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贮颓贺
7 years ago
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1 基于 TMS320VC5416 的 FIR 数字滤波器设计与实现黄道斌, 朱同武汉理工大学信息工程学院, 武汉 (430070) 摘要 : 数字滤波器在语音处理图象处理模式识别以及各种随机信号分析中有着广泛的应用本文研究了有限冲击响应 (FIR) 滤波器的基本原理以及如何在 TMS320VC5416 DSP 芯片上设计实现连续 FIR 数字滤波器中图分类号 :TN8 关键词 :TMS320VC5116;DSP; FIR 数字滤波器 ; 超声波测距滤波 1. 引言通用数字处理器 (DSP) 有很强的数据处理能力, 它在高速数字信号处理领域有广泛的应用, 例如数字滤波音频处理图像处理等 TMS320VC5416 是为实现低功耗高性能而专门设计的定点 DSP 芯片, 主要应用于数字滤波和音频处理下面着重讨论 FIR 滤波器在 TMS320VC5416 这款 DSP 芯片上实现的方法 2. FIR 数字滤波器设计原理 [1] jw 一个截止频率为 ωc (rad/s) 的理想数字低通滤波器, 其传递函数 H ( e ) 表达式是 : jw H( e ) = d e {0 jwt w wc w< w π 相应的单位取样响应 hd ( n ) 为 : c wc 1 wt wn sin( wc ( n t)) hd ( n) = e e dw 2 π = π( n t) c 从上面两个公式可以看出, 这个滤波器在物理上是不可实现的, 因为冲激响应具有无限性和因果性为了产生有限长度的冲激响应函数, 我们取样响应为 h (n), 长度为 N, 其系数函数为 H (z) : N 1 H( z) = h( n) z n= 0 n 用 h (n) 表示截取 hd ( n ) 后冲激响应, 即 h (n) = hd ( n) W (n), 式子中 W (n) 为窗函数, 长度为 N 当 τ = (N -1)/2 时, 截取的一段 h (n) 对 (N -1)/2 对称, 可保证所设计的滤波器具有线性相位一般来说, FIR 数字滤波器输出 y ( n) 的 Z 变换形式 Y (z) 与输入 x (n) 的 Z 变换形式之间的关系如下 : 1 n Y( Z) H( z) X( z) ( h(0) h(1) z = = h( n) z ) X( z) 实现结构如图 1 所示从上面的 Z 变换和结构图可以很容易得出 FIR 滤波器的差分方程表示形式 : d 图 1 Z 变换结构图 - 1 -

2 对上式进行反 Z 变换得 : yn ( ) = h(1) xn ( ) + h(2) xn ( 1) hnx ( ) (1) 上式为 FIR 数字滤波器的时域表示方法, 其中 x (n) 是在时间 n 的滤波器的输入抽样值根据上式即可对滤波器进行设计 3. FIR 数字滤波器的设计实现 3.1 FIR 滤波器电路设计图 2 为 FIR 滤波器 DSP 实现的电路方框图, 其核心部分为 TMS320VC5416, EP2ROM 和 RAM 是其外围电路 AD 采用的是 10 位 AD 芯片 TLV1571,DA 采用的是 12 位 DA 芯片 TLV5619 DSP 送给 A/ D 抽样时钟, 对输入的模拟信号抽样, 即将模拟信号转换成数字信号, 然后读取每一次的抽样值, 并对抽样值进行卷积运算 ( FIR 数字滤波 ), 最后将运算结果 ( 滤波后的数字信号 ) 送至 D/ A, 转换成模拟信号进行输出 IN AD TLV15716 DSP TMS520VC5416 DA TLV5619 OUT E 2 PROM RAM 图 2 FIR 滤波器电路框图 3.2 FIR 滤波器的 h 参数设计 FIR 滤波器参数设计主要是 h 数组参数的设计, 在这里我们采用了 Matlab 软件辅助设图 3 低通滤波频谱响应图计确定滤波器的相关参数后, 采用 Matlab 的 Simulink 图形方式直观的设计出所需的滤波器这里, 我们设计出一个采样频率为 8k, 截止频率为 200Hz, 阶数为 256 阶, 最大衰减的 (Least-Squares)FIR 滤波器填入相关参数, 即可进行设计和查看滤波效果图 3 是频谱响应图在完成滤波器设计后, 即可通过 Targets->Generate C Header 来生成 h 参数头文件,h 参数个数为 256 个, 存储在 h[ ] 数组中供滤波函数调用 - 2 -

