搬到數(shù)組間的運(yùn)算，另外，它不需要定義數(shù)組的唯數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫(kù)函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問(wèn)題時(shí)，顯得大為簡(jiǎn)捷、高效、方便，這是其它高級(jí)語(yǔ)言所不能比擬的。在此基礎(chǔ)上，高版本的 MATLAB 已逐步發(fā)展到科學(xué)及工程計(jì)算的其它領(lǐng)域。因此，不久的將來(lái)，它一定能名副其實(shí)地成為“萬(wàn)能演算紙式的”科學(xué)算法語(yǔ)言。 4． MATLAB 即具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，又有面向?qū)ο缶幊傻奶匦浴? 5．語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì) 自由度大。為了充分利用 Fortran、 C 等語(yǔ)言的資源，包括天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 用戶已編好的 Fortran、 C 語(yǔ)言程序，通過(guò)建立 M 文件的的形式，混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的 Fortran、 C 語(yǔ)言的子程序 。 6．程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 7． MATLAB 的圖形功能強(qiáng)大。在 C和 FORTRAN語(yǔ)言里，繪圖都很不容易 ， 但在 MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。此外， MATLAB 還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。 8． MATLAB 具有的一項(xiàng)重要特色是擁有功能強(qiáng)大的工具箱。 MATLAB 包含兩個(gè) 部分；核心 部分和各種可選的工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)施交互功能。功能性工具箱能用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的；如 Control toolbox、 Signal processing toolbox 、 Communication toolbox等，這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無(wú)需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。 9．源程序的開(kāi)放性。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有 MATLAB 的核心文件和工 具箱文件都是可讀可改變的源文件，用戶可通過(guò)對(duì)源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。 [6] MATLAB 軟件自 1984 年推向市場(chǎng)以來(lái)，歷經(jīng)十幾年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)已成為 (IEEE 評(píng)述 )國(guó)際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。它功能強(qiáng)大、界面友好、語(yǔ)言自然、開(kāi)放性強(qiáng)的特點(diǎn)是它獲得了對(duì)應(yīng)用學(xué)科 (特別是邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科 )的季強(qiáng)是盈利，并且很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、仿真、教學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件