基于TMS320VC5416 的FIR 数字滤波器设计与实现论文摘要：在现代电子系统中，数字滤波器在语音处理、图像处理、模式识别以及各种随机信号分析中有着广泛的应用，且其波形传递系统中都越来越多的要求信道具有线性的相位特性，在这方面FIR滤波器具有独到的优点，它可以在幅度特性随意设计的同时保证精确严格的线性相位。
本文以窗函数法设计线性相位FIR数字滤波器为例，研究有限冲击响应（FIR）滤波器的基本原理，介绍用MATLAB工具软件设计数字滤波器的方法和如何在定点TMS320VC5416 DSP芯片上设计实现连续数字滤波器。
关键词：FIR滤波器，TMS320V5416一. 课题的目的以及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，使得对数字信号处理系统功能的要求越来越强。
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.在数字信号处理中数字滤波占有极其重要的地位。
数字滤波在语音信号、图象处理模式识别和谱分析等领域中的一个基本的处理技术。
数字滤波与模拟滤波相比数字滤波具有很多突出的优点，主要是因为数字滤波器是过滤时间离散信号的数字系统，它可以用软件（计算机程序）或用硬件来实现，而且在两种情况下都可以用来过滤实时信号或非实时信号。
尽管数字滤波器这个名称一直到六十年代中期才出现，但是随着科学技术的发展及计算机的更新普及，数字滤波器有着很好的发展前景。
同时它也有完全取代模拟滤波器的时候，原因是数字滤波没有漂移，它能处理低频信号，数字滤波的频率响应特征可做成极接近于理想的特性，它可以做成没有插入损耗和有线性相位特性，可相当简单地获得自适应滤波，滤波器的设计者可以控制数字字长，因而可以精确地控制滤波器的精度，其中的道理是数字滤波随着滤波器参数的改变，很容易改变滤波器的性能。
这一特点就能允许我们用一种程序滤波器来完成多重滤波任务。
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设计平台来实现较为重要的“FIR和自适应滤波器系统”并实现了它们的应用系统以TMS320VC5416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和原理能为在通信领域、信号处理领域等诸多领域中对数字滤波器的设计提供技术和准备。
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现实意义。
二、FIR滤波器的DSP实现的技术指标及性能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，而且还有需要对各种DSP芯片、外围硬件电路以及DSP开发工具等都有丰富的实际开发经验。
DSP系统的输入信号多种多样，但一般都要转换为模拟信号，经过抗混叠滤波后由模数转换芯片将模拟信号变换为数字信号。
然后，DSP根据实际需要对其进行相应的处理，如FFT、卷积等;处理后的数字信号再由数模转换芯片将其转换为模拟值，在对其进行平滑滤波后最终输出模拟信号。
需要说明的是，对输入模拟信号的采样频率要大于其本身频率的两倍，因为根据奈奎斯特采样定律，只有采样频率至少为输入信号频率的两倍时输入信号的信息才保证不会丢失。
1、DSP系统的特点DSP系统是以数字信号处理为基础的，因此不但具有数字处理的全部优点而且还具有以下特点:(1) 接口方便：DSP应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，它与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多；(2) 编程方便：DSP应用系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中能灵活方便地对软件进行修改和升级；(3) 稳定性好：DSP应用系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小、可靠性高；(4) 精度高：16位数字系统可以达到10-5级的精度；(5) 可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；(6) 集成方便：DSP应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。
当然，数字信号处理也存在一些缺点。
例如，对于简单信号处理任务，若采用DSP则使成本增加。
DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。
此外，DSP技术更新速度快，对于数学知识要求高，开发和测试工具还有待进一步完善。
2、TMS320C54xDSP器件特点TMS320C54x是为实现低功耗高性能而设计的定点DSP芯片。
主要应用在通信系统方面该芯片的内部结构及指令系统都是全新设计的。
它的主要特点：(1) 运算速度快，指令周期为25/20/15/12.5/10ns 相应的运算能力40/50/66/80/100MIPS 其中C5402 指令周期为10ns。
