FIR滤波器在DSP上的实现

院系：电子信息工程学院专业：信号与信息处理PAGE4FIR滤波器在DSP上的实现引言在信号处理中，滤波占有十分重要的地位。数字滤波是数字信号处理的基本方法。数字滤波与模拟滤波相比有很多优点。它除了可避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪声等问题外，还能满足滤波器对幅度和相位的严格要求。数字滤波是语音处理、图像处理、频谱分析等应用中的基本处理算法。DSP是一种处理数字信号的专用微处理器，主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法。用DSP芯片实现数字滤波具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点。数字滤波器分为有限冲激响应滤波器FIR和无限冲激响应滤波器IIR。对称FIR滤波器在数字信号处理中应用十分广泛，常用于相位失真要求较高的场合，例如：(1)通信系统：调制解调器、综合业务数据网等，都要求保证数据脉冲的形状和通道中的相关时间。f2)希尔伯特变换器：要求输入输出信号正交。(3)高保真音响系统：音乐的相位失真必须减到最小，尽可能逼真地重现原来的声音等等。由于FIR是全零点的滤波器，因而系统总是稳定的。这对于系统综合是很重要的。FIR滤波器的基本结构设h(n)(n=0,1,2,…,N一1)为滤波器的冲激响应，输入信号为x(n)，则FIR滤波器就是要实现下列差分方程： (1)式(1)就是FIR滤波器的差分方程。FIR滤波器的最主要的特点是没有反馈回路，因此它是无条件稳定系统。它的单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列。由上面的方程可见，FIR滤波箅法实际上足一种乘法累加运算，它不断地输入样本x(n)，经延时做乘法累加，再输出滤波结果y(n)。FIR滤波器的一个分支的延时线，把每一节的输出加权累加，得到滤波器的输出。结构如图1所示，它由一条均匀间隔的延迟线上对抽失信号进行加权求和构成。x(n)x(n)h(0)h(1)h(2)h(N-1)y(n)图1FIR滤波器的直接型结构图利用MATLAB确定滤波器的系数设计一个线性相位FIR低通滤波器，技术指标：通带截止频率fp=1500Hz，阻带起始频率fst=2250Hz，通带允许的最大衰减为Rp=0.25dB，阻带应达到的最小衰减为As=50dB。滤波器的采样频率为fs=16000Hz。这里采用窗函数设计法设计FIR滤波器，首先根据阻带衰减As=50dB来选择窗形状，海明窗和布拉克曼窗等窗函数均可提供大于50dB的衰减。由于海明窗可提供较小的过渡带宽，所以选择海明窗。然后编写MATLAB程序，求出技术指标中fp、fst相对应的数字频率，求出过渡带宽，由过渡带宽确定窗口长度N，求出低通滤波器的截止频率，由firl函数求出滤波器的系数。这部分MATLAB程序如下：fp=1500;fst=2250;fs=16000; %输入设计指标wp=2*fp/fs; %求归一化数字通带截止频率ws=2*fst/fs; %求归一化数字阻带起始频率deltaw=ws-wp; %求过渡带宽N0=ceil(6.6/deltaw); %求窗口长度N=N0+mod(N0+l,2); %确保窗口长度N为奇数n=N-1; %求出滤波器的阶数nwn=(ws+wp)/2; %求滤波器的截止频率b=firl(n，wn); %利用firl函数求出滤波器的系数bl=round(b*10000); %将系数用整数表示fn=fopen(‘COEF_FIR.inc’,’w’); %将系数存放在文件COEF_FIR．inc中fclose(fn)运行后得到：N=71，wp=0.1875，ws=0.2813，wn=0.2344。再编制以下MATLAB程序段用于检验Rp和As是否满足设计要求：[H,w]=freqz(b,1); %计算频率响应mag=abs(H); %求幅频特性db=20*logl0(mag/max(mag)); %化为分贝值dw=pi/512;Rp=-(min(db(1:wp*pi/dw+1))) %检验通带波动As=-(max(db(ws*pi/dw+1:512))) %检验最小阻带衰减求得滤波器的Rp=0.0404dB，As=51.1829dB，满足设计要求。DSP实现FIR滤波器程序设计的总体思路是：启动ADS7864对输入的模拟信号进行模数转换，每采集到一个数据就送人DSP滤波运算，运算结果送DAC7625转换为模拟量。不断地重复上述过程，在DAC7625的输出端就得到滤波后的模拟信号。为了精确地控制ADS7864的采样率，使用TMS320VC5416内部的定时器控制采样时间间隔T，设置定时器的定时时间等于采样时间间隔T，并让它工作在中断方式，则定时器每过T时间就向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，转去执行中断服务程序，在中断服务程序中读取A/D转换结果，对转换结果进行滤波运算，并将运算结果送D/A转换器转换为模拟量。因此，程序分为主程序和定时器中断服务程序两部分。为了提高程序运行速度，全部程序用汇编语言编写。(1)主程序流程图主程序流程图如图2所示。主程序首先完成DSP的初始化，然后启动A/D转换，最后等待定时器中断。DSP的初始化包括：设置堆栈用于存放定时中断的断点地址；设置DSP的工作频率，TMS320VC5416的工作频率最高可达到160MHz，可以根据采样率来选择相应的工作频率；设置定时器的定时参数，以确定A/D转换器的采样速率；定时器开中断等。(2)定时器中断服务程序流程图定时器中断服务程序流程图如图3所示。由图3看出，滤波运算是在定时器中STL A,@x+1 ;送入x+1，准备由DSP进行运算STM #x+71,AR1 ;AR1指向线性缓冲区FIR3 RPTZ A,#70 ;DSP进行滤波运算MACD *AR1-,COEF,ASTH A,*AR1 ;运算结果送D/A转换器PORTW *AR1,1000hLD #1FH,A ;使D/A转换器开始转换PORTW *(8H),1004HGOBACKRSBX INTM ;开中断RETE ;返回主程序.END结束语在上面的汇编语言程序中，FIR滤波器采用的是直接型结构，并且采用带移位双操作数指令来实现，所设计的程序直观易懂。由于是线性相位的FIR滤波器，还可以采用线性相位FIR滤波器的