基于dsp_fir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 也可以。 然后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量大小、對精度要求、系統(tǒng)成本及體積、功耗 等要求選擇合適的DSP 芯片及其他組件 。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 。同時，用 DSP 匯編語言或者高級 C 語言或二者相嵌套法生成可執(zhí)行程序，用 DSP 仿真器或者軟件模擬器調(diào)試程序。 最后，將軟件加載到硬件系統(tǒng)中運(yùn)行，用 DSP 仿真器等來測試檢查所開發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行能否符合實(shí)時要求，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。 概述 TMS320C55x 是 TI 公司在 TMS320VC54x 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的并能與 TMS320VC54x 兼容的一個 系列。 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。這些特性使其更適合在數(shù)據(jù)速率高，運(yùn)算量大又要求低功耗的 3G 無線通信中應(yīng)用。 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，可在一個指令周期中高速完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。主要由以下幾部分構(gòu)成 : (1)40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU:它是 C55X 的大腦，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種功能。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 40 位的 ALU 看作為兩個 16位的 ALU，同時執(zhí)行兩個 16 位的操作。 (2)2個 40bit累加器 A,B:累加器 A和 B存儲來自 ALU或乘法器 /加法器單元的輸出數(shù)據(jù)，也能輸出到 ALU 或者乘法器 /累加器中。每個累加器可以分為低字位 (bit1sbit0)、高位字 (bit31bit16)和保護(hù)位 (bit39bit32)。 (3)桶形移位寄存器 :它在 ALU 運(yùn)算以前，對來自數(shù)據(jù)存貯器的操作數(shù)或者累加器進(jìn)行定標(biāo)，或?qū)奂悠鞯闹颠M(jìn)行算術(shù)邏輯移位和歸一化處理，或?qū)υ诶奂悠鞯闹祵⒁尜A到存貯器之前進(jìn)行定標(biāo)。可對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 Obit31bit 的左移和 Obit16bit 的右移。 (4)乘法器 /加法器單元 :由 17bitx17bit 的乘法器、 40bit 的加法器、帶符號 /無符號輸入控制、小數(shù)控制、零檢測器、舍入器 (二進(jìn)制補(bǔ)碼 )、溢出 /飽和邏輯和 16bit 的暫存器組成。 (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 中的測試 /控制位和傳送寄存器 TRN 的值。還可利用優(yōu)化的片內(nèi)硬件促進(jìn) Viterbi 型蝶形運(yùn)算。 (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。 (7)CPU 狀態(tài)和控制寄存器 :C55X 有三個，狀態(tài)寄存器 STO、狀態(tài)寄存器 ST1 和處理器工作方式狀態(tài)寄存器 PMST，都是存貯器映像寄存器。 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)。 總線結(jié)構(gòu) C55X 有 8條 16bit 的總線，即 : 4 條地址總線 (PAB,CAB,DAB,EAB):傳送執(zhí)行指令所需地址。 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)存儲器。其中 CB,DB 傳送讀自數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)， EB傳送寫到存貯器的數(shù)。 1 條程序總線 ((PB):從程序存儲器裝載指令碼和立即數(shù)。 內(nèi)部存貯器 C55X 共有 192K 字的尋址空間，分為大小都是 64K 字 3 個獨(dú)立的可選擇空間 :程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間和 vo 空間，分別用來存放要執(zhí)行的指令和系數(shù)表、指令所用數(shù)據(jù)、連接存貯器映像外圍設(shè)備。在任一個存貯空間中， 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。 C55X 片內(nèi)存貯器為隨機(jī)存 儲器 (RAM)和只讀存儲器 (ROM),RAM 一般映射到數(shù)據(jù)空間，但也可組成程序空間 。ROM 一般構(gòu)成程序空間，也可部分安排到數(shù)據(jù)空間。 RAM 又分為單尋址 RAM(SARAM)和雙尋址 RAM(DARAM)，在同一個周期內(nèi)， CPU 可以對 DARAM 進(jìn)行讀和寫操作，但對 SARAM 只能進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮鳌?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次存儲器操作。 第三章 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及 MATLAB 的實(shí)現(xiàn) 設(shè)單位脈沖響應(yīng) h(n)長度為 N，輸入信號為 x(n),則 FIR 數(shù)字濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程： N 1m = 0y (n )= h (m )x (n m )?（ 3） 式（ 3）就是 FIR 數(shù)字濾波器的差分方程， FIR 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是沒有反饋支路，即沒有環(huán)路，因此它是無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng) h(n)是一個有限長序列。