基于DSPFIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

1、基于基于 dspfirdspfir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 摘要摘要 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法 器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前期處理。 用 dsp 芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)及不受外界影響等 特性。因此基于 dsp 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器廣泛應(yīng)用于語音圖像處理、數(shù)字通信、頻譜分 析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。 本文主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論，并對(duì)有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器 fir 的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析和研究，尤其是在 matlab 環(huán)境下 fir 數(shù)字濾波器的

2、設(shè)計(jì)，主要是 窗函數(shù)法及利用 matlab 的濾波器設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)方法，并用 matlab 語言編寫了可以 選擇濾波器四種類型及七種窗函數(shù)的仿真程序，進(jìn)行了具體的仿真分析。 研究了 ti 公司的 16 位定點(diǎn) dsp 芯片 tms320c55x 的硬件和軟件結(jié)構(gòu)特性，編寫了 dsp 的 fir 濾波算法，在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行了調(diào)試仿真;探討了利用 dsp 快速設(shè)計(jì) fir 數(shù)字 濾波器的方法，主要是在 matlab 中調(diào)試仿真 dsp 程序來尋找系數(shù)的快速傳遞法。最后， 以 tms320c55x 為主芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)高性能的 fir 數(shù)字濾波器系統(tǒng)，主要是時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn) 生電路、芯片電源供電電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換

3、和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與 c55x 連接電路、外掛程序存 貯器 flash 電路、擴(kuò)展 ram 存貯器等基本外圍電路的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :數(shù)字信號(hào)處理器;數(shù)字濾波器;fir;matlab;tms320c55x thedesignandanalysisoffirdigitalfilterbasedon dsp abstract adigitalfilter,whichisoneofthemostimportantpartsofdigitalsignalprocessing,isanalgorithm oradevicemadeofdigitalontime- multiplier,adderand

4、delayofelements.itcanbeusedtobethepretreatmentofsignalbyapplicationpro gram.thefirdigitalfilterbasedondsphasmanyfeatures,suchasuninfluenced,highaccuracy,goo dstabilityandhighlyflexible.thedigitalfilteriswidelyusedinfieldsofspeechimageprocessing,digit alcommunication,spectrumanalysis,patternrecogniti

5、onandautomaticcontrol,etc.itwillhasbroads pacefordevelopment. inthispaper,themainlytaskisresearchingthebasictheoriesofthedigitalfilter,andanalyzingthe designingandrealizationofthefiniteimpulseresponsedigitalfilter(fir),especiallythemethodwhi chrealizedundermatlabenvironment,thewindowfunctionsisprima

6、rilyintroduced,themethodo fusingthedigitalfilterdesigntoolsinmatlabisalsoapplied.italsocompilesaprocedurewithmat lablanguagewhichcanselectfoursortsofdigitalfilterandsevenkindsofwindowfunctions. then,thispaperresearchesthestructureandpropertyofthe16bitfixed- pointdspchiptms320c55x,andwritesthefirfilt

7、erprogramwhichisdebuggedandsimulatedbye xperiments.thedesignofthefirfilterusingdspisdiscussed,whichfocusonthemethodofcoefficie nttransmissionoverpassingdebuggingthedspprograminmatlab.finally,adigitalfiltersystem withpreferablecapabilityisdesignedbasedonthec55x,itsconsistsofthedesignofhardwareinterfa

8、ce,w hichincludingtheclock- generatingcircuit,thechippowersupplycircuit,thea/dandd/achipconnectinginterface,theflas hchipconnectinginterface,extendedramconnectinginterfaceandsoon. keywords:dsp;digitalsignalfilter;fir;matlab 引引言言 在許多數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，fir 濾波器是最常用的組件之一，它完成信號(hào)預(yù) 調(diào)、頻帶選擇和濾波等功能。f 工 r 濾波器在截止頻率的邊沿陡峭性能

9、雖然不及 11r 濾 波器，但是，考慮到 fir 濾波器嚴(yán)格的線性相位特性和不像 iir 濾波器存在穩(wěn)定性的 問題，fir 濾波器能夠在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字濾波器（digitalfilter，簡稱為 df）是指用來對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的硬 件和軟件。所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變 輸入信號(hào)所含頻率成分的器件。數(shù)字濾波器和模擬濾波器相比，因?yàn)樾盘?hào)的形式和實(shí) 現(xiàn)濾波的方法不同，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、 靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。 隨著信息時(shí)代的到來，數(shù)字信號(hào)處理已成為當(dāng)今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。 數(shù)字信號(hào)在通

10、信、語音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多 領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理中數(shù)字濾波占有極其重要的地位，與模擬濾 波相比，數(shù)字濾波具有很多突出優(yōu)點(diǎn)，比如精確度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹配、 容易實(shí)現(xiàn)線性相位、還可以避免模擬濾波器無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲偏 移等問題。 數(shù)字濾波器又分為無限沖激響應(yīng)濾波器(iir)和有限沖激響應(yīng)濾波器(fir)。fir 濾 波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)相 位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 f1r 數(shù)字濾波器。同時(shí)，由于在許多場合下，需要對(duì) 信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因而對(duì)于單片機(jī)的性能要求也越來

11、越高。由于 dsp 控制器具有許 多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理，獨(dú)立的累加器和乘法器以及豐 富的尋址方式，采用 dsp 控制器就可以提高數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信 號(hào)做到實(shí)時(shí)處理。而普通的單片機(jī)例如 mcs-51 難以滿足這一要求。用可編程 dsp 芯片 實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢(shì)是:通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。有 限長單位沖激響應(yīng)(fir)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器相比 有以下優(yōu)點(diǎn): (1)簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 (2)對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力有了明顯提高，這對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了 促

