基于DSP的典型數字濾波器的設計

覃寧

摘要：近年來，經濟的發展，促進我國科技水平的提升。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。本文就基于DSP的典型數字濾波器的設計展開探討。

關鍵詞：數字信號;濾波器;DSP

引言

相比于傳統的模擬濾波器，數字濾波器沒有模擬器件的溫度和電壓漂移，性能更加可靠且能夠達到很高的精度，同時濾波器參數容易修改。由于數字器件的規范性，數字濾波器能夠進行大規模的集成，通過DSP數字處理芯片可以實現并行操作處理。

1數字濾波器的主要定義

數字濾波器是與模擬濾波器相對應的，我們在常用的離散系統中，使用數字濾波器。它的主要作用是利用離散時間系統的特性，在這里時間就是一個變量，然后在對外部輸入的信號，進行處理，這里的輸入信號一般都是廣義上的波形型號，信號可以是電壓、電流、功率等。當然也有類似于頻率等這種。在實際的操作中，我們也可以把輸入的信號波形變成輸出，也就是將輸入和輸出倒置。從而實現我們將信號的頻譜修改的目的

2數字濾波器的設計方法

2.1DSP系統

DSP信號處理流程如下，首先將樣本輸入，經過抗混疊濾波、A/D轉換、DSP芯片、D/A轉換、平滑濾波后，將計算結果輸出。在信號處理過程中，大部分為模擬信號，但DSP只對數字信息進行接收，因此先要將模擬信號利用A/D轉變為數字信號，在實際應用中，對FTT變化、相對卷積進行處理，再對數字信號進行轉化后，使其成為模擬采樣值，最終將不平滑的濾波輸入到濾波器中，經過處理后獲得連續信號。對于DSP系統來說，在信號處理理論的引導下，具有數字信號的特點，主要體現在兩個方面，一是與之兼容的接口較多，且均具有數字化特點，便于與其他接口相連;二是由于DSP芯片中，系統可根據實際操作，由工作者進行編程后改變，具有較強靈活性，可重復操作;三是運行速度較快，可達10GMIPS，甚至更多。

2.2FIR數字濾波器軟硬件設計

（一）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。（二）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。

2.3數字濾波器常用的算法

我們數字濾波器迄今為止已經有不下幾十種濾波的算法。但是我們常使用的濾波算法，也就是最多五來種，這十幾種算法已經在我們日常的算法中充當了主力軍。本文主要對十種算法進行一個簡單的列出。在排在前五種算法中，最常用的是限幅濾波法，我們在收到輸入輸出波形時候，是不規則的，我們會在濾波器中進行一個模擬上下限值，其中高于上限的數值以及低于下限的數值我們主動過濾。該算法其實是非全數學算法。中位值過濾法是實際上是由中間值替代一個鄰域中各點值的中值代替，這種方法比較適應于曲線擬合以及曲線描繪的方式。這種過濾對脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是有一個優勢的地方就是在濾除噪聲的基礎上，還可以比較完整的保存信號的邊緣。算術平均濾波法是數字濾波通過數學計算，并且求平均值的一種最簡單的一種，這個方法就是將信號進行多次采樣，然后將輸出的數字量信號進行平均計算，作為某一時刻的平均值，具體采樣的次數主要根據不同的情況進行界定。這種算法主要是對于多頻次有規律的的信號干擾以及偶發性的信號干擾有明顯的作用。 遞推平均濾波法主要應用在一些特殊的場景，例如，在一些項目與聯絡問題中都需要對信號的矩陣進行特征性向量的數值，我們一般如何快速并且準確的計算出特性向量那就是整個項目實際問題得到解決的關鍵因素。現在我們求解特性向量的辦法比較多，但是大部分需要進行一個海量的計算，計算比較大就直接影響工作效率以及計算的準確度，現在是我們實際的方法一般都是講特性的向量做出一個直接預估，也有一部分計算是將特征向量延伸出來一套子空間的計算進行一個預估，這種做法是很難將信號進行處理的，一般歷史信號還比較好，但是實時數據的信號一般很難進行實時處理。現在對于計算復雜度比較高的特性向量做主直接的遞推預估也是不常見的方式。一階低通濾波法，它的主要的特性我們一般使用一個一元微分的方程進行示意。一般情況下，線性的連續的系統特征除了可以在時間域下面進行微積分方程外，還有沖擊響應的表的表示，還有就是通過將時間變為頻率為自變量的一種算法表示，這個叫做響應的頻率。這種方式是時間倒數的表示方式。我們可以證明出來系統的頻率響應其實就是沖擊響應的一種算法。現在算法一般公式表示為傅里葉變換。

3實現方案

在濾波器計算時，應對輸入信號、濾波系數卷積進行計算，假設x（n）代表的是輸入信號;h（n）代表的是濾波器沖擊響應。在數字信號處理中，由于卷積屬于應用較為頻繁的算法，在全部DSP芯片中均設置了專門的卷積運算。在本文研究的系統中，可采用macd指令完成卷積，該指令的形式為：macd（Smem，pmad，src）。在該指令中，由于存儲器地址為Smem，具有尋址作用，但Pmad單純具備存儲地址。因此，在指令實施之前，先要將pmad中的地址傳輸到寄存器中，再用Smem對內容進行識別，最終將全部內容相加，所得到的結果傳輸到累加器中。在實際運行過程中，首先將累加器中的數據復制出來，傳送到后續地址、寄存器中，如若只是單純對命令進行復制，便可將寄存器持續加1，使讀取程序反復循環三個周期;如若數據非循環，只需一個周期即可，數據移動之后，卷積所需的計算便已完成，對DSP芯片進行編程，便可使濾波器的功能充分實現。在系統芯片中，設置2個McBSP，該硬件部分是在標準串行口基礎上，引腳連接界面，擁有雙倍和三倍發送緩沖存儲器，可獨立收發時鐘信號。在工作原理方面，發送時數據傳入寄存器中，再發送時鐘與幀同步情況下，通過寄存器將數據發送到引腳;在數據接收過程中，在FSR控制之下，將接收引腳的數據傳輸到寄存器中，并在接收緩沖寄存器中存儲，再復制到DRR中，最終由CPU或者DMA控制器讀取。通過對串行接口位置控制寄存器。在采樣頻率方面，可通過模擬電路的確定采樣頻率，在芯片方面集成16位ADC/DAC，編程設置傳輸與轉換周期，最高轉換頻率為22.05KHz，在采樣頻率確定的情況下，對控制寄存器進行設定。

結語

數字濾波器是一個針對不同應用場景，選定不同方式以及算法的復雜的工程，在實際的應用中有多變的外部因素在影響，具體使用還應結合實際情況進行項目的開發與算法的開發。

參考文獻

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