利用DSPFIR濾波器方案

1、題目：利用DSP的FIR濾波器設計數(shù)字處理器DSP有很強的數(shù)據(jù)處理能力，它在高速數(shù)字信號 處理領域有廣泛的應用，例如數(shù)字濾波、音頻處理、圖像處理等。 相對于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒有漂移，能夠處理低頻信號，頻 率響應特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達到很高， 容易集成等。使用可編程的DS芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波可以通過修改濾波 器的參數(shù)十分方便地改變?yōu)V波器的特性，下面主要說明利用 TMS320VC54X DSP片設計實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器。設計目的意義一個實際的應用系統(tǒng)中 , 總存在各種干擾，所以在系統(tǒng)設計中 濾波器的好壞將直接影響系統(tǒng)的性能。使用 DSP進行數(shù)字處理，可以 對一個具有噪聲和信

2、號的混合信號源進行采樣 ,再經(jīng)過數(shù)字濾波 ,濾 除噪聲，就可以提取有用信號了。所以說，數(shù)字濾波器是 DS撮基本 的應用領域，熟悉基于DSP勺數(shù)字濾波器能為DS應用系統(tǒng)開發(fā)提供 良好的基礎。技術指標1、數(shù)字濾波器的頻率參數(shù)主要有：通帶截頻：為通帶與過渡 帶的邊界點，在該點信號增益下降到規(guī)定的下限。阻帶截頻：為 阻帶與過渡帶的邊界點，在該點信號衰耗下降到規(guī)定的下限。轉 折頻率：為信號功率衰減到1/2（約3dB寸的頻率，在很多情況下， 也常以fc作為通帶或阻帶截頻。當電路沒有損耗時，固有頻率： 就是其諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。2、增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對低通濾波器通帶增

3、益， 一般指3=0時的增益；高通指3時的增益；帶通則指中心頻率 處的增益。對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的 倒數(shù)。通帶增益變化量指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量，如果通 帶增益變化量以dB為單位，則指增益dB直的變化量。3、阻尼系數(shù)與品質因數(shù)阻尼系數(shù)a是表征濾波器對角頻率為30信號的阻尼作用，是濾 波器中表示能量衰耗的一項指標，它是與傳遞函數(shù)的極點實部大小 相關的一項系數(shù)。4、靈敏度濾波電路由許多元件構成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾 波器的性能。5、群時延函數(shù)在濾波器設計中，常用群時延函數(shù)評價信號經(jīng)濾波后相位失真 程度。以上的幾個技術指標是一般濾波器的特性，但在實際應用中， 數(shù)字

4、濾波器通常用來實現(xiàn)選頻操作，因此在利用 DS實現(xiàn)數(shù)字濾波器 設計中要求的技術指標主要為在頻域中給出的幅頻響應和相頻響對于幅頻響應，它的含義是信號通過系統(tǒng)之后的輸出信號的幅 度與它輸入時的信號的幅度的比值，一般以分貝值表示。對于相頻 響應，含義是信號通過系統(tǒng)之后的輸出信號的相位與它輸入時的信 號的相位之差，在運用線性相頻響應指標進行濾波器設計具有如下 優(yōu)點：只包含實數(shù)算法，不涉及復數(shù)運算；不存在延遲失真， 只有固定數(shù)量的延遲；可以采用FFT算法，從而提高運行效率； 因為FIR濾波器的單位脈沖響應是有限長序列，故 FIR濾波器沒有不 穩(wěn)定的問題，且誤差較小?；驹砝肈S實現(xiàn)FIR濾波器的設計方

