基于DSP的數(shù)字濾波器設(shè)計

孫越++馬琳玲

摘 要介紹了DSP濾波器的工作原理，討論了DSP的硬件設(shè)計方法，并使用MATLAB進行仿真處理。介紹了在FIR與IIR之間的異同之處，簡要較介紹了一般數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟，闡述了在DSP設(shè)計濾波器時軟件設(shè)計與其他工程中軟件設(shè)計的相異之處。并介紹了一般數(shù)字濾波器中的性能測試程序。對基于FPGA（Field-programmable Gate Array）的DSP設(shè)計與傳統(tǒng)DSP設(shè)計方法進行詳細的比較分析。

【關(guān)鍵詞】FIR數(shù)字濾波器 DSP MATLAB仿真

在信息處理技術(shù)快速發(fā)展的21世紀(jì)數(shù)字化時代，科技的發(fā)展越來越離不開數(shù)字信號處理技術(shù)，尤其是在電子、通信、自制這種高科技領(lǐng)域，數(shù)字信號處理水平?jīng)Q定了項目發(fā)展的高度。數(shù)字信號處理不存在漂移現(xiàn)象，所以相對與模擬濾波器而言，數(shù)字信號濾波器能更好的處理低頻信號，并具有更理想的頻率響應(yīng)特性，更高的精度，且易于集成化處理。因此，數(shù)字濾波器在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。

1 FIR與IIR數(shù)字濾波器介紹

數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法主要有IIR濾波器和FIR濾波器兩種。

1.1 IIR數(shù)字濾波器

無限長沖激響應(yīng)濾波器IIR，通過設(shè)計模擬濾波器的方法，優(yōu)點是有良好的幅頻特性，但是有非線性的相位。因此，為得到良好的相位特性，就必須在濾波器中加入移相器使糾正相位，此時得到的濾波器會比較復(fù)雜并且成本增加。

1.2 FIR數(shù)字濾波器

有限長沖激響應(yīng)濾波器FIR，其組成由有限個采樣器。相比于無限長沖激響應(yīng)IIR，F(xiàn)IR既能保證其很好的幅頻特性，又能具有良好的相頻特性。在應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸、語音通信等方面，一般會要求保證要有線性的相頻特性，故在這些領(lǐng)域中FIR有著IIR無法替代的優(yōu)勢。所以在要求需要有線性相位的工程設(shè)計中，大多數(shù)都是使用有限長沖激響應(yīng)濾波器。

令有限長沖激響應(yīng)濾波器FIR單位沖激響應(yīng)h（k），k為（0～（k-1）），而用r（k）表示濾波器在k時刻的輸入，則k時刻的輸出為：y（k）=y（k）=h（0）r（k）+h（1）r（k-1）+…+h（k-1）r[k-（k-1）]=k-1K=0Σh（k）r（k-k）（1）其對應(yīng)的FIR濾波器的傳遞函數(shù)為：H（z）=k-1K=0Σh（k）z-k（2），由此，可以得出FIR濾波器的特點如下：

（1）濾波器的幅度可以根據(jù)需要進行設(shè)計，不會有很大的失真且具有嚴(yán)格的相位；

（2）不需要考慮穩(wěn)定性的問題，因為FIR濾波器的沖激響應(yīng)是有限長的；

（3）不會出現(xiàn)遞歸型結(jié)構(gòu)中的極限振蕩，由于FIR濾波器一般不會設(shè)計成遞歸型，因此，在有限運算下不會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；

（4）FIR濾波器運算效率高，因為可以采用FFT算法實現(xiàn)。

2 FIR數(shù)字濾波器硬件設(shè)計

在實際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)中用到DSP技術(shù)，那么使用工作頻率一般會比較高，因此在設(shè)計中會有很多地方不同于普通的數(shù)字電路，尤其注意PCB高頻信號布線處理，了解DSP系統(tǒng)的高頻特性，尤其要明白軟硬件協(xié)同設(shè)計和信號的完整性的概念，然后要解決信號完整性問題，可使用EDA仿真軟件CADEkCE仿真，測試并確定電路是否會受到布線影響。應(yīng)先了解系統(tǒng)要求，明確系統(tǒng)功能參數(shù)，根據(jù)要求設(shè)計程序框圖。

2.1 DSP芯片選擇

確定DSP芯片要結(jié)合各種因素，滿足系統(tǒng)實時性要求，明確處理精度，考慮預(yù)算。最初在選擇時，要根據(jù)性能指標(biāo)確定型號，并酌情留有冗余。例如，可以通過計算機上仿真，測試芯片是否滿足實時性要求，可以計算出算法所需要多少DSP指令，然后在留有余量的情況下選出DSP芯片的具體型號。一般芯片性能越高，可滿足的算法就會越復(fù)雜。