12、進(jìn)作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來更加方便、靈活。 (4)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。 第一章緒論第一章緒論 1.1 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性 世紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理（） 作為技術(shù)核心，已經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之 一，無論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以前所未有的速度向前發(fā)展。數(shù)字信 號(hào)處理器，也稱芯片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的 微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著 信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為一門主流技術(shù)，它在

13、電子 信息、通信、軟件無線電、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來 越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)， 使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用芯片 來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。 近年來，技術(shù)在我國也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是 在產(chǎn)品的開發(fā)等方面，其應(yīng)用越來越廣泛，并取得了豐碩的成果。在數(shù)字信號(hào)處理中， 數(shù)字濾波占有極其重要的地位。數(shù)字濾波是語音和圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng) 用中的一個(gè)基本處理算法。在許多信號(hào)處理應(yīng)用中用數(shù)字濾波器替代模擬濾波器具有 許多優(yōu)勢(shì)。數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的

14、幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服了與模擬濾波 器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問題。用芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了 具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。用可編程 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。幾 乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)等都涉及 信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。 這些過程都可能包含衰減一個(gè)頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分，用數(shù)字濾波器來 實(shí)現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的。 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展 自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 dsp 芯片

15、誕生以來 dsp 芯片得到了飛速的發(fā)展。在 20 多年時(shí)間里 dsp 芯片已經(jīng)在信號(hào)處理、通信、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、信息家電等許 多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1978 年 ami 公司生產(chǎn)出世界上第一片 dsp 芯片 s2811。1979 年美國 intel 公司發(fā)布的商用可編程器 2920 是 dsp 芯片的一個(gè)重要里程碑。1980 年日 本 nec 公司推出的 pd7720 是第一個(gè)具有乘法器的商用 dsp 芯片。在這之后，最成功 的 dsp 芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（texasinstruments，簡稱 ti)的一系列產(chǎn)品，其 dsp 市場份額占全世界份額近的 50%。目前 dsp 芯片的價(jià)

16、格越來越低，性能價(jià)格比日益 提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過 20 年的發(fā)展，dsp 器件在高速度，可編程，小型化， 低功耗等方面都有了長足的發(fā)展，單片 dsp 芯片最快每秒可完成 16 億次(1600mips)的 運(yùn)算，生產(chǎn) dsp 器件的公司也不斷壯大。 在國內(nèi)外的研究中，設(shè)計(jì) fir 濾波器所涉及的乘法運(yùn)算方式有:并行乘法、位串行 乘法和采用分布式算法的乘法。 并行乘法運(yùn)行速度快，但占用的硬件資源極大。如果濾波器的階數(shù)增加，乘法器 位數(shù)也將變大，硬件規(guī)模將變得十分龐大。 位串行乘法器的實(shí)現(xiàn)方法主要是通過對(duì)乘法運(yùn)算進(jìn)行分解，用加法器來完成乘法 的功能，也即無乘法操作的乘法器。位串行乘法器使得

17、乘法器的硬件.觀模達(dá)到了最省， 但是由于是串行運(yùn)算，使得它的運(yùn)算周期過長，運(yùn)算速度與硬件規(guī)模綜合考慮時(shí)不是 最優(yōu)的。 分布式算法(distributedarithmetic,da)的主要特點(diǎn)是巧妙的利用 rom 查找表將 固定系數(shù)的乘累加(multiply-accumulator,mac)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法 實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算的不同在于執(zhí)行部分積運(yùn)算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累 加功能時(shí)是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對(duì)應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先進(jìn)行相加形成相應(yīng)的部分 積，然后再對(duì)各個(gè)部分積累加形成最終結(jié)果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產(chǎn)生之 后再來相加來完成乘累加運(yùn)算的。da 算法設(shè)計(jì)的

18、fir 濾波器的速度可以顯著的超過基 于 mac 的設(shè)計(jì)。 相對(duì)于前兩種方法，da 算法既可以全并行實(shí)現(xiàn)，又可以全串行實(shí)現(xiàn)，還可以串并 行結(jié)合實(shí)現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當(dāng)?shù)恼壑?，是?shù)字濾波器的主要 研究課題。 1.3 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有以下三種： （1）用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn) 軟件實(shí)現(xiàn)方法就是在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件來實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、 運(yùn)算器和控制器把濾波所要完成的運(yùn)算編程程序通過計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，軟件可由使用者 自己編寫，也可使用現(xiàn)成的。國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、公司已經(jīng)推出了不同語言的信號(hào)濾 波器處理軟件包。但是這種方法速度很慢，難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖

19、然可由用快 速傅立葉變換算法累加，來加快計(jì)算速度，但要達(dá)到實(shí)時(shí)處理還是要付出很高的代價(jià)， 因而該方法多在教學(xué)與科研中使用。 （2）采用 dsp（digitalsignalprocessing）處理器來實(shí)現(xiàn) dsp 處理器是專為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，如 ti 公司的 tms320cx 系列，ad 公 司的 adsp21x,adsp210x 系列等。它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器(mac)，能 夠在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一次成累加運(yùn)算，配有適合于信號(hào)處理的指令，具備獨(dú)特的 循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰?。這些特點(diǎn)都非常適合數(shù)字信號(hào)處理中的濾波器設(shè)計(jì)的有效 實(shí)現(xiàn)，并且它速度快，成本低，在過去的 20 多年的

