基于DSP的FIR数字滤波器的设计与分析毕业设计论文.docx
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基于DSP的FIR数字滤波器的设计与分析毕业设计论文
1
成人教育学院
毕业设计（论文）
题目：
基于DSP的FIR数字滤波器的设计与分析
北京科技大学远程与成人教育学院
毕业设计（论文）任务书
经研究决定，你的毕业设计（论文）题目为：
基于DSP的FIR数字滤波器的设计与分析
摘 要
数字滤波技术是数字信号处理的核心技术，而FIR数字滤波器因其具有严格的线性相位、总是稳定等特点而广泛应用于数字信号处理的各个领域，是一个重要的研究课题。
DSP芯片是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器，主要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法。
用DSP芯片实现FIR数字滤波器，不仅具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点，而且因DSP芯片的可编程性，可方便地修改滤波器参数，从而改变滤波器的特性，设计十分灵活。
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MATLAB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;MATLAB;TMS320C55x
ThedesignandanalysisofFIRdigitalfilterbasedonDSP
Abstract
Digitalfilteralgorithmisoneofthecoretechniquesinsignalprocessing.TheFIRdigitalfilterhasbeenwidelyusedinsignalprocessingfieldbecauseofitsstrictlinearphaseandstability,now,itbecomesaverysignificantresearchtask.DSPchipisasortofmicroprocessorwhichisespeciallysuitablefordigitalsignalprocessing,itismostlyusedtorealizeddifferentdigitalsignalarithmeticReal-timeandfleetly.TherealizationoftheFIRdigitalfilterwhichisbasedonDSPchip，notonlyhavethemeritofgoodstability,highprecision,andhavenoeffectofenvironmental.,butalso,bychangetheparameterofthefiltertochangethecharacteristicofthefilter;becauseoftheprogrammabilityoftheDSPchip.Itsdesignisveryflexible.
Inthispaper,themainlytaskisresearchingthebasictheoriesofthedigitalfilter,andanalyzingthedesigningandrealizationoftheFiniteImpulseResponsedigitalfilter（FIR）,especiallythemethodwhichrealizedunderMATLABenvironment,thewindowfunctionsisprimarilyintroduced,themethodofusingthedigitalfilterdesigntoolsinMATLABisalsoapplied.ItalsocompilesaprocedurewithMATLABlanguagewhichcanselectfoursortsofdigitalfilterandsevenkindsofwindowfunctions.Then,thispaperresearchesthestructureandpropertyofthe16bitfixed-pointDSPchipTMS320C55x,andwritestheFIRfilterprogramwhichisdebuggedandsimulatedbyexperiments.ThedesignoftheFIRfilterusingDSPisdiscussed,whichfocusonthemethodofcoefficienttransmissionoverpassingdebuggingtheDSPprograminMATLAB.Finally,adigitalfiltersystemwithpreferablecapabilityisdesignedbasedontheC55x,itsconsistsofthedesignofhardwareinterface,whichincludingtheclock-generatingcircuit,thechippowersupplycircuit,theA/DandD/Achipconnectinginterface,theFLASHchipconnectinginterface,extendedRAMconnectinginterfaceandsoon.
Keywords:
DSP;DigitalSignalFilter;FIR;MATLAB
目 录
引言
21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（PSP）作为技术核心，DSP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，DSP无论在其应用的深度还是广度，正在以汀所未有的速度向前发展。
数字信号处理器，也称DSP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、相结合的产物。
一门主流技术，随着信息处理技术的飞速发展，计算机技术和数字信号处理技术数字信号处理技术逐渐发展成为它在电子信息、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DSP芯片来实现数字信号处理系统是当前发展的趋势。
近年来，DSP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，
在数字信号处理中，其应用越来越广泛，并取得了丰硕的成果。
数字滤波占有极其重要的地位。
象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。
数字滤波是语音和图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。
几乎每一科学和工程领域例如声学、物理学、通信、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。
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。
1绪论
1.1课题研究的背景
20世纪60年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新台阶，朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致数字滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。
到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成己被研制出来并得到应用，90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。
数字滤波，是数字信号处理的基本核心内容之一，占有极重要的地位。
它是语音、图像处理、软件无线电、通信、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。
数字滤波器是一个具有按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求输出的离散时间信号的特定功能装置，是一个离散时间系统。
与模拟滤波器相比，数字滤波器不用考虑器件的噪声、电压漂移、温度漂移等问题，可以容易地实现不同幅度和相位频率等特性指标。
