基于DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)

劉昌欣

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于DSP的FIR濾波器設(shè)計(jì)

劉昌欣

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

相對(duì)于模擬濾波器而言數(shù)字濾波器不存在漂移，而且同時(shí)其頻率響應(yīng)特性能夠做到理想的特性，并且精度十分高。對(duì)于的DSP開發(fā)人員而言，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是經(jīng)常會(huì)使用的。

DSP 數(shù)字濾波器 頻率響應(yīng)

1 引言

關(guān)于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟是先是進(jìn)行濾波器算法設(shè)計(jì)，而這個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)是從DSP開發(fā)環(huán)境中獲取的，在得到了相應(yīng)的DSP算法源程序以后，通過數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件比如Matlab，根據(jù)具體的要求以及特定的特性從而實(shí)現(xiàn)濾波器，當(dāng)?shù)玫搅薋IR數(shù)字濾波器中的各個(gè)階權(quán)的系數(shù)以后，把所獲得的系數(shù)發(fā)送給DSP源程序中，并且通過對(duì)該DSP源程序編譯執(zhí)行以后進(jìn)行濾波器性能的評(píng)價(jià)。在得到為理想濾波器響應(yīng)之前，開發(fā)人員需要多次執(zhí)行中斷目標(biāo)程序，將濾波器參數(shù)值進(jìn)行修改處理，再一次將源程序進(jìn)行編譯，并且將執(zhí)行的目標(biāo)程序下載。

2 FIR濾波器的特點(diǎn)

通常在處理數(shù)字信號(hào)的應(yīng)用中都會(huì)進(jìn)行線性相位的濾波器設(shè)計(jì)，F(xiàn)IR濾波器在設(shè)計(jì)中確保了幅度特性，所以做到嚴(yán)格的線性相位特性是很容易實(shí)現(xiàn)。在FIR濾波器中將輸入樣本信號(hào)x(n)進(jìn)行多次延時(shí)，接著進(jìn)行乘法累加的相關(guān)運(yùn)算，最后把濾波的結(jié)果信號(hào)y(n)輸出，所以，事實(shí)上FIR設(shè)計(jì)在一定意義上指的就是進(jìn)行乘法累加一種運(yùn)算。IR濾波器中能夠隨意設(shè)置幅度特性，而且還可確保線性相位的精確性。此外FIR濾波器中最大的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性以及線性相位相關(guān)特性，除了這些特點(diǎn)之外FIR濾波器的特點(diǎn)還有FIR濾波器采用了線性的設(shè)計(jì)方式。

濾波器的過渡過程是有著特殊的有限區(qū)間的，對(duì)于llR濾波器來說，當(dāng)階次比較高的時(shí)候，對(duì)于具有相同性能的HR濾波器延遲就要大得多。

3 FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法

關(guān)于數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般情況下總結(jié)為以下幾種：

3.1 計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)方法指的是用軟件在微型計(jì)算機(jī)中得到相應(yīng)的結(jié)果。在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行濾波器以及存儲(chǔ)器需要完成的程序，其中軟件設(shè)計(jì)部分的程序使用者自己能夠完成。也能夠通過相應(yīng)的信號(hào)濾波處理軟件包實(shí)現(xiàn)。然而考慮到這種方法的速度會(huì)比較慢，所以如果要做到實(shí)時(shí)處理還是不容易實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算速度的加快能夠通過快速傅立葉變換的算法實(shí)現(xiàn)，然而如果想要獲得實(shí)時(shí)處理的效果就需要更多的技術(shù)支持。所以計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的方法使用比較多。

3.2 選擇DSP處理器方法實(shí)現(xiàn)

DSP處理器的處理對(duì)象是數(shù)字信號(hào)處理，DSP處理器的數(shù)字運(yùn)算單元其實(shí)指的就是一個(gè)乘累加器。這種處理器的乘累加運(yùn)算的完成時(shí)間是需要一個(gè)機(jī)器周期的，這種處理器的方法的使用場合通常是信號(hào)處理的指令，以及有著特別的倒序、循環(huán)尋址。FIR數(shù)字濾波器直接型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FIR數(shù)字濾波器的直接型結(jié)構(gòu)