20、時(shí)間里，軟件可編程的 dsp 器件 幾乎統(tǒng)治了商用數(shù)字信號(hào)處理硬件的市場。 用 dsp 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具 有靈活性好的特點(diǎn)。用可編程 dsp 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)十分方 便的改變?yōu)V波器的特性。 （3）用 fpga 可編程器件來實(shí)現(xiàn) 使用相關(guān)開發(fā)工具和 vhdl 等硬件開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù) 字濾波算法。這一方法由于具有通用性的特點(diǎn)并可以實(shí)現(xiàn)算法的并行運(yùn)算，無論是作 為獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理，還是作為 dsp 芯片的協(xié)作處理器都是比較活躍的一個(gè)研究領(lǐng) 域4。 通過比較以上三種方法可見：可以采用 matlab 等軟件來

21、學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本 知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。 也可以采用 dsp 或 fpga 來實(shí)現(xiàn)硬件電路。本文重點(diǎn)研究在利用 dsp 來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波 的設(shè)計(jì)。 第二章第二章 dspdsp 技術(shù)技術(shù) 2.1 dsp 芯片發(fā)展 數(shù)字信號(hào)處理(digitalsignalprocessing)是利用專用處理器或計(jì)算機(jī)，以數(shù)字的 形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別、分析、合成、變換處理，提 取有用的信息，得到符合人們要求的信號(hào)形式，進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處 理器(digitalsignalprocessor，簡稱 dsp)是一種處理數(shù)字信號(hào)

22、的專用微處理器，主要 應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特 點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并增加了特殊指令專門用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效 率更高。 自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 dsp 芯片誕生以來，dsp 芯片得到飛速發(fā)展。最初 僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù) 雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身， 在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。目前 dsp 芯片的價(jià)格越來越低，性能價(jià)格比日益提 高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，dsp 器件在高速度、可編程、小型化、 低

23、功耗等方面都有了長足的發(fā)展，單片 dsp 芯片最快每秒可完成 16 億次(1600mips， 每秒 1600 兆次指令)的運(yùn)算，目前，市場占有率最大的是 ti 公司的 tms320 系列 dsp 芯片。 2.2dsp 芯片基本結(jié)構(gòu) tms320 系列 dsp 芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括:哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、 專用的硬件乘法器、特殊的 dsp 指令、快速的指令周期。 （1）哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相互獨(dú)立，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、 獨(dú)立訪問，取指令和取操作數(shù)可同時(shí)進(jìn)行，程序空間和數(shù)據(jù)空間之間可相互傳送數(shù)據(jù); 系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提

24、高一倍。由于程序和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在分開的兩個(gè)空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，提高了指令執(zhí)行速 度。 （2）多總線結(jié)構(gòu) dsp 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄 存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 cpu 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間 進(jìn)行訪問，大大提高了 dsp 運(yùn)行速度。tms320c55x 系列內(nèi)部有 p,c,d,e 等 4 組總線， 每組總線中有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成如下操作: 1)從程序存儲(chǔ)器中取一條指令 2)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀兩個(gè)操作數(shù) 3)向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫一個(gè)操作數(shù) （3）流水線操作(pipeline) 流水線操作原

25、理:將指令分成幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同的操作階段完成。 tms320 系列流水線深度從 2 到 6 級(jí)不等，tms320c5510 有 6 級(jí)的流水線，tms320c6000 系列有 8 級(jí)流水線。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個(gè)操作可以獨(dú) 立進(jìn)行，不同指令的不同階段在時(shí)間上的執(zhí)行能完全重疊。 （4）專用的硬件乘法器 dsp 芯片都配有專用的硬件乘法一累加器，即用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并 用累加器寄存器來處理多個(gè)乘積的累加，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如 矩陣運(yùn)算、fir 和 iir 濾波、fft 變換等專用信號(hào)處理。 （5）特殊的 dsp 指令 為滿足數(shù)字信號(hào)

26、處理的需要，在 dsp 的指令系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一些完成特殊功能的 指令用來完成專門的數(shù)字信號(hào)處理操作。如 tms320c55x 中的 firs 和 lms 指令，專門 用于系數(shù)對(duì)稱的 fir 濾波器和 lms 算法。 為實(shí)現(xiàn) fft、卷積等運(yùn)算，當(dāng)前的 dsp 大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址 (circularaddressing)、位碼倒置(bit-reversed)指令和其他特殊指令，使得在進(jìn)行 這些運(yùn)算時(shí)，尋址、排序及計(jì)算速度有了很大的提高。 （6）快速的指令周期 采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊指令及集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)， 使指令周期可在 20ns 以下。tms320c55x

27、 的運(yùn)算速度可達(dá) 1oomips，即 100 百萬條/秒。 2.3dsp 系統(tǒng)構(gòu)成 下圖所示即是一個(gè)典型的 dsp 系統(tǒng)。圖中輸入信號(hào)可以是各種形式，如麥克風(fēng)輸 出的語音信號(hào)或電話線出來的己調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像信號(hào)等。 抗混疊 濾波器 a/d 轉(zhuǎn)換 dsp 芯片 d/a 轉(zhuǎn)換 低通濾 波器 輸入輸出 圖 2-1 典型的 dsp 系統(tǒng)框圖 其中，輸入信號(hào)應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進(jìn)行 a/d 變換，將輸入信號(hào)變換 成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息的不丟失，抽樣頻率應(yīng)該不小于 輸入信號(hào)最高頻率的 2 倍，一般取 4 到 6 倍。在本設(shè)計(jì)中，所使用的抽樣頻率為 5 倍 的截

