FIR数字滤波器的DSP设计与实现毕业论文

目录1引言..................................................32数字滤波器的概念........................................32.1数字滤波器的定义和分类....................................32.2数字滤波器的优点..........................................42.3滤波器的实现方法..........................................43数字滤波器硬件电路设计..................................53.1基于DSP的数字滤波器总体硬件设计方案.......................53.2复位电路设计..............................................53.3时钟电路设计..............................................63.4电源设计..................................................63.5A/D、D/A转换器件与DSP连接设计.............................74数字滤波器的TMS320VC5402定点实现........................94.1DSP芯片的定点运算.........................................94.2系统初始化程序设计.......................................104.3软件开发环境及实现数字滤波程序设计流程...................114.4软硬件联调与结论..........................................135结论...................................................136参考文献...............................................147致谢...................................................152安徽师范大学本科生论文2低通数字滤波器的DSP实现吴晓依，物理与电子信息学院摘要：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，低功耗的数字滤波器系统，并完成了软硬调试工作。主要工作为研究数字滤波器的基本理论，以及数字滤波器的实现方法。通过学习数字滤波器的结构、数字滤波器的设计理论，掌握了各种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。关键词：低通滤波器；数字滤波器；DSPLow-passDigitalFilterImplementationOfTheDSPWuxiaoyi,AcademyofPhysicsandElectronicInformationAbstract:Themostlyimportanttaskofthispaperisresearchingthebasictheoriesofdigitalfilter，baseontheTMS320VC5402ofTIcompanydesigndigitalfiltersystemwithhighstabilityandlowpowerconsume，accomplishthehardwareandsoftwaredebug.Maintaskasfollowing:Reachthebasictheoryofdigitalfilterandthemethodofrealizeofdigitalfilter，grasptheprincipleandcharacteristicofeachdigitalfilter.ReachthestructureandcharacteristicofTMS320VC5402，accordingtotheparticularcharacteristicofthisdigitalsignalprocessor，designanrationalizationsystemstructureofdigitalfilter.Comprehensiveandintegrateddesigntheeachpartofcircuitwithdifferentfunction，processtheconnectionofADCandDACwithDigitalSignalProcessor.KeyWords:Low-passfilter;Digitalfilter;DSP3安徽师范大学本科生论文31引言一个实际的应用系统中，由于设备或者是外界环境的原因，总存在各种干扰，使信号中混入噪声，譬如音频信号中高频成分的噪声使得音乐听起来刺耳，失去了原有悦耳的音质。为了提高信号质量，可以对信号进行滤波，从噪声中提取信号，即对一个具有噪声和信号的混合源进行采样，然后经过一个数字滤波器，滤除噪声，提取有用信号。在数字信号处理中，滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本的处理技术。与模拟滤波相比，数字滤波具有很多突出的优点，它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。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地改变滤波器的特性。因此，我们有必要对滤波器的设计方法进行研究，理解其工作原理，优化设计方法，设计开发稳定性好的滤波器系统。我们将通过DSP设计平台，实现较为重要的FIR滤波器系统，并实现了它们的应用系统以TMS320C5402芯片为核心的硬件电路，实现能独立完成滤波功能的系统。从而通过本课题的研究，掌握滤波器的设计技术，为通信、信号处理等领域实用化数字滤波器设计提供技术准备。本科题的研究，将为今后设计以DSP为核心部件的嵌入式系统集成提供技术准备，这不仅具有重要的理论意义，同时还具有重要的实际意义。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技术就是基于VLSI技术和计算机技术发展起来的一门重要技术。DSP技术已在通信、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。2数字滤波器理论介绍[1]2.1数字滤波器的定义和分类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。滤波器按功能上分可以分为:低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)。2.2数字滤波器的优点滤波器是指用来对输入信号进行滤波的硬件或软件。如果滤波器的输入、输出都是离散时间信号，则该滤波器的冲激响应也必然离散，这样的滤波器定义为数字滤波器。数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着十分重要的作用,它是通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。数字滤波器是提取有用信息非常重要、非常灵活的方法，是现代信号处理的重要内容。因而在数字通信、4安徽师范大学本科生论文4语音图象处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用。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将会越来越广泛。同时DSP(DigitalSignalProcessor)处理器的出现和FPGA(FieldProgrammableGateArray)的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。相对于模拟滤波器数字滤波器具有以下显著的优点:精度高；灵活性大；可靠性高；易于大规模集成；可以并行处理。2.3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[2]:(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。(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。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。3数字滤波器硬件电路设计3.1基于DSP的数字滤波器总体硬件设计方案TI公司的2000系列和5000系列的DSP都是通用型的芯片，考虑到2000系列的DSP多用于控制方面，而5000系列较2000系列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:TMS320VC5402。该DSP具有较快的运算速度:运算速度最快可达532MIPS;采用了低功耗设计方式:内核电压为1.8V，I/O电压为3.3V。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5安徽师范大学本科生论文5包含两个McBSP(多通道缓冲串行口)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。数模转换芯片采用的是TLV5608，实现滤波后的信号从数字信号恢复为所需要的模拟信号。JTAG口供DSP芯片下载程序调试。在下面的章节中将分别论述各个模块电路设计技巧[3]。3.2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100-200m