1、吕梁学院本科毕业论文（设计 ） I 摘 要 数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中。当前我们正处于数字化时代，数字信号处理技术受到了人们的广泛关注，其理论及算法随着计算机技术和微电子技术的发展得到了飞速的发展，被广泛应用于语音图象处理、数字通信、谱分析、模式识别、自动控制等领域。数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中。数字滤波器是指完成信号滤波处理的功能，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组 (由模拟信号取样和量化的 )数字量 ，其输出是经过变换的另一组数字量。相对于模拟滤波器，数字滤波
2、器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等，这些优势决定了数字滤波器的应用越来越广泛。 本论文的主要研究了 FIR 数字滤波器的基本理论，基于 TI 公司的数字信号处理器TMS320VC5402 设计了一款稳定度高，低功耗的数字滤波器系统。研究了 FIR 数字滤波器的基本理论，以及数字滤波器的实现方法。通过学习 FIR 滤波器的结构、数字滤波器的设计理论，掌握了 FIR 数字滤波器的原理和特性。为实现数字滤 波器奠定了理论基础。研究了 TMS320VC5402 器件的结构和特性，根据该数字信号处理器的独特的特点，设计合适的系统架构，并系
3、统全面的设计数字滤波器的各个模块电路，合理的处理模数转换和数模转换芯片与 DSP 的连接。为实现数字滤波器系统提供一个稳定的硬件平台。 根据 TI 公司 5000 系列数字信号处理器的基本结构和特征，充分利用其片上资源，用通用的可编程 DSP 芯片实现本次基于 DSP 的数字滤波器设计。 关键词： DSP；数字滤波器； FIR II Design of Digital Filter Based on DSP Abstract Digital filter is one of the most important part of digital signal processing， almost
4、 appeared in all digital signal processing system.Currently we are in a digital age， digital signal processing technology has received wide attention， its theory and algorithm with the development of computer technology and microelectronic technology has been rapid development， the voice is widely u
5、sed in image processing， digital communications， spectrum analysis， pattern recognition， automatic control， etc.Digital filter is one of the most important part of digital signal processing， almost appeared in all digital signal processing system.Digital filter is to point to complete the function o
6、f the signal filtering processing， with limited accuracy algorithm of discrete time linear time-invariant system， its input is a set of (by the analog signal sampling and quantization) digital quantity， its output is a transformation of another set of Numbers.Compared with analog filters， digital fi
7、lter without drift， able to handle low frequency signal， the frequency response can be made 吕梁学院本科毕业论文（设计 ） III very close to the ideal characteristics， and can reach high precision， easy integration and so on， these advantages determine the application of digital filter is more and more widely. Thi
8、s paper mainly studies the basic theory of FIR digital filter， based on TI companys digital signal processor TMS320VC5402 designed a high degree of stability， low power consumption digital filter system.Research the basic theory of FIR digital filter， as well as the realization of the digital filter
9、 method.By studying the structure of FIR filter， digital filter design theory， master the principle and characteristics of FIR digital filter.Laid the theoretical basis for the realization of the digital filter.Study the structure and properties of TMS320VC5402 device， according to the unique charac
10、teristics of digital signal processor， design a suitable system architecture， and the design of the system modules of digital filter circuit， a reasonable processing analog-to-digital conversion and digital to analog conversion chip connected with DSP.In order to realize digital filter system provid
