FIR数字滤波器在DSP上的实现

《现代电子技术）２００７年第１期总第２４０期　测试・测量・自动化司　ＦＩＲ数字滤波器在ＤＳＰ上的实现　伍小芹，吴秋丽　（海南大学信息学院海南海口　５７０２２８）　摘　要：在ＴＭ￥３２０Ｃ５４ｘ系统开发环境ＣＣＳ（Ｃｏｄｅ　ＣｏｍｐｏｓｅＩ＇Ｓｔｕｄｉｏ）下对ＦＩＲ滤波器的ＤＳＰ实现原理进行了讨论。利　用Ｍａｔｌａｂ中的ＦＩＲ数字滤波器的函数设计相应的滤波器，对得到的滤波器系数采用Ｑ１５格式表示，并用Ｃ语言产生模拟输　入信号。将获取的系数和输入信号通过相应的指令调到ＤＳＰ芯片的数据存储器中，运用ＭＡＣ指令、循环缓冲寄存器、块循　环寄存器实现已知混合信号的滤波。通过实验仿真，从输入信号和输出信号的时域和频域曲线可看出在ＤＳＰ上实现的ＦＩＲ　滤渡器能完成预定的滤渡任务。　‘　关键词：ＣＣＳ开发环境｝ＤＳＰ｝ＦＩＲ｝Ｍａｔｌａｂ　中田分类号：ＴＮ７１３　．７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００７）０１—０８５一Ｏ３　ＦＩＲ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＤＳＰ　Ｃｈｉｐ　ＷＵ　Ｘｉａｏｑｉｎ．ＷＵ　Ｑｉｕｌｉ　（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｈａｉｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｈａｉｋｏｕ．５７０２２８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔＯ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ＦＩＲ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｄｅ　Ｃｏｍｐｏｓｅｒ　Ｓｔｕｄｉｏ（ＣＣＳ）ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＦＩＲ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｍａｔｌａｂ．Ｗｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｑ１　５　ｆｏｒｍ．Ｃ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｈｅｌｐｓ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ａｎａｌｏｇ　ｉｎｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ，ａｒｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ　ｉｎｔｏ　ＲＡＭ　ｏｆ　ＤＳＰ　ｃｈｉｐ．Ｔｈｅｎ　ｕｓｉｎｇ　ＭＡＣ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ，ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｂｕｆｆｅｒ　ｒｅｇｉｓｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｂｌｏｃｋ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｒｅｇｉｓｔｅｒｓ　ｔＯ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｋｎｏｗｎ　ｓｉｇｎａ１．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｅ　ｃａｎ　ｃｏｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ＦＩＲ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＤＳＰ　ｃｈｉｐ　ｃａｎ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔａｓｋｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＣＳ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ＤＳＰ；ＦＩＲ；Ｍａｔｌａｂ　处理。