基于dspfir数字滤波器的设计-学位论文.doc
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1、基于DSPFIR数字滤波器的设计摘要数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一,数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置,可作为应用系统对信号的前期处理。用DSP芯片实现的数字滤波器具有稳定性好、精确度高、灵活性强及不受外界影响等特性。因此基于DSP实现的数字滤波器广泛应用于语音图像处理、数字通信、频谱分析、模式识别、自动控制等领域,具有广阔的发展空间。本文主要研究了数字滤波器的基本理论,并对有限冲击响应数字滤波器FIR的设计和实现进行了分析和研究,尤其是在MATLAB环境下FIR数字滤波器的设计,主要是窗函数法及利用MATLAB的滤波器设计工具的设计方法,并用MAT
2、LAB语言编写了可以选择滤波器四种类型及七种窗函数的仿真程序,进行了具体的仿真分析。研究了TI公司的16位定点DSP芯片TMS320C55x的硬件和软件结构特性,编写了DSP的FIR滤波算法,在实验箱上进行了调试仿真;探讨了利用DSP快速设计FIR数字滤波器的方法,主要是在MATLAB中调试仿真DSP程序来寻找系数的快速传递法。最后,以TMS320C55x为主芯片设计了一个高性能的FIR数字滤波器系统,主要是时钟信号产生电路、芯片电源供电电路、模数转换和数模转换芯片与C55X连接电路、外挂程序存贮器FLASH电路、扩展RAM存贮器等基本外围电路的设计。关键词:数字信号处理器;数字滤波器;FIR
3、;MATLAB;TMS320C55xThedesignandanalysisofFIRdigitalfilterbasedonDSPAbstractAdigitalfilter,whichisoneofthemostimportantpartsofdigitalsignalprocessing,isanalgorithmoradevicemadeofdigitalontime-multiplier,adderanddelayofelements.Itcanbeusedtobethepretreatmentofsignalbyapplicationprogram.TheFIRdigitalfil
4、terBasedonDSPhasmanyfeatures,suchasuninfluenced,highaccuracy,goodstabilityandhighlyflexible.Thedigitalfilteriswidelyusedinfieldsofspeechimageprocessing,digitalcommunication,spectrumanalysis,patternrecognitionandautomaticcontrol,etc.Itwillhasbroadspacefordevelopment.Inthispaper,themainlytaskisresearc
5、hingthebasictheoriesofthedigitalfilter,andanalyzingthedesigningandrealizationoftheFiniteImpulseResponsedigitalfilter(FIR),especiallythemethodwhichrealizedunderMATLABenvironment,thewindowfunctionsisprimarilyintroduced,themethodofusingthedigitalfilterdesigntoolsinMATLABisalsoapplied.Italsocompilesapro
6、cedurewithMATLABlanguagewhichcanselectfoursortsofdigitalfilterandsevenkindsofwindowfunctions.Then,thispaperresearchesthestructureandpropertyofthe16bitfixed-pointDSPchipTMS320C55x,andwritestheFIRfilterprogramwhichisdebuggedandsimulatedbyexperiments.ThedesignoftheFIRfilterusingDSPisdiscussed,whichfocu
7、sonthemethodofcoefficienttransmissionoverpassingdebuggingtheDSPprograminMATLAB.Finally,adigitalfiltersystemwithpreferablecapabilityisdesignedbasedontheC55x,itsconsistsofthedesignofhardwareinterface,whichincludingtheclock-generatingcircuit,thechippowersupplycircuit,theA/DandD/Achipconnectinginterface
8、,theFLASHchipconnectinginterface,extendedRAMconnectinginterfaceandsoon.Keywords:DSP;DigitalSignalFilter;FIR;MATLAB引言在许多数字信号处理系统中,FIR滤波器是最常用的组件之一,它完成信号预调、频带选择和滤波等功能。F工R滤波器在截止频率的边沿陡峭性能虽然不及11R滤波器,但是,考虑到FIR滤波器严格的线性相位特性和不像IIR滤波器存在稳定性的问题,FIR滤波器能够在数字信号处理领域得到广泛的应用。数字滤波器(DigitalFilter,简称为DF)是指用来对输入信号进行滤波的硬件和