11、es a stable hardware platform. Based on TI companys basic structure and features of the 5000 series digital signal processor， make full use of the on-chip resources， general programmable DSP chip is used to implement the digital filter design based on DSP. Keywords： DSP;Digital Filter;FIR吕梁学院本科毕业论文（
12、设计 ） - 1 - 第 1 章 绪论 本章主要介绍 数字滤波器 的 优越性 ， 国内外 研究现状和发展趋势， 数字滤波器的实现方法， 主要研究内容等。 1.1 数字滤波器的优越性 21 世 纪是数字化的时代，随着越来越多的电子产品将数字信号处理 (PSP)作为技术核心， DSP 已经成为推动数字化进程的动力。作为数字化最重要的技术之一， DSP 无论在其应用的深度还是广度，正在以汀所未有的速度向前发展。 数字信号处理器，也称 DSP 芯片，是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊结构的微处理器，它是现代电子技术、计算机技术和数字信号处理技术相结合的产物。 随着信息处理技术的飞速发展，计算机
13、技术和数字信号处理技术数字信号处理技术逐渐发展成为它在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪表技术、 信息家电等高科技领域得到了越来越广泛的应用。数字信号处理由于运算速度快，具有可编程特性和接口灵活的特点，使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中，发挥着重要的作用。采用 DSP 芯片来实现数字信号处理系统是当前发展的趋势。 近年来， DSP 技术在我国也得到了迅速的发展，不论是在科学技术研究，还是在产品的开发等方面，在数字信号处理中，其应用越来越广泛，并取得了丰硕的成果。数字滤波占有极其重要的地位。 数字滤波器容易实现不同的幅度和相位频率特性指标，克服了与模拟滤波器器件性能相关的电压漂移、温
14、度漂移和噪声 问题。用 DSP 芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外，还具有灵活性好的特点。用可编程 DSP 芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。 几乎每一科学和工程领域例如声学、物理学、通信、数据通信、控制系统和雷达等都涉及信号。在许多应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算。这些过程都可能包含衰减一个频率范围，阻止或隔离一些频率成分，用数字滤波器来实现这些功能是方便、有效、可行的 3。数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器 (IIR)和有限冲激响应 滤波器 (FIR)。 FIR 滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实
15、现的严格线性相位等优点，因而在对相位要求比较严格的条件下，采用 FIR 数字滤波器。 由于 DSP 控制器具有许多独特的结构，例如采用多组总线结构实现并行处理，独立的累加器和乘法器以及丰富的寻址方式，采用 DSP 控制器就可以提高数字信号处理运算的能力，可以对数字信号做到实时处理。用可编程 DSP 芯片实现数字滤波的又一优势是 :通 过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。有限长单位冲激响应 (FIR) 数字滤波器，与传统的通过硬件电路实现的模拟滤 波器相比有以下优点 3: (l)简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的集成度和可靠性。 - 2 - (2)对干扰信号的抑制能力有了明显提高，
16、这对系统的控制精度和稳定性的 提高起到了促进作用。 (3)数字滤波器的参数调节比起模拟滤波器来更加方便、灵活。 (4)数字滤波器可以实现数据的并行处理，提高了系统运行速度。 1.2 国内外 研究现状和发展趋势 自 20 世纪 70 年代末 80 年代初 DSP 芯片诞生以来 DSP 芯片得到了飞速的发展。最成功的 DSP 芯片当数美国德州仪器公司 (Texas Instruments，简称 TI)的一系列产品，其DSP 市场份额占全世界份额近的 50%。目前 DSP 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。经过 20 年的发展， DSP 器件在高速度，可编程，小型化，低功耗
17、等 方面都有了长足的发展，单片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 亿次 (160OMIPS)的运 算，生产 DSP 器件的公司也不断壮大。 在上一个世纪中，电滤波器的发展经历了从无源到有源和从模拟到数字两个过程。高精度无源滤波器从设计到制造都是难度非常高的技术。有源滤波器虽然很大地改进了滤波器的性能，也降低了一些制造工艺的难度， 但从其性能的大幅度改进，与其它信号处理技术的结合，实现的手段之便捷，还是要数数字滤波器后来居上。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。 我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有
18、重大的历史责任 9。 1.3 数字滤波器的实现方法 数字滤波器的实现方法一般有以下几种 5: (1)在通用的计算机 (如 PC)上用软件 (如 C 语言 )实现。软件可以是由自己编写，也可以使用现成的软件包。这种方法的缺点是速度太慢，不能 用于实时系统，主要用于 DSP 算法的模拟与仿真。 (2)在通用的计算机系统中加上专用的加速处理机实现。这种方法不便于系统的独立运行。 (3)用通用的单片机实现。单片机的接口性能良好容易实现人机接口。由于单片机采用的是冯诺依曼总线结构，系统比较复杂，实现乘法运算速度较慢，而在数字滤波器中涉及大量的乘法运算，因此，这种方法适用于一些不太复杂的数字信号处理。 (
