基于DSP的數字濾波器設計

孫越++馬琳玲

摘 要介紹了DSP濾波器的工作原理，討論了DSP的硬件設計方法，并使用MATLAB進行仿真處理。介紹了在FIR與IIR之間的異同之處，簡要較介紹了一般數字濾波器的設計步驟，闡述了在DSP設計濾波器時軟件設計與其他工程中軟件設計的相異之處。并介紹了一般數字濾波器中的性能測試程序。對基于FPGA（Field-programmable Gate Array）的DSP設計與傳統DSP設計方法進行詳細的比較分析。

【關鍵詞】FIR數字濾波器 DSP MATLAB仿真

在信息處理技術快速發展的21世紀數字化時代，科技的發展越來越離不開數字信號處理技術，尤其是在電子、通信、自制這種高科技領域，數字信號處理水平決定了項目發展的高度。數字信號處理不存在漂移現象，所以相對與模擬濾波器而言，數字信號濾波器能更好的處理低頻信號，并具有更理想的頻率響應特性，更高的精度，且易于集成化處理。因此，數字濾波器在高科技領域的應用越來越普遍。

1 FIR與IIR數字濾波器介紹

數字濾波器的實現方法主要有IIR濾波器和FIR濾波器兩種。

1.1 IIR數字濾波器

無限長沖激響應濾波器IIR，通過設計模擬濾波器的方法，優點是有良好的幅頻特性，但是有非線性的相位。因此，為得到良好的相位特性，就必須在濾波器中加入移相器使糾正相位，此時得到的濾波器會比較復雜并且成本增加。

1.2 FIR數字濾波器

有限長沖激響應濾波器FIR，其組成由有限個采樣器。相比于無限長沖激響應IIR，FIR既能保證其很好的幅頻特性，又能具有良好的相頻特性。在應用中的數據傳輸、語音通信等方面，一般會要求保證要有線性的相頻特性，故在這些領域中FIR有著IIR無法替代的優勢。所以在要求需要有線性相位的工程設計中，大多數都是使用有限長沖激響應濾波器。

令有限長沖激響應濾波器FIR單位沖激響應h（k），k為（0～（k-1）），而用r（k）表示濾波器在k時刻的輸入，則k時刻的輸出為：y（k）=y（k）=h（0）r（k）+h（1）r（k-1）+…+h（k-1）r[k-（k-1）]=k-1K=0Σh（k）r（k-k）（1）其對應的FIR濾波器的傳遞函數為：H（z）=k-1K=0Σh（k）z-k（2），由此，可以得出FIR濾波器的特點如下：

（1）濾波器的幅度可以根據需要進行設計，不會有很大的失真且具有嚴格的相位；

（2）不需要考慮穩定性的問題，因為FIR濾波器的沖激響應是有限長的；

（3）不會出現遞歸型結構中的極限振蕩，由于FIR濾波器一般不會設計成遞歸型，因此，在有限運算下不會出現不穩定現象；

（4）FIR濾波器運算效率高，因為可以采用FFT算法實現。

2 FIR數字濾波器硬件設計

在實際應用中，如果系統中用到DSP技術，那么使用工作頻率一般會比較高，因此在設計中會有很多地方不同于普通的數字電路，尤其注意PCB高頻信號布線處理，了解DSP系統的高頻特性，尤其要明白軟硬件協同設計和信號的完整性的概念，然后要解決信號完整性問題，可使用EDA仿真軟件CADEkCE仿真，測試并確定電路是否會受到布線影響。應先了解系統要求，明確系統功能參數，根據要求設計程序框圖。

2.1 DSP芯片選擇

確定DSP芯片要結合各種因素，滿足系統實時性要求，明確處理精度，考慮預算。最初在選擇時，要根據性能指標確定型號，并酌情留有冗余。例如，可以通過計算機上仿真，測試芯片是否滿足實時性要求，可以計算出算法所需要多少DSP指令，然后在留有余量的情況下選出DSP芯片的具體型號。一般芯片性能越高，可滿足的算法就會越復雜。

