基于DSP的典型數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

覃寧

摘要：近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)我國科技水平的提升?？萍嫉陌l(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(xiàng)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。本文就基于DSP的典型數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)展開探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號;濾波器;DSP

引言

相比于傳統(tǒng)的模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒有模擬器件的溫度和電壓漂移，性能更加可靠且能夠達(dá)到很高的精度，同時濾波器參數(shù)容易修改。由于數(shù)字器件的規(guī)范性，數(shù)字濾波器能夠進(jìn)行大規(guī)模的集成，通過DSP數(shù)字處理芯片可以實(shí)現(xiàn)并行操作處理。

1數(shù)字濾波器的主要定義

數(shù)字濾波器是與模擬濾波器相對應(yīng)的，我們在常用的離散系統(tǒng)中，使用數(shù)字濾波器。它的主要作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性，在這里時間就是一個變量，然后在對外部輸入的信號，進(jìn)行處理，這里的輸入信號一般都是廣義上的波形型號，信號可以是電壓、電流、功率等。當(dāng)然也有類似于頻率等這種。在實(shí)際的操作中，我們也可以把輸入的信號波形變成輸出，也就是將輸入和輸出倒置。從而實(shí)現(xiàn)我們將信號的頻譜修改的目的

2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

2.1DSP系統(tǒng)

DSP信號處理流程如下，首先將樣本輸入，經(jīng)過抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、DSP芯片、D/A轉(zhuǎn)換、平滑濾波后，將計(jì)算結(jié)果輸出。在信號處理過程中，大部分為模擬信號，但DSP只對數(shù)字信息進(jìn)行接收，因此先要將模擬信號利用A/D轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，在實(shí)際應(yīng)用中，對FTT變化、相對卷積進(jìn)行處理，再對數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，使其成為模擬采樣值，最終將不平滑的濾波輸入到濾波器中，經(jīng)過處理后獲得連續(xù)信號。對于DSP系統(tǒng)來說，在信號處理理論的引導(dǎo)下，具有數(shù)字信號的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是與之兼容的接口較多，且均具有數(shù)字化特點(diǎn)，便于與其他接口相連;二是由于DSP芯片中，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際操作，由工作者進(jìn)行編程后改變，具有較強(qiáng)靈活性，可重復(fù)操作;三是運(yùn)行速度較快，可達(dá)10GMIPS，甚至更多。

2.2FIR數(shù)字濾波器軟硬件設(shè)計(jì)

（一）軟硬件設(shè)計(jì)介紹。軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)就是指在一次工程設(shè)計(jì)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(jì)模式在性能評估和協(xié)同驗(yàn)證方面應(yīng)用較多，應(yīng)用時，要保證仿真結(jié)果是對運(yùn)行環(huán)境的真實(shí)模擬。（二）軟硬件設(shè)計(jì)方法。DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法常用的軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證方法有三種：（1）在C的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軟硬件開發(fā)平臺，然后利用此平臺設(shè)計(jì)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(jī)的軟/硬件協(xié)同驗(yàn)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(yùn)行程序，由此完成硬件與軟件聯(lián)合運(yùn)行的功能驗(yàn)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(yàn)證整個系統(tǒng)的軟/硬件工作是否正常。

