【正文】 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。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。 近年來， DSP 技術(shù)在我國也得到了迅速的發(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，在數(shù)字信號(hào)處理中，其應(yīng)用越來越廣泛，并取得了豐碩的成果。 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。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。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。數(shù)字濾波器又分為無限沖激響應(yīng)濾波器 (IIR)和有限沖激響應(yīng)濾波器 (FIR)。 由于 DSP 控制器具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理，獨(dú)立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 DSP 控制器就可以提高數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)做到實(shí)時(shí)處理。有限長單位沖激響應(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) [3]: (l)簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 (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。 3 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 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。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。 在上一個(gè)世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無源到有源和從模擬到數(shù)字兩個(gè)過程。有源濾波器雖然很大地改進(jìn)了濾波器的性能，也降低了一些制造工藝的難度，但從其性能的大幅度改進(jìn)，與其它信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器后來居上。 我國濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任 [9]。軟件可以是由自己編寫，也可以使用現(xiàn)成的軟件包。 (2)在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。 (3)用通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。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)字濾波器中涉及大量的乘法運(yùn)算，因此，這種方法適用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。與單 片機(jī)相比， DSP 有著更適合于數(shù)字濾波的特點(diǎn)。 (5)用專用的 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。 (6)用 FPGA 等可編程器件來開發(fā)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，無論是作為獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理，還是作為 DSP 芯片 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 4 的協(xié)作處理器都是比較活躍的研究領(lǐng)域。 主要研究?jī)?nèi)容 本論文主要 : ①研究數(shù)字濾波的理論知識(shí)，為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ) 。 ③研究有限長沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（ FIR）在 DSP 中的具體實(shí) 現(xiàn)方法。 因此，數(shù)字濾波器本身既可以是用數(shù)字硬件裝配成的一臺(tái)完成給定運(yùn)算的專用 的數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可以將所需要的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)來執(zhí)行。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù) 字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能越來越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。本文研究 FIR 數(shù)字濾波器。 圖 21 FIR 濾波器直接型結(jié)構(gòu) z1? z1? z1? x(n) h(0) h(1) h(2) h(N1) + y(n) 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6 將轉(zhuǎn)置理論應(yīng)用于上圖 可以得到圖 21 所示的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)，可得到圖 22 所示轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu) [4]。其中 [N/2]表示取 N/2 的整數(shù)部分。這是因?yàn)檫@時(shí)有奇數(shù)個(gè)根，其中復(fù)數(shù)根成共軛對(duì)，必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個(gè)實(shí)根。 圖 23 FIR 濾波器的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu) z1? z1? z1? z1? h(0) h(1) h(2) h(3) h(N1) y(n) x(n) 圖 22 FIR 濾波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖 （ ） x(n) z1?z1? z1?z1? z1?z1? ?01 ?02 ?]2[0N ?11 ?02 ?12 ?22 ? ]2/[1N ?]2[2N 7 第 3章 FIR 濾波器設(shè)計(jì)方法 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率抽樣設(shè)計(jì)法等，其中窗函數(shù) 設(shè)計(jì)法是最基本的設(shè)計(jì)方法。 本小節(jié)主要介紹幾種常用的窗函數(shù)和頻率抽樣設(shè)計(jì)法。因此這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種合 適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。任何數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng))(ejwA 都是 ? 的周期函數(shù)，它的傅立葉級(jí)數(shù)展開式為： ehe jNn dj nH ?? ????? )()( 10 其中 ： )2 1()]2 1(s i n [)(21)( 20 ?????? ? LnLndn jjdd eeHh??????? 其中的 ?c 為濾波器的歸一化的截止頻率。獲得有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的一種可能方法就是把無窮級(jí)數(shù)截取為有限項(xiàng)級(jí)數(shù)來近似，而吉布斯 (Gibbs)現(xiàn)象使得直接截取法不甚令人滿意 [1] 窗函數(shù)法就是用被稱為窗函數(shù)的有限加權(quán) 系列 {? (n)}來修正式 ()的傅立葉級(jí)數(shù)。 