基于DSP的自適應(yīng)FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王曉娟

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特010070）

基于DSP的自適應(yīng)FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王曉娟

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特010070）

介紹了基于TMS320VC5402 DSP的自適應(yīng)FIR濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用TMS320VC5402 DSP芯片作為處理單元，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)FIR濾波器，給出了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖及相應(yīng)的匯編代碼。仿真結(jié)果和實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)FIR濾波器能很好的消除疊加在信號上的噪聲。

自適應(yīng)FIR濾波器；LMS算法；數(shù)字信號處理芯片-TMS320VC5402

1 引 言

隨著人們對信號處理要求的不斷提高，越來越多的工程技術(shù)人員開始采用DSP進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，DSP技術(shù)發(fā)展日新月異，而在數(shù)字信號處理過程中，自適應(yīng)濾波器又占有重要的地位，在無法得到信號和噪聲統(tǒng)計(jì)特性的相關(guān)知識的情況下，自適應(yīng)濾波器能夠獲得極佳的濾波性能，從而具有很好的應(yīng)用價(jià)值。通信領(lǐng)域的自動(dòng)均衡、回波消除、自適應(yīng)天線陣列、線性預(yù)測及其他有關(guān)領(lǐng)域信號處理的系統(tǒng)模擬、自適應(yīng)譜線增強(qiáng)、自動(dòng)頻率跟蹤等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。用可編程的DSP芯片實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器，可以十分方便的修改自適應(yīng)濾波器的特性，同時(shí)還具有穩(wěn)定性好，精確度高，不受環(huán)境影響，靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。文中采用TMS320VC5402 DSP芯片處理器，作為硬件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)FIR濾波器。

2 自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)原理

自適應(yīng)濾波器一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，一部分為調(diào)整參數(shù)的數(shù)字濾波器，另一部分為調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法［1］。在濾波過程中，自適應(yīng)濾波器能夠自動(dòng)適應(yīng)隨時(shí)間緩慢變化的噪聲和信號之間的自相關(guān)函數(shù)，并且自動(dòng)調(diào)節(jié)誤差函數(shù)，直到滿足均方誤差最小的要求。因此，自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，信號與噪聲的自相關(guān)函數(shù)可以是未知的。

圖1 自適應(yīng)濾波器的一般結(jié)構(gòu)

圖1中d（n）為參考信號，x（n）為輸入信號，y（n）為實(shí)際輸出信號，e（n）為實(shí)際輸出與期望信號的誤差信號，e（n）＝d（n）-y（n）。自適應(yīng)濾波器的系數(shù)在工作過程中根據(jù)e（n）的值和自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整，使得系統(tǒng)滿足輸出誤差要求。

2 自適應(yīng)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)及算法

2.1 自適應(yīng)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)濾波器有FIR和IIR兩種基本結(jié)構(gòu)。FIR數(shù)字濾波器具有易實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位，穩(wěn)定性和任意的幅頻特性的優(yōu)點(diǎn)。所以本設(shè)計(jì)采用FIR濾波器橫向結(jié)構(gòu)作為自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)FIR濾波器的I／O方程表示為：

其中wk（n）是在時(shí)刻n的第k個(gè)可調(diào)系數(shù)（或權(quán)值）。由N個(gè)系數(shù)組成的系數(shù)向量W（n）表示為：

時(shí)刻n的輸入信號向量X（n）給出如下：T為矩陣轉(zhuǎn)置符，N為濾波器階數(shù)。

2.2 LMS算法

當(dāng)輸入信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性未知或輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生變化時(shí)，自適應(yīng)濾波能自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)以滿足某種最佳準(zhǔn)則要求。根據(jù)不同準(zhǔn)則，產(chǎn)生不同的自適應(yīng)算法，但主要有兩種基本算法：最小均方誤差（LMS）算法和遞推最小二乘（RLS）算法［2］。

LMS算法的基本思想：調(diào)整濾波器自身參數(shù)，使濾波器的輸出信號與期望輸出信號之間的均方誤差最小，這樣系統(tǒng)輸出為有用信號的最佳估計(jì)［2］。

基本的LMS算法如下：

其含義是：下一時(shí)刻權(quán)矢量W（n＋1）等于當(dāng)前權(quán)矢量W（n）加上一個(gè)修正值，該修正量等于誤差信號的加權(quán)值，加權(quán)系數(shù)為2μX（n）。LMS算法收斂的條件為：0＜μ＜1／λmax，λmax是輸入信號自相關(guān)矩陣的最大特征值。

3 自適應(yīng)FIR濾波器的TMS320VC5402硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMS320VC5402是TMSS320VC54系列中高性價(jià)比的16位定點(diǎn)DSP芯片的代表，與其他54系列芯片相同，TMS320VC5402具有高速數(shù)據(jù)處理性能以及高度靈活的可操作性能，同時(shí)兼?zhèn)涞凸募皟r(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。VC5402具有6級工作流水線，并且當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行重復(fù)指令RPT時(shí)，使得一部分多周期指令轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃芷谥噶睿ㄟ^PMST寄存器的OVLY和DROM位可以靈活設(shè)置芯片內(nèi)部的RAM和ROM存儲(chǔ)器。這些都為算法的優(yōu)化提供了有利條件。