9、软件。所谓数字滤波器,是指输入、输出均为数字信号,通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的器件。数字滤波器和模拟滤波器相比,因为信号的形式和实现滤波的方法不同,数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配等优点。随着信息时代的到来,数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。数字信号在通信、语音、图像、自动控制、雷达、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理中数字滤波占有极其重要的地位,与模拟滤波相比,数字滤波具有很多突出优点,比如精确度高、稳定、灵活、不要求阻抗匹配、容易实现线性相位、还可以避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、
10、温度漂移和噪声偏移等问题。数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器(IIR)和有限冲激响应滤波器(FIR)。FIR滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现的严格线性相位等优点,因而在对相位要求比较严格的条件下,采用F1R数字滤波器。同时,由于在许多场合下,需要对信号进行实时处理,因而对于单片机的性能要求也越来越高。由于DSP控制器具有许多独特的结构,例如采用多组总线结构实现并行处理,独立的累加器和乘法器以及丰富的寻址方式,采用DSP控制器就可以提高数字信号处理运算的能力,可以对数字信号做到实时处理。而普通的单片机例如MCS-51难以满足这一要求。用可编程DSP芯片实现数字滤波的又一优势是:通过修
11、改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。有限长单位冲激响应(FIR)数字滤波器,与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比有以下优点:(1)简化了硬件电路的设计,提高了硬件电路的集成度和可靠性。(2)对干扰信号的抑制能力有了明显提高,这对系统的控制精度和稳定性的提高起到了促进作用。(3)数字滤波器的参数调节比起模拟滤波器来更加方便、灵活。(4)数字滤波器可以实现数据的并行处理,提高了系统运行速度。第一章绪论1.1数字滤波器的优越性世纪是数字化的时代,随着越来越多的电子产品将数字信号处理()作为技术核心,已经成为推动数字化进程的动力。作为数字化最重要的技术之一,无论在其应用的深度还是广度,正在以
12、前所未有的速度向前发展。数字信号处理器,也称芯片,是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊结构的微处理器,它是现代电子技术、计算机技术和数字信号处理技术相结合的产物。随着信息处理技术的飞速发展,数字信号处理技术逐渐发展成为一门主流技术,它在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪表技术、信息家电等高科技领域得到了越来越广泛的应用。数字信号处理由于运算速度快,具有可编程特性和接口灵活的特点,使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中,发挥着重要的作用。采用芯片来实现数字信号处理系统是当前发展的趋势。近年来,技术在我国也得到了迅速的发展,不论是在科学技术研究,还是在产品的开发等方面,其应用越来越广
13、泛,并取得了丰硕的成果。在数字信号处理中,数字滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。在许多信号处理应用中用数字滤波器替代模拟滤波器具有许多优势。数字滤波器容易实现不同的幅度和相位频率特性指标,克服了与模拟滤波器器件性能相关的电压漂移、温度漂移和噪声问题。用芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外,还具有灵活性好的特点。用可编程芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。几乎每一科学和工程领域例如声学、物理学、信、数据通信、控制系统和雷达等都涉及信号。在许多应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加
14、以修改、整形或运算。这些过程都可能包含衰减一个频率范围,阻止或隔离一些频率成分,用数字滤波器来实现这些功能是方便、有效、可行的。1.2 国内外研究进展自20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来DSP芯片得到了飞速的发展。在20多年时间里DSP芯片已经在信号处理、通信、自动控制、仪表技术、信息家电等许多领域得到广泛的应用。1978年AMI公司生产出世界上第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器2920是DSP芯片的一个重要里程碑。1980年日本NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。在这之后,最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司(
15、TexasInstruments,简称TI)的一系列产品,其DSP市场份额占全世界份额近的50%。目前DSP芯片的价格越来越低,性能价格比日益提高,具有巨大的应用潜力。经过20年的发展,DSP器件在高速度,可编程,小型化,低功耗等方面都有了长足的发展,单片DSP芯片最快每秒可完成16亿次(1600MIPS)的运算,生产DSP器件的公司也不断壮大。在国内外的研究中,设计FIR滤波器所涉及的乘法运算方式有:并行乘法、位串行乘法和采用分布式算法的乘法。并行乘法运行速度快,但占用的硬件资源极大。如果滤波器的阶数增加,乘法器位数也将变大,硬件规模将变得十分庞大。位串行乘法器的实现方法主要是通过对乘法运算
16、进行分解,用加法器来完成乘法的功能,也即无乘法操作的乘法器。位串行乘法器使得乘法器的硬件.观模达到了最省,但是由于是串行运算,使得它的运算周期过长,运算速度与硬件规模综合考虑时不是最优的。分布式算法(distributedarithmetic,DA)的主要特点是巧妙的利用ROM查找表将固定系数的乘累加(Multiply-accumulator,MAC)运算转化为查表操作,它与传统算法实现乘累加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。分布式算法在完成乘累加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的部分积预先进行相加形成相应的部分积,然后再对各个部分积累加形成最终结果,而传统算法是等到所有乘积已
