基于DSP芯片的数字滤波器设计

1、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，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做

2、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

3、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李谦：基于DSP的数字滤波器设计DesignofDigitalFilterBasedonDSPDesignofDigitalFilterBasedonDSPAbstractAbstractDigitalfilterisoneofthemostimportantpartofdigitalsignalprocessing,almostappearedinalldigital

4、signalprocessingsystem.Currentlyweareinadigitalagedigitalsignalprocessingtechnologyhasreceivedwideattentionitstheoryandalgorithmwiththedevelopmentofcomputertechnologyandmicroelectronictechnologyhasbeenrapiddevelopment,thevoiceiswidelyusedinimageprocessingdigitalcommunications,spectrumanalysispattern

5、recognition,automaticcontrol,etc.Digitalfilterisoneofthemostimportantpartofdigitalsignalprocessingalmostappearedinalldigitalsignalprocessingsystem.Digitalfilteristopointtocompletethefunctionofthesignalfilteringprocessingwithlimitedaccuracyalgorithmofdiscretetimelineartime-invariantsystem,itsinputisa

6、setof(bytheanalogsignalsamplingandquantization)digitalquantityitsoutputisatransformationofanothersetofNumbers.Comparedwithanalogfiltersdigitalfilterwithoutdrift,abletohandlelowfrequencysignalthefrequencyresponsecanbemadeveryclosetotheidealcharacteristicsandcanreachhighprecisioneasyintegrationandsoon

7、,theseadvantagesdeterminetheapplicationofdigitalfilterismoreandmorewidely.ThispapermainlystudiesthebasictheoryofFIRdigitalfilter,basedonTIcompanysdigitalsignalprocessorTMS320VC5402designedahighdegreeofstabilitylowpowerconsumptiondigitalfiltersystem.ResearchthebasictheoryofFIRdigitalfilteraswellasthe

8、realizationofthedigitalfiltermethod.BystudyingthestructureofFIRfilter,digitalfilterdesigntheory,mastertheprincipleandcharacteristicsofFIRdigitalfilter.Laidthetheoreticalbasisfortherealizationofthedigitalfilter.StudythestructureandpropertiesofTMS320VC5402device,accordingtotheuniquecharacteristicsofdi

9、gitalsignalprocessordesignasuitablesystemarchitectureandthedesignofthesystemmodulesofdigitalfiltercircuit,areasonableprocessinganalog-to-digitalconversionanddigitaltoanalogconversionchipconnectedwithDSP.Inordertorealizedigitalfiltersystemprovidesastablehardwareplatform.BasedonTIcompanysbasicstructur

10、eandfeaturesofthe5000seriesdigitalsignalprocessormakefulluseoftheon-chipresourcesgeneralprogrammableDSPchipisusedtoimplementthedigitalfilterdesignbasedonDSP.KeywordsKeywords：DSP;DigitalFilter;FIRII引言-1-第1 1章绪论-2-1.1数字滤波器的优越性-2-1.2国内外研究现状和发展趋势-3-1.3数字滤波器的实现方法-3-1.4主要研究内容-4-第2 2章FIRFIR数字滤波器的理论研究-5-2.1

11、FIR滤波器简介-5-2.2FIR滤波器的结构错误！未定义书签。第3 3章FIRFIR滤波器设计方法-7-3.1利用窗函数法设计FIR滤波器-7-3.2几种常用的窗函数-8-3.3用频率抽样法设计FIR滤波器-9-3.4数字滤波器的软件辅助设计-10-第4 4章数字滤波器硬件电路设计-12-4.1基于DSP的数字滤波器总体硬件设计方案-12-4.2TMS320VC5402内部硬件结构-12-4.3复位电路设计-13-4.4时钟电路设计-14-4.5电源设计-15-4.6JTAG接口设计-16-4.7A/D转换器件与DSP连接设计-16-4.7.1A/D转换接口电路设计-17-4.7.2McBS

