【正文】 函數(shù)有 [5]：矩形窗、三角形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗、凱塞窗。如何構(gòu)造窗函數(shù) w(n)，用來減少截?cái)嘈?yīng)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足技術(shù)要求的 FIR 線性相位濾波器。()dhn然而我們實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器的單位脈沖響應(yīng)為 h(n)，長(zhǎng)度為 N，其系數(shù)函數(shù) H(z)為（7）10()()NnnHzhz????這樣用一個(gè)有限長(zhǎng)的序列 h(n)去代替 ，肯定會(huì)引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是通常所d說的吉布斯效應(yīng)。()jwdHe()dhn（5）()jwjnddneh?????（6）1()()2ccwjwjnddhnHe????如果能夠由已知的 求出 ，經(jīng)過 Z 變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)?，F(xiàn)介紹如下。因此這種方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。本文主要采用矩形窗設(shè)計(jì)方法。圖 31 FIR 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 數(shù) 字 濾 波 器 的 設(shè) 計(jì) 方 法FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)和頻率采樣等設(shè)計(jì)方法，其中窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是最基本的設(shè)計(jì)方法。由上面的方程可知，F(xiàn)IR 濾波器實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，不斷地輸入樣本 x(n),經(jīng)延時(shí)（ ） ，做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果 y(n)。C55X 并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部 RAM 的雙尋址能力，使 CPU 在任一給定的機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行包括 1 次取指、2 次操作數(shù)和 1 次寫操作數(shù)的 4 次存儲(chǔ)器操作。ROM 一般構(gòu)成程序空間，也可部分安排到數(shù)據(jù)空間。在任一個(gè)存貯空間中，RAM,ROM,EPROM,EEPROM 或存貯器映像外圍設(shè)備，都可駐留在片內(nèi)或片外。1 條程序總線((PB):從程序存儲(chǔ)器裝載指令碼和立即數(shù)。3 條數(shù)據(jù)總線((CB,DB,EB):連接內(nèi)部各單元，即連接 CPU、程序地址產(chǎn)生邏輯、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生邏輯、片內(nèi)外設(shè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。STO 反映了尋址要求和計(jì)算中間運(yùn)行狀態(tài)，STl 反映了尋址要求、計(jì)算的初始設(shè)置、I/O 及中斷控制，PMST 反映了處理器工作狀態(tài)。(6)指數(shù)編碼器:為支持單周期指數(shù)運(yùn)算指令(EXP)的專用硬件，累加器中的值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式在 T 寄存器中存貯，范圍為8bit31bit。(5)比較、選擇和存貯單元 CSSU:完成累加器的高位字和低位字間的最大值比較，并存貯在數(shù)據(jù)存貯器中，不改變狀態(tài)寄存器 STO 中的測(cè)試/控制位和傳送寄存器 TRN 的值?？蓪?duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 Obit31bit 的左移和 Obit16bit 的右移。每個(gè)累加器可以分為低字位(bit1sbit0)、高位字(bit31bit16)和保護(hù)位(bit39bit32)。還有處理溢出的功能，也可以進(jìn)行布爾運(yùn)算或者把這個(gè) 40 位的 ALU 看作為兩個(gè)16 位的 ALU，同時(shí)執(zhí)行兩個(gè) 16 位的操作。 結(jié)構(gòu)C55X 的 CPU 是并行結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可在一個(gè)指令周期中高速完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。TMS320CSSx 通過增加功能單元，增強(qiáng)了 DSP 的運(yùn)算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前 TMS320 家族中最省電的芯片。最后，將軟件加載到硬件系統(tǒng)中運(yùn)行，用 DSP 仿真器等來測(cè)試檢查所開發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行能否符合實(shí)時(shí)要求，或?qū)④浖撾x開發(fā)系統(tǒng)直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。再接著進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，即根據(jù)選定的原件建立原理圖、制作 PCB 板、器件安裝及加電調(diào)試。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)證算法的可行性，輸入模擬假設(shè)的數(shù)據(jù)也可以。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程在設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分。在不是自行設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計(jì)。上面給出的 DSP 系統(tǒng)只是一個(gè)典型模型，并不是所有的 DSP 系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件，應(yīng)根據(jù)具體要求來變化。數(shù)字處理是該 DSP 系統(tǒng)的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同。在本設(shè)計(jì)中，所使用的抽樣頻率為 5 倍的截止頻率。抗混疊濾波器A/D轉(zhuǎn)換DSP芯片D/A轉(zhuǎn)換低通濾波器輸入 輸出圖 21 典型的 DSP 系統(tǒng)框圖其中，輸入信號(hào)應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進(jìn)行 A/D 變換，將輸入信號(hào)變換成數(shù)字比特流。 系統(tǒng)構(gòu)成下圖所示即是一個(gè)典型的 DSP 系統(tǒng)。