DSP课程设计FIR滤波器

沈阳工程学院

课程设计

设计题目： FIR滤波器程序设计

系别班级

学生姓名学号 2

指导教师职称教授

起止日期：2014年 9 月 22 日起——至 2014 年 9 月26 日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目： FIR滤波器程序设计

系别班级

学生姓名学号

指导教师职称

课程设计进行地点： F430 任务下达时间： 2014 年 9 月22日

起止日期：2014 年 9 月22日起——至 2014年 9 月26日止教研室主任年月日批准

1.设计主要内容及要求；

编写正弦信号发生器程序。

要求：1）研究FIR滤波器原理以及利用DSP实现的方法。

2）编写FIR滤波器的程序。

3）调试程序，观察结果。

2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；

（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。

（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。

（3）.论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求进行打印。

（4）. 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。

3.时间进度安排；

沈阳工程学院

FIR滤波器程序设计课程设计成绩评定表系（部）：班级：学生姓名：

中文摘要

‘

DSP技术一般指将DSP 处理器用于完成数字信号处理的方法与技术。目前的DSP芯片以其强大的数据处理功能在通信和其他信号处理领域得到广泛注意并已成为开发应用的热点技术。许多领域对于数字信号处理器的应用都是围绕美国德州仪器所开发的DSP处理器来进行的。

21世纪是数字化的时代,随着信息处理技术的飞速发展,数字信号处理技术逐渐发展成为一门主流技术,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。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越来越广泛。同时DSP(数字信号处理器)的出现和FPGA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。

在数字信号处理应用中，数字滤波器占有十分重要的地位。在信号传输和处理过程中，从接收到的信号中消除或者减弱噪声是十分重要的问题，而数字滤波器是整个数字信号处理系统完成这一目标的重要部分。数字滤波器是一种常用的离散时间系统，其功能就是采取不同的软件或硬件，把输入序列通过一定的运算变换成输出序列。常用的滤波器有无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器和有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器两种，和 IIR 滤波器相比，FIR 滤波器可以得到严格的线性相位。而且FIR 滤波器可以用非递归方法实现，有限精度的计算不会产生振荡，同时由于量化舍入以及系数的不准确所引起的误差的影响比IIR 滤波器要小得多。再者FIR 滤波器可采用FFT 算法，在相同阶数下，运算速度可以快得多。

关键词 DSP FIR滤波器 CCS

FIR滤波器程序设计

目录

中文摘要......................................................................................................................................... I V 目录 ................................................................................................................................................. V 1设计主要内容及要求............................................................................................................... - 1 -

1.1 设计题目： .................................................................................................................. - 1 -

1.2 设计目的：................................................................................................................... - 1 -

1.3 基本要求：................................................................................................................... - 1 -

2.设计思路................................................................................................................................... - 2 - 3程序流程图............................................................................................................................... - 3 - 4 FIR滤波器算法的DSP实现 .................................................................................................. - 4 -

4.1FIR滤波器的实现原理.................................................................................................. - 4 -

4.2FIR滤波器的实现方法.................................................................................................. - 4 -

4.3FIR滤波器设计的调试.................................................................................................. - 6 - 5仿真过程分析........................................................................................................................... - 8 -

5.1 仿真过程设计............................................................................................................... - 8 -

5.2 仿真图像....................................................................................................................... - 9 -

6.元器件清单............................................................................................................................. - 12 -

7.主要仪器及元器件介绍......................................................................................................... - 13 -

7.1CCS开发环境 .............................................................................................................. - 13 -

7.2FIR滤波器 ................................................................................................................... - 14 -

（一）．简介.................................................................................................................... - 14 - （二）．主要特点............................................................................................................ - 15 - 小结 ........................................................................................................................................... - 16 - 致谢 ........................................................................................................................................... - 17 - 参考文献.................................................................................................................................... - 18 - 附录 ........................................................................................................................................... - 19 -

沈阳工程学院课程设计（论文）

1设计主要内容及要求

1.1设计题目：

FIR滤波器程序设计

1.2 设计目的：

（1）掌握DSP常用指令、以及汇编程序的基本编写；

（2）熟悉FIR数字滤波器的基本实现方法。

1.3 基本要求：

（1）研究FIR滤波器原理以及利用DSP实现的方法。

（2）编写FIR滤波器的程序。

（3）调试程序，观察结果。

FIR滤波器程序设计

2.设计思路

数字滤波器的功能，就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列。可以用两种方法来实现数字滤波器：—种方法是采用通用计算机，利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，也就是采用计算机软件来实现；另一种方法是设计专用的数字硬件（通常称之为数字信号处理器）。

在TMS320C54x系统开发环境CCS（Code Composer Studio）下对FIR滤波器的DSP实现原理进行讨论。利用C语言设计相应的滤波器，通过实验仿真，从输入信号和输出信号的时域和频域曲线可看出在DSP上实现的FIR滤波器能完成预定的滤波任务。

