基于DSP C54x的数字滤波器设计

基于DSP C54x的数字滤波器设计

一个实际的应用系统中,总存在各种干扰。使用DSP进行数字信号处理时,可以从噪声中提取信号,即对一个具有噪声和信号的混合源进行采样,然后经过一个数字滤波器,滤除噪声,提取有用信号;数字滤波器是DSP最基本的应用领域,也是熟悉DSP应用的重要环节。在系统设计中,滤波器的好坏将直接影响系统的性能。

数字滤波器的基本理论和设计

对于数字滤波器的系统函数可以表示为:


可以直接写成表示输出与输入的关系,即常系数线性差分方程:以下是IIR滤波器的表达式


当全部,即系统函数和单位抽样响应,则系统是FIR。

其滤波结构图如图一所示——横向滤波结构

图一横向滤波器结构图

FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算。它不断输入样本,经延时,作乘法累加,再输出滤波结果y（n）。在这里使用FIR滤波器,它有以下几个特点：
（1）　　系统的单位冲激响应h（n）在有限个n值处不为零;
（2）　　系统函数H（z）在 z >0处收敛,在 z >0处只有零点,有限z平面只有零点,而全部极点都在z=0处;
（3）　　结构主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈。

这本次设计中FTSK输入数据中包含频率为800HZ,1200HZ,1600HZ,2021HZ,中心频率为1600HZ,提取该频率的信号。利用Matlab设计一个带通滤波器。具体参数为：采样频率为22050HZ,通带宽度为250HZ,则Fpass1=1475HZ,Fpass2=1725HZ,衰减1db,过渡带为200HZ则Fstop1=1275HZ,Fstop2=1925HZ,阻带衰减为30db。运行Matlab获得126阶的带通滤波器,并提取系数。

用线性缓冲区和带移位双操作数寻址方法实现FIR滤波器

在这里介绍用线性缓冲区法实现,其特点是：
（1）　　对于N级的FIR滤波器,在数据存储区中开辟一个称之为滑窗的N个单元的缓冲区,存放最新的N个输入样本。
（2）　　从最老的样本开始,每读一个样本后,将此样本向下移位。读完最后一个样本后,输入最新样本至缓冲区的顶部。
在这里N=126,y（n）=
在数据存储区中存放系数,并设置线性缓冲区存放输入数据。

具体实现程序如下：
.title　　　　“simfir126.asm”
.　　　　　　.global_firinit;两个汇编程序,可作为C语言的调用,一个是初始化滤波器
　　　　　　.global_asmfir;另一个是滤波器执行程序
　　　　　　.mmregs
　　　　　　X.usect“data1”,127
　　　　　　.bss　　　　data1,1
SIZE　　.set　　127
　　　　　.data
COEF　　　　　　　;从matlab中获得的滤波器系数
;滤波器初始化
　　　　_firinit：
　　　　SSBX　　FRCT
　　　　STM　　#X+（SIZE-1）,AR2
　　　　STM　　#（SIZE-2）,AR0
　　　　RET
;滤波器执行：
　　　　_asmfir：
　　　　STL　　　A,*AR2+0
　　　　RPTZ　　A,#（SIZE-2）
　　　　MACD　　*AR2-,COEF,A
　　　　STH　　　A,*AR2
　　　　LD　　　　*AR2+,A
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　RETD
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　.END

Simulator仿真结果分析与硬件调试

仿真在系统调试中起着重要作用,TI公司也提供了软件仿真器（Simulator）来调试程序。其中提供的探测点（Probe　Point）功能非常强大,它是一个开发算法的工具,将计算机文件数据传送到目标板的buffer提供DSP软件应用,同时可以将计算结果输出到计算机文件中供分析,也可以通过CCS提供的图形窗口观察输入输出数据情况。

在本次设计中利用CCS提供的断点和探测点,指定FTSK数据文件的输入点,进行相关设定,同时利用CCS提供的图形窗口观察输入和输出的波形与频谱。运行程序,分别得到输入波形和频谱图（图二）,输出波形和频谱图（图三）下面分别对这两个图形进行分析。

输入波形和频谱图


图二　输入信号的波形和频谱图

由图二输入信号的波形图可以看出,输入是有四个不同频率调制的波形。左边第一种图形在一个周期内占大约1格,而一格所占的时间为0.00605/10=0.605ms,所以周期大约为T1=0.605*1=0.605ms,频率为1652Hz。最右边的图形一个周期内约占0.8格,T2=0.605*0.8=0.484ms,频率约为2066Hz。中间的两个图形在一个周期内分别约占2格和1.3格,周期分别约为T3=0.605*2=1.21ms,频率约为826Hz,T4=0.605*1.3=0.7865ms,频率约为1271Hz。这四个频率与输入的800Hz,1200Hz,1600Hz,2021Hz基本相同。由图中的输入频谱同样可以看出有四个频率的输入波形,其频率分别约为2756*3/10=826.8Hz,2756*4.5/10=1240Hz,2756*6/10=1653Hz,2756*7.5/10=2067Hz,与输入的800Hz,1200Hz,1600Hz,2021Hz基本接近。

输出波形和频谱图


图三　　输出信号的波形和频谱图

由图三中的输出信号波形图可以看出滤出的波形在一个周期中约占1格,而一格所占的时间0.00605/10=0.605ms。频率约为1652Hz,与要求滤出1600Hz的要求接近。由图三中的的频谱图可以看出滤出的频谱图的频率约在第6格,则滤出的频率约为2756*6/10=1659Hz,与所要求滤出1600Hz的要求接近。

根据以上Simulator仿真和结果分析,所设计的滤波器能够很好的满足滤波的要求。Simulator仿真是在进行系统设计中的一个重要环节,有利于提高我们进行硬件调试的成功率。

基于上面的结果,利用TMS320C5402?DSK系统板进行实验,在一个AD/DA转换的主循环中加入所设计的滤波器,调节信号发生器,对示波器进行观察,可以发现所用的滤波器能很好的满足设计要求。但程序的输入与输出数据读写语句要作相应的修改。

结束语
在进行数字滤波器设计时,还需要以下几点：
（1）在用Matlab设计滤波器时采样频率一定要满足奈奎斯特准则。当采用带通滤波器时,通带宽度一般在200~300Hz,衰减一般为1db,过渡带一般在100~250Hz,阻带衰减一般在30db。
（2）使用探针方法输入数据时,一般要求输入数据是16进制的小数表示,但如果输入10进制的也可以,但需在两次确认之后才可以输入。
（3）在图形窗口观察结果时,如果所观察的图形不明显,可以通过设置幅度值来改善效果。
总之,滤波器设计是我们实际系统应用中重要的一方面,相比传统的R,L,C元件和运算放大器组成的块滤波器,更有发展的潜力。

参考文献：
1．戴明桢　周建江编著,TMS320C54x?DSP结构、原理及应用,北京航空航天大学出版社,2004
2．郑红　吴冠编著,TMS320C54x　DSP　应用系统设计,北京航空航天大学出版社,2003
3．程佩青编著,数字信号处理教程（第二版）,清华大学出版社,2002