28、止頻率。 dsp 芯片的輸入是經(jīng) a/d 變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號(hào)，dsp 芯片對(duì)輸 入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘法累加操作(mac)等。數(shù)字處理 是該 dsp 系統(tǒng)的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再 經(jīng) d/a 變換轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模 擬信號(hào)。 上面給出的 dsp 系統(tǒng)只是一個(gè)典型模型，并不是所有的 dsp 系統(tǒng)都必須具有模型 中的所有部件，應(yīng)根據(jù)具體要求來變化。 本設(shè)計(jì)中用到的北京精儀達(dá)盛有限公司的 dsp 實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)板上有 a/d,d/a 轉(zhuǎn)換 芯片，相當(dāng)于模型系統(tǒng)中的中間三個(gè)部件

29、。在不是自行設(shè)計(jì) dsp 系統(tǒng)的情況下，可以 先不考慮硬件方面的設(shè)計(jì)。另外，有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，如 cd(compactdisk)，就可以沒有模數(shù)變換這個(gè)過程。 2.4dsp 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 在設(shè)計(jì) dsp 系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分;然后用 c 等高級(jí)語言或者 matlab,systemview 等開發(fā)工具模擬所 選定的對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的算法，此處的輸入數(shù)據(jù)是實(shí)際信號(hào)經(jīng)采集而獲得的，常 以計(jì)算機(jī)文件的形式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為實(shí) 際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)證算法的可行性，輸入模擬假設(shè)的數(shù)據(jù)也可以

30、。 然后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量大小、對(duì)精度要求、系統(tǒng)成本及體積、功耗等要求選擇合適 的 dsp 芯片及其他組件;再接著進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，即根據(jù)選定的原件建立原理圖、 制作 pcb 板、器件安裝及加電調(diào)試;同時(shí)，用 dsp 匯編語言或者高級(jí) c 語言或二者相嵌 套法生成可執(zhí)行程序，用 dsp 仿真器或者軟件模擬器調(diào)試程序。 最后，將軟件加載到硬件系統(tǒng)中運(yùn)行，用 dsp 仿真器等來測試檢查所開發(fā)系統(tǒng)的 運(yùn)行能否符合實(shí)時(shí)要求，或?qū)④浖撾x開發(fā)系統(tǒng)直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。 2.5tms320c55x 概述 tms320c55x 是 ti 公司在 tms320vc54x 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的并能與 tms320v

31、c54x 兼 容的一個(gè)系列。tms320cssx 通過增加功能單元，增強(qiáng)了 dsp 的運(yùn)算能力，而且性能更 好，功耗更低，是目前 tms320 家族中最省電的芯片。這些特性使其更適合在數(shù)據(jù)速率 高，運(yùn)算量大又要求低功耗的 3g 無線通信中應(yīng)用。 2.6cpu 結(jié)構(gòu) c55x 的 cpu 是并行結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可在一個(gè)指令周期中高速完成多 項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。主要由以下幾部分構(gòu)成: (1)40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 alu:它是 c55x 的大腦，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種 功能。還有處理溢出的功能，也可以進(jìn)行布爾運(yùn)算或者把這個(gè) 40 位的 alu 看作為兩個(gè) 16 位的 alu，同時(shí)執(zhí)行

32、兩個(gè) 16 位的操作。 (2)2 個(gè) 40bit 累加器 a,b:累加器 a 和 b 存儲(chǔ)來自 alu 或乘法器/加法器單元的輸出數(shù) 據(jù)，也能輸出到 alu 或者乘法器/累加器中。每個(gè)累加器可以分為低字位(bit1s-bit0)、 高位字(bit31-bit16)和保護(hù)位(bit39-bit32)。 (3)桶形移位寄存器:它在 alu 運(yùn)算以前，對(duì)來自數(shù)據(jù)存貯器的操作數(shù)或者累加器進(jìn)行 定標(biāo)，或?qū)奂悠鞯闹颠M(jìn)行算術(shù)邏輯移位和歸一化處理，或?qū)υ诶奂悠鞯闹祵⒁尜A 到存貯器之前進(jìn)行定標(biāo)?？蓪?duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 obit-31bit 的左移和 obit-16bit 的右移。 (4)乘法器/加法器單元:由 1

33、7bitx17bit 的乘法器、40bit 的加法器、帶符號(hào)/無符號(hào)輸 入控制、小數(shù)控制、零檢測器、舍入器(二進(jìn)制補(bǔ)碼)、溢出/飽和邏輯和 16bit 的暫存 器組成。 (5)比較、選擇和存貯單元 cssu:完成累加器的高位字和低位字間的最大值比較，并存 貯在數(shù)據(jù)存貯器中，不改變狀態(tài)寄存器 sto 中的測試/控制位和傳送寄存器 trn 的值。 還可利用優(yōu)化的片內(nèi)硬件促進(jìn) viterbi 型蝶形運(yùn)算。 (6)指數(shù)編碼器:為支持單周期指數(shù)運(yùn)算指令(exp)的專用硬件，累加器中的值以二進(jìn)制 補(bǔ)碼形式在 t 寄存器中存貯，范圍為-8bit-31bit。 (7)cpu 狀態(tài)和控制寄存器:c55x 有三個(gè)

34、，狀態(tài)寄存器 sto、狀態(tài)寄存器 st1 和處理器工 作方式狀態(tài)寄存器 pmst，都是存貯器映像寄存器。sto 反映了尋址要求和計(jì)算中間運(yùn) 行狀態(tài)，stl 反映了尋址要求、計(jì)算的初始設(shè)置、i/o 及中斷控制，pmst 反映了處理器 工作狀態(tài)。 2.7 總線結(jié)構(gòu) c55x 有 8 條 16bit 的總線，即: 4 條地址總線(pab,cab,dab,eab):傳送執(zhí)行指令所需地址。 3 條數(shù)據(jù)總線(cb,db,eb):連接內(nèi)部各單元，即連接 cpu、程序地址產(chǎn)生邏輯、數(shù) 據(jù)地址產(chǎn)生邏輯、片內(nèi)外設(shè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其中 cb,db 傳送讀自數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)，eb 傳送寫到存貯器的數(shù)。 1 條程序總線(p