2.2 DSP芯片外圍器件選擇

DSP擴展電路主要有儲存器，模數、數模轉換以及接口芯片。模數采樣芯片的選擇要根據系統中主控芯片處理的模擬信號頻帶寬度，也要考慮到成本。AD采樣需要服從Nyquist 采樣定律。例如，一般通訊中帶寬為25kHz，人的聲音信號為2～20KHz，圖像采集信號頻率為8MHz，根據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率至少是其輸入頻率的兩倍才能無失真的還原原始模擬信號。存儲器應選擇存取速率與所處理芯片吻合的型號，不然就不能充分利用DSP的高計算速度或者出現讀取錯誤。

3 FIR數字濾波器軟硬件設計

在以往的工程設計中，軟件設計和硬件設計是相互獨立的，只是在完成設計后留出所需的接口實現軟硬件的聯調。但是如今系統功能越來越復雜，并且軟硬件之間的聯系也越來越緊密，這種軟件與硬件獨立研發的工作模式已經很難滿足如今系統的設計要求，所以就產生的軟硬件合作設計模式。

3.1 軟硬件設計介紹

軟/硬件協同設計就是指在一次工程設計中，軟件與硬件使用同一工具和統一的描述語言。目前這種設計模式在性能評估和協同驗證方面應用較多，應用時，要保證仿真結果是對運行環境的真實模擬。

3.2 軟硬件設計方法

DSP硬件系統設計的一般方法常用的軟/硬件協同驗證方法有三種：

（1）在C的基礎上設計軟硬件開發平臺，然后利用此平臺設計硬件電路和應用程序。

（2）通過硬件描述語言HDL搭建硬件電路模型，再通過HDL模擬器仿真的虛擬原型機的軟/硬件協同驗證。將編譯完成的軟件程序嵌入系統的邏輯寄存器中，然后由處理器DSP從寄存器中讀取程序指令并運行程序，由此完成硬件與軟件聯合運行的功能驗證；

（3）利用指令集仿真器（ISS）加總線功能模型（BFM）的方法。這種方法通過ISS來執行軟件并且利用BFM來產生總線上的動作，其它硬件設備則根據總線的行為來完成自己的功能，從而驗證整個系統的軟/硬件工作是否正常。

4 設計性能測試

4.1 性能測試方法論證

設定好FIR濾波器參數后，將數據輸入DSP中，但在DSP語言中不能識別十進制小數，因此需要加入數字轉換模塊把參數改成小數，然后就能在芯片中運行濾波器功能。數字濾波器的設計流程如下：

（1）根據設計要求，通過軟件工具如MATLAB計算濾波器參數。

（2）分析所用DSP芯片的功能特點，對濾波器的性能進行綜合考慮，對芯片難以實現的功能適當舍棄。

（3）初步設計完成，根據上文介紹，軟硬件仿真。

（4）根據仿真結果對濾波器參數、結構再調整，使其滿足要求。

（5）在DSP中運行程序。

4.2 結果測試

設計完成后，使用仿真軟件CCS測試設計結果，例如，設計低通濾波器，需要檢測輸入波形低頻部分是否通過，輸入波形毛刺是否濾除。

5 總結

利用DSP設計FIR數字濾波器可實現有良好的線性相位，且可以在后期修改參數，改變少量程序代碼就能實現不同的帶寬的高、低通濾波，同時濾波效果可觀，實用性強。通過軟硬件結合的方式，可優化設計流程，節省設計時間。

參考文獻

[1]梁光勝，胡紅.DSP設計方法的研究[J].中國電力教育，2006（S1）：176-179.

[2]劉萬松.基于DSP的FIR數字濾波器的設計[D].貴州：貴州大學，2008.

[3]叢玉良等.數字信號處理原理及其MATLAB實現[M].北京：電子工業出版社，2004.

作者簡介

孫越（1988-），女，江蘇省南京市人。大學本科學歷。畢業于南京東南大學。現為南京熊貓漢達科技有限公司助理工程師。主要研究方向為電子工程。

作者單位

南京熊貓漢達科技有限公司 江蘇省南京市 210000