19、4)用通用的可编程 DSP 芯片实现。与单片机相比， DSP 有着更适合于数字滤波的特点。吕梁学院本科毕业论文（设计 ） - 3 - 它利用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构， 具有良好的并行特点，并有专门设计的适用于数字信号处理的指令系统等。 (5)用专用的 DSP 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，而通用 DSP芯片很难实现，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无须进行编程。 (6)用 FPGA 等可编程器件来开发数字滤波算法。使用相关开发工具和 VHDL 等硬件开发语言，通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法。这一方法由于具有通
20、用性的特点并可以实现算法的并行运算，无论是作为独立的数字信号处理，还是作为 DSP 芯片的协作处理器都是比较活跃的研究领域。 本论文研究的重点集中在利用 DSP 来实现数字滤波的硬件电路。 1.4 主要研究内容 本论文主要 : 研究数字滤波的理论知识，为系统整体设计奠定了理论基础 ; 研究 TI 公司 TMS320VC5402 数字信号处理器的内部结构及片上资源，并研究通信电子线路中各种接口的相互连接关系，设计了一个价格低、功耗小、精度高的数字滤波器系统。 研究有限长冲激响应数字滤波器（ FIR）在 DSP 中的具体实现方法。 - 4 - 第 2 章 FIR 数字滤波器的理论研究 2.1 FI
21、R 滤波器简介 数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时 间线性非时变系统，其输入是一组数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。 因此，数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用 的数字计算机，也可以将所需要的运算编成程序，让通用计算机来执行。数字 滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出的优点。 随着数字技术的发展，用数字技术实现滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用。从数字滤波器的单位冲击响应来看，可以分为两大类 :有限冲击响应 (FIR)数字滤波器和无限冲击响应 (IIR)数字滤波器。本文研究 FIR 数字滤波器。 2.2 FIR 数字
22、滤波器的结构 有限长单位脉冲响应滤波器的系统函数为 1： 10)()( NnnznhzH（ 2.1） 其差分方程为 : 10)()()( Nkknxkhny （ 2.2） 其基本结构型式有以下几种 : 由上式可以得出如下图 2-1 所示的直接型结构，这种结构又可以称为卷积型结构。 图 2-1 FIR 滤波器直接型结构 z1 z1 z1 x(n) h(0) h(1) h(2) h(N-1) + y(n) 吕梁学院本科毕业论文（设计 ） - 5 - 将转置理论应用于上图可以得到图 2-1 所示的转置直接型结构，可得到图 2-2 所示转置型结构 4。 将式中的系统函数 H(z)分解成二街实系数因子的
23、形式，即 : 212211010)()()(Nk kkkNnn zzznhzH 当需要控制滤波器的传输零点时，可将系统函数 H（ z）分解成上式形式，这样就可以用二阶节级联起来构成。其中 N/2表示取 N/2 的整数部分。若 N 为偶数，则 N-1 为奇数，故系数 k2中有一个为零。这是因为这时有奇数个根，其中复数根成共轭对，必为偶数，必然有奇数个实根。图 2-3 画出了 N 为奇数时 FIR 滤波器的级联结构。 图 2-3 FIR 滤波器的级联型结构 z1z1z1z1h(0) h(1) h(2) h(3) h(N-1) y(n) x(n) 图 2-2 FIR 滤波器转置结构图 （ 2.3）
24、x(n) z1z1z1z1z1z10102 20N11 0212 22 2/1N22N- 6 - 第 3 章 FIR 滤波器设计方法 FIR 滤波器的设计方法主要有窗函数设计法和频率抽样设计法等，其中窗函数设计法是最基本的设计方法。在设计 FIR 滤波器中，一个最重要的计算就是加窗，采用矩形窗是最直接和 简便的方法，但采用矩形窗存在较大的 Gibbis 效应，且矩形窗的第一旁瓣与主瓣相比仅衰减 13dB，因此实际设计中一般采用其他窗函数。 本小节主要介绍几种常用的窗函数和频率抽样设计法。 3.1 利用窗函数法设计 FIR 滤波器 (一 )窗函数法的基本思想 窗函数设计的基本思想是要选取某一种合
25、适的理想频率选择性滤波器，然后将它的脉冲响应截断以得到一个线性相位和因果的 FIR 滤波器。因此这种方法的重点在于选择某种合适的窗函数和一种理想滤波器。对于给定的滤波器技术指标，选择滤波器长度和具有最窄主瓣宽度和尽可能 小的旁瓣衰减的某个窗函数。任何数字滤波器的频率响应)(ejwA 都是 的周期函数，它的傅立叶级数展开式为： ehe jNn dj nH )()( 10其中 ： )2 1()2 1(s i n )(21)( 20 LnLndn cnjjdd eeHh其中的 c 为滤波器的归一化的截止频率。傅立叶系数 )(nhd 实际上就是理想数字滤波器的冲激响应。获得有限冲激响应数字滤波器的一种
26、可能方法就是把无穷级数截取为有限项级数来近似，而吉布斯 (Gibbs)现象使得直接截取法不甚令人满意 1 窗函数法就是用被称为窗函数的有限加权系列 (n)来修正式 (3.2)的傅立叶级数。（ 3.1） （ 3.2） 吕梁学院本科毕业论文（设计 ） - 7 - 以求得要求的有限冲激响应序列 h(n)。 即有： )()()( nnnh h d )(n 是有限长序列，当 nN-1 及 n0 时， )(n =0。 3.2 几种常用的窗函数 工程中比较常用的窗函数有 l3: 矩形窗函数、三角形 (Bartlett)窗函数、汉 宁 (Hanning)窗函数、海明 (Hamming)窗函数、布莱克曼 (Blackman)窗函数和凯塞 (Kaiser)窗函数。 这几种窗函数的比较见表 3-1 所示。 表 3-1 几种常用窗函数对比 窗函数的选择原则是 : 具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度 ; 窗函数 旁瓣峰值衰减（ db） 过渡带（ ） 阻带最小衰减（ db） 矩形窗 -13 4 /N -21 三角窗 -27 8 /N -25 汉宁窗 -31 8 /N -44 海明窗 -41 8 /N -53 克莱克曼窗 -57 12 /N -74 凯塞窗 -57 10 /N -80 （ 3.3）
