FIR數(shù)字濾波器在TI DSP上的實現(xiàn)

沙巖 李娜娜 王丹

【摘要】 本文針對TI公司TMS320VC54x系列DSP芯片TMS320VC5409構成的數(shù)字信號處理硬件電路，設計了FIR數(shù)字濾波器程序，程序采用匯編語言編寫，具有占用存儲空間少，運行速度快的優(yōu)點，能夠更好地適應需要實時濾波的場合[1]；闡述了FIR數(shù)字濾波器的理論設計及在DSP上的實現(xiàn)過程。根據(jù)其實現(xiàn)思路，可以很方便設計出符合要求的濾波器。

【關鍵詞】 FIR數(shù)字濾波器 CCS TI DSP TMS320

數(shù)字信號處理器（DSP）是針對數(shù)字信號處理需要而設計的一種可編程的單片機。作為TI公司的定點系列DSP產(chǎn)品之一TMS320VC5409的出現(xiàn)，其高速的運算速度為實現(xiàn)數(shù)字信號的實時處理和實時控制提供了更為方便的途徑。這種單片DSP把高速控制器的靈活性和陣列處理器的數(shù)值計算能力結合起來，從而提供了廉價的、比多位更為可取的處理器。

一、FIR數(shù)字濾波器優(yōu)勢分析

IIR數(shù)字濾波器雖然有優(yōu)異的幅度響應和實現(xiàn)效率，但是這是以犧牲相位的非性為代價的，選擇性越好，則相位的非線性越嚴重，非線性相位會引起頻率的色散；其次設計系數(shù)的時候必須注意到穩(wěn)定性的問題，極點不能位于單位圓之外，比較難確定。即頻率特性中的相頻特性具有非線性，其結果會造成處理信號產(chǎn)生相位失真而發(fā)生畸變。如果需要線性的相頻特性，必須采用全通網(wǎng)絡來修正。FIR數(shù)字濾波器可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時FIR 數(shù)字濾波器的單位沖激響應是有限個的，其實現(xiàn)的結構是非遞歸型的，因此系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的； FIR濾波器的固定位噪聲較容易控制，其以固定位制作時的誤差對整個系統(tǒng)的影響較??；FIR濾波器易設計成具有線性相位響應系統(tǒng)，一個具有線性相位的系統(tǒng)對于輸入信號的不同頻率成份皆會有固定的延遲時間，因此不會造成信號的相位失真，相位失真對于某些信號的影響相當嚴重，如音頻和視頻，相位失真會造成聲音和影像品質(zhì)的不良，明顯的例子像是電視的重影就是相位失真造成的，其它像一些數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是利用不同相位調(diào)制，此時相位失真也會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤。因此FIR濾波器較IIR濾波器的應用更為廣泛。

二、FIR濾波器設計與實現(xiàn)

2.1 FIR數(shù)字濾波器的結構原理

FIR濾波器的制作只是有限項的直接回旋運算，F(xiàn)IR系統(tǒng)可以利用快速傅立葉轉(zhuǎn)換執(zhí)行以減少所需要運算的個數(shù)，增加執(zhí)行的效益。FIR數(shù)字濾波器有直接型和轉(zhuǎn)置型結構，直接型結構也稱為抽頭延遲線結構，或稱橫向濾波器結構。直接型中可以看出，沿著這條鏈每一抽頭的信號被適當?shù)南禂?shù)（脈沖響應）加權，然后將所得乘積相加就得到輸出y（n）。

2.2 FIR數(shù)字濾波器的C54x實現(xiàn)

通過CCS的圖形顯示工具觀察輸入輸出信號波形以及頻譜的變化 [3].例如FIR數(shù)字濾波器的最主要特點是沒有反饋回路，因此它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)，它的單位沖激響應h（n）是一個有限長序列。用線性緩沖區(qū)實現(xiàn)延時操作的優(yōu)點是：新老數(shù)據(jù)在存儲器中存放的位置直接明了。為了采用線性緩沖區(qū)進行延時，需將系數(shù)和數(shù)據(jù)均存放在DARAM中，這樣程序的執(zhí)行速度最快。

三、在CCS環(huán)境下FIR濾波器性能仿真和實際測試

3.1 CCS環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的實現(xiàn)過程

由于奈奎斯特采樣定理，數(shù)字濾波器的處理能力受到系統(tǒng)采樣頻率的限制。如果輸入信號的頻率分量包含超過濾波器1/2采樣頻率的分量時，數(shù)字濾波器因為數(shù)字系統(tǒng)的“混疊”而不能正常工作。如果超出1/2采樣頻率的頻率分量不占主要地位，通常的解決辦法是在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之前放置一個低通濾波器將超過的高頻成分濾除[4]。

為了對信號進行濾波，首先必須根據(jù)技術指標設計一個數(shù)字濾波器。我設計一個FIR低通濾波器。其技術指標為：通帶截止頻率為1500Hz，阻帶截止頻率為2000Hz，通帶波紋是0.01，阻帶波紋是0.1，取樣頻率是8000H。

3.2 結果分析

在CCS環(huán)境中用匯編語言編寫一個實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的程序及鏈接器命令文件，編譯程序，在屏幕上顯示濾波器的輸入x（n）與輸出信號y（n）的頻譜圖。 當頻率為1000赫茲和3000赫茲的兩個頻率信號，經(jīng)過截止頻率為2000赫茲的FIR數(shù)字濾波器后，頻率為3000赫茲的信號得到了一定程度的壓制，頻率為1000赫茲的信號被保留，基本沒有變化?？傮w上來說，達到了濾波的效果。

本文介紹了一種基于C5409硬件平臺的FIR數(shù)字濾波器實現(xiàn)方案。選用FIR濾波器會避免相位延遲。在匯編語言程序中，F(xiàn)IR濾波器采用的是直接型結構，并且采用帶移位雙操作數(shù)指令來實現(xiàn)，所設計的程序直觀易懂。由于是線性相位的FIR濾波器，還可以采用線性相位FIR濾波器的結構及相應的DSP指令來設計程序。占用存儲空間少，運行速度快。文章表明，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器準確度高、穩(wěn)定性好，易于移植使用，具有較強的實用性與靈活性。

參 考 文 獻

[1]彭啟琮.TMS320VC54x實用教程.成都：電子科技大學出版社，2010

[2]劉順蘭，吳杰.數(shù)字信號處理.西安：西安電子科技大學出版社，2013

[3]程培青等.數(shù)字信號處理.北京：清華大學出版社，2012

[4]王念旭等.DSP基礎與應用系統(tǒng)設計.北京：北京航空航天大學出版社，2014