【正文】 alman濾波是20世紀(jì)60年代初提出的一種濾波方法。所不同的是，這種濾波技術(shù)在時(shí)域中采用遞推方式進(jìn)行，因此速度快，便于實(shí)時(shí)處理，從而得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)假設(shè)Wiener濾波器的單位脈沖響應(yīng)為有限長(zhǎng)時(shí)，可以采用自適應(yīng)濾波的方法得到濾波器的最佳響應(yīng)。小波濾波就是利用信號(hào)和噪聲的目的。另外，當(dāng)信號(hào)和噪聲之間為卷積關(guān)系的時(shí)候，在一定條件下可以利用同態(tài)濾波把信號(hào)有效地分離開來，由同態(tài)濾波理論引申出的復(fù)時(shí)譜也成為現(xiàn)代信號(hào)處理中極為重要的概念。中值濾波是20世紀(jì)70年代提出的一種非線性濾波方法，它可以在最小絕對(duì)誤差條件下，給出信號(hào)的最佳估計(jì)。另外它對(duì)脈沖噪聲也有良好的清除作用。 濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種:(1)在通用的計(jì)算機(jī)(如PC)上用軟件(如C語言)實(shí)現(xiàn)。這種方法的缺點(diǎn)是速度太慢，不能用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要用于DSP算法的模擬與仿真。這種方法不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。單片機(jī)的接口性能良好容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。(4)用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。它利用改進(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)，具有良好的并行特點(diǎn)，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。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，而通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無須進(jìn)行編程。使用相關(guān)開發(fā)工具和VHDL等硬件開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。通過比較這些方法可見: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)字濾波器的系數(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。本論文研究的重點(diǎn)集中在利用DSP來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的硬件電路。②研究MATLAB軟件在數(shù)字信號(hào)處理，尤其是數(shù)字濾波器處理中的應(yīng)用，仿真出帶阻數(shù)字濾波器的基本模型。④研究高速電路中如何進(jìn)行走線，使系統(tǒng)具有良好的信號(hào)完整性和電源完整性，從而使系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定的工作。編寫一套可行的高效的數(shù)字濾波器程序。3 數(shù)字濾波器理論研究 數(shù)字濾波器的定義和分類數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換的另一組數(shù)字量。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出的優(yōu)點(diǎn)。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來看，可以分為兩大類:有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器和無限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器。 FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)5有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為: (1)其差分方程為: (2)其基本結(jié)構(gòu)型式有以下幾種:由上式可以得到如下圖所示的直接型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又可以稱為卷積型結(jié)構(gòu)。FIR濾波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖將式中的系統(tǒng)函數(shù)H(z)分解成若干一階和二階多項(xiàng)式的連乘積: (3)則可構(gòu)成如下圖所示的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)。每個(gè)一階節(jié)、二階節(jié)可用上圖所示的直接型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的每一節(jié)都便于控制零點(diǎn)，在需要控制傳輸零點(diǎn)時(shí)可以采用。（a）級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)框圖（b）級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)框圖FIR級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)構(gòu)成4 數(shù)字濾波器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器用硬件實(shí)現(xiàn)的基本部件包括延遲器、乘法器和加法器。軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)函數(shù)具有可變性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并且易于獲得較理想的濾波性能，所以軟件濾波在濾波器的使用中起到了越來越重要的作用。濾波器軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)和使用當(dāng)中占有十分重要的地位和作用。工具箱提供了豐富而簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)FIR和IIR的方法，使原來繁瑣的程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成函數(shù)的調(diào)用，特別是濾波器的表達(dá)方式和濾波器形式之間的相互轉(zhuǎn)換顯得十分簡(jiǎn)便，為濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)開辟了一片廣闊的天地。