具体思路为先将DSP初始化，再将滤波系数存入到存储单元，让操作数与程序存储器相乘后累加，结果保存到输出单元，判断滤波样本点数有没有完成，完成就直接结束，没完成则返回到将滤波系数存入到存储单元，继续如上步骤，直至完成。

3程序流程图

4 FIR 滤波器算法的DSP 实现

4.1FIR 滤波器的实现原理

由 (2-1)式可知，FIR 滤波器的冲激响应为 h(0) , h(1) , ……, h(N - 1)。x(n) 表示滤波器在n 时刻的输入，则n 时刻的输出为：

y(n) = h(0) x(n) + h(1) x(n -1) + …… + h(N - 1) x[n - (N - 1) ] 这是一个乘、加的过程 ,可以使用 DSP 中的 MAC 指令实现该运算。

图4.1 FIR 滤波器的结构

4.2FIR 滤波器的实现方法

在数字信号处理系统中，常常要用到FIR 数字滤波器，这是因为用FIR 滤波器可以逼近任意幅频特性的滤波器，并获得很好的性能，在本论文中介绍FIR 低通滤波器的DSP 实现。

TMS32054x 是16位的定点处理器，所以在进行汇编程序设计时，FIR 滤波器系数要采用Q15格式，即必须将上述系数转化为Q15格式，这只要将滤波器各系数乘以215

即可。

N+1

y(n)

用DSP 实现Z 1

-算法是十分方便的，常用的方法有两种：线性缓冲区法和循环缓冲区法。在本文中采用的是循环缓冲法，循环缓冲区法的特点是：

(1) 对于N 阶的FIR 滤波器，在数据存储器中开辟一个也称为滑窗的N 个单元的缓冲区，滑窗中存放最新的N 个输入样本；

(2) 每次移入新的样本时，以新样本改写滑窗中老的数据，而滑窗中的其他数据不需要移动；

利用片内BK （循环缓冲区长度）寄存器对滑窗进行间接寻址，循环缓冲区地址首尾相邻。

FIR 滤波器的核心算法是计算输入信号与滤波器系数的卷积。设x(n)为输入信号，h(n)为FIR 滤波器的冲击响应，n=0，…，N-1，则FIR 滤波器的输出y(n)就是x(n)与h(n)的卷积，即：

()()()

m h m n x n y N m *1

0∑-=-=

由于卷积是数字信号处理中最常用到的算法，因此几乎所有的DSP 芯片中都设有专门的指令支持卷积运算。在TMS32054x 中可以用macd 指令完成卷积。macd 指令的形式如下：macd （Smem ，pmad ，src ）；

在macd 指令中，Smem 是间接寻址参数，它是指令中指向数据存储器的单地址。Pmad 是表示程序存储器地址的16位常数。Src 表示累加器，可以是A 累加器或是B 累加器。这条指令在执行时，先把指令中的pmad 常数送到程序地址寄存器的PAR 中，然后将Smem 地址中的数据用PAR 地址在程序存储器中读取的数据相乘，并将乘积结果累加到由Src 指定的累加器中。在指令执行时，Smem 地址中的内容被同时复制到T 寄存器和Smem 低中之后的下一个地址单元中。若采用repeat 指令重复执行macd 指令，则在执行指令的最后，PAR 寄存器自动加1，这样当macd 再次执行时就直接用PAR 中的地址读取程序存储器中的数据。通常情况下，macd 指令执行时需要三个周期。但是若用repeat 指令执行macd ，进入流水线后只要一个周期就可以执行一次macd 指令。由此可见，该指令同时完成了乘累加和数据延迟（移位）的功能，这正是卷积算法所要求的。

对于输入序列，它在两个循环缓冲器里的存储情况如下，要建立缓冲区首先

将循环缓冲区大小寄存器的值设为N/2辅助寄存器AR4指到缓冲区1（Bufferl）的顶部AR5指到缓冲区2（Buffer2）的底部，新来一个样本存储到缓冲区1中时，应先将缓冲区1顶部的数据移到缓冲区2底部，处理器然后进行乘加运算，滤波程序每步运算后AR4 指向数据移到的下一个窗口，而AR5则指向下一个输入数据，对于下一步运算AR4指向地址1，AR5指向地址N/2。如图4.1示。

图4.2 FIR系数存储格式示意图

考虑到在执行macd指令时是将低地址的数据复制到高地址来完成延迟功能，所以在用macd指令计算卷积时，先计算x(n-N+1)与h(N-1)的乘积，最后才计算x(n)与h(0)的乘积。因此在程序中，FIR滤波器的系数在程序存储器中按倒序存储]17~15[。

