陳 靜 包頭師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，包頭市 014030

數(shù)字濾波器的DSP仿真設(shè)計(jì)

陳 靜 包頭師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，包頭市 014030

通過使用DSP的Device Simulator仿真器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了系數(shù)對稱的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及調(diào)試步驟，給出了電路仿真的結(jié)果，并通過CCS的虛擬示波器和頻譜儀觀察輸入輸出信號波形和頻譜變化，并對結(jié)果進(jìn)行分析比較。

數(shù)字濾波器；有限沖激濾波器；虛擬示波器

1.數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)原理

數(shù)字濾波器是指完成信號濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，是數(shù)字信號處理的基本組成部分。其輸入是一組（由模擬信號取樣和量化的）數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換（或說處理）的另一組數(shù)字量。因此它本身既可以是用數(shù)字硬件裝配成的儀態(tài)完成給定運(yùn)算的專用數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可將所需的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)來執(zhí)行。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程

1）按照通常實(shí)際需要，確定濾波器的性能要求。通常（但不總是）是在頻域中給定數(shù)字濾波器的性能要求。

2）尋找一滿足預(yù)定性能要求的離散時(shí)間線性系統(tǒng)。FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)是z-1的多項(xiàng)式。IIR濾波器的系統(tǒng)是z-1的有理函數(shù)。這樣，濾波器的設(shè)計(jì)問題變成了一個(gè)數(shù)學(xué)逼近問題，即用一個(gè)因果穩(wěn)定的系統(tǒng)函數(shù)去逼近給定的性能要求，以確定濾波器系數(shù)。

3）用有限精度的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。這里包括選擇運(yùn)算結(jié)構(gòu)，及對濾波器的系數(shù)，輸入變量，中間變量，和輸出變量量化到固定字長。

4）通過模擬，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否符合給定性能要求。根據(jù)這步的結(jié)果決定是否對第2步和第3步作修改，以滿足要求。

1.2 數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)原理

數(shù)字濾波器有兩種類型[1]：有限沖激濾波器（FIR）無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）。有限沖激響應(yīng)濾波器的輸入/輸出關(guān)系為：

FIR濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示

系數(shù)對稱的FIR濾波器，由于具有線性相位特性，因此運(yùn)用很廣，特別是在對相位失真要求很高的場合。

例，一個(gè)N=8的FIR濾波器若a(n)=a(N-1-n),，就是對稱FIR濾波器，其輸出方程為：y(n)=a0x(n)+a1x(n-1)+a2x(n-2)+a3x(n-3)+a4x(n-4)+a5x(n-5)+a6x(n-6)

+a7x(n-7)總共有8次乘法和7次加法。如果改寫成：y(n)=a0[x(n)+x(n-7)]

+a1[x(n-1)+x(n-6)]+a2[x(n-2)+x(n-5)]+a3[x(n-3)+x(n-4)]，則變成4次乘法和7次加法?？梢?，乘法運(yùn)算的次數(shù)減少了一半。這是對稱FIR的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對稱FIR濾波器C54X實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)如下：

1）在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開辟兩個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)：New循環(huán)緩沖區(qū)中存放新數(shù)據(jù)，Old循環(huán)緩沖區(qū)中存放老數(shù)據(jù)。循環(huán)緩沖區(qū)的長度為N/2。

2）設(shè)置循環(huán)緩沖區(qū)指針：AR2指向New緩沖區(qū)中最新的數(shù)據(jù)，AR3指向Old緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)。

3）在程序存儲(chǔ)器中設(shè)置系數(shù)表。

4）AR2+AR3—>AH（累加器A的高位）,AR2-1—>AR2, AR3-1—>AR3。

5）將累加器B清零，重復(fù)執(zhí)行4次（i=0,1,2,3）:AH*系數(shù) +B—>B,系數(shù)指針（PAR）加1，AR2+AR3—>AH，AR2和AR3減1。

6）保存和輸出結(jié)果（結(jié)果在BH中）。

7）修復(fù)數(shù)據(jù)指針，讓AR2和AR3分別指向New緩沖區(qū)中最新的數(shù)據(jù)和Old緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)。

8）用New緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)代替Old緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，Old緩沖區(qū)指針減1。

圖1

9）輸入一個(gè)新數(shù)據(jù)替代New緩沖區(qū)中最老的數(shù)據(jù)。重復(fù)執(zhí)行第4～9步。

2. 觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

單擊Rebuild All編譯程序成功后，單擊File菜單的Load program,選擇Debug目錄中的fir.out文件，然后裝載程序。

1）打開觀察窗口

(1)選擇菜單View—>Graph—>Time/Frequency,在彈出窗口Graph Property Dialog中進(jìn)行如圖1-2所示設(shè)置，單擊OK打開input窗口。

(2)選擇菜單View—>Graph—>Time/Frequency,在彈出窗口Graph Property Dialog中進(jìn)行如圖1-3所示設(shè)置，單擊OK打開inputft窗口。

(3)選擇菜單View—>Graph—>Time/Frequency,在彈出窗口Graph Property Dialog中進(jìn)行如圖1-4所示設(shè)置，單擊OK打開output窗口。

(4) 選擇菜單View—>Graph—>Time/Frequency,在彈出窗口Graph Property Dialog中進(jìn)行如圖1-5所示設(shè)置，單擊OK打開outputft窗口。

2） 運(yùn)行并觀察結(jié)果

選擇Debug菜單中的Run選項(xiàng)，或按F5鍵運(yùn)行程序，再選擇Debug菜單中的Halt選項(xiàng)或按Shift+F5鍵停止運(yùn)行程序，分別觀察input、output窗口中的時(shí)域圖形和inputft、outputft窗口中的頻域圖形，觀察濾波效果。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 輸入信號：圖2

圖2

3.2 輸出信號：圖3

3.3 結(jié)論

左邊兩幅為時(shí)域的輸入及輸出波形，右邊兩幅為頻域的輸入及輸出波形，信號通過低通濾波器后在1333頻點(diǎn)處保留原信號（1500Hz是通帶截止頻率），從圖中很明顯可以看到2667頻點(diǎn)（阻帶截止頻率2000Hz）之后的高頻信號明顯被濾除，使用CCS的虛擬示波器和頻譜儀來觀察輸入/輸出信號波形和頻譜變化的方法很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字低通濾波器的功能。

圖3

在設(shè)計(jì)中，充分利用先進(jìn)的EDA軟件，往往能事半功倍，大大提高設(shè)計(jì)效率。由于設(shè)計(jì)要求的差異，如字長、各級輸出的保留精度等不同，所以，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)有所不同，這就需要根據(jù)不同的要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，如截?cái)?、擴(kuò)展等，從而設(shè)計(jì)出既滿足設(shè)計(jì)需要，又節(jié)省資源。

[1]王世一.數(shù)字信號處理[M].第 2版.北京：北京理工大學(xué)出版社.2004；164-176

[2]雷勇.DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].第1版.北京：電子工業(yè)出版社. 2004；60-61

[3]程配青.數(shù)字信號處理教程[M]第3版.北京：清華大學(xué)出版社.2007；196-203

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.093

陳靜 碩士 2008年畢業(yè)于四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，現(xiàn)就任于包頭師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代信號處理 嵌入式系統(tǒng)。