FIR濾波器可以對(duì)給定的頻率特性直接設(shè)計(jì)，而IRI濾波器目前最通用的方法是利用已成熟的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一個(gè)H(z)使其逼近所需要的技術(shù)指標(biāo):實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的H(z)。這些數(shù)學(xué)模型之間有著內(nèi)在的等效關(guān)系，使用在不同場(chǎng)合有其各自的優(yōu)勢(shì)。 一個(gè)線性時(shí)不變(LTI)數(shù)字濾波器可以用以下的長(zhǎng)系數(shù)線性差分方程來表示： (4)式中x(n)和y(n)分別表示輸入和輸出信號(hào)序列，和是濾波器系數(shù)。當(dāng)不全為零時(shí)，即輸出不僅與輸入有關(guān)，而且與過去的輸出有關(guān)，則稱這種濾波器為遞歸型濾波器。這種系統(tǒng)在MATLAB當(dāng)中可以用其分子和分母的系數(shù)，即濾波器系數(shù)構(gòu)成的兩個(gè)向量來唯一確定:可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行首一化處理，在傳遞函數(shù)的上下同時(shí)除以則可以得到首一化的兩向量: FIR濾波器的MATLAB輔助設(shè)計(jì) FIR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Fourier級(jí)數(shù)展開設(shè)計(jì)方法、窗函數(shù)法、頻率采樣法（1）Fourier級(jí)數(shù)展開法設(shè)所希望的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)是，它是頻域的周期函數(shù)，周期為2因此可以將它展開為Fourier級(jí)數(shù): (9)式中是Fourier系數(shù)，當(dāng)然它也是一個(gè)單位沖激響應(yīng)序列。(2) 窗函數(shù)法窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是從時(shí)域開始，用窗函數(shù)截取理想的對(duì)于所期望的的h(n)，以有限長(zhǎng)h(n)近似理想的，這樣得到的頻率響應(yīng)逼近于理想的頻率響應(yīng)。窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的基本思想，是根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度和窗函數(shù)，使其具有最窄的主瓣和最小的旁瓣。工程中常用的窗函數(shù)有:矩形窗，巴特利特窗，漢寧窗、海明窗、布來克曼窗和凱色窗。即在Z平面單位圓上按角度等分的取樣值等于的各相應(yīng)值，就以次值作為實(shí)際FIR數(shù)字濾波器頻率特性的取樣值H(k)，或者說H(k)正是所要求的頻率響應(yīng)的N個(gè)等間隔的取樣值?；诖昂瘮?shù)的任意響應(yīng)的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)fir2()，語法格式為B=fir2(N，F(xiàn), M)設(shè)計(jì)一個(gè)N階的FIR數(shù)字濾波器，其頻率響應(yīng)由向量F和M指定，濾波器的系數(shù)返回在向量中。用有限制條件的最小二乘逼近法設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器fircls()，語法格式為B=fircls (N，F(xiàn)，A，UP，LP)返回的是一個(gè)長(zhǎng)度為N+l的線性相位FIR濾波器，其期望逼近的頻率響應(yīng)為分段恒定的，由向量F和A指定，各段幅度波動(dòng)的上下限由向量UP和LO給定，A中的各個(gè)元素分別為各恒定段的頻率響應(yīng)的理想幅值。用最小二乘逼近法設(shè)計(jì)的線性相位FRI數(shù)字濾波器firls()，語法格式為B=firls(N，F(xiàn)，A)返回一個(gè)長(zhǎng)度為N+l的線性相位FIR數(shù)字濾波器，期望的頻率響應(yīng)由向量F和A確定，用這種方法設(shè)計(jì)的濾波器是最佳的最小二乘逼近。插值用FIR濾波器設(shè)計(jì)intfilt()，語法格式為B=intfilt(R，L，ALPHA) 設(shè)計(jì)一線性相位FIR濾波器，用于插值時(shí)在插入零后對(duì)信號(hào)的平滑。ParksMcClellan優(yōu)化等紋波FIR濾波器的設(shè)計(jì)remez()，語法格式為B=remez(N，F(xiàn)，A)返回一個(gè)長(zhǎng)度為N+1的線性相位FIR濾波器，濾波器的理想頻率響應(yīng)由F和A描述，這種濾波器是按最大絕對(duì)誤差最小化的逼近準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的。復(fù)數(shù)非線性相位等紋波FIR濾波器的設(shè)計(jì)cremez，語法格式為B=cremez(N，F(xiàn)，‘frest’，W)返回一個(gè)對(duì)理想頻率響應(yīng)最佳逼近的N+l階FIR濾波器。Blackman窗函數(shù)blackman()，語法格式為blackman(N)返回一N點(diǎn)Blackman窗，結(jié)果為列向量。Hamming窗函數(shù)hamming()，語法格式為hamming(N)返回一N點(diǎn)Hamming窗，結(jié)果為列向量。三角窗函數(shù)triang()，語法格式為triang(N)返回一N點(diǎn)三角窗，結(jié)果為列向量。如果N為偶數(shù)，則返回的是一N+1點(diǎn)Chebyshev窗。 MATLAB軟件數(shù)字濾波器仿真結(jié)果利用MATLAB軟件提供的相關(guān)函數(shù)可以設(shè)計(jì)8種數(shù)字濾波器:IIR低通濾波器、IIR高通濾波器、IIR帶通濾波器、IIR帶阻濾波器、FIR低通濾波器、FIR高通濾波器、FIR帶通濾波器、FIR帶阻濾波器。程序代碼和仿真結(jié)果如下:Fs=16000。b=remez(n,of,mo,w)。plot(f*Fs/(2*pi),abs(h))。幅度/Hz39。ylabel(39。)FIR數(shù)字濾波器仿真結(jié)果5 數(shù)字濾波器硬件電路設(shè)計(jì) 基于DSP的數(shù)字濾波器總體硬件設(shè)計(jì)方案TI公司的2000系列和5000系列的DSP都是通用型的芯片，考慮到2000系列的DSP多用于控制方面，而5000系列較2000系列具有更高的時(shí)鐘頻率、更低的價(jià)格和更加強(qiáng)大的運(yùn)算功能，在數(shù)字濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了TI公司的一款高性能、低功耗的定點(diǎn)DSP:TMS320VC5402。采用了低功耗設(shè)計(jì)方式:，I/。數(shù)字濾波器系統(tǒng)方案框圖通常的設(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。