这里重点讨论如何在ＣＣＳ开发环境下实现ＦＩＲ滤　１　引　言　波器。　在数字信号处理过程中，经常需对信号进行过滤、检　测、预测等处理，这些任务的完成都要用到滤波器。ＦＩＲ　２　ＦＩＲ滤波器的ＤＳＰ实现原理　滤波器是有限长单位冲激响应滤波器，在结构上是非递归　在ＤＳＰ上实现ＦＩＲ滤波器的方法很多，主要分为用　型的。他可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确严格　ＭＡＣ指令实现或者用ＦＩＲＳ指令实现。假设ＦＩＲ滤波器　的线性相位。线性相位特性在实际应用中非常重要，如在　的冲激响应为＾（Ｏ），＾（１），…，＾（Ｎ一１），也即为ＦＩＲ滤波　数据通信、图像处理、语音信号处理等领域，往往都要求具　器的系数。　（ｎ）表示滤波器在ｎ时刻的输入，则ｎ时刻的　有线性相位特性。并且由于ＦＩＲ滤波器的单位脉冲响应　输出为：　有限长，系统不存在非稳定现象，我们总能用因果稳定系　（ｎ）一＾（Ｏ）　（ｎ）＋ｈ（１）ｘ（ｎ—１）＋…＋　统来实现ＦＩＲ滤波器。ＦＩＲ主要的不足在于其较好的性　＾（Ｎ—１）ｘＦ．一（Ｎ　１）］　能是以较高的阶数为代价换来的，对于相同的设计指标，　求输出的运算是一个乘加的过程，可用ＤＳＰ中ＭＡＣ　ＦＩＲ滤波器所要求的阶数比ＩＩＲ滤波器高２～５倍，信号的　指令或ＦＩＲＳ指令实现该乘加的计算。图１说明了如何使　延迟偏大。因此。在保证相同性能的前提下，尽量降低其　用循环寻址实现ＦＩＲ滤波器。　阶数是ＦＩＲ数字滤波器设计的目标之一。　开始时输入抽样值结束时输入抽样值　本文利用Ｍａｔｌａｂ环境下有关的ＦＩＲ滤波器函数得到　ｘ（ｎ）　ｘ［ｎ－（Ｎ－１）】　相应类型的滤波器系数，由于ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ是ｌ６位定点　环　处理器，在进行汇编程序设计时，数据需采用Ｑ１５格式，　ｘ（ｎ－２）　因此需将系数分别乘以２　。同理输入信号也要经过如此　ｘ（ｎ－１）　图１　ＦＩＲ滤波器存储器里的数据存储方式　收稿日期：２００６一Ｏ６—１６　８５　维普资讯 http://www.cqvip.com

伍小芹等：ＦＩＲ数字滤波器在ＤＳＰ上的实现　在图１中，滤波系数指针初始化时指向＾（Ⅳ一１），经　在ＣＣＳ环境下实现ＦＩＲ滤波器的程序框图如图３　过一次ＦＩＲ滤波计算后，在循环寻址的作用下，仍然指向　所示。　＾（Ｎ一１）。而数据缓冲区指针指向需更新的数据，如　（”）。在写入新数据并完成ＦＩＲ运算后，该指针指向　（”一　（Ｎ一１））。因此，利用循环寻址可方便地完成滤波窗口数　据的自动更新。　３开发环境ＣＣＳ简介　Ｃｏｄｅ　Ｃｏｍｐｏｓｅｒ　Ｓｔｕｄｉｏ（ＣＣＳ）是ＴＩ公司推出的为开发　ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ软件的集成开发环境（ＩＤＥ）。ＣＣＳ工　作在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统下，类似于ＶＣ“的集成开发环　境，采用图形接口界面，提供编辑工具和工程管理工具。　ＣＣＳ的软件开发流程图如图２所示。　图３　用循环寻址的方法实现ＦＩＲ滤波器的程序框图　从图３可知ＦＩＲ滤波器的ＤＳＰ实现包括４个部分：模　拟输入数据的生成、ＤＳＰ初始化程序、滤波系数以及输入　围２　简化的ＣＣＳ开发流程　数据的调入及滤波子程序。其中模拟输入数据的生成可　对于ＣＣＳ的使用，先应建立工程文件＊．ｍａｋ。根据　利用ｃ语言编程实现，用．ｃｏｐｙ汇编命令将生成的数据文　需要，添加Ｃ语言源程序＊．Ｃ，汇编源程序＊．ａｓｍ，链接配　件拷贝到汇编程序中，作为ＦＩＲ滤波器的输入数据，文中　置文件＊．ｃｍｄ等可能需要的文件，完成整个工程的建立；　Ｃ语言程序运行后所生成的数据文件名为ｆｉｒｉｎｐｕｔ。ＤＳＰ　然后对源文件编辑、修改后进行汇编、连接以生成目标文　初始化程序包括了对堆栈指针（ＳＰ）、软件等待状态寄存器　件＊．ＯＵｔ。