2.2 DSP芯片外圍器件選擇

DSP擴展電路主要有儲存器，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及接口芯片。模數(shù)采樣芯片的選擇要根據(jù)系統(tǒng)中主控芯片處理的模擬信號頻帶寬度，也要考慮到成本。AD采樣需要服從Nyquist 采樣定律。例如，一般通訊中帶寬為25kHz，人的聲音信號為2～20KHz，圖像采集信號頻率為8MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率至少是其輸入頻率的兩倍才能無失真的還原原始模擬信號。存儲器應(yīng)選擇存取速率與所處理芯片吻合的型號，不然就不能充分利用DSP的高計算速度或者出現(xiàn)讀取錯誤。

3 FIR數(shù)字濾波器軟硬件設(shè)計

在以往的工程設(shè)計中，軟件設(shè)計和硬件設(shè)計是相互獨立的，只是在完成設(shè)計后留出所需的接口實現(xiàn)軟硬件的聯(lián)調(diào)。但是如今系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，并且軟硬件之間的聯(lián)系也越來越緊密，這種軟件與硬件獨立研發(fā)的工作模式已經(jīng)很難滿足如今系統(tǒng)的設(shè)計要求，所以就產(chǎn)生的軟硬件合作設(shè)計模式。

3.1 軟硬件設(shè)計介紹

軟/硬件協(xié)同設(shè)計就是指在一次工程設(shè)計中，軟件與硬件使用同一工具和統(tǒng)一的描述語言。目前這種設(shè)計模式在性能評估和協(xié)同驗證方面應(yīng)用較多，應(yīng)用時，要保證仿真結(jié)果是對運行環(huán)境的真實模擬。

3.2 軟硬件設(shè)計方法

DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計的一般方法常用的軟/硬件協(xié)同驗證方法有三種：

（1）在C的基礎(chǔ)上設(shè)計軟硬件開發(fā)平臺，然后利用此平臺設(shè)計硬件電路和應(yīng)用程序。

（2）通過硬件描述語言HDL搭建硬件電路模型，再通過HDL模擬器仿真的虛擬原型機的軟/硬件協(xié)同驗證。將編譯完成的軟件程序嵌入系統(tǒng)的邏輯寄存器中，然后由處理器DSP從寄存器中讀取程序指令并運行程序，由此完成硬件與軟件聯(lián)合運行的功能驗證；

（3）利用指令集仿真器（ISS）加總線功能模型（BFM）的方法。這種方法通過ISS來執(zhí)行軟件并且利用BFM來產(chǎn)生總線上的動作，其它硬件設(shè)備則根據(jù)總線的行為來完成自己的功能，從而驗證整個系統(tǒng)的軟/硬件工作是否正常。

4 設(shè)計性能測試

4.1 性能測試方法論證

設(shè)定好FIR濾波器參數(shù)后，將數(shù)據(jù)輸入DSP中，但在DSP語言中不能識別十進制小數(shù)，因此需要加入數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊把參數(shù)改成小數(shù)，然后就能在芯片中運行濾波器功能。數(shù)字濾波器的設(shè)計流程如下：

（1）根據(jù)設(shè)計要求，通過軟件工具如MATLAB計算濾波器參數(shù)。

（2）分析所用DSP芯片的功能特點，對濾波器的性能進行綜合考慮，對芯片難以實現(xiàn)的功能適當(dāng)舍棄。

（3）初步設(shè)計完成，根據(jù)上文介紹，軟硬件仿真。

（4）根據(jù)仿真結(jié)果對濾波器參數(shù)、結(jié)構(gòu)再調(diào)整，使其滿足要求。

（5）在DSP中運行程序。

4.2 結(jié)果測試

設(shè)計完成后，使用仿真軟件CCS測試設(shè)計結(jié)果，例如，設(shè)計低通濾波器，需要檢測輸入波形低頻部分是否通過，輸入波形毛刺是否濾除。

5 總結(jié)

利用DSP設(shè)計FIR數(shù)字濾波器可實現(xiàn)有良好的線性相位，且可以在后期修改參數(shù)，改變少量程序代碼就能實現(xiàn)不同的帶寬的高、低通濾波，同時濾波效果可觀，實用性強。通過軟硬件結(jié)合的方式，可優(yōu)化設(shè)計流程，節(jié)省設(shè)計時間。

參考文獻

[1]梁光勝，胡紅.DSP設(shè)計方法的研究[J].中國電力教育，2006（S1）：176-179.

[2]劉萬松.基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計[D].貴州：貴州大學(xué)，2008.

[3]叢玉良等.數(shù)字信號處理原理及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

作者簡介

孫越（1988-），女，江蘇省南京市人。大學(xué)本科學(xué)歷。畢業(yè)于南京東南大學(xué)?，F(xiàn)為南京熊貓漢達科技有限公司助理工程師。主要研究方向為電子工程。

作者單位

南京熊貓漢達科技有限公司 江蘇省南京市 210000