2.3數(shù)字濾波器常用的算法

我們數(shù)字濾波器迄今為止已經(jīng)有不下幾十種濾波的算法。但是我們常使用的濾波算法，也就是最多五來種，這十幾種算法已經(jīng)在我們?nèi)粘５乃惴ㄖ谐洚?dāng)了主力軍。本文主要對十種算法進(jìn)行一個簡單的列出。在排在前五種算法中，最常用的是限幅濾波法，我們在收到輸入輸出波形時候，是不規(guī)則的，我們會在濾波器中進(jìn)行一個模擬上下限值，其中高于上限的數(shù)值以及低于下限的數(shù)值我們主動過濾。該算法其實(shí)是非全數(shù)學(xué)算法。中位值過濾法是實(shí)際上是由中間值替代一個鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，這種方法比較適應(yīng)于曲線擬合以及曲線描繪的方式。這種過濾對脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是有一個優(yōu)勢的地方就是在濾除噪聲的基礎(chǔ)上，還可以比較完整的保存信號的邊緣。算術(shù)平均濾波法是數(shù)字濾波通過數(shù)學(xué)計(jì)算，并且求平均值的一種最簡單的一種，這個方法就是將信號進(jìn)行多次采樣，然后將輸出的數(shù)字量信號進(jìn)行平均計(jì)算，作為某一時刻的平均值，具體采樣的次數(shù)主要根據(jù)不同的情況進(jìn)行界定。這種算法主要是對于多頻次有規(guī)律的的信號干擾以及偶發(fā)性的信號干擾有明顯的作用。 遞推平均濾波法主要應(yīng)用在一些特殊的場景，例如，在一些項(xiàng)目與聯(lián)絡(luò)問題中都需要對信號的矩陣進(jìn)行特征性向量的數(shù)值，我們一般如何快速并且準(zhǔn)確的計(jì)算出特性向量那就是整個項(xiàng)目實(shí)際問題得到解決的關(guān)鍵因素。現(xiàn)在我們求解特性向量的辦法比較多，但是大部分需要進(jìn)行一個海量的計(jì)算，計(jì)算比較大就直接影響工作效率以及計(jì)算的準(zhǔn)確度，現(xiàn)在是我們實(shí)際的方法一般都是講特性的向量做出一個直接預(yù)估，也有一部分計(jì)算是將特征向量延伸出來一套子空間的計(jì)算進(jìn)行一個預(yù)估，這種做法是很難將信號進(jìn)行處理的，一般歷史信號還比較好，但是實(shí)時數(shù)據(jù)的信號一般很難進(jìn)行實(shí)時處理?，F(xiàn)在對于計(jì)算復(fù)雜度比較高的特性向量做主直接的遞推預(yù)估也是不常見的方式。一階低通濾波法，它的主要的特性我們一般使用一個一元微分的方程進(jìn)行示意。一般情況下，線性的連續(xù)的系統(tǒng)特征除了可以在時間域下面進(jìn)行微積分方程外，還有沖擊響應(yīng)的表的表示，還有就是通過將時間變?yōu)轭l率為自變量的一種算法表示，這個叫做響應(yīng)的頻率。這種方式是時間倒數(shù)的表示方式。我們可以證明出來系統(tǒng)的頻率響應(yīng)其實(shí)就是沖擊響應(yīng)的一種算法?，F(xiàn)在算法一般公式表示為傅里葉變換。

3實(shí)現(xiàn)方案

在濾波器計(jì)算時，應(yīng)對輸入信號、濾波系數(shù)卷積進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)x（n）代表的是輸入信號;h（n）代表的是濾波器沖擊響應(yīng)。在數(shù)字信號處理中，由于卷積屬于應(yīng)用較為頻繁的算法，在全部DSP芯片中均設(shè)置了專門的卷積運(yùn)算。在本文研究的系統(tǒng)中，可采用macd指令完成卷積，該指令的形式為：macd（Smem，pmad，src）。在該指令中，由于存儲器地址為Smem，具有尋址作用，但Pmad單純具備存儲地址。因此，在指令實(shí)施之前，先要將pmad中的地址傳輸?shù)郊拇嫫髦校儆肧mem對內(nèi)容進(jìn)行識別，最終將全部內(nèi)容相加，所得到的結(jié)果傳輸?shù)嚼奂悠髦?。在?shí)際運(yùn)行過程中，首先將累加器中的數(shù)據(jù)復(fù)制出來，傳送到后續(xù)地址、寄存器中，如若只是單純對命令進(jìn)行復(fù)制，便可將寄存器持續(xù)加1，使讀取程序反復(fù)循環(huán)三個周期;如若數(shù)據(jù)非循環(huán)，只需一個周期即可，數(shù)據(jù)移動之后，卷積所需的計(jì)算便已完成，對DSP芯片進(jìn)行編程，便可使濾波器的功能充分實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)芯片中，設(shè)置2個McBSP，該硬件部分是在標(biāo)準(zhǔn)串行口基礎(chǔ)上，引腳連接界面，擁有雙倍和三倍發(fā)送緩沖存儲器，可獨(dú)立收發(fā)時鐘信號。在工作原理方面，發(fā)送時數(shù)據(jù)傳入寄存器中，再發(fā)送時鐘與幀同步情況下，通過寄存器將數(shù)據(jù)發(fā)送到引腳;在數(shù)據(jù)接收過程中，在FSR控制之下，將接收引腳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊拇嫫髦?，并在接收緩沖寄存器中存儲，再復(fù)制到DRR中，最終由CPU或者DMA控制器讀取。通過對串行接口位置控制寄存器。在采樣頻率方面，可通過模擬電路的確定采樣頻率，在芯片方面集成16位ADC/DAC，編程設(shè)置傳輸與轉(zhuǎn)換周期，最高轉(zhuǎn)換頻率為22.05KHz，在采樣頻率確定的情況下，對控制寄存器進(jìn)行設(shè)定。

結(jié)語

數(shù)字濾波器是一個針對不同應(yīng)用場景，選定不同方式以及算法的復(fù)雜的工程，在實(shí)際的應(yīng)用中有多變的外部因素在影響，具體使用還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)與算法的開發(fā)。

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