35、b):從程序存儲(chǔ)器裝載指令碼和立即數(shù)。 內(nèi)部存貯器 c55x 共有 192k 字的尋址空間，分為大小都是 64k 字 3 個(gè)獨(dú)立的可選擇空間:程序 存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和 vo 空間，分別用來存放要執(zhí)行的指令和系數(shù)表、指令所用 數(shù)據(jù)、連接存貯器映像外圍設(shè)備。在任一個(gè)存貯空間中，ram,rom,eprom,eeprom 或存 貯器映像外圍設(shè)備，都可駐留在片內(nèi)或片外。 c55x 片內(nèi)存貯器為隨機(jī)存儲(chǔ)器(ram)和只讀存儲(chǔ)器(rom),ram 一般映射到數(shù)據(jù)空間， 但也可組成程序空間;rom 一般構(gòu)成程序空間，也可部分安排到數(shù)據(jù)空間。ram 又分為 單尋址 ram(saram)和雙尋址 ram(d

36、aram)，在同一個(gè)周期內(nèi)，cpu 可以對(duì) daram 進(jìn)行讀 和寫操作，但對(duì) saram 只能進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮?。c55x 并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部 ram 的雙尋址 能力，使 cpu 在任一給定的機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行包括 1 次取指、2 次操作數(shù)和 1 次寫操 作數(shù)的 4 次存儲(chǔ)器操作。 第三章第三章 firfir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及 matlabmatlab 的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 3.1fir數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 設(shè)單位脈沖響應(yīng) h(n)長度為 n，輸入信號(hào)為 x(n),則 fir 數(shù)字濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下 列差分方程： （3） n-1 m=0 y(n)=h(m)x(n-m) 式

37、（3）就是 fir 數(shù)字濾波器的差分方程，fir 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是沒有反饋支路， 即沒有環(huán)路，因此它是無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng) h(n)是一個(gè)有限長序列。 由上面的方程可知，fir 濾波器實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，不斷地輸入樣本 x(n),經(jīng) 延時(shí)（） ，做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果 y(n)。 1 z 對(duì)式（3）進(jìn)行 z 變換，經(jīng)整理后可得 fir 濾波器的傳遞函數(shù) h(z)為 （4） 1 0 ( )( ) n n n h zh n z 由式（4）可以看出，fir 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖 3-1 所示。 圖 3-1 fir 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 3.2fir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方

38、法 fir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)和頻率采樣等設(shè)計(jì)方法，其中窗函數(shù)設(shè)計(jì) 法是最基本的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì) fir 濾波器時(shí)，一個(gè)最重要的計(jì)算就是加窗，其中采 用矩形窗是最直接也是最簡便的方法。本文主要采用矩形窗設(shè)計(jì)方法。 3.2.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想 窗函數(shù)的設(shè)計(jì)思想是選擇一種合適的理想頻率特性的濾波器，然后截?cái)嗨拿}沖 得到一個(gè)線性相位和因果的濾波器。因此這種方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和 一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器的技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長度具有最窄主瓣寬度 和盡可能小的旁瓣衰減的某個(gè)窗函數(shù)?，F(xiàn)介紹如下。 首先設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為，其單位脈沖響應(yīng)是。() j

39、w d he( ) d h n （5）()( ) jwjwn dd n hehn e （6） 1 ( )() 2 c c w jwjwn dd w hnheedw 如果能夠由已知的求出，經(jīng)過 z 變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。但() jw d he( ) d h n 通常以理想的濾波器作為，其幅度特性逐段恒定，在邊界頻率處有不連續(xù)點(diǎn)，() jw d he 因而是無限時(shí)寬的，且是非因果序列。( ) d h n 然而我們實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器的單位脈沖響應(yīng)為 h(n)，長度為 n，其系數(shù)函數(shù) h(z) 為 （7） 1 0 ( )( ) n n n h zh n z 這樣用一個(gè)有限長的序列 h(n)去代替，

40、肯定會(huì)引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是通常所( ) d h n 說的吉布斯效應(yīng)。這種吉布斯效應(yīng)是由于將直接截?cái)嘁鸬模虼?，也稱為截?cái)? ) d h n 效應(yīng)。如何構(gòu)造窗函數(shù) w(n)，用來減少截?cái)嘈?yīng)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足技術(shù)要求 的 fir 線性相位濾波器。 3.2.2 幾種常見的窗函數(shù) 采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和理想的濾波器。常見的窗 函數(shù)有5：矩形窗、三角形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗、凱塞窗。這六種窗函數(shù) 的基本參數(shù)如表 1。. 表 1 六種窗函數(shù)的基本參數(shù) 過渡帶寬度 t b 窗函數(shù)類型 旁瓣峰值 /db n a 近似值精確度 阻帶最小衰減 /db s a 矩形窗

41、-134/n1.8/n-21 三角窗-258/n6.1/n-25 漢寧窗-318/n6.2/n-44 哈明窗-418/n6.6/n-53 布萊克曼窗-5712/n11/n-74 凱塞窗-5710/n-80 表中過渡帶和阻帶最小衰減是用對(duì)應(yīng)的窗函數(shù)設(shè)計(jì)的 fir 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng) 指標(biāo)。matlab 信號(hào)處理工具箱提供了十四種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)，下面列出上述六種窗 函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)及調(diào)用格式： wn=boxcar(n)%列向量 wn 中返回長度為 n 的矩形窗函數(shù) w(n) wn=bartlett(n)%列向量 wn 中返回長度為 n 的三角窗函數(shù) w(n) wn=banning(n)%列向量