（6）快速的指令周期采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊指令及集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，使指令周期可在 20ns 以下。如 TMS320C55X 中的 FIRS 和 LMS 指令，專門用于系數(shù)對(duì)稱的 FIR 濾波器和 LMS 算法。（4）專用的硬件乘法器DSP 芯片都配有專用的硬件乘法一累加器，即用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來處理多個(gè)乘積的累加，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如矩陣運(yùn)算、FIR 和 IIR 濾波、FFT 變換等專用信號(hào)處理。TMS320 系列流水線深度從 2 到 6 級(jí)不等，TMS320C5510 有 6 級(jí)的流水線，TMS320C6000系列有 8 級(jí)流水線。（2）多總線結(jié)構(gòu)DSP 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 CPU 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問，大大提高了 DSP 運(yùn)行速度。系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍。 芯片基本結(jié)構(gòu)TMS320 系列 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括:哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令、快速的指令周期。目前 DSP 芯片的價(jià)格越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來，DSP 芯片得到飛速發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor，簡(jiǎn)稱 DSP)是一種處理數(shù)字信號(hào)的專用微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù)字處理算法。本文重點(diǎn)研究在利用 DSP 來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。通過比較以上三種方法可見：可以采用 MATLAB 等軟件來學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。（3）用 FPGA 可編程器件來實(shí)現(xiàn)使用相關(guān)開發(fā)工具和 VHDL 等硬件開發(fā)語(yǔ)言，通過軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。用 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器 (MAC)，能夠在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一次成累加運(yùn)算，配有適合于信號(hào)處理的指令，具備獨(dú)特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰?。但是這種方法速度很慢，難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖然可由用快速傅立葉變換算法累加，來加快計(jì)算速度，但要達(dá)到實(shí)時(shí)處理還是要付出很高的代價(jià)，因而該方法多在教學(xué)與科研中使用。利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器把濾波所要完成的運(yùn)算編程程序通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫，也可使用現(xiàn)成的。相對(duì)于前兩種方法，DA 算法既可以全并行實(shí)現(xiàn)，又可以全串行實(shí)現(xiàn)，還可以串并行結(jié)合實(shí)現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當(dāng)?shù)恼壑?，是?shù)字濾波器的主要研究課題。分布式算法在完成乘累加功能時(shí)是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對(duì)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(duì)各個(gè)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(yùn)算的。但是由于是串行運(yùn)算，使得它的運(yùn)算周期過長(zhǎng)，運(yùn)算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時(shí)不是最優(yōu)的。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。在國(guó)內(nèi)外的研究中，設(shè)計(jì) FIR 濾波器所涉及的乘法運(yùn)算方式有:并行乘法、位串行乘法和采用分布式算法的乘法。目前 DSP 芯片的價(jià)格越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。1980 年日本 NEC 公司推出的 μPD7720 是第一個(gè)具有乘法器的商用 DSP 芯片。1978 年 AMI 公司生產(chǎn)出世界上第一片 DSP 芯片 S2811。 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片誕生以來 DSP 芯片得到了飛速的發(fā)展。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。用可編程ＤＳＰ芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服了與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問題。數(shù)字濾波是語(yǔ)音和圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中的一個(gè)基本處理算法。近年來，ＤＳＰ技術(shù)在我國(guó)也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開發(fā)等方面，其應(yīng)用越來越廣泛，并取得了豐碩的成果。數(shù)字信號(hào)處理由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。數(shù)字信號(hào)處理器，也稱ＤＳＰ芯片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。第一章緒論 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性２１世紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來越多的電子產(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。(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。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)((FIR)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點(diǎn):