基于DSP的自適應FIR濾波器設計與實現

王曉娟

（內蒙古電子信息職業技術學院，呼和浩特010070）

基于DSP的自適應FIR濾波器設計與實現

王曉娟

（內蒙古電子信息職業技術學院，呼和浩特010070）

介紹了基于TMS320VC5402 DSP的自適應FIR濾波器的設計與實現。采用TMS320VC5402 DSP芯片作為處理單元，設計并實現了自適應FIR濾波器，給出了硬件系統設計模塊，軟件系統設計流程圖及相應的匯編代碼。仿真結果和實現結果表明所設計的自適應FIR濾波器能很好的消除疊加在信號上的噪聲。

自適應FIR濾波器；LMS算法；數字信號處理芯片-TMS320VC5402

1 引 言

隨著人們對信號處理要求的不斷提高，越來越多的工程技術人員開始采用DSP進行系統設計，DSP技術發展日新月異，而在數字信號處理過程中，自適應濾波器又占有重要的地位，在無法得到信號和噪聲統計特性的相關知識的情況下，自適應濾波器能夠獲得極佳的濾波性能，從而具有很好的應用價值。通信領域的自動均衡、回波消除、自適應天線陣列、線性預測及其他有關領域信號處理的系統模擬、自適應譜線增強、自動頻率跟蹤等領域都有著廣泛應用。用可編程的DSP芯片實現自適應濾波器，可以十分方便的修改自適應濾波器的特性，同時還具有穩定性好，精確度高，不受環境影響，靈活性好等優點。文中采用TMS320VC5402 DSP芯片處理器，作為硬件系統來實現自適應FIR濾波器。

2 自適應濾波器的設計原理

自適應濾波器一般結構如圖1所示，一部分為調整參數的數字濾波器，另一部分為調整濾波器系數的自適應算法［1］。在濾波過程中，自適應濾波器能夠自動適應隨時間緩慢變化的噪聲和信號之間的自相關函數，并且自動調節誤差函數，直到滿足均方誤差最小的要求。因此，自適應濾波器設計時，信號與噪聲的自相關函數可以是未知的。

圖1 自適應濾波器的一般結構

圖1中d（n）為參考信號，x（n）為輸入信號，y（n）為實際輸出信號，e（n）為實際輸出與期望信號的誤差信號，e（n）＝d（n）-y（n）。自適應濾波器的系數在工作過程中根據e（n）的值和自適應算法自動調整，使得系統滿足輸出誤差要求。

2 自適應FIR濾波器的結構及算法

2.1 自適應FIR濾波器的結構

自適應濾波器有FIR和IIR兩種基本結構。FIR數字濾波器具有易實現嚴格的線性相位，穩定性和任意的幅頻特性的優點。所以本設計采用FIR濾波器橫向結構作為自適應濾波器結構。其結構如圖2所示。

圖2 自適應FIR濾波器的結構

自適應FIR濾波器的I／O方程表示為：

其中wk（n）是在時刻n的第k個可調系數（或權值）。由N個系數組成的系數向量W（n）表示為：

時刻n的輸入信號向量X（n）給出如下：T為矩陣轉置符，N為濾波器階數。

2.2 LMS算法

當輸入信號和噪聲的統計特性未知或輸入過程的統計特性發生變化時，自適應濾波能自動調整自身參數以滿足某種最佳準則要求。根據不同準則，產生不同的自適應算法，但主要有兩種基本算法：最小均方誤差（LMS）算法和遞推最小二乘（RLS）算法［2］。

LMS算法的基本思想：調整濾波器自身參數，使濾波器的輸出信號與期望輸出信號之間的均方誤差最小，這樣系統輸出為有用信號的最佳估計［2］。

基本的LMS算法如下：

其含義是：下一時刻權矢量W（n＋1）等于當前權矢量W（n）加上一個修正值，該修正量等于誤差信號的加權值，加權系數為2μX（n）。LMS算法收斂的條件為：0＜μ＜1／λmax，λmax是輸入信號自相關矩陣的最大特征值。

3 自適應FIR濾波器的TMS320VC5402硬件系統設計

TMS320VC5402是TMSS320VC54系列中高性價比的16位定點DSP芯片的代表，與其他54系列芯片相同，TMS320VC5402具有高速數據處理性能以及高度靈活的可操作性能，同時兼備低功耗及價格低等優點。VC5402具有6級工作流水線，并且當系統執行重復指令RPT時，使得一部分多周期指令轉變為單周期指令，通過PMST寄存器的OVLY和DROM位可以靈活設置芯片內部的RAM和ROM存儲器。這些都為算法的優化提供了有利條件。

此系統利用TMS320VC5402及其他一些外設實現，系統結構如圖3所示：EPROM為32K×8bit，與TMS320VC5402構成32KB的引導裝載，范圍為8000H-FFFFH；SARAM與TMS320VC5402構成32KB的外部程序存儲器和16KB的外部數據存儲器，其范圍分別為48000H-48FFFFH，40000H-7FFFFH。

圖3 系統結構圖

模數轉換接口設計采用TLC320AC01芯片實現數據采集和控制，該芯片的工作過程直接由TMS320VC5402控制，TMS320VC5402與2片TLC320AC01的主時鐘共用同一外部時鐘源。在本系統中AC01與VC5402通過串口0連接。DSP通過串口可以控制AC01的采樣頻率、增益、低通／高通濾波器的截止頻率等參數。這一步是通過寫AC01寄存器來實現的。圖4為TMS320VC5402與AC01的連接電路。

圖4 TMS320VC5402與TLC320AC01的主從模式連接圖

4 自適應FIR濾波器的TMS320VC5402軟件系統設計

該系統初步驗證算法使用MATLAB7.0軟件，并為硬件設計提供輸入及參考數據，同時使用TI公司提供的CCS（Code Compo ser Studio）軟件，配合XDS510仿真器調試，使用匯編語言設計自適應FIR濾波器的軟件系統。

4.1 自適應FIR濾波器實現的幾個關鍵問題

4.1.1 輸入信號處理

先用MATLAB進行算法驗證，所有輸入數據和參考數據由MATLAB導出。由于TMS320VC5402是16位定點處理器，在進行匯編運算時，輸入數據、參考輸入數據及步長需要采用Q格式表示，即將MATLAB中產生的100點X（n）、d（n）及步長進行一定比例的壓縮，使所有數據處于-1～1之間，然后采用Q15格式進行數據格式轉換，使轉換后的數據處于-32768～32768之間，作為.data段的輸入數據存儲在數據存儲區。

4.1.2 循環尋址

設計使用了循環尋址的方法實現自適應濾波器，如圖5所示。為了能正確使用循環尋址，必須先初始化BK，塊長為N，同時，輸入數據緩沖區和系數緩沖區的起始地址必須與2N邊界對準，其中N為滿足2N＞BK的最小整數，即N＝4，所以將系數緩沖器的首地址設置為400h，輸入數據的緩沖地址設置為100h，保證后4位為0。

圖5 自適應FIR濾波器存儲器里的數據存儲方式

4.1.3 溢出問題

由于程序中出現e（n）＝d（n）-y（n），可能出現溢出問題，解決溢出的方法有多種，本程序中使用飽和模式來防止DSP運算的溢出，即設置溢出模式位OVM＝1打開飽和模式。當運算結果超出可以表示的最大值時，處理器將其結果設置為最大值，當兩個負數相加結果小于-1時，硬件將其結果限定為-1。

4.1.4 特殊指令LMS

C54x提供了一種并行執行FIR濾波和系數更新的特殊指令LMS。

LMS的指令語法為：

LMS Xmem，Ymem

式中Xmem和Ymem分別指向系數和信號元素。此指令以并行方式執行FIR濾波、將乘積保存于ACC B，更新ACC A中的舊系數，此指令可以解釋如下：

4.2 軟件程序設計

軟件程序設計流程圖如圖6所示：其中BK為塊循環大小，設置值為10；BRC為快循環指針，設置位8。

其中硬件資源的初始化包括時鐘、中斷、RAM，McBSP0，AC01及片上定時器；之后便在主程序中一直循環工作，直到定時器中斷到來。

在軟件設計中，AC01的初始化運用了idle 1指令的同時使用的是片上的同步串口，為保證安全傳輸數據，在系統發送完初始化數據后便等待串口發送中斷。

先用MATLAB進行算法驗證，輸入數據和參考數據由MATLAB導出，編寫匯編代碼文件，部分匯編代碼如下所示：

然后通過編譯，匯編和鏈接，生成TMS320VC5402可執行的COFF目標代碼，然后將生成的可執行代碼通過仿真器下載到DSP目標系統中運行，在利用調試工具進行調試，得到測量波形如圖7所示。

圖6 軟件程序設計流程圖

圖7 測量波型

比較圖7（b）和圖7（c）可得出系統運行經過大約5秒的自適應調整后，二者之間誤差逐漸減小，系統開始收斂，收斂速度的大小主要取決于自適應步長的選擇；同時由圖7（d）可得到：響應時間越長，誤差越小，濾波效果就越好。

5 結束語

基于TMS320VC5402硬件系統和軟件系統相結合設計的自適應FIR濾波器，充分利用了DSP芯片的特殊結構和指令集。從測量結果可知，所設計的自適應FIR濾波器能很好的消除疊加在信號上的噪聲，在實際應用中，所設計的自適應FIR濾波器即使輸入信號中被其他噪聲干擾，通過修改自適應步長，也可以得到期望的輸出，這正是用DSP芯片設計自適應濾波器的優勢。所設計的自適應FIR濾波器已經在薄板粘結超聲檢測系統中應用，得到了令人滿意的效果。

［1］Hay kin S.Adaptiv e Filter Theory［M］.T hird Editio n.Pren-cice-H all，1996.

［2］何振亞.自適應信號處理［M］.北京：科學出版社，2002.

［3］樓天順.基于MATLAB的系統分析與設計-信號處理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1998.

［4］趙海斌.MATLAB應用大全［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［5］張朝柱.自適應信號處理技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2010.

［6］郭森茂，閆生.數字信號處理器模式［M］.北京：清華大學出版社，2005.

Design and Im plementation of Adaptive FIR Filter Based on DSP

WANG Xiao-juan
（Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College，Hohhot010070，China）

The article introduces the design and implementation of the adaptive FIR filter based on DSP.TMS320VC5402 DSP chip is used as the center processor to design and implement the adaptive FIR filter.The hardware system design module，the software system design flow chart and the related assembly code are given.The results of simulation and measurement show that the designed filter can perfectly eliminate the noise which disturbs the input signal.

Adaptive FIR filter；TMS320VC5402；LMS algorithm

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.023

TN713

：A

：1002-2279（2014）05-0080-04

王曉娟（1982-），女（蒙古族），內蒙古赤峰人，講師，碩士研究生，主研方向；數字信號處理。

2014-07-07