由上面的方程可知， FIR 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（ 1z? ），做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果 y(n)。 對式（ 3）進(jìn)行 Z 變換，經(jīng)整理后可得 FIR 濾波器的傳遞函數(shù) H(z)為 10( ) ( )N nnH z h n z? ??? ?（ 4） 由式（ 4）可以看出， FIR 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖 31所示。 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。在設(shè)計(jì) FIR 濾波器時，一個最重要的計(jì)算就是加窗，其中采用矩形窗是最直接也是最簡便的方法。本文主要采用矩形窗設(shè)計(jì)方法。 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想 窗函數(shù)的設(shè)計(jì)思想是選擇一種合適的理想頻率特性的濾波器，然后截?cái)嗨拿}沖得到一個線性相位和因果的濾波器。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。對于給定的濾波器的技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長度具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個窗函數(shù)。現(xiàn)介紹如下。 首先設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為 ()jwdHe ，其單位脈沖響應(yīng)是 ()dhn。 ( ) ( )jw jw nddnH e h n e? ?? ??? ? （ 5） 1( ) ( )2ccw jw jwnddwh n H e e d w??? ? （ 6） 如果能夠由已知的 ()jwdHe 求出 ()dhn， 經(jīng)過 Z 變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。但通常以理想的濾波器作為 ()jwdHe ，其幅度特性逐段恒定，在邊界頻率處有不連續(xù)點(diǎn)，因而 ()dhn是無限時寬的，且是非因果序列。 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)，長度為 N，其系數(shù)函數(shù) H(z)為 10( ) ( )N nnH z h n z? ??? ? （ 7） 這樣用一個有限長的序列 h(n)去代替 ()dhn，肯定會引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是通常所說的吉布斯效應(yīng)。這種吉布斯效應(yīng)是由于將 ()dhn直接截?cái)嘁鸬模虼耍卜Q為截?cái)嘈?yīng)。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)一個能滿足技術(shù)要求的 FIR 線性相位濾波器。 幾 種常見的窗函數(shù) 采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和理想的濾波器。常見的窗函數(shù)有 [5]：矩形窗、三角形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗、凱塞窗。這六種窗函數(shù)的基本參數(shù)如表 1。 . 表 1 六種窗函數(shù)的基本參數(shù) 窗函數(shù)類型 旁瓣峰值 na /dB 過渡帶寬度 tB 阻帶最小衰減 sa /dB 近似值 精確度 矩形窗 13 4? /N ? /N 21 三角窗 25 8? /N ? /N 25 漢寧窗 31 8? /N ? /N 44 哈明窗 41 8? /N ? /N 53 布萊克曼窗 57 12? /N 11? /N 74 凱塞窗 57 10? /N 80 表中過渡帶和阻帶最小衰減是用對應(yīng)的窗函數(shù)設(shè)計(jì)的 FIR 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)。 MATLAB 信號處理工具箱提供了十四種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)，下面列出上述六種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)及調(diào)用格式： wn=boxcar(N)%列向量 wn 中返回長度為 N的矩形窗函數(shù) w(n) wn=bartlett(N)%列向量 wn 中返回長度為 N 的三角窗函數(shù) w(n) wn=banning(N)%列向量 wn中返回長度為 N的漢寧窗函數(shù) w(n) wn=hamming(N)%列向量 wn中返回長度為 N的哈明窗函數(shù) w(n) wn=blackman(N)%列向量 wn中返回長度為 N 的布萊克曼窗函數(shù) w(n) wn=kaiser(N,beta)%列向量 wn中返回長度為 N 的凱塞窗函數(shù) w(n) 窗函數(shù)的選擇原則 第一：具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。 第 二：旁瓣幅度下降要盡可能大，以利于增加阻帶衰減。 第三：主瓣的寬度要盡可能窄，以獲得較陡的過渡帶。 通常情況下上述三點(diǎn)很難同時滿足，當(dāng)選擇主瓣寬度較窄時，雖然得到了較陡的過渡帶，但是通帶和阻帶明顯增加；當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時雖然能得到勻滑幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動，但過渡帶又加寬了。因此我們在選擇窗函數(shù)往往時折中選擇。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)?shù)臓奚靼陮挾葋頁Q取旁瓣勻滑幅度響應(yīng)和波動減少。 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) FIR 濾波器的步驟 窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的步驟如下： （ 1）根據(jù)對阻帶衰減及過渡帶的 指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)的類型，并估計(jì)