(2) 优化的CPU 结构，它内部有1个40位的算术逻辑单元2个独立的40位的累加器1个17*17的乘法器和1个40位的桶形移位器4条内部总线和2个地址产生器，另外内部还集成了维特比加速器用于提高维特比编译码的速度。
(3) 低功耗方式，TMS320C54x的主要特点是低功耗可以在3.3V 或2.7V下工作有三个低功耗方式，IDLE1、IDLE2、IDLE3指令可以节省DSP的功耗。
所以TMS320C54x特别适合无线移动通信设备。
(4) 智能外设，除了标准的串行口和时分复用TDM 串行口外还提供了自动缓冲串行口BSP auto-Buffered Serial Port 和与外部处理器通信的HPI（Host Port Interface）接口BSP可提供2K字数据缓冲的读写能力，降低处理器的额外开销。
当指令周期是10ns 时BSP的最大数据吞吐量为100Mbit/s 。
即使在IDLE方式下BSP也可以全速工作，HPI可以与外部标准的微处理器直接接口。
三、FIR 数字滤波器设计原理（一）目前，FIR滤波器在设计中可以采用多种方法加以实现。
目前最为常用的方法有两种，一种是采用专用的DSP芯片(如TMS320 CXX系列)，根据FIR滤波器的数据移位相乘累加的算法编写相应软件，利用软、硬件相互结合完成滤波器的设计。
但是，这种方法往往应用于音频信号的处理较为合适当数据采样率提高时就不适用了；另一种方法就是采用市场上通用的FIR滤波器集成电路，但是由于设计者的不同设计要求，有限的通用滤波器很难满足设计者的独特要求，而且，为了器件的通用性，该类滤波器电路工作的有效采用率也不是很高，仍然无法满足高采样率环境的需要。
长期以来，信号处理技术一直用于转换、产生模拟或数字信号，其中最为频繁应用的领域就是信号的滤波。
数字滤波是语音、图像处理、模式识别和谱分析等应用中的一个基本处理部件，它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。
有限冲激响应(Finite Impulse Res ponse, FIR)数字滤波器可以在设计任意幅频特性的同时，保证严格的线性相位特性，而且FIR数字滤波器实现结构主要是非递归的，可以稳定地工作，所以FIR数字滤波器被广泛地应用于视频和通信电路中。
本课题是“基于DSP的FIR滤波器的设计与实现”，就是根据数字信号处理的基本理论，用窗函数法实现FIR滤波器，对语音信号进行滤波。
1、用窗函数法实现FIR带通与低通滤波器，通过调用四种窗口函数，截取不同的滤波原型，低通滤波器满足以下性能要求：我们设计出一个采样频率为8k，截止频率为200Hz，阶数为256 阶最大衰减的（Least-Squares）FIR 滤波器。
2．用时间抽取法实现FFT/IFFT算法，通过此算法，对信号进行频域分析、频域处理；3．自适应滤波器是目前数字滤波器领域中最为活跃的分支，讨论采用经过改进的LMS（最小圴方误差）算法实现自适应滤波器；4．研究DSP的结构特点，重点了解TMS320VC5416 DSP器件；5．掌握DSP系统的构成及软硬件设计方法,掌握CCS软件的调试方法；6．以TMS320VC5416 DSP为核心处理器，在DSK上实现FIR滤波器系统，编写相应软件；（二）FIR的原理和参数生成公式一个截止频率为ωc (rad/s)的理想数字低通滤波器,其传递函数表达式是：相应的单位取样响应为:从上面两个公式可以看出，这个滤波器在物理上是不可实现的,因为冲激响应具有无限性和因果性。
为了产生有限长度的冲激响应函数,我们取样响应为h(n), 长度为N, 其系数函数为H(z) :用h(n)表示截取后冲激响应, 即 , 式子中W (n)为窗函数, 长度为N。
当τ= (N -1)/2 时,截取的一段h (n)对(N -1)/2 对称, 可保证所设计的滤波器具有线性相位。
一般来说, FIR 数字滤波器输出y( n)的Z变换形式Y(z)与输入x(n)的Z变换形式之间的关系如下:Y(Z) = H(z)X (z) = (h(0) + h(1)z−1 +...+ h(n)z−n )X (z) 实现结构如图 1 所示。
从上面的Z变换和结构图可以很容易得出FIR 滤波器的差分方程表示形式:对上式进行反Z 变换得:y(n) = h(1)x(n) + h(2)x(n −1) +...+ h(n)x(1) 上式为 FIR 数字滤波器的时域表示方法,其中x(n)是在时间n的滤波器的输入抽样值。
根据上式即可对滤波器进行设计。
四、FIR 数字滤波器的设计实现1、 FIR 滤波器电路设计图2为FIR滤波器DSP实现的电路方框图,其核心部分为TMS320VC5416, EP2ROM和RAM 是其外围电路。
AD采用的是10位AD芯片TLV1571，DA 采用的是12位DA芯片TLV5619。
DSP送给A/D抽样时钟,对输入的模拟信号抽样,即将模拟信号转换成数字信号,然后读取每一次的抽样值,并对抽样值进行卷积运算( FIR 数字滤波) ,最后将运算结果(滤波后的数字信号) 送至D/A,转换成模拟信号进行输出。
DSPTMS320VC54162 、FIR滤波器的h参数设计FIR 滤波器参数设计主要是h 数组参数的设计，在这里我们采用了Matlab 软件辅助设计。
确定滤波器的相关参数后，采用 Matlab 的Simulink 图形方式直观的设计出所需的滤波器。