42、wn 中返回長度為 n 的漢寧窗函數(shù) w(n) wn=hamming(n)%列向量 wn 中返回長度為 n 的哈明窗函數(shù) w(n) wn=blackman(n)%列向量 wn 中返回長度為 n 的布萊克曼窗函數(shù) w(n) wn=kaiser(n,beta)%列向量 wn 中返回長度為 n 的凱塞窗函數(shù) w(n) 3.2.3 窗函數(shù)的選擇原則 第一：具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。 第二：旁瓣幅度下降要盡可能大，以利于增加阻帶衰減。 第三：主瓣的寬度要盡可能窄，以獲得較陡的過渡帶。 通常情況下上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿足，當(dāng)選擇主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到了較陡的 過渡帶，但是通帶和阻帶明顯增加；當(dāng)

43、選用最小的旁瓣幅度時(shí)雖然能得到勻滑幅度響 應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過渡帶又加寬了。因此我們?cè)谶x擇窗函數(shù)往往時(shí)折中選擇。 在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)?shù)臓奚靼陮挾葋頁Q取旁瓣勻滑幅度響 應(yīng)和波動(dòng)減少。 3.2.4 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) fir 濾波器的步驟 窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的步驟如下： （1）根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)的類型，并估計(jì)窗口長度 n。先按照阻帶衰減選擇窗函數(shù)類型。原則是保證阻帶衰減滿足要求的情況下，盡量選 擇主瓣窄的窗函數(shù)。然后根據(jù)過渡帶寬度估計(jì)窗口長度 n。 （2）構(gòu)造希望逼近的頻率響應(yīng)函數(shù)，即() jw d he (8) (1)/2 ()( ) jwjw n

44、 ddg hehw e 所謂的“標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法” ，就是選擇為線性相位理想濾波器（理想低通、理想() jw d he 高通、理想帶通、理想帶阻） 。 （3）計(jì)算。如果給出待求濾波器的頻響函數(shù)為，那么單位脈沖響應(yīng)( ) d h n() jw d he 用下式求出： （9） 1 ( )() 2 jwjwn dd hnheedw 如果較復(fù)雜，或者不能用封閉公式表示，則不能用上式求出。我們可以() jw d he( ) d h n 對(duì)從 w=0 到 w=2采樣 m 點(diǎn)，采樣值為() jw d he ,進(jìn)行 m 點(diǎn) idft 得到： 2 ( )(),0,1,2,1 k j m dmd hkhekm (10

45、)( )( ) dmdmm hnidft hk 根據(jù)頻域采樣理論，與應(yīng)滿足：( ) dm hn( ) d h n （11）( )( dmdm r hnhnrmr ）（n) 因此，如果 m 選得夠大，可以保證在窗口內(nèi)有效地逼近。( ) dm hn( ) d h n 由此可求出單位脈沖響應(yīng)為( ) d h n （12） sin() ( ) () c d w na hn na 為保證線性相位特性，=(n-1/2)。a （4）加窗即可得到設(shè)計(jì)結(jié)果：h(n)=w(n)。( ) d h n 3.3fir數(shù)字濾波器的matlab的實(shí)現(xiàn) matlab 是美國 mathworks 公司自 20 世紀(jì) 80 年代

46、中期推出的數(shù)學(xué)軟件，優(yōu)秀的 數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。matlab 語 言是當(dāng)今國際科學(xué)界最具有影響力、最有活力、以及應(yīng)用最廣泛的軟件之一。它提供 了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷與 其他程序接口功能；它提供了數(shù)字處理工具箱，使數(shù)字處理比以前更為簡潔方便且效 果更好67。 matlab 集成了一套功能強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)工具 fdatool，它涵蓋了信號(hào)處理工 具箱中所有濾波器設(shè)計(jì)方法，利用它可以方便地完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能 評(píng)估。首先應(yīng)根據(jù)指標(biāo)參數(shù)及對(duì)濾波器特性的要求，選擇合適的濾波器類型及設(shè)計(jì)方 法進(jìn)行設(shè)計(jì)

47、。本文以采用矩形窗設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器為例。所設(shè)計(jì)的濾波器技術(shù)指標(biāo) 為：濾波器階數(shù)為 51，采樣頻率 fs 為 181khz，濾波器截止頻率 fc 為 10kz 的濾波器。 設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如圖 2，圖 3 所示。 0102030405060708090 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 frequency (khz) magnitude (db) magnitude response (db) 圖 2 幅頻曲線 0102030405060708090 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 frequency (khz) phase

48、(degrees) phase response 圖 3 相頻曲線 由圖 2，圖 3 可得：圖 2 為本次所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻特性曲線，圖 3 為本次所設(shè)計(jì) 濾波器的相頻特性曲線。由圖可以看出所設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的低通濾波特性，在 通帶內(nèi)具有嚴(yán)格的線性相位。 第四章第四章 firfir 數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) fir 數(shù)字濾波器系統(tǒng)功能電路圖如下： 串口電源 a/d d/a dsp （c55x） 時(shí)序控 制 cpld ramflashjtag 圖 4.1 濾波器系統(tǒng)功能框圖 其中，dsp 芯片 c55x 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理(濾波算法):a/d,d/a