5、法主要有窗函數(shù)法和頻率抽樣法，其中窗函數(shù)法是基本的設計方法，這里采用窗函數(shù)法設計FIR濾波器。設希望得到的濾波器理想響應為',那么FIR濾波器的N- 1叮鬥二h(n仝一皿設計就在于尋找一個傳遞函數(shù)去逼進T，設W乩1 f2Ti就是傅立葉級數(shù)的系數(shù)。在這種逼近中，最直接的一 種方法就是從單位脈沖響應“入手，使小逼近理想的單位脈這里002tt沖響應因為是一個無限長序列，因此，最簡單的方法就是對做截尾處理，即得到一個近似的傳遞函數(shù)Q九聲)=$ hd(n>e- n = - Q上式中，Q就是最終確定FIR濾波器的階數(shù)，Q越大，近似程度就越高。對截尾，實際上就是對乘上一個矩形窗口 即 1：&#

6、39;|： - hj.nilt. iji >Q問 H 屈=丫 hd(n >z_ n 令z=，則' Q其脈沖響應系數(shù)為"J小，hj.h, , , , °QHa(z)= X 町 >z_ 0n Q具有因果性，Q-q+d . D為使延時Q個樣值，可得:H(z) = z _ QHa二 丫 hd(n>z _ n_Q n = - Q2QH(z)= Jhd(k-Q>z令n+Q=k上式成為k = °NH(z) = y hfk > z k 令'川 *N=2Q,得式中，虹是脈沖響應系數(shù)，這里h(0) = hd( - Q), h(l)

7、= hd(l-Q), h(Q)= hd(0)h(2Q) = %(Q)o一般來說,FIR數(shù)字濾波器輸出“ “ /的Z變換形式門八 與輸入C 的Z變換形式之間的關系如下：Y(Z) = H(z)X =h(0) + h(l)z 1 + + h(n)z nX (z >實現(xiàn)結構如下圖所示：ox( n>Z 12 1O h(o>*)h(1> 4V1FIFz變換結構圖W h(N-2> Y) h(N-1> O仃Iy(n>從上面的Z變換和結構圖可以很容易得出FIR濾波器的差分方程 表示形式，即對上式進行反Z變換得：y(n > = h(0 > x(n > +

8、 h(l > x(n - 1 > + + h(n - 1 > x(l >上式為FIR數(shù)字濾波器的時域表示方法，其中x(n>是在時間n的濾波器的輸入抽樣值，根據(jù)上式即可對濾波器進行設計。硬件設計1、DS芯片根據(jù)設計原理，實現(xiàn)的核心器件采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗定點數(shù)字信號處理器芯片TMS320C5402選擇該芯片主要是因 為它是目前最常用的低成本DS芯片，而且包括以下主要特點：運算速度快，最快可達532MIPS多總線結構，片內(nèi)共有8條總線<1條程序存儲器總線、3條數(shù) 據(jù)存儲總線和4條地址總線)；CP采用馮諾依曼并行結構設計，使其能在一條指令周期 內(nèi)，高速

9、地完成多項算術運算；片內(nèi)集成了 4KX 16bitROM和16KX 16bit的雙存取RAM豐富的片上外圍電路 <通用I/O引腳，定時器，時鐘發(fā)生器，HPI接口，多通道緩沖串行口 McBSP使其與外部接口方便;3.3V I/O電壓，1.8V核點壓，工作電流平均值為75mA其中核45mA I/O 約30mA144腳BGA封裝，使體積減少，功耗降低。2、A併口 DAfe路在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了 TI公司的TLV157C芯片作為模數(shù)轉 換器件，8通道10位2.7到5.5 V低電壓模數(shù)轉換芯片。TLV1570在3V 電壓下的采樣頻率為625KSPS輸入信號最高頻率不能超過300K.因為模數(shù)轉

10、換選擇了 10位器件，為了簡化程序代碼，減少 DSP 的運算工作量，在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了 TI公司的TLV560芯 片，它是一款8通道10位2.7到5.5V低電壓數(shù)模轉換芯片。3、電源電路根據(jù)DS芯片工作的電壓電流需求，及芯片采用雙電源供電對加 電順序的要求，考慮使用TI公司的電源轉換芯片TPS73HD318其輸出 電壓為一路3.3V、一路1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA能 滿足本系統(tǒng)的供電需求。而且TPS73X）具有非常低的靜態(tài)電流，能使 穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定。4、時鐘電路C54xx系列的時鐘端子為X1和X2/CLKIN,采用無源晶振提供時鐘 信號，因為DS有一組端子可以用來調整