3 3.3 FIR 数字滤波器的 DSP 程序设计非连续数字滤波器的实现使用 FIR 可以对 AD 采样的一串数据进行数字滤波, 可以通过调用 C51 DSP lib 中的数字滤波库函数来实现这里我们调用 fir (DATA *x, DATA *h, DATA *r, DATA *dbuffer, ushort nx, ushort nh) [2] FIR 数字数字滤波, 在该函数中,x 是指向 AD 采样数据数组起始地址的指针 ;h 是指向 h 参数数组起始地址的指针 ;r 参数是指向滤波后数据存储数组的指针 ;dbuffer 是指向数据缓冲区数组起始地址的指针 ;nx 为采样数据个数 ;nh 为 FIR 数字滤波器的阶数, 即 h 参数的个数 ; 该函数是 TI 公司提供的库文件中的函数, 它的代码是经过优化并没有 bug 的, 经测试, 它执行效率非常高图 4 中为调用 fir 函数对一组 AD 采样的数据进行数字滤波前后的图形, 这里输入的是函数信号发生器产生的 150Hz 方波信号, 使用 CCS 软件的在线调试模式可以看到波形的对比图中,Single In 窗口为输入波形,Single In FFT 为输入波形的 FFT 变换,Single Out 为经过 fir 滤波函数输出的波形,Single Out FFT 为数促波形的 FFT 变换 ; 图 4 滤波信号图从 FFT 图形中可以看见,200Hz 方波含有丰富的谐波分量, 在经过 FIR 数字滤波后, 谐波分量被全部滤掉, 从波形图中也能发现, 方波变成了标准的正弦波形连续数字滤波器的实现上面介绍的非连续数字滤波器的实现, 在对信号的分析中能起到一定的作用, 但在实际应用系统中, 不能对模拟信号进行适时滤波下面介绍了了一种基于队列结构的算法 [3], 可以对 AD 采集的信号进行连续 FIR 滤波, 并通过 DA 输出模拟波形, 在该程序种,AD 和 DA 都在定时中断中进行, 定时中断时间为 T=0.125ms, 即采样频率 f=8k; 图 5 为程序主流 - 3 -

4 程图, 就程序主要功能说明如下 : (1) 输入缓冲区 1 和输出缓冲区 2 分别定义为 256 个数据单元, 可以分别存放 256 个采样值两个输出缓冲区同输入缓冲区相同 (2) 程序对硬件初始化, 对输入和输出缓冲区清零, 启动定时器中断 (8k) (3) 中断服务程序执行 AD 采样, 并将采样数据放入输入缓冲区 1;DA 从输出缓冲区 1 中取数据并输出当第一个输入缓冲区满, 中断程序通知主程序缓冲区 1 满, 并开始将 AD 采样值往输入缓冲区 2 送 ;DA 也开始从输出缓冲区 2 取数输出如此循环定时中断 AD, 采集完毕一组数据输入缓冲区 1 输入缓冲区 2 缓冲区 1 填满, 执行 FIR 滤波缓冲区 2 填满, 执行 FIR 滤波输出缓冲区 1 输出缓冲区 2 定时中断 DA 图 5 主程序流程图 (4) 主程序等待输入缓冲区 1 或者 2 填满, 当填满后, 执行 FIR 滤波函数调用并将滤波结果送入相应的输出缓冲区下面是 FIR 滤波主程序 C 程序源代码 : while(1) { while(!sampendflag1); /* 等待第一组数据采样结束 */ SampEndFlag1=0; fir(&addata[0],h,&dadata[0],&dbptr,nh,nx); /* 第一组数据进行 FIR 滤波, 采样数据个数 NX, 滤波阶数 NH, 滤波后数据存放在 DAData 数组中 */ while(!sampendflag2); /* 等待第二组数据采样结束 */ SampEndFlag2=0; fir(&addata[nx],h,& DAData [NX],&dbptr,NH,NX); /* 第二组数据进行 FIR 滤波, 采样数据个数 NX, 滤波阶数 NH, 滤波后数据存放在 DAData 数组中 */ }; time0 定时中断函数 C 程序源代码略, 它主要包括 AD 和 DA 程序和标志位置位程序 4. 结论经实验, 该方式在不衰减有用信号的情况上, 可以达到非常好的滤波效果, 基于上述介绍方式的 FIR 滤波器已经在一个超声波测距项目得到应用, 根据反馈, 使用性能良好数字滤波器的应用十分广泛, 运用 Matlab 软件, 能很容易设计出具有严格要求的滤波器文中实例为了方便的用 DSP 实现模拟信号的实时滤波处理, 所采用的采样频率以及滤波阶数并不高, 主程序运行过程中有很长时间是在循环等待数据采样结束, 在实际应用中, 可以根据需要选择更高的采样频率和滤波阶数 - 4 -

5 参考文献 [1] 程佩青. 数字信号处理教程. 北京 : 清华大学出版社,1997 [2] Texas Instruments. TMS320C54x DSP Reference Set[M], Vol4: Applications Guide, 1999, 2-1, 2-12 [3] 胡洪凯. 混合编程方法研究 [J] 电子技术应用, : Design and Implementation of FIR filter based on TMS320VC5416 Huang Daobin,Zhu Tong Telecommunication and Information System,Wuhan University of Technology,Wuhan(430070) Abstract Digital filter has been widely used in digital voice processing, digital image processing, pattern recognition, and various random signal processing area. This paper researches on the principle of digital finite impact response (FIR) filter and a sample implementation of continuously FIR filter. Keywords:TMS320VC5116;DSP;digital FIR filter;ultrasonic distance measurement - 5 -

数字信号处理第五章06 IIR数字滤波器-频率变换2.ppt [兼容模式]

数字信号处理第五章06 IIR数字滤波器-频率变换2.ppt [兼容模式] 数字信号处理周治国 05. 第五章数字滤波器 IIR 数字滤波器的频率变换数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器模拟原型模拟 - 模拟频带变换模拟带通带阻高通数字化数字带通带阻高通