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLV5608，實(shí)現(xiàn)濾波后的信號(hào)從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為所需要的模擬信號(hào)。在下面的章節(jié)中將分別論述各個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)技巧。它采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條16位的總線，其中包括4條程序/數(shù)據(jù)總線和4條地址總線。CPU的基本組成如下:①40位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)，包括一個(gè)40位桶形移位寄存器和2個(gè)獨(dú)立的40位累加器。③比較、選擇和存儲(chǔ)單元(CSSU)，用于加法/比較選擇。DSP5402的片上外圍電路包括:通用I/O引腳(XF和BIO)，定時(shí)器，時(shí)鐘發(fā)生器，一個(gè)與外部處理器通信的8位的HPI(Host Port Ineterface)接口，兩個(gè)多通道緩沖串行口McBSP(Multichannel BSP)。RAM一般映射在數(shù)據(jù)空間。根據(jù)需要，通過改變處理器狀態(tài)寄存器的三個(gè)位MP/MC、OVYL和DROM來靈活地改變存儲(chǔ)器的配置。這塊區(qū)域包含的是存儲(chǔ)器映像寄存器，它包含了DSP中所有的寄存器，可以通過讀這塊存儲(chǔ)器來了解各個(gè)寄存器的值，或者通過寫這塊寄存器來改變寄存器的值。具有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，包括單指令重復(fù)和塊指令重復(fù)操作，塊存儲(chǔ)器傳輸指令，32位長(zhǎng)操作數(shù)指令，同時(shí)讀入2或3個(gè)操作數(shù)的指令，能并行存儲(chǔ)和并行加載的算術(shù)指令，條件存儲(chǔ)指令和從中斷快速返回。電源剛加上電時(shí)，TMS320VC5402芯片處于復(fù)位狀態(tài)，/RS為低使芯片復(fù)位。但是，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，一般為100200ms。由于DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。硬件上最有效的保護(hù)措施就是采用具有監(jiān)視(Wathcdog)功能的自動(dòng)復(fù)位電路。其基本原理就是通過電路提供一個(gè)高低電平發(fā)生變化的信號(hào)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)這個(gè)信號(hào)不發(fā)生變化，自動(dòng)復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常并重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。該芯片具有上電復(fù)位功能，電壓監(jiān)測(cè)功能和看門狗功能。一種是利用DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在DSP芯片的Xl和X2/CLKIN之間連接一晶體可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器，晶體應(yīng)為基本模式，且為并聯(lián)諧振。采用封裝好的晶體震蕩器，這種方法使用方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用，只要在引腳4上加電壓，引腳2接地，就可以在引腳3上得到所需的時(shí)鐘。TMS320VC5402芯片電源分為兩種，即內(nèi)核電壓(CVdd)和I/O電壓(DVdd)，其中，I/。一般的，與CPU相比，外設(shè)消耗的電流比較小。CVdd為器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流，包括CPU、時(shí)鐘電路和所有外設(shè)。60mA，3QmA，因此可以得出該系統(tǒng)在全速工作的狀態(tài)下，最大功耗為25OmA。AMSl1l7為最大輸出電流可達(dá)800mA的LDO(Low Dropout Voltage Regulator)，、。系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，邏輯電平在不停的快速發(fā)生變化，因此系統(tǒng)的電源也會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，為保證系統(tǒng)的電源完整性，在輸入5V電源、在所有芯片的各個(gè)電源管腳處都增加了去禍電容。理想情況下，DSP芯片上的兩個(gè)電源同時(shí)加電，但是在一些場(chǎng)合很難做到。DVdd應(yīng)不超過CVdd電壓2V。通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)具有JTAG接口的芯片的硬件電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測(cè)。TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口。TMS為測(cè)試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式。設(shè)計(jì)一個(gè)DSP系統(tǒng)，一般必須考慮系統(tǒng)的軟件硬件調(diào)試，調(diào)試DSP系統(tǒng)一般離不開DSP仿真器。設(shè)計(jì)仿真接口比較簡(jiǎn)單，只要根據(jù)DSP芯片所提供的接口類型按照相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)即可。JTAG仿真接口定義 內(nèi)部存儲(chǔ)單元及外部存儲(chǔ)擴(kuò)展 內(nèi)部存器TMS320C54X內(nèi)一般包括192K字的可尋址存儲(chǔ)器空間:64K字程序空間，64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間和64K字的I/O空間。其中RAM又可以分為兩種類型:單訪問RAM(SARAM)和雙訪問RAM(DARAM)。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址產(chǎn)生器發(fā)出地址不在片內(nèi)存儲(chǔ)器的范圍內(nèi)，處理器就會(huì)自動(dòng)對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址。外部存儲(chǔ)器一般有兩種，一種是存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)的EPROM/PROM，一種是可讀可寫的快速RAM。FLASH存儲(chǔ)器