17、经产生之后再来相加来完成乘累加运算的。DA算法设计的FIR滤波器的速度可以显著的超过基于MAC的设计。相对于前两种方法,DA算法既可以全并行实现,又可以全串行实现,还可以串并行结合实现,可以在硬件规模和滤波器速度之间作适当的折中,是数字滤波器的主要研究课题。1.3数字滤波器的实现方法数字滤波器的实现方法有以下三种:(1)用计算机软件实现软件实现方法就是在通用的微型计算机上用软件来实现。利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波所要完成的运算编程程序通过计算机来执行,软件可由使用者自己编写,也可使用现成的。国内外的研究机构、公司已经推出了不同语言的信号滤波器处理软件包。但是这种方法速度很慢,难以对
18、信号进行实时处理,虽然可由用快速傅立叶变换算法累加,来加快计算速度,但要达到实时处理还是要付出很高的代价,因而该方法多在教学与科研中使用。(2)采用DSP(DigitalSignalProcessing)处理器来实现DSP处理器是专为数字信号处理而设计的,如TI公司的TMS320CX系列,AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列等。它的主要数字运算单元是一个乘累加器(MAC),能够在一个机器周期内完成一次成累加运算,配有适合于信号处理的指令,具备独特的循环寻址和倒序寻址能力。这些特点都非常适合数字信号处理中的滤波器设计的有效实现,并且它速度快,成本低,在过去的20多年的时间里,软件可编程
19、的DSP器件几乎统治了商用数字信号处理硬件的市场。用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外,还具有灵活性好的特点。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。(3)用FPGA可编程器件来实现使用相关开发工具和VHDL等硬件开发语言,通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法。这一方法由于具有通用性的特点并可以实现算法的并行运算,无论是作为独立的数字信号处理,还是作为DSP芯片的协作处理器都是比较活跃的一个研究领域4。通过比较以上三种方法可见:可以采用MATLAB等软件来学习数字滤波器的基本知识,计算数字滤波器是系数,研究算法的可行性,
20、对数字滤波器进行前期的仿真。也可以采用DSP或FPGA来实现硬件电路。本文重点研究在利用DSP来实现数字滤波的设计。第二章 DSP技术2.1 DSP芯片发展数字信号处理(DigitalSignalProcessing)是利用专用处理器或计算机,以数字的形式对信号进行采样、变换、滤波、增强、压缩、识别、分析、合成、变换处理,提取有用的信息,得到符合人们要求的信号形式,进行有效的传输与应用。数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,简称DSP)是一种处理数字信号的专用微处理器,主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法。它在结构上针对数字信号处理的特点进行了改进和优化,并增
21、加了特殊指令专门用于数字处理,因而处理速度更快,效率更高。自20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来,DSP芯片得到飞速发展。最初仅在信号处理领域内应用,近年来随着半导体技术的发展,其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现,同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身,在控制领域内也得到很好的应用。目前DSP芯片的价格越来越低,性能价格比日益提高,具有巨大的应用潜力。经过十几年的发展,DSP器件在高速度、可编程、小型化、低功耗等方面都有了长足的发展,单片DSP芯片最快每秒可完成16亿次(1600MIPS,每秒1600兆次指令)的运算,目前,市场占有率最大的是TI公司的TMS320
22、系列DSP芯片。2.2DSP芯片基本结构TMS320系列DSP芯片的基本结构主要包括:哈佛结构、多总线结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期。(1)哈佛结构哈佛结构主要特点是程序存储器和数据存储器相互独立,每个存储器独立编址、独立访问,取指令和取操作数可同时进行,程序空间和数据空间之间可相互传送数据;系统中设置了程序总线和数据总线两条总线,使数据的吞吐率提高一倍。由于程序和数据存储器在分开的两个空间里,取指令和执行能完全重叠运行,提高了指令执行速度。(2)多总线结构DSP芯片都采用多总线结构,可同时进行取指令和多个数据存取操作,并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址,
23、使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问,大大提高了DSP运行速度。TMS320C55X系列内部有P,C,D,E等4组总线,每组总线中有地址总线和数据总线,这样在一个机器周期内可以完成如下操作:1)从程序存储器中取一条指令2)从数据存储器读两个操作数3)向数据存储器写一个操作数(3)流水线操作(Pipeline)流水线操作原理:将指令分成几个子操作,每个子操作由不同的操作阶段完成。TMS320系列流水线深度从2到6级不等,TMS320C5510有6级的流水线,TMS320C6000系列有8级流水线。流水线结构使得取指令、译码、取操作数、执行几个操作可以独立进行,不同指令的不同
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