对源文件每作一次修改，都必须全部重新建　（ＳｗｗＳＲ）、中断寄存器（ＩＦＲ）、中断屏蔽寄存器（ＩＭＲ）以　立，生成新的目标文件＊．ｏｕｔ。接下来，就可用ＣＣＳ调试，　及处理器工作状态寄存器（ＰＭＳＴ）的初始化，另外还对各　先让系统复位，再载入＊．ｏｕｔ。调试的方式是多种多样　变量赋值。由于滤波器系数一开始是存在程序存储器中，　的，有单步执行、多步执行、单步跳出、单步进入等，还有断　输入数据则是存在程序外的文件中，程序对这两组数据进　点设置和探测点设置。　行处理时，需要把两者都调到数据存储器中，这是滤波系　数以及输入数据的调入部分的任务。滤波子程序重复执　４　ＦＩＲ滤波器设计实例　行的次数一般等同于输入序列的长度，实现对数据的读　入、处理、输出等功能。　用循环缓冲区和双操作数寻址方法实现ＦＩＲ滤波器，　先用Ｍａｔｌａｂ，选择５１点海明窗设计一个通带截止频率为　５仿真实验结果　９　ｋＨｚ，阻带截止频率为８　ｋＨｚ的高通滤波器，对混合信号　实验中将滤波前的信号放置在数据存储器中从２００Ｈ　ｆ—ｃｏｓ（２　０００　７ｖｔ）＋ｃｏｓ（１０　０００　７ｖｔ）＋ｃｏｓ（２０　Ｏ００ｎｔ）］／６进　开始的２５６个字中，采样频率为２５　ｋＨｚ，采样点数选为　行滤波，采样频率选为２５　ｋＨｚ。分析可知信号通过高通　２５６，对其前１２８个数据进行观察。在ＣＣＳ仿真环境中，单　滤波器后的输出应该只包含１０　ｋＨｚ的余弦信号。本文用　击Ｖｉｅｗ—Ｇｒａｇｈ—Ｔｉｍｅ／Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ…，在对话框的第一　到的高通滤波器系数如表１所示。　行“ＤｉｓｐｌａｙＴｙｐｅ”选择“ＳｉｎｇａｌＴｉｍｅ”然后在对话框各属性位　裹ｌ高通滤波器系数裹　８６　维普资讯 http://www.cqvip.com

《现代电子技术｝２００７年第ｌ期总第２４０期　置按图４所示填入相应参数。当“Ｄｉｓｐｌａｙ　ｔｙｐｅ”选择为　测试　到量・自动化ｑ　对比ＣＣＳ下所显示的滤波前和滤波后信号的时域和　频域波形图可看出，混合输入信号经过高通ＦＩＲ滤波后，　“ＦＦＴ　Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ”，在对话框中设置如图５所示的参数，可　看到相应信号的频域波形。输入信号的时域和频域波形　分别如图６，图７所示。　１０　ｋＨｚ频率的正弦信号被保留，其余两个信号得到压制，　实现了预期的滤波效果。　图８经高通滤波后的时域波形　图４输入信号时域渡形属性设置　图９经高通滤波后的频域波形　图５输入信号频域渡形属性设置　６结　语　本文介绍ＣＣＳ开发环境下如何采用循环寻址的方式　实现ＦＩＲ数字滤波器。根据指标在Ｍａｔｌａｂ中设计ＦＩＲ高　通滤波器，通过实验仿真，对由Ｃ语言产生的混合信号进　行高通滤波，比较ＣＣＳ下滤波前后的时域和频域图可知　设计的结果能满足要求。　参考文献　图６输入信号的时域波形　［１］卢山，田野，郭黎利．利用ＤＳＰ技术实现ＦＩＲ滤波器［Ｊ］．应　用科技，２００２，２９（１１）：１９—２１．　［２］胡琥，万秋玉，周彤．ＦＩＲ数字滤波器的ＤＳＰ实现［Ｊ］．哈尔　滨理工大学学报，２００４，９（１）：１２２—１　２４．　［３］薛继华，沈琰．一种基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２实现ＦＩＲ滤波器　的技术［Ｊ］．南通大学学报：自然科学版，２００５，４（３）：７１　７４．　［４］文玮玮，董金明．数字滤波器在定点ＤＳＰ上的实现［Ｊ］．遥测　遥控，２００１，２３（１）：３６—４１．　囤７输入信号的频域波形　［５］周金治．基于Ｍａｔｌａｂ与ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波器软硬件实现　类似于上面的设置，将Ｓｔａｒｔ　Ａｄｄｒｅｓｓ内容改为　［Ｊ］．现代电子技术，２００５，２８（１　７）：１—２．　［６］孙克梅，刘洋．数字滤波器在ＤＳＰ上的实现［Ｊ］．沈阳航空工　０ｘ１０２０，就可以分别画出高通滤波后信号的时域图（图８）　业学院学报，２００５，２２（３）：５３—５４．　和频域图（图９）。　《现代电子技术））（ＮＮ　ＴＵ）２００６年电子版开始征订　电话：Ｏ２９—８５３９３３７６　邮发代号：５２—１２６　定价：１５８元／套　８７