49、轉(zhuǎn)換任務(wù)由芯片 tlc320ad50c 來完成，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由 dsp 芯片進(jìn)行算法處理，然后再經(jīng) d/a 轉(zhuǎn)換輸 出;ram 芯片 is61lv6416 用來擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)(數(shù)據(jù)或程序);flash 芯片 sst39vf040 用來固 化 dsp 程序及上電自舉(采用 8bit 并行模式);cpld 用于時(shí)序控制;電源芯片 tps73hd318 提供給 c55x 所需的 1.8v 和 3.3v 電壓，并用引腳 reset2 對(duì) c55x 進(jìn)行復(fù)位;串 口通信功能由 tlc16550c 與 max232 芯片完成。 4.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) c55x 有 x1 和 x2 兩個(gè)時(shí)鐘管腳，x1 為輸出管腳

50、，x2 為輸入管腳也稱為 clkin。為 dsp 提供時(shí)鐘有兩種引腳連接方式，一種是 xl 懸空，使用外部晶振提供時(shí)鐘，一種是 利用 dsp 片內(nèi)為晶振振蕩器提供的放大電路器，外接晶振。電路連接如下。這種接法 中，片內(nèi)振蕩器被激活，x2 腳向 dsp 送入一個(gè)頻率與 2 腳晶體標(biāo)稱值相同的時(shí)鐘，并 通過外部鎖相環(huán)控制電路選擇適當(dāng)倍頻倍數(shù)為 cpu 內(nèi)部提供系統(tǒng)時(shí)鐘。 圖 4.2 時(shí)鐘電路 c55x 的支持軟件 pll(內(nèi)部鎖相環(huán))控制方式，在 dsp 復(fù)位時(shí)，它由 clkmd1clkmd3 三 個(gè)管腳的電平?jīng)Q定，這三個(gè)管腳值也決定了時(shí)鐘模式寄存器的值。三個(gè)管腳與倍頻關(guān) 系如下表: 表 4.1c

51、lkmd1clkmd3 與倍頻關(guān)系 clkmd1clkmd2clkmd3 復(fù)位值 時(shí)鐘模 式 000e007hpll*15 0019007hpll*10 0104007hpll*5 1001007hpll*2 110f007hpll*1 1110000hpll*1/2 101f000hpll*1/4 011 保留 4.3電源電路設(shè)計(jì) c55x 電源分為內(nèi)核電源 cvdd 和 i/o 電源 dvdd，內(nèi)核電源為 1.8v，為包括 cpu、 時(shí)鐘電路和所有外設(shè)的器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流;i/o 電源為 3.3v，為外部接口引 腳提供電壓。c55x 的電流消耗主要取決于器件的激活度，內(nèi)核電源消耗的

52、電流主要取 決于 cpu 的激活度，外設(shè)消耗的電流決定于正在工作的外設(shè)及其速度，一般與 cpu 相 比，外設(shè)消耗的電流是比較小的。時(shí)鐘電路也需要消耗一部分電流，而且這部分電流 是恒定的，與 cpu 和外設(shè)的激活度無關(guān)。本設(shè)計(jì)中采用 ti 公司的芯片 tps73hd318 來 提供電源。該芯片電源輸入為 5v，可提供兩路輸出電壓，一路為 3.3v，一路為 1.8v， 每路最大輸出電流為 750ma，還提供兩個(gè)寬度為 200ms 的低電平復(fù)位信號(hào)，可直接與 c55x 的復(fù)位引腳連接。與 c55x 連接圖如下: 圖 4.3 電源連接電路 4.4模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換采用芯片 tlc3

53、20ad50c(下面簡稱 ad50c)，該芯片最高采樣速率可達(dá) 22.05kb/s，通過 dsp 編程設(shè)置，可進(jìn)行 16 位 a/d 和 d/a 的高分辨率、低速信號(hào)轉(zhuǎn)換。 該芯片內(nèi)部 adc 之后有抽樣濾波器，dac 之前有插值濾波器，接收和發(fā)送可同時(shí)進(jìn)行。 tlc320ad50c 與 c55x 的 mcbsp 串行口直接相連，不需要外圍電路不，占用并行總線， 避免了總線沖突。連接圖如下: 圖 4.4c55x 和 adsoc 的硬件連接 c55x 工作于 spi 方式的從機(jī)模式，它的 bfsx,bclkr,bclkx 通過寄存器配置為外部輸入; ad50 工作在主機(jī)模式(m/s=1)，它的

54、sclk 配置為內(nèi)部產(chǎn)生，這樣數(shù)據(jù)接收/發(fā)送幀同步 信號(hào)(fs)、移位時(shí)鐘信號(hào)(sclk)均由 ad50c 產(chǎn)生。串行口的接收/發(fā)送過程受 ad50c 的 控制。該種連接方式不占并行總線，避免了總線沖突。 4.5flash接口設(shè)計(jì) flash 芯片采用使用 sst39vf040，該芯片是 sst 公司的 39 系列多用途閃存，它是 單電壓讀寫操作，有極高的可靠性，功耗較低，具有塊區(qū)域擦除能力。dsp 的 i/o 端口 8000h 映射為 sst39vf040 的 a15a8 地址的控制信號(hào)使能，即當(dāng)對(duì) i/o 端口 8000h 寫數(shù) 據(jù)的時(shí)候，a15a18 分別等于數(shù)據(jù)的低 4 位，當(dāng)對(duì)外部存