基于DSP處理器的特點(diǎn)在數(shù)字信號(hào)處理中的濾波器設(shè)計(jì)過程中比較容易實(shí)現(xiàn)，而且這種DSP處理器的速度比較快，所投入的資金成本也比較低，然而在以為的這20年里，在商用數(shù)字信號(hào)處理硬件市場中都會(huì)用到可編程的DSP器件。數(shù)字濾波中用到DSP芯片的好處包括了穩(wěn)定性強(qiáng)，高精確度、環(huán)境對(duì)其的影響比較小等。數(shù)字濾波中能夠通過可編程DSP芯片對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行修改，而且這種修改的實(shí)現(xiàn)是比較容易的。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 DSP芯片的選擇設(shè)計(jì)

在DSP的應(yīng)用系統(tǒng)中DSP芯片的選擇有著重大的意義，外圍電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要選擇正確的DSP芯片才可以保證電路的正常運(yùn)行，通常而言，DSP芯片的選擇要考慮的因素主要包括：

DSP芯片的指標(biāo)中，DSP芯片的運(yùn)算速度是最重要的，在DSP芯片的選擇中有著重要的意義。DSP芯片的運(yùn)算速度與幾個(gè)性能指標(biāo)有著重要的聯(lián)系，分別是指令周期、MAC、MOPS、MFLOPS等。其中的指令周期指的是一條指令執(zhí)行的時(shí)間，指令周期的單位是ns為單位。MAC時(shí)間指的是乘法和加法運(yùn)算一次所需要的時(shí)間。FFT執(zhí)行時(shí)間指的是執(zhí)行一個(gè)N點(diǎn)的FFT程序所完成的時(shí)間。硬件設(shè)計(jì)中選擇的輸入輸出方式是SPI接口串行，設(shè)計(jì)的過程中用到的寄存器以及地址如表1所示。

表1 程序設(shè)計(jì)中用到的寄存器及地址

4.2 DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

通常而言DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)按照系統(tǒng)所要求的任務(wù)從而確定系統(tǒng)處理所需要的精度以及速度、實(shí)時(shí)性等性能指標(biāo)。

(2)按照系統(tǒng)的要求模擬高級(jí)語言的算法，例如通過MATLAB的仿真工具，對(duì)算法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，從而得到處理方法的最佳選擇。

(3)關(guān)于DSP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常是從硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)方面選擇適合的DSP芯片。

下圖2為數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)流程。

圖2 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)流程

外圍電路的設(shè)計(jì)也是根據(jù)選擇的DSP實(shí)現(xiàn)的。硬件設(shè)計(jì)主要是按照系統(tǒng)所提供的芯片進(jìn)行程序的編寫，編寫的語言包括了匯編，C語言等，使用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，效率也相對(duì)而言比較高，但是缺點(diǎn)是過程過于繁瑣。如果選擇的編程語言是C語言，編程實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，缺點(diǎn)是效率低。在很多的系統(tǒng)開發(fā)的過程中通常是結(jié)合C語言和匯編共同編寫的，通過這種方法，實(shí)現(xiàn)起來能大大地減少開發(fā)的時(shí)間，而且還能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性，另外一方面也使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了滿足。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 程序流程

先是進(jìn)行模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程，因此需要對(duì)輸入的模擬信號(hào)抽樣，每一次的抽樣值就會(huì)通過DSP進(jìn)行讀取，而且還需要將抽樣值進(jìn)行卷積運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果就會(huì)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中，最終產(chǎn)生模擬信號(hào)。下圖3為A/D轉(zhuǎn)換工作方式。

主程序流程介紹如下所示：（1）首先是初始化DSP，實(shí)現(xiàn)工作模式的定義，還可以定義所需的向量以及工作模式，配置需要的寄存器。（2）準(zhǔn)備數(shù)字濾波，在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)事先設(shè)計(jì)好的沖擊響應(yīng)序列。（3）將抽樣的數(shù)值讀取，接著存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。（4）運(yùn)算處理抽樣值，設(shè)置存儲(chǔ)單元A和存儲(chǔ)單元B，初始值用K表示，第K個(gè)抽樣值用AK表示，將AK的值和第L個(gè)沖激響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的序列值進(jìn)行相乘，乘積的結(jié)果存儲(chǔ)到累加器中，AK中也會(huì)存儲(chǔ)第K-1個(gè)抽樣值，這時(shí)AK里面原來的值就會(huì)被AK-1代替。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換工作方式

6 結(jié)語

在數(shù)字濾波器中，有關(guān)FIR濾波器最重要的特點(diǎn)指的就是不存在反饋回路，所以就沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)部分包括了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并且給出了相應(yīng)的程序流程圖。

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