覃寧

摘要：近年來，經(jīng)濟的發(fā)展，促進我國科技水平的提升。科技的發(fā)展越來越離不開數(shù)字信號處理技術(shù)，尤其是在電子、通信、自制這種高科技領(lǐng)域，數(shù)字信號處理水平?jīng)Q定了項目發(fā)展的高度。數(shù)字信號處理不存在漂移現(xiàn)象，所以相對與模擬濾波器而言，數(shù)字信號濾波器能更好的處理低頻信號，并具有更理想的頻率響應(yīng)特性，更高的精度，且易于集成化處理。因此，數(shù)字濾波器在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。本文就基于DSP的典型數(shù)字濾波器的設(shè)計展開探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號;濾波器;DSP

引言

相比于傳統(tǒng)的模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒有模擬器件的溫度和電壓漂移，性能更加可靠且能夠達到很高的精度，同時濾波器參數(shù)容易修改。由于數(shù)字器件的規(guī)范性，數(shù)字濾波器能夠進行大規(guī)模的集成，通過DSP數(shù)字處理芯片可以實現(xiàn)并行操作處理。

1數(shù)字濾波器的主要定義

數(shù)字濾波器是與模擬濾波器相對應(yīng)的，我們在常用的離散系統(tǒng)中，使用數(shù)字濾波器。它的主要作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性，在這里時間就是一個變量，然后在對外部輸入的信號，進行處理，這里的輸入信號一般都是廣義上的波形型號，信號可以是電壓、電流、功率等。當然也有類似于頻率等這種。在實際的操作中，我們也可以把輸入的信號波形變成輸出，也就是將輸入和輸出倒置。從而實現(xiàn)我們將信號的頻譜修改的目的

2數(shù)字濾波器的設(shè)計方法

2.1DSP系統(tǒng)

DSP信號處理流程如下，首先將樣本輸入，經(jīng)過抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、DSP芯片、D/A轉(zhuǎn)換、平滑濾波后，將計算結(jié)果輸出。在信號處理過程中，大部分為模擬信號，但DSP只對數(shù)字信息進行接收，因此先要將模擬信號利用A/D轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，在實際應(yīng)用中，對FTT變化、相對卷積進行處理，再對數(shù)字信號進行轉(zhuǎn)化后，使其成為模擬采樣值，最終將不平滑的濾波輸入到濾波器中，經(jīng)過處理后獲得連續(xù)信號。對于DSP系統(tǒng)來說，在信號處理理論的引導(dǎo)下，具有數(shù)字信號的特點，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是與之兼容的接口較多，且均具有數(shù)字化特點，便于與其他接口相連;二是由于DSP芯片中，系統(tǒng)可根據(jù)實際操作，由工作者進行編程后改變，具有較強靈活性，可重復(fù)操作;三是運行速度較快，可達10GMIPS，甚至更多。

2.2FIR數(shù)字濾波器軟硬件設(shè)計

（一）軟硬件設(shè)計介紹。軟/硬件協(xié)同設(shè)計就是指在一次工程設(shè)計中，軟件與硬件使用同一工具和統(tǒng)一的描述語言。目前這種設(shè)計模式在性能評估和協(xié)同驗證方面應(yīng)用較多，應(yīng)用時，要保證仿真結(jié)果是對運行環(huán)境的真實模擬。（二）軟硬件設(shè)計方法。DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計的一般方法常用的軟/硬件協(xié)同驗證方法有三種：（1）在C的基礎(chǔ)上設(shè)計軟硬件開發(fā)平臺，然后利用此平臺設(shè)計硬件電路和應(yīng)用程序。（2）通過硬件描述語言HDL搭建硬件電路模型，再通過HDL模擬器仿真的虛擬原型機的軟/硬件協(xié)同驗證。將編譯完成的軟件程序嵌入系統(tǒng)的邏輯寄存器中，然后由處理器DSP從寄存器中讀取程序指令并運行程序，由此完成硬件與軟件聯(lián)合運行的功能驗證;（3）利用指令集仿真器（ISS）加總線功能模型（BFM）的方法。這種方法通過ISS來執(zhí)行軟件并且利用BFM來產(chǎn)生總線上的動作，其它硬件設(shè)備則根據(jù)總線的行為來完成自己的功能，從而驗證整個系統(tǒng)的軟/硬件工作是否正常。