12、P接口设计-17-4.8硬件平台的调试与结果-18-结论与展望-19-1本文的主要工作-19-2前景展望与未来的工作-19-致谢-20-参考文献-21-附录A:英语引文及翻译-22-附录B:参考文献及摘要-26-III李谦：基于DSP的数字滤波器设计插图清单图2-1FIR滤波器直接型结构5图2-2FIR滤波器转置结构图6图2-3FIR滤波器的级联型结构6图4-1数字滤波器系统方案框图12图4-2数字滤波器系统复位电路原理图14图4-3DSP时钟电路原理图15图4-4JTAG仿真接口定义16IV表格清单表3-1几种常用窗函数对比8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

13、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。同时DSP（数字信号处理器）的出现和迅速发展也促进了数字滤波器的发展，并为数字滤波器的硬件实现提供了更多的选择。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

14、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。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本论文的主要研究了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FIR数字滤波器系统。李谦：基于DSP的数字滤波器设计第1 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)乍为技术核心，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

15、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

16、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

17、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

18、)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)对干扰信号的抑制能力有了明显提高，这对系统的控制精度和稳定性的提高起到了促进作用。数字滤波器的参数调节比起模拟滤波器来更加方便、灵活。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芯片当数美国彳惠州仪器公司(TexasInstruments简称TI)的一系列产品，具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

19、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

20、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重大的历史责任901.3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: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。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。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

21、于一些不太复杂的数字信号处理。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。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。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

22、数字信号处理，还是作为DSP芯片李谦：基于DSP的数字滤波器设计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。第2 2章FIRFIR数字滤波器的理论研究2.1FIR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

23、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。2.2FIR数字滤波器的结构有限长单位脉冲响应滤波器的系统函数为：NH(z)=h(n)z-nn=0(2.1)其差分方程为：N

24、y(n)=h(k)x(n-k)k=070o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-5-李谦：基于DSP的数字滤波器设计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2构，可得到图2-2所示转置型结构4。y(n)x(n)图2-2FIR滤波器转置结构图将式中的系统函数H(z)分解成二街实系数因子的形式，即：NH(z)-Zh(n)zn(PJPikZ/P2kzb(23nkT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

25、P中有一个为零。这是因为这时有奇数个根，其中复数根成共腕对，必2k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2-3FIR滤波器的级联型结构第3 3章FIRFIR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

26、的基本思想窗函数设计的基本思想是要选取某一种合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A(ejw)都是旧的周期函数，它的傅立叶级数展开式为：N_1j一j二H(ej)=hd(n)ejn=0其中：其中的句c为滤波器的归一化的截止频率。傅立叶系数hd(n)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(

27、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。以求得要求的有限冲激响应序列h(n)。即有：(3.1)h(n)=2二.一1JJn2rHd(e)edL-1、isinc(n-2-)/L-1(3.2)李谦：基于DSP的数字滤波器设计b（n）是有限长序列，当nN-1及n0时，a（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

28、3-1所示。表3-2几种常用窗函数对比窗函数旁瓣峰值衰减（db）过渡中（Aw）阻带最小衰减（db）矩形窗-134n/N-21三角窗-278n/N-25汉宁窗-318兀/N-44海明窗-418n/N-53克莱克曼窗-5712n/N-74凯塞窗-5710n/N-80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；旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻带衰减；主瓣的宽度要窄，以获得较陡的过渡带。通常上述三点很难同时满足。当选用主瓣宽度较窄时，虽然得到较陡的过渡带，但通带和阻带的波动明显增加：当选用最小的旁瓣幅度时，虽能得到匀滑的幅度响应和较小的阻带波动，但过渡带加宽。因此，实际选用的窗函数往往