11、其工作頻率的高低，故對晶 振頻率大小的選定沒有特別的要求，這里選用10MhZ勺晶振。5、復位電路為了克服DS系統(tǒng)因時鐘頻率較高導致在運行時可能發(fā)生的干擾 和被干擾的現(xiàn)象，最好是使用具有監(jiān)視 vWatchdog功能的自動復位 電路，于是采用專門的自動復位芯片 MAX706 MAX70的電源為3.1V 5.0V,低電平復位輸出，復位門限為3.08V。6、未用端子處理根據(jù)使用DS芯片的相關原則，以及芯片手冊具體決定未用端子 是接上拉電阻還是懸空。7、基于上述的各部分電路組成，可以得出 DSP數(shù)字濾波器的整體硬件電路連線圖，如下所示程序設計*V1、設計思路寧（在A£2LTR1 |AIN 0

12、AVdd SDIX OVdd S&OLFT 島 GND Fi DGND S-CLKDSP進行數(shù)字濾波運算前首先XF BDXO &DRQ M書血BF5ROKLKJ00 5CIK真0BDKIBF5RIBCLICCI貯 CIKIS-J-J24096、旳班017A j乍=祚、MN AVdd doitt D-vddFS AGND5CLK DGXDr1 卅L事坤I L'ALHj-5VEMLJ/OTI-要進行初始BT2-INTL-DTOz.CVdd帀的初始狀態(tài)才能保證芯片能正常運行。本系I-=萋方面的初始化NC NC 2SETJ5E 冶LTNC存器初始化：寄存器確設置以下兩ST0狀態(tài)

13、寄存器ST1、處理器模式控制寄存器PMST軟件等待狀態(tài)寄存器SWWSR組交換控制寄存器BSC和時鐘模式寄存器等。 中斷矢量表初始化：根據(jù)DSP芯片對各中斷矢量的設置位置編 寫一個子程序；設置PMS控制寄存器；連接時將矢量表重定位到 IPTR指定的地址。其次就是FIR數(shù)字濾波的子程序設計，主要步驟如下： 查詢SPCR1寄存器的第二位，當為1時說明read ready，將 DRR1的值讀入AR3所指向的地址，該值為最新的采樣值。 將最新的采樣值減去200h,然后AR3勺值減1。 執(zhí)行MA指令。 將累加器的值送給變量Y,并將Yra上200h。 查詢SPCR2寄存器的第二位，當為1時說明writere

14、ady，將Y 值賦給DXR10該值為濾波器輸出值。 循環(huán)執(zhí)行上面步驟。2、程序流程圖依據(jù)上述程序設計思路可以得到利用 DS實現(xiàn)FIR濾波器設計的程序流程圖，如下3、程序代碼因為初始化程序部分過于龐大繁雜，這里只給出用 MA指令編程實現(xiàn)FIR低通濾波器的程序片斷：FILT_task1LD Store_SICX,ASTLM A,ar4STM #1,ar0；間址STM #28,bkLD DEM_Out,ASTL A,*ar4+%；輸入信號 : 實部STM #Coef_Tab1,ar5；濾波器實部系數(shù)地址LD #0,ASTM #27,brcRPTBSICXU-1MAC *AR4+0%,*AR5+,ASICXU LD A,-16,A；低通濾波結果LD C7FFF,BMIN ANEG BMAX ASTL A,DEM_OutLDM AR4,ASTL A,Store_SICXRETCoef_Tab1.word100；h(0>.word7；h(1>；脈沖響應系數(shù).word-248.word-71；h(N-1>.end總結通過利用DSP勺FIR濾波器設計，對DSP芯片的使用，以及利用 DSP芯片組成的基本系統(tǒng)的相關電路有了比較深的認識。熟悉 DS芯 片的系統(tǒng)設計和應用開發(fā)流程，并利用圖書館、網(wǎng)絡、詢問同學等 方式查找資料