DSP概述及有限冲击响应滤波器_图文(精)

1、目录 摘要2 一、 DSP概述2 1、 什么是DSP 2 2、 DSP发展历史及现状3 3、 DSP未来发展趋势3 4、 DSP芯片的特点及优缺点4 5、 DSP芯片的选取5 6、 DSP的应用6 二、 有限冲击响应滤波器（FIR）算法及实现7 1、 FIR数字滤波器简介7 2、 FIR滤波器的特性8 2.1 FIR 滤波器的线性相位特性 8 2.2线性相位FIR滤波器幅度特性 9 3、 基于窗函数的FIR滤波器设计9 4、 基于频率抽样法的FIR滤波器设计10 5、 基于切比雪夫逼近法直接设计 FIR数字滤波器11 6、 用DSP实现FIR滤波器11 7、 FIR滤波器的优缺点12 摘要 本

2、文主要分为两部分，DSP的概述和有限冲击响应滤波器算法研究。 DSP概述主要包 括DSP的历史及发展趋势，DSP的应用、优缺点及选取。FIR滤波器的设计包括它的特 性简介，基于窗函数法、频率抽样发、切比雪夫逼近法的简介和基于 DSP实现窗函数法 FIR滤波器的设计。DSP概述 1、什么是DSP Digital signal processing（数字信号处理），是一种利用计算机或专用处理设备 通过使用数学技巧对信号进行执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，是一门涉 及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。它是随着计算机和信息技术的飞速发 展应运而生并得到迅速的发展的。 Digital

3、signal processor数字信号处理器），是一种具有独特结构特别适合进 行数字信号处理运算的微处理器，芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专 门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP指令，可以用来实时快速的 实现各种数字信号处理算法。 2、.迁二发展历史及现状 DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段。 第一阶段，DSP的雏形阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广 为流行。世界上第一个单片 DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811。 1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件 2920是DSP芯片的一个主要里程 碑。这时的应用

4、领域仅局限于军事或航空航天部门。 第二阶段，DSP的成熟阶段，DSP从概念走向产品，这个时期的 DSP器件在硬件 结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件 FFT变换和单指令滤波处 理。 第三阶段，90年代以后，DSP发展突飞猛进，这一时期各 DSP制造商不仅使信号处 理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、 成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上 ，大大地提高了数字信号处理能力。 自1980年以来DSP芯片得到迅速发展，DSP芯片的应用越来越广泛，竞争也越来 越激烈。现在，世界上的 DSP有300多种，其中定点有200多种。生产DSP的公

5、 司有80多家，主要厂家有 TI公司、AD公司、Lucent公司、Motorola公司和 LSI Logic公司。TI公司作为DSP生产商的代表，定点和浮点 DSP约占市场份 额的60% , AD公司的定点和浮点 DSP大约分别占16%和13%, Motorola 公司的定点和浮点 DSP大约分别占7%和14%，而Lucent公司主要生产定点 DSP，约占 5%。 世界上最大的DSP生产厂商就是TI公司，TI公司的一系列 DSP产品已经成为当今世界上 最有影响的DSP芯片。TI公司在1982年成功推出其第一代 DSP芯片TMS32010及其系列产品 TMS32011 TMS320C10/C14

6、/C15/C16/C17 等，之后相继推出了第二代 DSP芯片 TMS32020 TMS320C25/C26/C28 第三代 DSP芯片 TMS320C30/C31/C32,第四代 DSP芯片 TMS320C40/C44 第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X第二代DSP芯片的改进型 TMS320C2XX集多片 DSP芯片于 一体的高性能DSP芯片TMS320C8Q及目前速度最快的第六代 DSP芯片TMS320C62X/C67X等。 TI将常用的 DSP芯片归纳为三大系列，即： TMS320C200C系列（包括 TMS320C2X/C2XX、 TMS320C500C系列（包括 TMS32

7、0C5X/C54X/C55X、TMS320C600C系列（TMS320C62X/C67X。 AD公司的DSP在国内使用比较广泛。定点 DSP包括ADSP-2101/2103/2105、ADSP- 2161/3162/2164、ADSP-2171/2181，浮点 DSP包括 ADSP-21000/21020、ADSP-21060/21062。 其中ADSP-2181是使用相当多的一种型号。 Motorola公司的DSP产品使用也非常广泛。主要有 DSP56000系列、DSP56300系列、 DSP56600系列。作为 MCI的主要生产厂商 Zilog公司在DSP方面也有一定的表现，主要有 Z89