29、是它们的折衷。 在保证主瓣宽度达到一定要求的条件下， 适当牺牲主瓣宽度来换取旁瓣波动的减少。h(n);hd(n)(n)(3.3)3.3用频率抽样法设计FIR滤波器所谓频率抽样法就是从频域出发，根据频域的采样定理，对给定的理想滤波器的频域响应进行等间隔采样45/_旧Hd(e)区)Hd(k)K=0,1.N-134)把Hd(k)当作待设计的滤波器频率响应的采样值H(k),通过下式可求出滤波器的系统函数H(z)和频率响应H(。呼:H(z)=(1/N)(1-z(-k=02二k)N(3.6)其中，中(皿)是一个内插函数:：.：，()=Nsin()2-j(N-1)/2二esin()2(3.7)(3.8)李谦

30、：基于DSP的数字滤波器设计由于频谱的有限个采样值恢复出来的频率响应实际上是对理想频率响应的逼近，因此，这种方法必然有一定的逼近误差。若被逼近的频率响应比较平滑，则各采样点之问的逼近误差较小；反之，则逼近误差较大。为了提高逼近的质量，可以采用人为的扩展过渡带的方法，即在频率相应的过渡带内插入一个或多个比较连续的采样点，使过渡带比较连续，从而通带和阻带之间变化比较缓慢，使得设计得到的滤波器对理想滤波器的逼近误差较小。3.4数字滤波器的软件辅助设计MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实

31、时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。 工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。MATLAB具有许多的优点比如：语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富;MATLAB既具有结

32、构化的控制语句(如for循环，while循环，break语句和if语句)，又有面向对象编程的特性；程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行，等等优点。因此在各个学科和领域得到了广泛的应用。为了向DSP所需要的汇编语言转换，需要编写通用的语言。可以直接用C语言，然后调用CCS自带的C编译器将C语言转换成汇编语言，但一般情况下，滤波器对实时性要求比较高，而整个滤波器的程序编写也不是很大，所以采用汇编语言编写。滤波器设计需要编写的通用语百。程序：Clearall;clf;N=1024;fs=8000;Dt=(1:N)/fs;y=randn(l,1024);figur

33、e(3);z=y;plot(z)lp=500;Wnl=2*lp/fs;zl,pl,kl=CHEBY1(3,0.5,wnl);bl,al=CHEBY1(3,0.5,wnl);bl=bl/(8*1.0711);Al=al/(8*1.0711);yyl=filter(bl,al,y);%清寄存器值%清屏%数据点数%采样频率%采样时间间隔%产生随机信号%截止频率%函数的参数%滤波器的零极点表示%滤波器的传递函数表示%将参数按比例缩小%为DSP程序做准备，MATLAB中不需要%滤波-10-y=fft(y,N);Pyy=y.*conj(y);f=(0:(N/2-1);fori=1:N/2-1;f(i)=f

34、(i)*fs/N;end;figure(l);Plot(f,pyy(1:N/2);y=fft(yyl,N);Pyy=y.*conj(y);f=(0:(N/2-1);fori=1:N/2-1;f(i)=f(i)*fs/N;endfigure(2);Plot(f,pyy(1;N/2);李谦：基于DSP的数字滤波器设计第4 4章数字滤波器硬件电路设计4.1基于DSP的数字滤波器总体硬件设计方案本次设计采用5000系列的DSP通用型的芯片，5000系列的DSP具有更高的时钟频率、更低的价格和更加强大的运算功能，在数字滤波器系统的设计中采用了TI公司的一款高性能、低功耗的定点DSP:TMS320VC54

35、02O该DSP具有较快的运算速度：运算速度最快可达532MPIS;采用了低功耗设计方式：内核电压为1.8V,I/O电压为3.3V。数字滤波系统的具体方案框图见图4-162。%将原始信号做%做功率谱分析FFT变换-11-图4-1数字滤波器系统方案框图通常的设计中会采用5V供电并行的ADC（模数转换）和DAC（数模转换）芯片与DSP连接，传输数据过程中会占用总线的时间，而且需要采用多片电平转换器件将5V电平转换为3.3V的逻辑电平。考虑到TMS320VC5402的片上包含两个McBSP（多通道缓冲用行口）接口，可以将这两个通道模仿实现SPI的时序，因此本设计中采用了SPI接口器件，ADC芯片采用的