4.3FIR滤波器设计的调试

（一）硬件调试中要注意到的问题：

在本系统的硬件调试中主要测试步骤如下：

（1）首先测量电路板的电源和地是否有短路现象，电路板上所采用器件多为小封装器件，管脚间距小，容易出现短路现象，焊接完成后要认真检查。

（2）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，以免损坏电路板上器件。

（3）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。

（4）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)。

（5）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。

（二）软件调试中要注意到的问题：

（1）定点数的定标

在定点DSP 芯片中，采用定点数进行数值运算，其操作数一般采用整型数来表示。在滤波器的实现过程中，考虑到在数字信号处理中的大量运算是乘法和累加，应尽量采用纯整数或纯小数运算，即全部变量都用Q0 或Q15 格式。这样做的好处是操作简单、编程方便。

（2）计算的精度和结果溢出

在FIR 数字滤波器的实现中, 一个必须注意的问题是计算的精度和结果溢出问题。由于在滤波器设计时, 滤波器的系数都是小数, 为了获得较高的精度和整数化系数,一般都要对求出来的系数乘一个较大的数, 然后再调整。这样导致在计算中有可能累加器溢出；另一个问题是计算后累加器中的结果数值为32 位, 而物理的存储器位数高16位, 在存储处理结果时, 通常的做法是将低16 位结果直接丢弃不用, 只取高16位作为计算结果, 但这样做带来的后果是精度降低。因而在考虑滤波器设计时, 必须综合考虑输入信号的幅度, 并仔细分析中间值的大小, 调整滤波器的系数, 在不影响计算速度的情况下, 提高计算精度。

5仿真过程分析

5.1 仿真过程设计

1.打开CCS，进入CCS的操作环境；

2.装入FIR_Filter.pjt工程文件，添加2812.gel文件，开始进行调试；

3.装载程序Filter.out；

4.设置试验箱信号源。通过液晶屏和键盘，设置信号源：当液晶屏上出现“通讯自检不成功，请复位系统”时，按下“Enter”键，进入“信号发生器设置”。

在“信号发生器设置”这一菜单下：

“通道”设为“0”；

“信号类型”可根据需要任意选择；

“信号频率”和“信号振幅”可在屏幕下方“有效输入”限定的范围内任意输入，建议振幅设为1000左右，频率设为300左右；

“信号发生器开关”设为“开启”。此时，便有噪声方形波信号输入音频芯片ALC23的输入端（利用此芯片同样可以进行AD采集）。

5.打开Filter.C在第83行“for(i=0;i

6.运行程序到第一个断点时，观察Ad_data_signed数组，运行到第二断点时，观察filter_result数组的值。

其中图像显示设置对话框中Start adderss:起始地址；Acquisition Buffer

Size:输入数据个数；Display Data Size:显示数据个数（注意：显示个数要与程序中宏定义的采样个数一致）；DSP Data Type:数据类型；

5.2 仿真图像

滤波前：

滤波后：

6.元器件清单

7.主要仪器及元器件介绍

7.1CCS开发环境

（一）简介

CCS 全称是Code Composer Studio 它提供了基本的代码生成工具，具有一定的调试、分析能力，在CCS下的程序开发过程如图所示。

图7.1.1程序开发过程

CCS 包括：

1、CCS代码生成工具

2、CCS集成开发环境IDE

3、DSP/BIOS插件程序和API RTDX插件，主机接口和API等。

（二）．集成开发环境

调试DSP目标程序，它主要由几个主要的窗口组成：工程组显示窗口、程序内容显示窗口、编辑信息提示窗口和主要工具栏。另外，在编辑过程中还可以显示诸如存储器观察窗口、变量监视框、图形显示框等调试界面，他们为程序编写调试提供多种手段为软件开发提供了极大的方便。图 2.5 就是基本编辑界面。

图7.1.2 CCS基本编辑界面

在利用CCS编程的过程中，不可避免的要遇到如何将程序变量分配到内存中去的问题。因为，即使DSP 的存储空间比较大，速度也十分快，但是如果内存空间分配不当的话，还是会出现空间不够行速度下降，甚至程序跑飞的情况，这样会时程序调试起来十分麻烦。所以，一定要分配好内存空间CCS提供了两种分配空间的方法：利用cmd文件或rcp文件分配空间，其中cmd 文件是纯文本格式的描述性的空间分配方式, 它的优点是程序员对空间的可控制性较高，可以将不同的块分配到指定的地址，并规定长度。

当程序中新增加了变量后，在rcp文件中会出现Not yet placed项，只要将其下的文件夹，根据类型拖动到run_view下的相应的数据存储器或程序存储器即可。还可以选择用何种类型的存储器空间装载，通过观察存储空间以使用的状况自行分配空间，所以十分灵活，并且不会出现空间重叠的现象，避免了程序跑飞。

7.2FIR滤波器

（一）．简介

FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅

频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而