8、C00 系列、Z893X1 系列、Z893X3 系列。 3、DSP未来发展趋势 未来的10年，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发 展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产 品的技术核心。DSP技术将会有以下一些发展趋势： （1） DSP的内核结构将进一步改善 多通道结构和单指令多重数据（ SIMD、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中 占主导地位，如 AD公司的 ADSP-2116% （2） DSP和微处理器的融合 微处理器MPU是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任 务，但是对数字

9、信号的处理功能很差。而 DSP处理器，具有高速的数字信号处理能力。将 DSP 和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的开发，减小 PCB体积，降低功耗和整个系统的 成本。 （3） DSP和高档CPU的融合 大多数高档 MCU女口 Pentium 和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。在 DSP中融入高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，具有结构规范，利于编程，不用进行指令排 队，使DSP性能大幅度提高。 （4） DSP 和 SOC的融合 SOC（ system-o n-chip ）是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括 DSP和系统接 口软件等。比如 Virata公司

10、购买了 LSI Logic 公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与 系统软件如 USB 10BASET以太网、UART GPIO HDLC等一起集成在芯片上，应用在 XDSL 上，得到了很好的经济效益。 (5) DSP 和 FPGA的融合 FPGA是现场可编程门阵列器件。它和 DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大 大提高信号处理速度。 （6） 实时操作系统 RTOS与 DSP的结合 随着DSP处理能力的增强，DSP系统越来越复杂，使得软件的规模越来越大，往往需要运 行多个任务，各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。随着 DSP性能和功能的日益增 强，对DSP应用提供RTO

11、S的支持已成为必然的结果。 （7） DSP的并行处理结构 为了提高DSP芯片的运算速度，各 DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。这样， 可以在同一时刻将不同的 DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。 （8） 功耗越来越低 随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展， DSP芯片内核的电源电压 将会越来越低。 4、DSP芯片的特点及优缺点 根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点： 盒在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 盘程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 燼片内具有快速 RAM可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 瑟

12、具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 裁快速的中断处理和硬件 I/O支持。 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 可以并行执行多个操作。 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 与通用微处理器相比， DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。 优点： 卷具有大规模集成性和高速性。 盘处理精度高，常用的为 16位数字系统。 对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小，稳定性好。 卷可以时分复用，共享处理器。 方便调整处理器的系数实现自适应滤波。 总可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等。 卷可用于频率非常低的信号。 缺点： 卷需要模数转换

13、； 盘受采样频率的限制，处理频率范围有限； 数字系统由耗电的有源期间构成，没有无源设备可靠。 5、DSP芯片的选取 设计DSP应用系统，选择 DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了 DSP芯片，才能进 一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说， DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需 要而确定。不同的 DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对 DSP芯片的选择也是 不同的。一般来说，选择 DSP芯片时应考虑到如下诸多因素。 （1） DSP芯片的运算速度。运算速度是 DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择 DSP 芯片时所需要考虑的一个主要因素。 DSP芯片的运算速度可以用

14、以下几种性能指标来衡量：指 令周期、MAC时间、FFT执行时间等。 （2） DSP芯片的价格。DSP芯片的价格也是选择 DSP芯片所需考虑的一个重要因素。如果 采用价格昂贵的 DSP芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是民用产 品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适中的 DSP芯片。 （3） DSP芯片的硬件资源。不同的 DSP芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内 RAM ROM 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口， I/O接口等。即使是同一系列的 DSP芯 片，系列中不同 DSP芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 （4） DSP芯片的

15、运算精度。一般的定点 DSP芯片的字长为16位，女口 TMS320系列。但有的公 司的定点芯片为24位，女口 Motorola公司的MC56001等。浮点芯片的字长一般为 32位，累加 器为40位。 （5） DSP芯片的开发工具。在 DSP系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开 发工具的支持，要想开发一个复杂的 DSP系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的 支持，如C语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选择 DSP芯片的同时必须注意其 开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具。 （6） DSP芯片的功耗。在某些 DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如