36、是TLV1570,实现将需要滤波信号从模拟转换到数字信号的实时采样。4.2TMS320VC5402内部硬件结构-12-TMS320VC5402是定点的数字信号处理器。它采用先进的修正哈佛结构，片内共有8条16位的总线，其中包括4条程序/数据总线和4条地址总线107oCPU采用并行结构设计特点，使其能在一条指令周期内，高速地完成多项算术运算。CPU的基本组成如下：40位算术逻辑运算单元(ALU),包括一个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器;17X17位并行乘法器，与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法/累加(做C)运算;比较、选择和存储单元(CSSU),用于加法/比较选择。指

37、数编码器，可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。DSP5402的片上外围电路包括：通用I/O引脚(XF和BIO#),定时器，时钟发生器，一个与外部处理器通信的8位的HPI(HostPortIneterface酸口，两个多通道缓冲用行口McBSP(MultichannelBSP)。器片内存储器的种类只要有以下几种：双访问RAM(DARAM),单访问RAM(SRAM)和ROM。RAM一般映射在数据空间。DRAM一般由若干块构成，由于每块DARAM在一个机器周期内可以被访问2次，中央处理单元和片内外设在一个周期内可以同时对其进行一次读和一次写操作。根据需要，通过改变处理器状态寄存器的三个位M

38、P/MC、OVYL和DROM来灵活地改变存储器的配置。数据存储空间还有一块特殊的区域，00H08H0这块区域包含的是存储器映像寄存器，它包含了DSP中所有的寄存器，可以通过读这块存储器来了解各个寄存器的值，或者通过写这块寄存器来改变寄存器的值。因此编程时不能随便向这个区域存储数据，除非根据需要来改变相应寄存器的值，否则会导致程序运行结果错误。具有高度专业化的指令系统， 包括单指令重复和块指令重复操作， 块存储器传输指令， 32位长操作数指令，同时读入2或3个操作数的指令，能并行存储和并行加载的算术指令，条件存储指令和从中断快速返回。4.3复位电路设计为了确保系统能够稳定的工作，复位电路是系统中

39、必不可少的电路。电源刚加上电时，TMS320VC5402芯片处于复位状态，/RS为低使芯片复位。为使芯片初始化正确，一般应保证/RS为低至少持续3个CLKOUT周期。但是，在上电后，系统的晶体振荡器一般需要几百毫秒的稳定期，一般为100-200mSo对于实际的DSP应用系统，特别是产品化的DSP系统，其可靠性是一个不容忽视的问题。由于DSP系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重时系统可能会出现死机现象。为了克服这种情况，除了在软件上做一些保护措施外，硬件上也必须做相应的处理。硬件上最有效的保护措施就是采用具有监视(Wathcdog必能的自动复位电路。 自动复位电路除了

40、具有上电复位功能外，还具有监视系统运行并在系统发生故障或死机时再次复位的功能。其基本原理就是通过电路提供一个高低电平发生变化的信号，如果在规定的时间内这个信号不发生变化，自动复位电路就认为系统运行不正常并重新对系统进行复位。根据上述原理，在本系统的设计中采用了ADM706TAR芯片。该芯片具有上电复位功能，电压监测功能和看门狗功能9。-13-李谦：基于DSP的数字滤波器设计图4-2数字滤波器系统复位电路原理图4.4时钟电路设计给DSP芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用DSP芯片内部所提供的晶振电路，在DSP芯片的XI和X2/CLKIN之间连接一晶体可启动内部振荡器，晶体应为基本模式，且为并

41、联谐振。另一种方法是将外部的时钟源直接输入X2/CLKIN弓|脚，X1悬空。采用封装好的品体震荡器，这种方法使用方便，因此得到了广泛的应用，只要在引脚4上加电压，引脚2接地，就可以在引脚3上得到所需的时钟。-14-图4-3DSP时钟电路原理图4.5电源设计为了降低芯片的功耗，DSP5402芯片采用低电压供电方式，并且采用内核电压和I/0电压分开的方式。TMS320VC5402芯片电源分为两种，即内核电压(CVdd)和I/O电压(DVdd),其中，I/O电源一般采用3.3V电压，而内核电源电压为1.8V。TMS320VC5402的电流消耗主要取决于器件的激活度，CVdd消耗的电流主要取决于CPU