即有： （ ） （ ） 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 8 )()()( nnnh h d ?? )(n? 是有限長序列，當(dāng) nN1 及 n0 時(shí)， )(n? =0。 這幾種窗函數(shù)的比較見表 31 所示。 ②旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻帶衰減 。 通常上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿足。因此，實(shí)際選用的窗函數(shù)往往是它們的折衷。 窗函數(shù) 旁瓣峰值衰減（ db） 過渡帶（ ?? ） 阻帶最小衰減（ db） 矩形窗 13 4? /N 21 三角窗 27 8? /N 25 漢寧窗 31 8? /N 44 海明窗 41 8? /N 53 克萊克曼窗 57 12? /N 74 凱塞窗 57 10? /N 80 （ ） 9 用頻率抽樣法設(shè)計(jì) FIR濾波器 所謂頻率抽樣法就是從頻域出發(fā)，根據(jù)頻域的采樣定理，對(duì)給定的理想濾 波器的頻域響應(yīng)進(jìn)行等間隔采樣 [4][5] )()()2( kHeH dNkjd ?? ??? 把 )(kHd當(dāng)作待設(shè)計(jì)的濾波器頻率響應(yīng)的采樣值 H(k)，通過下式可求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z)和頻率響應(yīng) )(ejH ? : ??? ??????10 11)()1)(/1()( Nk kNN zwz kHNzH )2()()( 10kNkHH Nkje ??? ??? ??? 其中， )(?? 是一個(gè)內(nèi)插函數(shù)： e NjNN2/)1()2s i n ()2s i n (1)( ???? ???? ew Njn /2 ?? K=0， 1....N1 () () () （ ） () 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 10 由于頻譜的有限個(gè)采樣值恢復(fù)出來的頻率響應(yīng)實(shí)際上是對(duì)理想頻率響應(yīng)的逼近， 因此，這種方法必然有一定的逼近誤差。反之，則逼近誤差較大。 數(shù)字濾波器的軟件輔助設(shè)計(jì) MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室 (Matrix Laboratory)之意。 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 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。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。MATLAB 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句 (如 for 循環(huán)， while 循環(huán)， break 語句和 if語句 )，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。因此在各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?？梢灾苯佑?C 語言，然后調(diào) 用 CCS 自帶的 C 編譯器將 C 語言轉(zhuǎn)換成匯編語言，但一般情況下，濾波器對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較 高，而整個(gè)濾波器的程序編寫也不是很大，所以采用匯編語言編寫。 程序： Clear all。 %清屏 N=1024。 %采樣頻率 Dt=(1： N)/fs。 %產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào) figure(3)。 plot(z) lp=500。 %函數(shù)的參數(shù) [zl， pl， kl]=CHEBY1(3， ， wnl)。 %濾波器的傳遞函數(shù)表示 bl=bl/(8*)。 %為 DSP 程序做準(zhǔn)備， MATLAB 中不需要 yyl=filter(bl， al， y) 。 %將原始信號(hào)做 FFT 變換 Pyy=y.*conj(y)。 for i=1:N/21。 end。 Plot(f， pyy(1:N/2))。 Pyy=y.*conj(y)。 for i=1:N/21。 end figure(2)。N/2))。該 DSP 具有較快的運(yùn)算速度：運(yùn)算速度最快可達(dá) 532MPIS；采用了低功耗設(shè)計(jì)方式 :內(nèi)核電壓為 ， I/O 電壓為 。 通常的設(shè)計(jì)中會(huì)采用 5V供電并行的 ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換 )和 DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換 )芯片與 DSP連接，傳輸數(shù)據(jù)過程中會(huì)占用總線的時(shí)間，而且需要采用多片電平轉(zhuǎn)換器件將 5V 電平轉(zhuǎn)換為 。 TMS320VC5402內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu) TMS320VC5402 ADC SRAM FLASH 電源 JTAG 時(shí)鐘 McBSP1 McBSP2 圖 41 數(shù)字濾波器系統(tǒng)方案框圖 13 TMS320VC5402 是定點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器。 CPU采用并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使其能在一條指令周期內(nèi)，高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。② 17X17 位并行乘法器，與 40 位專用加法器相連，用于非流水線式單周期乘法 /累加 (做 C)運(yùn)算 。④指數(shù)編碼器，可以在單個(gè)周期內(nèi)計(jì)算 40 位累加器中數(shù)值的指數(shù)。器片內(nèi)存儲(chǔ)器的種類 只 要 有 以 下 幾 種 : 雙訪問RAM(DARAM)，單訪問 RAM(SRAM)和 ROM。 DRAM 一般由若干塊構(gòu)成，由于每塊 DARAM 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以被訪問 2 次，中央處理單元和片內(nèi)外設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)可以同時(shí)對(duì)其進(jìn)行一次讀和一次寫操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間還有一塊特殊的區(qū)域， 00H~08H。因此編程時(shí)不能隨便向這個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，除非根據(jù)需要來改變相應(yīng)寄存器的值，否則會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，復(fù)位電路是系統(tǒng)中必不可少的電路。為使芯片 初始化正確，一般應(yīng)保證 /RS 為低至少持續(xù) 3 個(gè) CLKOUT 周期。 對(duì)于實(shí)際的 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)品化的 DSP 系統(tǒng)，其可靠性是一個(gè)不容忽視的問題。 為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，硬件上也必須做相應(yīng)的處理。自動(dòng)復(fù)位電路 除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)再次復(fù)位的功能。根據(jù)上述原理，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了 ADM706TAR 芯片。 基于 DSP 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 14 圖 42 數(shù)字濾波器系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 給