16、便携式 的DSP设备、手持设备、野外应用的 DSP设备等都对功耗有特殊的要求。 除了上述因素外，选择 DSP芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。 在上述诸多因素中，一般而言，定点 DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。而 浮点DSP芯片的优点是运算精度高，且 C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。 6、DSP的应用 自从20世纪70年代末第一个 DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。 DSP芯片的高 速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在近 20年时间 里，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的

17、应用。随着 DSP芯片性价比 的不断提高，单位运算量功耗的显著降低， DSP的应用领域将不断扩大。 DSP芯片的应用主要 有： 詩信号处理：如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式 匹配、加窗、波形产生等； :：通信：如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、 扩频通信、纠错编码、可视电话等； 语音：如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮 件、语音存储等； 卷图形/图像：如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等； 卷军事：如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； 卷仪

18、器仪表：如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等； 处自动控制：如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等； 韭医疗：如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等； 总家用电器：如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话 /电视等； 卷生物医学信号处理：如 CT（计算机X射线断层摄影装置）、 CAT （计算机X射线空间重建 装置）可进行全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建、心电图分 析； 随着DSP技术的迅猛发展， DSP新应用也层出不穷。在无线领域， DSP遍及无线交换设 备、基站、手持终端和网络领域，并涵盖从骨干基础设施到宽带入户的设备，包括 IP电 话、

19、DSL和Cable Modem等。面向群体应用， DSP在媒体网关、视频监控、专业音响、数字 广播、激光打印等应用中表现出色；面向个人应用， DSP在便携式数字音频和影像播放器、 指纹识别和语音识别等应用中表现不俗；针对嵌入式数字控制应用， DSP极大地满足了工业 界的需求，如数字变频电力电源设备、工业缝纫机等； DSP也极大地满足了消费电子的需 求，如空调、冰箱、洗衣机等。随着 DSP生产技术和工艺的进步，新型的 DSP产品将会不断 涌现，并得到广泛应用。一、有限冲击响应滤波器（FIR）算法及实现 数字滤波是数字信号处理的重要环节，它在数字信号处理中占有着重要的地位 ，它具有可靠性 好、精度

20、高、灵活性大、体积小、重量轻等优点。随着数字技术的发展，数字滤波器越来越受 到人们的重视，广泛地应用于各个领域。数字滤波器的输入输出信号都是数字信号，它是通过 一定的运算过程改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分来实现滤波的， 这种运算过程是由乘法器、加法器和单位延迟器组成的。数字滤波器可分为经典滤波器和现代 滤波器。经典滤波器应用于有用频率和去除的频率占不同频带的情况， 可以分为无限冲激 脉冲响应数字滤波器（IIR滤波器）和有限冲激脉冲响应数字滤波器（FIR滤波 器）。现代滤波器主要用于信号和干扰频带互相重叠的情况，如卡尔曼滤波、维纳 滤波器等。 1、FIR数字滤波器简介 滤

21、波器，是指对输入信号起到滤波作用的系统，其时域输入输出关系为： y（n） = A（n） * h（n） 彳假艺X（n、y（n的傅里叶变换存在，则滤波器输出输入的频域关系为： x（占）”（/） 若已知 的变化关系，就可得到 的变化关系，如下图所 示0 响应为h（n，我们称这样的滤波器为数字滤波器。 有限冲激响应（FIR）滤波器的基本结构是一个分节的延时线，把每一节的输出加权累加，得 到滤波器的输出。数学上表示为: = Y ni） FIR数字滤波器的冲激响应 的Z变换为： V-1 /（送）二壬 A（）z d JJ-CI 由上式可知在有限 Z平面有（N-1 ）个零点，而它的（N-1 ）个极点均位于原点

22、 Z=0处，极点都在单位圆 内，故FIR滤波器是永远稳定的。 FIR滤波器的设计任务是，选择有限长的 h（n，使传函卜 满足技术要求。 2、FIR滤波器的特性 FIR滤波器最主要的两个特性是线性相位特性和幅度特性。 2.1 FIR 滤波器的线性相位特性 对于长度为N的h（n，传输函数为 仰L)l 若滤波器的输入输出都是离散时间信号 7 ，N=奇数，其幅度函数 为 N- n- U 比仙）严 式中， |称为幅度特性， 1 称为相位特性。其中，这里 不同于 f/e 1，仙为伯的实函数，可能取负值，而2 总是正值。2 线性相位是 指 |是的线性函数，即 = ；，-为常数（i） 如果 -1满足下式 9（