42、的激活度，外设消耗的电流取决于正在工作的外设及其速度。一般的，与CPU相比，外设消耗的电流比较小。时钟电路也需要消耗一小部分的电流，而且这部分电流是恒定的，与CPU和外设的激活度无关。CVdd为器件的所有内部逻辑提供电流，包括CPU、时钟电路和所有外设。DVdd只为外部接口引脚提供电压，消耗的电流取决于外部输出的速度和数量，以及在这些输出上的负载电容。根据设计的具体电路可一计算出3.3V电源所消耗的电流60mA,1.8V电源所消耗的电流3QmA,因此可以得出该系统在全速工作的状态下，最大功耗为250mA。在本系统的设计中采用了两片AMS1117来提供DSP芯片的I/O电源和内核电源。AMSl1

43、l7为最大输出电流可达800mA的-15-NCNCVCCVCCVCC_TGNDx2clkin20MC2(x2clkgi/GNDGND李谦：基于DSP的数字滤波器设计LDO(LowDropoutVoltageRegulator),包含1.8v、3.3V等固定电压输出几种类型。由于LDO的功耗为(UI-UO)IOI,而系统的输入电压为5V,为将低整个系统的功耗，将AMSl1171.8的输入直接接到AMSl1l73.3的输出端，而不是直接接到5V电源电压上，这样系统功耗将降低51mWo系统在工作状态下，逻辑电平在不停的快速发生变化，因此系统的电源也会出现不同程度的波动，为保证系统的电源完整性，在输入

44、5V电源、3.3V电源、1.8V电源的输出处都增加了大容量的储能电容，在所有芯片的各个电源管脚处都增加了去祸电容。由于有两个电源，需要考虑的一个问题是加电次序。理想情况下，DSP芯片上的两个电源同时加电，但是在一些场合很难做到。如果不能做到同时加电，应先对DVdd加电，然后对CVdd加电。DVdd应不超过CVdd电压2V。4.6JTAG接口设计JTAG(JointTestActionGroup双1985年制定的检测PCB和IC芯片的一个标准，1990年被修改后成为IEEE的一个标准，即IEEEll49.11990。通过这个标准，可对具有JTAG接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。具有J

45、TAG接口的芯片，相关JTAG引脚的定义为：TCK为测试时钟输入;TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口;TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出;TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。设计一个DSP系统，一般必须考虑系统的软件硬件调试，调试DSP系统一般离不开DSP仿真器。而仿真器通过仿真接口实现与DSP之间的数据交互。设计仿真接口比较简单，只要根据DSP芯片所提供的接口类型按照相应的接口标准即可。下图为JTAG仿真接口定义8。图4-4JTAG仿真接口定义12TRST34GND56

46、KEY78GND910GND1112GND1314EMUITMSTDIVCCTDOTCK-RETTCKEMUO4.7A/D转换器件与DSP连接设计-16-4.7.1A/D转换接口电路设计在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间(亦即时间坐标轴上的一些规定点上)对输入的模拟信号取样， 然后再把这些取样值转换为输出的数字量。 因此， 一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。取样定理：在满足取样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号/s还原为X,这个低通滤波器的电压VsV1传输系数A(f)在低

47、于f的范围内应保持不变，而在ff以前应迅速下降为imaxsimax零。因此，取样定理规定了A/D转换的频率下限。因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的iv值。量化和编码：我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效

48、位中的1表示的数量大小，就等于。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。单片A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。分辨率：它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力，A/D转换器的分辨率以输出二进制(或十进制)数的位数表示。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2N0在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为10位二进制数，输入信号最大值为3V,那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为3mV0转换误差：表示A/D转换器实际输出的数