2.3數(shù)字濾波器常用的算法

我們數(shù)字濾波器迄今為止已經(jīng)有不下幾十種濾波的算法。但是我們常使用的濾波算法，也就是最多五來種，這十幾種算法已經(jīng)在我們?nèi)粘５乃惴ㄖ谐洚斄酥髁?。本文主要對十種算法進行一個簡單的列出。在排在前五種算法中，最常用的是限幅濾波法，我們在收到輸入輸出波形時候，是不規(guī)則的，我們會在濾波器中進行一個模擬上下限值，其中高于上限的數(shù)值以及低于下限的數(shù)值我們主動過濾。該算法其實是非全數(shù)學(xué)算法。中位值過濾法是實際上是由中間值替代一個鄰域中各點值的中值代替，這種方法比較適應(yīng)于曲線擬合以及曲線描繪的方式。這種過濾對脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是有一個優(yōu)勢的地方就是在濾除噪聲的基礎(chǔ)上，還可以比較完整的保存信號的邊緣。算術(shù)平均濾波法是數(shù)字濾波通過數(shù)學(xué)計算，并且求平均值的一種最簡單的一種，這個方法就是將信號進行多次采樣，然后將輸出的數(shù)字量信號進行平均計算，作為某一時刻的平均值，具體采樣的次數(shù)主要根據(jù)不同的情況進行界定。這種算法主要是對于多頻次有規(guī)律的的信號干擾以及偶發(fā)性的信號干擾有明顯的作用。 遞推平均濾波法主要應(yīng)用在一些特殊的場景，例如，在一些項目與聯(lián)絡(luò)問題中都需要對信號的矩陣進行特征性向量的數(shù)值，我們一般如何快速并且準確的計算出特性向量那就是整個項目實際問題得到解決的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在我們求解特性向量的辦法比較多，但是大部分需要進行一個海量的計算，計算比較大就直接影響工作效率以及計算的準確度，現(xiàn)在是我們實際的方法一般都是講特性的向量做出一個直接預(yù)估，也有一部分計算是將特征向量延伸出來一套子空間的計算進行一個預(yù)估，這種做法是很難將信號進行處理的，一般歷史信號還比較好，但是實時數(shù)據(jù)的信號一般很難進行實時處理?，F(xiàn)在對于計算復(fù)雜度比較高的特性向量做主直接的遞推預(yù)估也是不常見的方式。一階低通濾波法，它的主要的特性我們一般使用一個一元微分的方程進行示意。一般情況下，線性的連續(xù)的系統(tǒng)特征除了可以在時間域下面進行微積分方程外，還有沖擊響應(yīng)的表的表示，還有就是通過將時間變?yōu)轭l率為自變量的一種算法表示，這個叫做響應(yīng)的頻率。這種方式是時間倒數(shù)的表示方式。我們可以證明出來系統(tǒng)的頻率響應(yīng)其實就是沖擊響應(yīng)的一種算法?，F(xiàn)在算法一般公式表示為傅里葉變換。

3實現(xiàn)方案

在濾波器計算時，應(yīng)對輸入信號、濾波系數(shù)卷積進行計算，假設(shè)x（n）代表的是輸入信號;h（n）代表的是濾波器沖擊響應(yīng)。在數(shù)字信號處理中，由于卷積屬于應(yīng)用較為頻繁的算法，在全部DSP芯片中均設(shè)置了專門的卷積運算。在本文研究的系統(tǒng)中，可采用macd指令完成卷積，該指令的形式為：macd（Smem，pmad，src）。在該指令中，由于存儲器地址為Smem，具有尋址作用，但Pmad單純具備存儲地址。因此，在指令實施之前，先要將pmad中的地址傳輸?shù)郊拇嫫髦校儆肧mem對內(nèi)容進行識別，最終將全部內(nèi)容相加，所得到的結(jié)果傳輸?shù)嚼奂悠髦?。在實際運行過程中，首先將累加器中的數(shù)據(jù)復(fù)制出來，傳送到后續(xù)地址、寄存器中，如若只是單純對命令進行復(fù)制，便可將寄存器持續(xù)加1，使讀取程序反復(fù)循環(huán)三個周期;如若數(shù)據(jù)非循環(huán)，只需一個周期即可，數(shù)據(jù)移動之后，卷積所需的計算便已完成，對DSP芯片進行編程，便可使濾波器的功能充分實現(xiàn)。在系統(tǒng)芯片中，設(shè)置2個McBSP，該硬件部分是在標準串行口基礎(chǔ)上，引腳連接界面，擁有雙倍和三倍發(fā)送緩沖存儲器，可獨立收發(fā)時鐘信號。在工作原理方面，發(fā)送時數(shù)據(jù)傳入寄存器中，再發(fā)送時鐘與幀同步情況下，通過寄存器將數(shù)據(jù)發(fā)送到引腳;在數(shù)據(jù)接收過程中，在FSR控制之下，將接收引腳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊拇嫫髦?，并在接收緩沖寄存器中存儲，再復(fù)制到DRR中，最終由CPU或者DMA控制器讀取。通過對串行接口位置控制寄存器。在采樣頻率方面，可通過模擬電路的確定采樣頻率，在芯片方面集成16位ADC/DAC，編程設(shè)置傳輸與轉(zhuǎn)換周期，最高轉(zhuǎn)換頻率為22.05KHz，在采樣頻率確定的情況下，對控制寄存器進行設(shè)定。

結(jié)語

數(shù)字濾波器是一個針對不同應(yīng)用場景，選定不同方式以及算法的復(fù)雜的工程，在實際的應(yīng)用中有多變的外部因素在影響，具體使用還應(yīng)結(jié)合實際情況進行項目的開發(fā)與算法的開發(fā)。

參考文獻

[1]梁光勝，胡紅.DSP設(shè)計方法的研究[J].中國電力教育，20018S1）：176-179.

[2]劉萬松.基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計[D].貴州：貴州大學(xué)，2018.

[3]叢玉良等.數(shù)字信號處理原理及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.