23、f =2厂他勺%是起始相位（2） 此时 不具有线性相位，但以上两种情况都满足群时延是一个常数，即 dO（t） / （lco 也称作这种情况为线性相位。一般满足（ 1）式是第一类线性相位；满足（2）式为第二 类线性相位。 满足第一类线性相位的条件是： fj（n） h（ M - n - 满足第二类线性相位的条件是： h（n是时序列且对（N-1）/2奇对称，即 h（n） = -h（N- /?-1） 2.2 线性相位 FIR 滤波器幅度特性 V-1 H吐田)二工 A(n)cos( n-(N- l)/2)( (w ,N=f禺数，其幅度函数为 Nt 1 H ,(w) = V bn)CGs(o(n- l/2

24、)j 毗I bn)2h(N/2-nln 1,2. N/2 II fu ) ,N=奇数，其幅度函数 为 iV-1 H .(0)=工 A(nsin( n - (N - l)/2)ci / ft) I ,N=禺数，其幅度函数 为 iV/2 H 32 X J(/?)sin( 1 / 2) 阿 J dim = 2h( N fl - 打n = /V/2 3、基于窗函数的 FIR滤波器设计 设数字滤波器的传输函数为 - ， 7 是与其对应的单位脉冲响应， H( z 统函数 +X1 （严）工九咖 7V-J (刃=工 h(n)z n n- 0 一般说来， 是无限长的， 需要求一个逼近。采用窗函数设计法时，可通过

25、对理想滤波器 的单位采样响应加窗设计滤波器。 为系 其中， 是一个长度有限的窗，在区间上；注旨值为1，其它值为0,且关于中间点对 称。 常用的窗函数有矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布拉克曼窗切比雪夫窗等。它们的时 域幅度和频域特性曲线分别如下所示 矩形窗三角窗 a - 1- - - / - 1 | i i 0 1 L ft / ;卜 p* 1 阴| / f f jf - 4 1一， -1W 歸 40 牺 ( 02 04 Ofl OA R . 虻 no 10 3 04 C* 汉宁窗海明窗 布拉克曼窗切比雪夫窗 4、 基于频率抽样法的 FIR滤波器设计 一个有限长的序列，如果满足频率采样定理的条

26、件，可以通过频谱的有限个采样点的值准确地恢复。 频率抽样法正是采用这种思想来设计 FIR数字滤波器的。设计的滤波器的传输函数用 表示，对它在 ：到一-之间等间隔采样N点，得到 -: e H () “ 価)二工 cos(t)n 再对N点 进行IDFT，得到h(n : JV1 A(/7) )=l/ 叽閃/心 ,n=0,1,2,N-1 式中，h(n作为所设计的滤波器的单位取样响应，其系统函数 H(z为: v-l /(z) = I h(n)z ff-a 以上是用频率采样法设计滤波器的基本原理 5、 基于切比雪夫逼近法直接设计 FIR数字滤波器 式中，：称为误差加权函数，它是为在通带或阻带要求不同的逼近

27、精度而设计的。一般 的，在要求逼近精度高的频带， 取最大，要求逼近精度低的频带， 得取值最小。其中设 计过程中 为已知的函数。 ,N-1 若设计的滤波器幅度特性为 权误差：|用下式表示： 鮒)二肌训儿伽卜:闽 (3) k=0,1,2. 实际设计的滤波器幅度特性为 ，其加 设计的滤波器的传输函数用 表示，对它在 ：到一-之间等间隔采样N点，得到 -: e H () “ 価)二工 cos(t)n 为设计具有线性相位的 的条件。假设设计的是 FIR滤波器，其单位脉冲响应 h(n=h(N -n-1，N=奇数 h(n或幅度特性必须满足一定 将 代入(3 )式，则 JW ) 11 f ( fa ) a(/J) )cos W/JJ H柿 式中M=(N-1) /2。最佳一致逼近的问题是选择 M+1个系数a(n，使加权误差 的最大值 为最小，即 mini max 仅阿) A 6、用DSP实现FIR滤波器 该试验利用窗函数法实现 FIR滤波器设计。 W(z) = X； 我们知道系统函数 ，故先求出h( n)，程序中为h(t ht = sin (t-(FLe n-1/2.0* npass*pi/(pi*(t-(FLe n-1/2.0 只要窗函数确定，就