49、字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表1LSB,这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的一个字。根据模数转换器件的特点，在本数字滤波器系统中选择了TI公司的TLV157O芯片，它是一款8通道10位2.7到5.5V低电压模数转换芯片。由于DSP的10电压为3.3V,因此选择3.3V电压供给TLV1570器件可以省略电平转换器件。TLV1570在3V电压下的采样频率为625KSPS,因此对于输入信号来说最高频率不能超过300K。 系统的分辨率为3mV,1LSB。下图为TLV1570的功能时序图。从功能时序图可以看出该器件包含一个8通道输入多路复用

50、器，一个高速的10位ADC,一个内部的电压参考源和一个高速的串行接口。TLV1570的高速串行接口包含五根信号线：SCLK串行时钟输入、SDIN串行数据输入、SDOUT串行数据输出、FS帧同步信号、CS#片选信号。其中每个取样和转换过程需要16个系统工作时钟，因此只有当f=(1/16)f时，系统才能正常的工作s(max)sclk4.7.2McBSP接口设计-17-李谦：基于DSP的数字滤波器设计DSP5402具有两个高速、全双工、多通道缓冲串行接口（McBSP）其方便的数据流控制可使其与大多数同步串行外围设备接口。McBSP是在标准串行接口的基础上对功能进行扩展的，除了具有标准串口的功能特点外

51、，其灵活性体现在以下几个方面：双缓冲区发送，三缓冲区接收，允许连续数据流传输；可与SPI、AC97等兼容设备直接接口；可编程帧同步、数据时钟极性，支持外部移位时钟和内部频率可编程移位时钟；拥有相互独立的数据发送和接受帧同步脉冲和时钟信号：多通道发送和接收，最多可达128个通道，速度可为100MHt/s。DPS5402的McBSP串口工作于时钟停止模式时与SPI协议兼容。当将McBSP配置为时钟停止模式时，发送器和接收器在内部得到同步，这时McBSP可作为SPI的主设备或从设备。发送时钟信号BCLKX对应于SPI协议中的串行时钟SCK,发送帧同步信号对应于从设备的使能信号CS。在这种方式下对接收

52、时钟信号BCLKR和接收帧同步信号BFSR将不进行连接，因为它们的内部与BCLKX和BFSX相连接。4.8硬件平台的调试与结果DSP系统的开发是一个复杂的过程，在系统的设计和调试中不但需要数字信号处理方面的理论知识，而且还需要对各种DSP芯片、外围硬件电路以及DSP开发工具等都具有丰富的实际开发经验。当硬件平台建立好后，重要工作就是硬件调试和软件硬件联调11。硬件调试是检测硬件平台设计是否合理的重要方法， 通过硬件调试能为后续软件调试和系统的最终实现提供保障。由于本系统是一个基于DSP的系统，在系统的调试中主要测试步骤和实际结果如下：首先测量电路板的电源和地是否有短路现象，如有短路现象会对电路

53、板上的器件造成损坏，出现短路情况应该及时检查电阻电容以及芯片的焊接（电路板上所采用器件多为小封装器件，管脚间距教小，容易出现短路现象，焊接完成后要认真检查）。通过实际测量该系统没有出现短路想象。系统上电检测，上电前应该首先检查电源的正负极性及输入电压的幅度，然后上电。上电后应快速检测电路板上主要电源芯片的输出电压和DSP内核电压，若电压值不正确应立即断电检查原因以免损坏电路板上器件。通过实际的测量本系统各点电压均正常，3.3V和1.8V电源的纹波较小，有助于系统的稳定运行。检测系统的复位信号是否工作正常，系统在复位后部分器件会检测自身的工作状态，如果复位信号工作不正常很大程度上会影响整个系统的

