FIR數(shù)字濾波器在TI DSP上的實(shí)現(xiàn)

沙巖 李娜娜 王丹

【摘要】 本文針對TI公司TMS320VC54x系列DSP芯片TMS320VC5409構(gòu)成的數(shù)字信號處理硬件電路，設(shè)計(jì)了FIR數(shù)字濾波器程序，程序采用匯編語言編寫，具有占用存儲空間少，運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地適應(yīng)需要實(shí)時(shí)濾波的場合[1]；闡述了FIR數(shù)字濾波器的理論設(shè)計(jì)及在DSP上的實(shí)現(xiàn)過程。根據(jù)其實(shí)現(xiàn)思路，可以很方便設(shè)計(jì)出符合要求的濾波器。

【關(guān)鍵詞】 FIR數(shù)字濾波器 CCS TI DSP TMS320

數(shù)字信號處理器（DSP）是針對數(shù)字信號處理需要而設(shè)計(jì)的一種可編程的單片機(jī)。作為TI公司的定點(diǎn)系列DSP產(chǎn)品之一TMS320VC5409的出現(xiàn)，其高速的運(yùn)算速度為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制提供了更為方便的途徑。這種單片DSP把高速控制器的靈活性和陣列處理器的數(shù)值計(jì)算能力結(jié)合起來，從而提供了廉價(jià)的、比多位更為可取的處理器。

一、FIR數(shù)字濾波器優(yōu)勢分析

IIR數(shù)字濾波器雖然有優(yōu)異的幅度響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)效率，但是這是以犧牲相位的非性為代價(jià)的，選擇性越好，則相位的非線性越嚴(yán)重，非線性相位會引起頻率的色散；其次設(shè)計(jì)系數(shù)的時(shí)候必須注意到穩(wěn)定性的問題，極點(diǎn)不能位于單位圓之外，比較難確定。即頻率特性中的相頻特性具有非線性，其結(jié)果會造成處理信號產(chǎn)生相位失真而發(fā)生畸變。如果需要線性的相頻特性，必須采用全通網(wǎng)絡(luò)來修正。FIR數(shù)字濾波器可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)FIR 數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)是有限個(gè)的，其實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是非遞歸型的，因此系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的； FIR濾波器的固定位噪聲較容易控制，其以固定位制作時(shí)的誤差對整個(gè)系統(tǒng)的影響較小；FIR濾波器易設(shè)計(jì)成具有線性相位響應(yīng)系統(tǒng)，一個(gè)具有線性相位的系統(tǒng)對于輸入信號的不同頻率成份皆會有固定的延遲時(shí)間，因此不會造成信號的相位失真，相位失真對于某些信號的影響相當(dāng)嚴(yán)重，如音頻和視頻，相位失真會造成聲音和影像品質(zhì)的不良，明顯的例子像是電視的重影就是相位失真造成的，其它像一些數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是利用不同相位調(diào)制，此時(shí)相位失真也會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤。因此FIR濾波器較IIR濾波器的應(yīng)用更為廣泛。

二、FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)原理

FIR濾波器的制作只是有限項(xiàng)的直接回旋運(yùn)算，F(xiàn)IR系統(tǒng)可以利用快速傅立葉轉(zhuǎn)換執(zhí)行以減少所需要運(yùn)算的個(gè)數(shù)，增加執(zhí)行的效益。FIR數(shù)字濾波器有直接型和轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu)，直接型結(jié)構(gòu)也稱為抽頭延遲線結(jié)構(gòu)，或稱橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)。直接型中可以看出，沿著這條鏈每一抽頭的信號被適當(dāng)?shù)南禂?shù)（脈沖響應(yīng)）加權(quán)，然后將所得乘積相加就得到輸出y（n）。

2.2 FIR數(shù)字濾波器的C54x實(shí)現(xiàn)

通過CCS的圖形顯示工具觀察輸入輸出信號波形以及頻譜的變化 [3].例如FIR數(shù)字濾波器的最主要特點(diǎn)是沒有反饋回路，因此它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，它的單位沖激響應(yīng)h（n）是一個(gè)有限長序列。用線性緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)延時(shí)操作的優(yōu)點(diǎn)是：新老數(shù)據(jù)在存儲器中存放的位置直接明了。為了采用線性緩沖區(qū)進(jìn)行延時(shí)，需將系數(shù)和數(shù)據(jù)均存放在DARAM中，這樣程序的執(zhí)行速度最快。

三、在CCS環(huán)境下FIR濾波器性能仿真和實(shí)際測試

3.1 CCS環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)過程

由于奈奎斯特采樣定理，數(shù)字濾波器的處理能力受到系統(tǒng)采樣頻率的限制。如果輸入信號的頻率分量包含超過濾波器1/2采樣頻率的分量時(shí)，數(shù)字濾波器因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)的“混疊”而不能正常工作。如果超出1/2采樣頻率的頻率分量不占主要地位，通常的解決辦法是在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之前放置一個(gè)低通濾波器將超過的高頻成分濾除[4]。

為了對信號進(jìn)行濾波，首先必須根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器。我設(shè)計(jì)一個(gè)FIR低通濾波器。其技術(shù)指標(biāo)為：通帶截止頻率為1500Hz，阻帶截止頻率為2000Hz，通帶波紋是0.01，阻帶波紋是0.1，取樣頻率是8000H。

3.2 結(jié)果分析

在CCS環(huán)境中用匯編語言編寫一個(gè)實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的程序及鏈接器命令文件，編譯程序，在屏幕上顯示濾波器的輸入x（n）與輸出信號y（n）的頻譜圖。 當(dāng)頻率為1000赫茲和3000赫茲的兩個(gè)頻率信號，經(jīng)過截止頻率為2000赫茲的FIR數(shù)字濾波器后，頻率為3000赫茲的信號得到了一定程度的壓制，頻率為1000赫茲的信號被保留，基本沒有變化。總體上來說，達(dá)到了濾波的效果。

本文介紹了一種基于C5409硬件平臺的FIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方案。選用FIR濾波器會避免相位延遲。在匯編語言程序中，F(xiàn)IR濾波器采用的是直接型結(jié)構(gòu)，并且采用帶移位雙操作數(shù)指令來實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的程序直觀易懂。由于是線性相位的FIR濾波器，還可以采用線性相位FIR濾波器的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的DSP指令來設(shè)計(jì)程序。占用存儲空間少，運(yùn)行速度快。文章表明，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，易于移植使用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性與靈活性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]彭啟琮.TMS320VC54x實(shí)用教程.成都：電子科技大學(xué)出版社，2010

[2]劉順蘭，吳杰.數(shù)字信號處理.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013

[3]程培青等.數(shù)字信號處理.北京：清華大學(xué)出版社，2012

[4]王念旭等.DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014