利用DSP的FIR滤波器设计

题目：利用题目：利用 DSPDSP 的的 FIRFIR 滤波器设计滤波器设计 数字处理器（DSP）有很强的数据处理能力，它在高速数字信号 处理领域有广泛的使用，例如数字滤波、音频处理、图像处理等。相 对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响 应特性可做成非常接近于理想的特性， 且精度可以达到很高，容易集 成等。使用可编程的DSP芯片实现数字滤波可以通过修改滤波器的参 数十分方便地改变滤波器的特性，下面主要说明利用TMS320VC54x DSP芯片设计实现FIR数字滤波器。 设计目的意义设计目的意义 一个实际的使用系统中,总存在各种干扰，所以在系统设计中, 滤波器的好坏将直接影响系统的性能。使用DSP进行数字处理，可以 对一个具有噪声和信号的混合信号源进行采样,再经过数字滤波,滤 除噪声,就可以提取有用信号了。所以说，数字滤波器是DSP最基本的 使用领域， 熟悉基于DSP的数字滤波器能为DSP使用系统开发提供良好 的基础。 技术指标 1、数字滤波器的频率参数主要有：①通带截频：为通带和过渡 带的边界点，在该点信号增益下降到规定的下限。②阻带截频：为阻 带和过渡带的边界点，在该点信号衰耗下降到规定的下限。 ③转折频 率：为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，也常以 fc作为通带或阻带截频。④当电路没有损耗时，固有频率：就是其谐 振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 2、增益和衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。 ①对低通滤波器通带增益， 一 般指ω=0时的增益；高通指ω→∞时的增益；带通则指中心频率处的 增益。②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 ③通带增益变化量指通带内各点增益的最大变化量， 如果通带增益变 化量以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 3、阻尼系数和品质因数 阻尼系数α是表征滤波器对角频率为ω0信号的阻尼作用，是滤 波器中表示能量衰耗的一项指标， 它是和传递函数的极点实部大小相 关的一项系数。 4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成， 每个元件参数值的变化都会影响滤波 器的性能。 5、群时延函数 在滤波器设计中， 常用群时延函数评价信号经滤波后相位失真程 度。 以上的几个技术指标是一般滤波器的特性， 但在实际使用中， 数 字滤波器通常用来实现选频操作，因此在利用DSP实现数字滤波器设 计中要求的技术指标主要为在频域中给出的幅频响应和相频响应。 如 下图所示 幅频响应和相频响应特性曲线 对于幅频响应， 它的含义是信号通过系统之后的输出信号的幅度 和它输入时的信号的幅度的比值， 一般以分贝值表示。 对于相频响应， 含义是信号通过系统之后的输出信号的相位和它输入时的信号的相 位之差，在运用线性相频响应指标进行滤波器设计具有如下优点： ① 只包含实数算法，不涉及复数运算；②不存在延迟失真，只有固定数 量的延迟；③可以采用FFT算法，从而提高运行效率；④由于 FIR滤波 器的单位脉冲响应是有限长序列，故FIR滤波器没有不稳定的问题, 且误差较小。 基本原理基本原理 利用DSP实现FIR滤波器的设计方法主要有窗函数法和频率抽样 法，其中窗函数法是基本的设计方法，这里采用窗函数法设计FIR滤 波器。设希望得到的滤波器理想响应为 计就在于寻找一个传递函数 ,那么FIR滤波器的设 去逼进，设 这里就是傅立叶级数的系数。在这种逼近中，最直接的一 入手， 使逼近理想的单位脉冲响种方法就是从单位脉冲响应 应。由于是一个无限长序列，因此，最简单的方法就是对 做截尾处理，即得到一个近似的传递函数 上式中，Q就是最终确定FIR滤波器的阶数，Q越大，近似程度就 越高。对截尾，实际上就是对 令z=,则 乘上一个矩形窗口,即 其脉冲响应系数为，， …，，， ，…，，。为使具有因 果性，延时Q个样值，可得： 令n+Q=k，上式成为 令,N=2Q,得 式中，是脉冲响应系数，这里 …, 。 ,…, 一般来说,FIR数字滤波器输出 的Z变换形式之间的关系如下: 的Z变换形式和输入 实现结构如下图所示： x(n) h(0)h(1)h(2) h(N-2)h(N-1) y(n) Z变换结构图 从上面的Z变换和结构图可以很容易得出FIR滤波器的差分方程 表示形式，即对上式进行反Z变换得： 上式为FIR数字滤波器的时域表示方法,其中x(n)是在时间n的滤 波器的输入抽样值，根据上式即可对滤波器进行设计。 硬件设计硬件设计 1、DSP芯片 根据设计原理， 实现的核心器件采用美国德州仪器公司生产的低 功耗定点数字信号处理器芯片TMS320C5402。选择该芯片主要是因为 它是目前最常用的低成本DSP芯片，而且包括以下主要特点： ⑴运算速度快，最快可达532MIPS； ⑵多总线结构，片内共有8 条总线（1条程序存储器总线、3条数 据存储总线和4条地址总线）； ⑶CPU采用冯·诺依曼并行结构设计， 使其能在一条指令周期内， 高速地完成多项算术运算； ⑷片内集成了4K×16bitROM和16K×16bit的双存取RAM； ⑸丰富的片上外围电路（通用I/O 引脚，定时器，时钟发生器， HPI 接口，多通道缓冲串行口McBSP）使其和外部接口方便； ⑹3.3V I/O电压，1.8V核点压，工作电流平均值为75mA，其中核 45mA，I/O约30mA； ⑺144脚BGA封装，使体积减少，功耗降低。 2、AD和DA电路 在本数字滤波器系统中选择了TI公司的TLV1570芯片作为模数转 换器件，8通道10位2.7到5.5 V低电压模数转换芯片。TLVl570在3V 电压下的采样频率为625KSPS，输入信号最高频率不能超过300K。 由于模数转换选择了10位器件，为了简化程序代码，减少DSP 的 运算工作量，在本数字滤波器系统中选择了TI公司的TLV5608芯片， 它是一款8通道10位2.7到5.5V低电压数模转换芯片。 3、电源电路 根据DSP芯片工作的电压电流需求，及芯片采用双电源供电对加 电顺序的要求，考虑使用TI公司的电源转换芯片TPS73HD318,其输出 电压为一路3.3V、一路1.8V，每路电源的最大输出电流为750mA，能 满足本系统的供电需求。而且TPS73xx具有非常低的静态电流，能使 稳压器输出稳定。 4、时钟电路 C54xx系列的时钟端子为X1和X2/CLKIN，采用无源晶振提供时钟 信号，由于DSP有一组端子可以用来调整其工作频率的高低，故对晶 振频率大小的选定没有特别的要求，这里选用10Mhz的晶振。 5、复位电路 为了克服DSP系统因时钟频率较高导致在运行时可能发生的干扰 和被干扰的现象，最好是使用具有监视（ Watchdog）功能的自动复位 电路,于是采用专门的自动复位芯片MAX706。MAX706的电源为3.1V～ 5.0V,低电平复位输出，复位门限为3.08V。 6、未用端子处理 根据使用DSP芯片的相关原则，以及芯片手册具体决定未用端子 是接上拉电阻还是悬空。 7、基于上述的各部分电路组成， 可以得出DSP数字滤波器的整体 硬件电路连线图，如下所示 程序设计程序设计 1、设计思路 ⑴在DSP进行数字滤波运算前首先要进行初始化，只有正确设置 了DSP的初始状