54、工作状态，使系统不能实现预期的功能。用示波器查看系统中主要的时钟信号的波形，包括DSP输入时钟信号、DSP输出时钟信号、ADC和DAC的系统时钟信号及帧同步时钟信号（需要结合DSP的开发环境和仿真器进行测试）。如果时钟信号走线不合理会造成信号线上的过冲现象，直接导致系统不能正常工作。通过实际检测，本系统的时钟信号波形良好，没有严重的过冲现象。测量所准备的测试信号源的工作电压和工作频率是否在系统的允许范围内。经过实际的检测与调试得到一个稳定的硬件平台后便可以进行软件的联调了。-18-结论与展望1本文的主要工作本文的主要研究了FIR数字滤波器的基本理论， 基于TI公司的数字信号处理器TMS320V

55、C5402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

56、计。所完成白工作：研究了数字滤波的理论知识，为系统整体设计奠定了理论基础；研究了几种滤波器设计方法，尤其是数字滤波器处理中的应用，得出了几种数字滤波器的基本模型;研究了TI公司TMS320VC5402数字信号处理器的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。研究了如何在定点DSP中实现数字滤波器的算法，主要是有限长冲激响应数字滤波器的算法。编写一套可行的高效的数字滤波器程序。4.9前景展望与未来的工作随着集成电路技术的发展，各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现，集成电路技术与计算机技术结合在一起，使得数字信号处理系统的功能越来越强。DSP技术

57、已在通信、控制、信号处理、仪器仪表、医疗、家电等很多领域得到了越来越广泛的应用。本文设计的基于DSP的数字滤波器必定会进一步改进有更好的应用。-19-李谦：基于DSP的数字滤波器设计致谢四年的大学生活即将结束，在此期间得到了很多老师和同学的关心与支持，借此机会向所有他们表示忠心的感谢！首先感谢我的导师娄柯。无论在学习上、还是科研上都得到了他的悉心指导、培养和关心。娄老师严谨的治学态度、 一丝不苟的工作作风、 敏锐的科研洞察力和渊博的知识给我留下了深刻的印象。 在娄老师的指导下，使我最终顺利完成毕业设计。我还要感谢我的父母及家人，感谢他们的养育之恩，正是他们在我背后默默地支持着我，才能让我不断成

58、长，不断前进。感谢在百忙之中抽出时间审阅本文的各位评阅老师。感谢所有在我学习期间，给予我帮助和关心的同学和朋友们。作者：年月日-20-参考文献1程佩青.数字信号处理教程M.北京：清华大学出版社，2001.2邹彦.DSP原理及应用M.北京：电子工业出版社，2007.3桑国明，刘智.数字滤波器的DSP实现J.大连大学学报，2001.4丁玉美，高西全.数字信号处理.西安M:西安电子科技大学出版社，2002.5吴湘淇.信号、系统与信号处理M.北京：电子工业出版社，1999.6胡虎，万秋玉，周彤.FIR数字滤波器的DSP实现J.哈尔滨理工大学学报，2004.7乔瑞萍，崔涛，张芳娟.TMS320C54X原

59、理及应用M.西安:西安电子科技大学出版社，2005.8刘益成.TMS320C54XDSP应用程序设计与开发M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.9孙克梅，刘洋.数字滤波器在DSP上的实现N.沈阳航空工业学院学报，2005.10张雄伟，陈亮，徐光辉.DSP芯片的原理与开发应用（3版）M.北京：电子工业出版社，2003.11刘万松.基于DSP的FIR数字滤波器的设计D.贵州大学硕士研究生学位论文，2008.12WaltKester.DigitalFilters13UnderstandingDigitalSignalProcessing.SecondEdition.PearsonEducati

60、on14RobertoCristi,Thomson.ModemDigitalSignalProcessing15SanjitK.Mitar,McGraw-Hill.DigitalSignalProcessing一一，AComputer-BasedApproachSecondEdition-21-李谦：基于DSP的数字滤波器设计附录A A: :英语引文及翻译DigitalFiltersDigitalFiltersWaltKester.WaltKester.Abstract:Abstract:FIRfilterFIR(FiniteImpulsemoisturiserResponse)filter: