摘要:設(shè)計(jì)了一個(gè)以實(shí)時(shí)高速信號(hào)處理為核心的通用軟硬件實(shí)踐平臺(tái),通過(guò)對(duì)信號(hào)處理中心單元DSP的應(yīng)用軟件設(shè)置,來(lái)改變信號(hào)處理系統(tǒng)的處理功能,去完成數(shù)字濾波算法的研究,并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞:DSP;信號(hào)處理;數(shù)字濾波算法
引言
數(shù)字濾波(digital filtering)是用數(shù)字設(shè)備,通過(guò)一定的算法,對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,將某個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行濾除,得到新的信號(hào)的過(guò)程。[2]雖然一些數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行,但有的研究,例如既涉及到既要對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,又常常用到卷積、濾波、快速傅氏變換、希爾伯特變換、矩陣求逆等等高速運(yùn)算的實(shí)現(xiàn),用計(jì)算機(jī)處理也面臨困難,這就迫切要求改進(jìn)實(shí)踐環(huán)境,適應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)需要。[3]
DSP(Digital Signal Processor)是一種獨(dú)特的微處理器,是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。集成化的數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn),為各種數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)提供了可能。這一方而極大地促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展;另一方面也使數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓展。[4]
綜上所述,本文采用DSP處理器和PC微機(jī)的結(jié)合的方法,充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的操作功能和DSP的高速信號(hào)處理能力及可程控特性搭建平臺(tái),來(lái)對(duì)數(shù)字濾波算法進(jìn)行研究。
1.系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由DSP處理部分和計(jì)算機(jī)操作控制部分構(gòu)成。DSP部分主要包括實(shí)時(shí)通道,存儲(chǔ)器,接口三部分。實(shí)時(shí)通道由輸入通道A/D電路,輸出通道D/A電路構(gòu)成。存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器,靜態(tài)存儲(chǔ)器既用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也作程序存儲(chǔ)。DSP接口具有DSP數(shù)據(jù)傳輸和控制兩方面的功能。計(jì)算機(jī)部分主要包括ISA接口,實(shí)踐界面,支持軟件,處理中心幾部分。[1]ISA接口具有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和控制兩方面功能。實(shí)踐界面為人機(jī)操作對(duì)話窗口,它既是入口也是終端,支持軟件是放在計(jì)算機(jī)上的DSP應(yīng)用程序包,決定系統(tǒng)具體要完成的應(yīng)用功能。計(jì)算機(jī)處理中心協(xié)調(diào)處理數(shù)據(jù)傳輸、控制、再加工等。
1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中比較重要的是系統(tǒng)方案的制定、芯片選擇、各單元時(shí)序邏輯及結(jié)構(gòu)整體布局。硬件電路設(shè)計(jì)使用了Protel99電路設(shè)計(jì)軟件。系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,主要難點(diǎn)在于接口的調(diào)試。細(xì)致把握兩部分接口的讀寫工作時(shí)序及控制邏輯是相當(dāng)重要的。
系統(tǒng)采用的DSP器件為TI公司專用浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C31-40,時(shí)鐘頻率40MHz。
1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)涉及幾大部分。DSP處理部分包括DSP實(shí)現(xiàn)各種算法功能的應(yīng)用軟件,DSP處理器與PC機(jī)通信的通信接口軟件。
DSP系統(tǒng)板的整個(gè)工作過(guò)程,適合于DSP上電復(fù)位后、手動(dòng)復(fù)位后和軟件復(fù)位后的處理。與所有處理器工作方式一樣,DSP上電復(fù)位后要進(jìn)行對(duì)內(nèi)部寄存器,外圍端口等進(jìn)行初始化。初始化完成后,DSP將加載來(lái)自計(jì)算機(jī)傳送的應(yīng)用程序或者是模擬數(shù)據(jù),接著進(jìn)行相應(yīng)的處理過(guò)程。[6]
2.數(shù)字濾波器
數(shù)字濾波器一般由寄存器、延時(shí)器、加法器和乘法器等基本數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。按照數(shù)字濾波器的特性,它可以被分為線性與非線性、因果與非因果、無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)與有限脈沖響應(yīng)(FIR)等。相對(duì)于IIR濾波器,F(xiàn)IR濾波器有著易于實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì),因此得到廣泛的應(yīng)用。
線性移不變的數(shù)字濾波器包括無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器(IIR濾波器)和有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器(FIR濾波器)兩種。這兩種濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以統(tǒng)一以Z變換表示為:
當(dāng)時(shí),M就是IIR濾波器的階數(shù),表示系統(tǒng)中反饋環(huán)的個(gè)數(shù)。由于反饋的存在,IIR濾波器的脈沖響應(yīng)為無(wú)限長(zhǎng),因此得名。若,則系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度為N+1,故而被稱作FIR濾波器。
3.算法研究中的應(yīng)用
DSP芯片有專用的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)可調(diào)用,實(shí)現(xiàn)FIR濾波器相對(duì)簡(jiǎn)單,并且系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)濾波處理達(dá)到了理論上的要求。[5]驗(yàn)證了系統(tǒng)工作是穩(wěn)定可靠的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是合乎要求的,是準(zhǔn)確的。因此,系統(tǒng)平臺(tái)的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
4.結(jié)論
(1)系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理功能強(qiáng)大的專用處理器DSP作核心,結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字濾波算法的研究。
(2)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是為各種數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)提供了可能。這一方面極大地促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展;另一方面也使數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓展。(作者單位:沈陽(yáng)師范大學(xué))
參考文獻(xiàn)
[1]Texas Instruments.TMS320C3x User’s Guide.OwensvilLe.Missouri:Custom Printing Company.1996
[2]劉令普.數(shù)字信號(hào)處理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2002
[3]鄧重一.濾波器的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)[J].世界電子元器件.2003,13(4):48~49
[4]鄧重一.濾波技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)儀器儀表.2004,(02):1~4
[5]李洪偉,張長(zhǎng)明.LMS自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)FIR、IIR數(shù)字濾波器的應(yīng)用及比較[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2005,(15):79~80
[6]Oppenheim A V,Schafer R W.Digital signal processing[M].Englewood Cliffs,NJ:Prentice-Hall,1975。