55、儲(chǔ)空間操作時(shí)，首先向 il0 端 口 8000h 寫入數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，使用外部數(shù)據(jù)空間 8000hffffh，所以寫入的是數(shù)據(jù) 0,實(shí)際對(duì)應(yīng) sst39vf040 數(shù)據(jù)空間的 ooooh7fffh。這樣設(shè)置以后，將 dsp 上使用的外 部數(shù)據(jù)空間映射到了 sst39vf040 的數(shù)據(jù)空間。接口電路如下圖所示。 在編寫引導(dǎo)程序之前，要編制一個(gè)引導(dǎo)表，內(nèi)容包括:引導(dǎo)方式標(biāo)識(shí)、預(yù)置 swwsr 和 bscr 寄存器的值、程序入口(xpc)、程序入口地址(pc)、用戶程序長度、首塊存放 目標(biāo)(xpc)、首塊存放目標(biāo)地址(pc)等。 圖 4.5c55x 與 flash 接口電路 flash 控制管腳的

56、邏輯關(guān)系如下:(其中， “十”表示邏輯或) ,dsce wrmstrboe/wrmstrbwe/ 4.6外部存貯器接口設(shè)計(jì) 外擴(kuò) ram 芯片采用 is61lv6416，該芯片是一種高速 cmos 靜態(tài) ram 存儲(chǔ)容量為 64kx16 位，數(shù)據(jù)存取時(shí)間為 10ns，能滿足高速運(yùn)行需要。其工作電壓為 3.3v，與 c55x 工作電壓一致，無需電平轉(zhuǎn)換。與 c55x 連接圖如圖 4.6.所示。這是一種優(yōu)化的 混和程序和數(shù)據(jù)區(qū)外接 ram 的方法，省去了 c55x 的地址線 a15，這種方法可充分利用 外部擴(kuò)展 ram，不會(huì)因內(nèi)部 ram 和外部 ram 的地址重疊而造成外部 ram 的浪費(fèi)。 圖

57、 4.6c55x 與 ram 連接電路 5fir濾波器的dsp程序?qū)崿F(xiàn) 使在初期階段，因 dsp 的性能指標(biāo)較低，主要用匯編語言來編寫高效、專用的程 序代碼，后來隨著 dsp 運(yùn)算速度的提高，采用 c 語言編程來降低開發(fā)難度、縮短開發(fā) 周期，但關(guān)鍵程序段仍結(jié)合 dsp 硬件編寫 dsp 匯編程序。如今，高效的信號(hào)處理工具 matlab 逐漸滲透到 dsp 設(shè)計(jì)中。利用 matlab 輔助 dsp 程序開發(fā)，提高了程序開發(fā)效率， 縮短了軟件開發(fā)周期。 tms320c55x 對(duì)數(shù)字濾波器算法的實(shí)現(xiàn)在指令集和硬件結(jié)構(gòu)上都有考慮。它有 mac 指令，該指令將數(shù)據(jù)區(qū)的兩個(gè)數(shù)相乘，然后再與累加器中的值累加

58、，運(yùn)算結(jié)果仍存在 累加器中為下次操作準(zhǔn)備;在硬件上有間接尋址時(shí)的循環(huán)尋址功能，即將濾波器系數(shù)保 存在一個(gè)可循環(huán)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，尋址指針由低地址自動(dòng)增長，當(dāng)達(dá)到緩沖區(qū)頂部 時(shí)，自動(dòng)返回低地址重新尋址，這樣，配合單指令重復(fù)指令 rpt，就可以快速實(shí)現(xiàn)卷積 操作。 5.1傅氏級(jí)數(shù)法的dsp程序?qū)崿F(xiàn) 在第三章最后算出了濾波器四種類型的系數(shù)表達(dá)式。可以根據(jù)系數(shù)表達(dá)式采用 c 語言來編程實(shí)現(xiàn)濾波算法。下面是 fir 帶通濾波器算法程序段: voidfirbpf(doublelpass,doublehpass) intt; for（t=o;tflen;t+) doublem; m=sin(t-(flen-

59、1)/2.0)*hpass*pi)/(t-(flen-1)/2.0)*pi); h(t)=m-sin(t-(flen-1)/z.0)*lpass*pi)/(t-(flen-1)/2.0)*pi); if(t=(flen-1)12) ht=hpass-lpass; 相應(yīng)的其它三種類型 fir 濾波器算法程序都可以由對(duì)應(yīng)的系數(shù)表達(dá)式編寫出來。 5.2利用匯編程序?qū)崿F(xiàn)fir濾波器 匯編程序調(diào)試首先在 ccs 中建立新的工程 fir.mak,然后將匯編語言源文件(.asm 或.c)文件以及中斷向量文件(.asm)、位文件(.cmd)添加到工程中。編譯通過后，生成 可執(zhí)行文件(*.out 文件)，下載到

60、 dsp 程序存儲(chǔ)器中，這時(shí)打開 momery 窗口,可以看到 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器已經(jīng)被劃分 coff_fir,d_data_buffer,in_buffer,out_buffer 等區(qū)。編譯 并將整個(gè) fir 項(xiàng)目成功地下載到目標(biāo)系統(tǒng)板后,fir 程序就可以在 evm 板上運(yùn)行進(jìn)行調(diào) 試（程序見附錄 a） 。下圖為程序流程圖。 主程序 系統(tǒng)初始化 輸入緩沖區(qū)初始化為零 根據(jù)指標(biāo)生成系數(shù) 開放中斷 等待中斷 中斷程序 是否采集到 256 個(gè)數(shù)據(jù) 輸入信號(hào)值歸一化 輸入緩沖區(qū)值下移一位， 加入最新輸入信號(hào) 進(jìn)行乘加運(yùn)算 返回 是 否 圖 5.1 程序流程圖 在主程序中，在 flag=0 處設(shè)置斷點(diǎn)；單擊