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FIR数字滤波器的DSP实现

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yun888|  楼主 | 2010-8-19 11:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
FIR数字滤波器的DSP实现
摘 要:在分析了FIR数字滤波器主要特点的基础上,采用最大误差最小化准则的等波纹迫近法,来设计FIR数字滤波器。然后通过Matlab程序设计语言中 Remez函数和Remezord函数计算FIR数字滤波器的系数,并基于美国德州仪器公司生产的TMS320C5402芯片的数字信号处理功能,应用 DSP 汇编语言编程实现了该滤波器,使不同阶数的FIR数字滤波器都可以用Matlab所得到的结果来修改DSP程序中的数据子程序。
  关键词:FIR数字滤波器;数字信号处理;Remez函数;Remezord函数;Matlab
  FIR滤波器的结构主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈。并且FIR滤波器很容易获得严格的线性相位特性,避免被处理信号产生相位失真。而线性相位体现在时域中仅仅是h( n)在时间上的延迟,这个特点在图像信号处理、数据传输等波形传递系统中是非常重要的。此外,他不会发生阻塞现象,能避免强信号淹没弱信号,因此特别适合信号强弱相差悬殊的情况。其主要的不足之处是,其较好的性能是以较高的阶数为代价换来的。因此,在保证相同性能的前提下,努力降低其阶数是FIR数字滤波器设计的重要因素之一。
  下面介绍应用Matlab和DSP芯片来实现FIR滤波器的通用模式。
  1、FIR滤波器的设计方法
  通常采用窗函数法设计FIR滤波器方法简单,但是这些滤波器的设计还不是最优的。首先通带和阻带的波动基本上相等,虽然一般需要δ2<δ1,但是在窗函数法中不能分别控制这些参数。另外对于大部分窗函数来说,通带内或阻带内的波动不是均匀的,通常离开过渡带时会减小。若允许波动在整个通带内均匀分布,就会产生较小的峰值波动。
  最优化设计是将所有的采样值作为变量,在某一优化准则下,通过计算机进行迭代运算得到的最优结果。其优化准则可以使用均方误差准则。但实践证明,应用最大误差最小化准则的等波纹迫近法是更为实用的方法,应用他设计时,阶数、通带和阻带的边缘以及误差的加权函数都可以自由选择,十分灵活,设计得到的滤波器,其误差在整个频率范围内均匀分布,因而可以以最低的阶数迫近提出的指标要求。
  设待设计滤波器的幅频特性为HdA(ω),实际得到的滤波器的幅频特性为HA(ω),目的是使HA(ω)最好地迫近HdA(ω)。等波纹最佳一致迫近是根据设计要求,导出一组条件,使整个迫近频率区域上的迫近误差绝对值为最小, 定义一个加权函数W(ω),W(ω)在不同的频带下可以取不同的值,可用他自由决定各个频带中误差的权重。优化设计时,W(ω)为已知函数,这样,加权误差函数E(ω)可定义为:

    由于Q(ω)是一个已知的三角函数,故除在点ω=0,π外,上式处处有效。令:
   
    则可得到如下数学模型:
   
    据此,可以把FIR滤波器的设计问题,归纳为如下的加权契比雪夫迫近问题:寻找P( ω)的一组系数a(n)(或 使E(ω)的最大绝对值在整个频带上都达到最小。即:
   
   
    其中:B表示整个有意义的频带。
  求解契比雪夫迫近问题的依据是交错定理(这里不再介绍)。
  2、用Matlab设计FIR数字滤波器
  Matlab信号处理工具箱采用Remez算法实现线性相位FIR滤波器的等波纹最佳一致逼近设计。与其他设计方法相比,其优点是:设计指标相同时,使滤波器阶数最低;阶数相同时,使通带最平坦,阻带最小衰减最大;通带和阻带均为等波纹形式,适合设计片段常数型滤波器。其调用格式如下:
   
   remezord函数用于估算FIR数字滤波器的等波纹最佳一致逼近设计的最低阶数N,从而使滤波器在满足指标的前提下造价最低。基本调用格式如下:
  
  其返回参数供remez函数使用。编制程序(略)FIR数字滤波器的滤波仿真程序:
  设有一个正弦叠加信号:x=sin(2*pi??*100*t)+sin(2*pi*200*t)+sin(2*pi*3 00*t);经过带通滤波器后,滤除频率为100 Hz和300 Hz的信号,如图1所示。结果如图2所示。
   
   
    3、用DSP线性缓冲区和带位移的双操作数寻址方法来实现不同阶数的FIR数字滤波器
  实现的核心器件采用美国德州仪器公司生产的DSP芯片TMS320C5402。对于N级 FIR滤波器,在数据存储器中开辟一个称之为滑窗的?玁个单元的缓冲区,存放最新的N??个输入样本。从最老的样本开始,每读一个样本后,将此样本向下移位。读完最后一个样本后,输入最新样本至缓冲区的顶部(见图3)。FIR滤波器的主程序(程序流程图见图4),其中包括3个子程序Variableinc,Bfunction.asm, Filter_coeff?眎nc。Variable?眎nc程序的主要作用是:将TMS320个寄存器定义为全局符号,这样就可以直接引用寄存器(符号)。Bf unction.asm程序的主要作用是:初始化FEC和初始化C54。Filter_coeff.inc程序提供滤波器的系数,其系数用Q15格式表示。
   
  
  4、结语
  实践证明,该滤波器准确度高、稳定性好,易于移植使用,具有较强的实用性与灵活性。Mat lab可方便地设计出FIR数字滤波器,并且修改系数方便。由于DSP的可移植性好,所以能从不同方法得来的滤波器系数写入 filter_coeff.inc子程序中,从而得到不同的滤波效果。
  参考文献
  [1]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002
  [2] 吴湘淇.信号、系统与信号处理[M].北京:电子工业出版社,1999.
  [3] 薛年喜.Matlab在数字信号处理中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003.
    [4] TMS320C54X DSP CPU and Peripherals (Reference SetVolume 1).
  [5] TMS320C54X DSP Mnemonic Instruction Set (Reference Set Volum e 2).




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雷北城| | 2020-8-14 16:43 | 显示全部楼层
学习了,谢谢分享!

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