几乎每一科学和工程领域如声学、物理学、数据通信、控制系统和雷达等都涉及到信号，在应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、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。
数字滤波作为数字信号处理的重要组成部分有着十分广泛的应用前景。
从形式上看，数字滤波有线性滤波和非线性滤波。
线性滤波是指卷积滤波，又分为频域滤波和时域滤波，在实域中根据滤波方式又分为递归滤波和非递归滤波。
非线性滤波主要是指同态滤波，它是用取对数的方法将非线性问题线性化。
由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。
应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模/数转换。
为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数/模转换、平滑。
数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。
与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比，数字滤波器有几大优点。
（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模拟滤波器更方便、灵活。
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μPD7720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（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研究内容
数字滤波器的实现方法一般有几种:
（1）在通用计算机上软件编程实现。
（2）用加法器、乘法器、延时器设计实现专用的滤波电路。
（3）用单片机实现。
（4）用通用的可编程DSP芯片实现。
（5）用专用的DSP芯片实现。
（6）用FPGA/CPLD等可编程器件来设计实现，开发数字滤波算法。
在这几种方法中，第一种方法的速度比较慢，主要用来进行算法的模拟仿真，只能用于非实时系统;第二种和第五种方法是专用的，应用范围不广;第三种方法比较容易实现人机接口，但系统比较复杂，对乘法运算的速度很慢;第四种方法因DSP芯片的哈佛结构、并行结构、指令系统等结构特点，使得数字滤波器比较好的容易实现;第六种方法是通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法，具有通用性，可以实现算法的并行运算，在当今研究的也比较多。
2DSP技术
2.1DSP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，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，不同指令的不同阶段在时间上的执行能完全重叠。
（4）专用的硬件乘法器
DSP芯片都配有专用的硬件乘法一累加器，即用专门的硬件来实现单周期乘法，并用累加器寄存器来处理多个乘积的累加，可在一个周期内完成一次数据乘加操作，如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号处理。
（5）特殊的DSP指令
为满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令用来完成专门的数字信号处理操作。
如TMS320C55X中的FIRS和LMS指令，专门用于系数对称的FIR滤波器和LMS算法。
为实现FFT、卷积等运算，当前的DSP大多在指令系统中设置了循环寻址（Circularaddressing）、位码倒置（bit-reversed）指令和其他特殊指令，使得在进行这些运算时，寻址、排序及计算速度有了很大的提高。
（6）快速的指令周期
采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊指令及集成电路优化设计，使指令周期可在20ns以下。
TMS320C55X的运算速度可达1OOMIPS，即100百万条/秒。
2.3DSP系统构成
下图所示即是一个典型的DSP系统。
图中输入信号可以是各种形式，如麦克风输出的语音信号或电话线出来的己调数据信号或数码相机拍摄的图像信号等。
图2.1典型的DSP系统框图
其中，输入信号应先经带限滤波和抽样处理，再进行A/D变换，将输入信号变换成数字比特流。
根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息的不丢失，抽样频率应该不小于输入信号最高频率的2倍，一般取4到6倍。
在本设计中，所使用的抽样频率为5倍的截止频率。
DSP芯片的输入是经A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘法累加操作（MAC）等。
数字处理是该DSP系统的关键，这与其他系统有很大的不同。
最后，经过处理后的数字样值再经D/A变换转换为模拟信号样值，之后再进行内插和平滑滤波处理就可得到连续的模拟信号。
上面给出的DSP系统只是一个典型模型，并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件，应根据具体要求来变化。
本设计中用到的北京精仪达盛有限公司的DSP实验箱的实验板上有A/D,D/A转换芯片，相当于模型系统中的中间三个部件。
在不是自行设计DSP系统的情况下，可以先不考虑硬件方面的设计。
另外，有些输入信号本身就是数字信号，如CD（CompactDisk），就可以没有模数变换这个过程。
2.4DSP系统设计过程
在设计DSP系统之前，应根据应用要求确定系统的性能指标、信号处理的要求，对系统进行任务划分;然后用C等高级语言或者MATLAB,SystemView等开发工具模拟所选定的对数字信号进行处理的算法，此处的输入数据是实际信号经采集而获得的，常以计算机文件的形式存储为数据文件。
有些算法模拟时所用的输入数据并不一定为实际采集的信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入模拟假设的数据也可以。
然后根据系统运算量大小、对精度要求、系统成本及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片及其他组件;再接着进行硬件设计和调试，即根据选定的原件建立原理图、制作PCB板、器件安装及加电调试;同时，用DSP汇编语言或者高级C语言或二者相嵌套法生成可执行程序，用DSP仿真器或者软件模拟器调试程序。
最后，将软件加载到硬件系统中运行，用DSP仿真器等来测试检查所开发系统的运行能否符合实时要求，或将软件脱离开发系统直接在应用系统上运行。
2.5TMS320C55X概述
TMS320C55x是TI公司在TMS320VC54x的基础上发展起来的并能与TMS320VC54x兼容的一个系列。
TMS320CSSx通过增加功能单元，增强了DSP的运算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前TMS320家族中最省电的芯片。
这些特性使其更适合在数据速率高，运算量大又要求低功耗的3G无线通信中应用。
2.6CPU结构
C55X的CPU是并行结构，具有强大的运算功能，可在一个指令周期中高速完成多项算术运算。
主要由以下几部分构成:
（1）40bit算术逻辑运算单元ALU:
它是C55X的大脑，对各种数据进行运算，实现各种功能。
还有处理溢出的功能，也可以进行布尔运算或者把这个40位的ALU看作为两个16位的ALU，同时执行两个16位的操作。
（2）2个40bit累加器A,B:
累加器A和B存储来自ALU或乘法器/加法器单元的输出数据，也能输出到ALU或者乘法器/累加器中。
每个累加器可以分为低字位（bit1s-bit0）、高位字（bit31-bit16）和保护位（bit39-bit32）。
（3）桶形移位寄存器:
它在ALU运算以前，对来自数据存贮器的操作数或者累加器进行定标，或对累加器的值进行算术逻辑移位和归一化处理，或对在累加器的值将要存贮到存贮器之前进行定标。
可对输入数据进行Obit-31bit的左移和Obit-16bit的右移。
（4）乘法器/加法器单元:
由17bitx17bit的乘法器、40bit的加法器、带符号/无符号输入控制、小数控制、零检测器、舍入器（二进制补码）、溢出/饱和逻辑和16bit的暂存器组成。
（5）比较、选择和存贮单元CSSU:
完成累加器的高位字和低位字间的最大值比较，并存贮在数据存贮器中，不改变状态寄存器STO中的测试/控制
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