基于dsp系统的数字滤波器嵌入式设计(编辑修改稿)

基于dsp系统的数字滤波器嵌入式设计(编辑修改稿)内容摘要：

（ 1）接口方便。 DSP 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系 统与这些系统接口要容易的多。 （ 2）编程方便。 DSP 系统种的可编程 DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。 （ 3）稳定性好。 DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。 （ 4）精度高。 16 位数字系统可以达到的精度。 （ 5）可重复性好。 模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。 （ 6）集成方便。 DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 数字信号处理的算法需要利用 计算机 或专用处理设备如 数字信号处理器 （ DSP）和 专用集成电路 （ ASIC）等。 数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是 模拟信号处理 技术与设备所无法比拟的。 数字信号处理的核心算法是离散傅立叶变换 (DFT)，是 DFT使信号在数字域和频域都实现了离散化，从而可以用 通用计算机 处理离散信号。 而使数字信号处理从理论走向实用的是快速傅立叶变换 (FFT)， FFT 的出现大大减少了 DFT 的运算量，使实时的数字信号处理成为可能、极大促进了该学科的发展。 4 第一章、硬件设计 设计思路和原理框图 （ 1）对数字滤波器的分析： 数字滤波器是数字信号处理的重要环节，其实 质是用有限精度算法实现的离散时间线性时不变系 统，从而完成对信号进行滤波处理的功能。 具有可 靠性好、精度高和灵活性大等优点，广泛应用于语 音、图像处理、 HDTV、 模式识别和频谱分析等方 面 ^。 数字滤波器根据其单位冲激响应函数的时域 特性可分为 2 类 :无限冲激响应 （ IIR)滤 波器和有限 冲激响应 (FIR)滤波器。 FIR 滤波器是有限长单位 冲激响应滤波器，在结构上是非递归型的。 它可以 在幅度特性随意设计的同时，保证精确严格的线性 相位，广泛应用于数字信号处理。 滤波器就是在时间域或频域内，对已知激励产生规定响应的网络，使其能够从信号中提取有用的信号，抑制并衰减不需要的信号，滤波器的设计实质上就是对提出的要求给出相应的性能指标，再通过计算，使物理可实现的实际滤波器响应特性逼近给出的频率响应特性。 FIR数字滤波器是一种非递归系统，其传递函数为： ZH =      10NnnznbzX zY 由此可得到系统的差分方程为：        10NI inxihny FIR滤波器的结构如下： 5 其冲激响应 nh 是有限长序列，它 滤波器系数向量 nb ,N 为 FIR滤波器的阶数。 在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器， FIR滤波器在保证幅度特性满足技术 要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性为了使滤波器满足线性相位条件，要求其单位脉冲响应 nh 为实序列，且满足偶对称或奇对称条件，即    nNhnh  1 或   nNhnh  ，当 N为偶数时，偶对称线性相位 FIR滤波器的差分方程表达为        12/ 0 ))1((N i inNxinxihny 由上可见， FIR滤波器不断地对输入样本 nx 延时后，再 做乘法累加运算，将滤波器结果 ny 输出。 因此， FIR实际上是一种乘法累加运算。 而对于线性相位 FIR滤波器系数的对称特性，可以采用结构精简的 FIR结构将乘法器数目减少一半。 具体流程图如下： bN1 bN2 b1 b0 x(nN+1) x(n1)a Z1 Z1 Z1 X(n) y(n) 6 采用的芯片功能介绍 本次课程设计主要用到 TMS320C54x芯片。 C54x 包括 8 条 16 比特宽度的总线 ，一般而言， C54x 的存储空间可达 192K16 比特字，64K 程序空间， 64K 数据空间， 64KI/O 空间。 依赖其并行的工艺特性和片上 RAM 双向访问的性能，在一个机器周期内， C54x 可以执行 4 条行并行存储器操作：取指令，两操作数读，一操作数写。 使用片内存储器有三个优点 :高速执行（不需要等待） ,低开销 ,低功耗。 C54x 有片内 ROM 、 DARAM、 SARAM ，这些区域可以通过软件配置到程序空间。 当地址落在这些区域内，自动对这些区域进行访问，当地址落在这些区域以外，自动产生对外部存储器的访问。 C54x 包括：通用 I/O 引脚， XF 和 BIO；定时器； PLL 时钟产生器； HPI 口 8 比特或16 比特；同步串口；带缓存串口 BSP；多路带缓存串口 McBSP；时分复用串口 TDM；可编程等待状态产生器；可编程 bank switching 模块；外部总线接口； 标准 JTAG 口 TMS320C54x引脚图： 7 原理图 ADS程序运行图： 8 频率响应 9 相位响应 FIR数字滤波器电路板： 低通滤波器仿真图： 10 幅频响应图： 11 第二章、软件设计 设计思路 （ 1） 、利用 MATLAB来确定 FIR滤波器的参数； （ 2） 启动 CCS，在 CCS中建立一个 C源文件和一 个命令文件，并将这两个文件添加到工程再编译并装载程序； （ 3） 设置波形时域观察窗口，得到滤波前后的波形变化图； （ 4） 设置频域观察窗口，得到滤波前后的频谱变化图。 算法分析： 根据系统函数的定义，单位冲击响应 h（ n）长度与 N的 FIR滤波器的系统函数为： H（ z） = nNn znh10 )( FIR系统输入输出关系的差分方程为： y (n)= )()(10 mnxmhNm  该公式就是线性时不变系统的卷积 公式。 对该式进行 z变换可得到 FIR滤波器的传递函数： H（ z） = kNk mzbzXzY  0)()( N阶有限冲激响应滤波器（ FIR）公式： N=0,1,2...    12/ 0 ))]1(()()[()( N k kNnxknxkhny 12 程序的流程图 CCS汇编程序流程图： 13 具体程序 CCS是 TI推出的用于开发其 DSP芯片的继承 开发调试工具 ， 集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件 调试及实时跟踪等功能于一体 ,极大地方便了 DSP 程序的设计与开发 ,此外还提供图形显示功能 ,方便 用户观察特定地址的波形。 在 CCS中实现 FIR低通滤波器 ， 主要代码如下： （ 1） 首先要添加工程 Project new.. （ 2） 需向工程中添加 vector. asm、 fir. cmd和 rts. lib文件 ，完成后如图： 14 在工程试图中 ，就可在 CCS右边窗口中看到源代码： 见附录 （ 3）打开观察窗 口： 选择菜单“ View”“ Graph”“ Time/Frequency” 在弹出的图形窗口中单击鼠标右键，选择“ Clear Display” 选择菜单“ View”、“ Graph”、“ Time/Frequency„”进行如下设置： 15 在弹出的图形窗口中单击鼠标右键，选择“ Clear Display” （ 4）设置断点 在标号“ fir_loop”下面的“ NOP”语句设置软件断点（ Toggle breakpoint）和探针（ Toggle Probe Point）。 选择 菜单“ File ”、“ File I/O „”； 单 击 “ Add File ” 按 钮 ， 选择C:\5416EDULab\Lab16FIR\lowpass\，单击“打开”按钮；在“ Adress”中输入 d_filin，在“ Length”中输入 1；在“ Warp Around”项前面加上选中符号；单击“ Add Probe Point”按钮。 单击“ Probe Point”列表中的“ li。