此系統(tǒng)利用TMS320VC5402及其他一些外設(shè)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：EPROM為32K×8bit，與TMS320VC5402構(gòu)成32KB的引導(dǎo)裝載，范圍為8000H-FFFFH；SARAM與TMS320VC5402構(gòu)成32KB的外部程序存儲(chǔ)器和16KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其范圍分別為48000H-48FFFFH，40000H-7FFFFH。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)采用TLC320AC01芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片的工作過程直接由TMS320VC5402控制，TMS320VC5402與2片TLC320AC01的主時(shí)鐘共用同一外部時(shí)鐘源。在本系統(tǒng)中AC01與VC5402通過串口0連接。DSP通過串口可以控制AC01的采樣頻率、增益、低通／高通濾波器的截止頻率等參數(shù)。這一步是通過寫AC01寄存器來實(shí)現(xiàn)的。圖4為TMS320VC5402與AC01的連接電路。

圖4 TMS320VC5402與TLC320AC01的主從模式連接圖

4 自適應(yīng)FIR濾波器的TMS320VC5402軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)初步驗(yàn)證算法使用MATLAB7.0軟件，并為硬件設(shè)計(jì)提供輸入及參考數(shù)據(jù)，同時(shí)使用TI公司提供的CCS（Code Compo ser Studio）軟件，配合XDS510仿真器調(diào)試，使用匯編語言設(shè)計(jì)自適應(yīng)FIR濾波器的軟件系統(tǒng)。

4.1 自適應(yīng)FIR濾波器實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

4.1.1 輸入信號處理

先用MATLAB進(jìn)行算法驗(yàn)證，所有輸入數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)由MATLAB導(dǎo)出。由于TMS320VC5402是16位定點(diǎn)處理器，在進(jìn)行匯編運(yùn)算時(shí)，輸入數(shù)據(jù)、參考輸入數(shù)據(jù)及步長需要采用Q格式表示，即將MATLAB中產(chǎn)生的100點(diǎn)X（n）、d（n）及步長進(jìn)行一定比例的壓縮，使所有數(shù)據(jù)處于-1～1之間，然后采用Q15格式進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處于-32768～32768之間，作為.data段的輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

4.1.2 循環(huán)尋址

設(shè)計(jì)使用了循環(huán)尋址的方法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器，如圖5所示。為了能正確使用循環(huán)尋址，必須先初始化BK，塊長為N，同時(shí)，輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和系數(shù)緩沖區(qū)的起始地址必須與2N邊界對準(zhǔn)，其中N為滿足2N＞BK的最小整數(shù)，即N＝4，所以將系數(shù)緩沖器的首地址設(shè)置為400h，輸入數(shù)據(jù)的緩沖地址設(shè)置為100h，保證后4位為0。

圖5 自適應(yīng)FIR濾波器存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

4.1.3 溢出問題

由于程序中出現(xiàn)e（n）＝d（n）-y（n），可能出現(xiàn)溢出問題，解決溢出的方法有多種，本程序中使用飽和模式來防止DSP運(yùn)算的溢出，即設(shè)置溢出模式位OVM＝1打開飽和模式。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出可以表示的最大值時(shí)，處理器將其結(jié)果設(shè)置為最大值，當(dāng)兩個(gè)負(fù)數(shù)相加結(jié)果小于-1時(shí)，硬件將其結(jié)果限定為-1。

4.1.4 特殊指令LMS

C54x提供了一種并行執(zhí)行FIR濾波和系數(shù)更新的特殊指令LMS。

LMS的指令語法為：

LMS Xmem，Ymem

式中Xmem和Ymem分別指向系數(shù)和信號元素。此指令以并行方式執(zhí)行FIR濾波、將乘積保存于ACC B，更新ACC A中的舊系數(shù)，此指令可以解釋如下：

4.2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示：其中BK為塊循環(huán)大小，設(shè)置值為10；BRC為快循環(huán)指針，設(shè)置位8。

其中硬件資源的初始化包括時(shí)鐘、中斷、RAM，McBSP0，AC01及片上定時(shí)器；之后便在主程序中一直循環(huán)工作，直到定時(shí)器中斷到來。

在軟件設(shè)計(jì)中，AC01的初始化運(yùn)用了idle 1指令的同時(shí)使用的是片上的同步串口，為保證安全傳輸數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)發(fā)送完初始化數(shù)據(jù)后便等待串口發(fā)送中斷。

先用MATLAB進(jìn)行算法驗(yàn)證，輸入數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)由MATLAB導(dǎo)出，編寫匯編代碼文件，部分匯編代碼如下所示：

然后通過編譯，匯編和鏈接，生成TMS320VC5402可執(zhí)行的COFF目標(biāo)代碼，然后將生成的可執(zhí)行代碼通過仿真器下載到DSP目標(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行，在利用調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試，得到測量波形如圖7所示。

圖6 軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

圖7 測量波型

比較圖7（b）和圖7（c）可得出系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)過大約5秒的自適應(yīng)調(diào)整后，二者之間誤差逐漸減小，系統(tǒng)開始收斂，收斂速度的大小主要取決于自適應(yīng)步長的選擇；同時(shí)由圖7（d）可得到：響應(yīng)時(shí)間越長，誤差越小，濾波效果就越好。

5 結(jié)束語

基于TMS320VC5402硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相結(jié)合設(shè)計(jì)的自適應(yīng)FIR濾波器，充分利用了DSP芯片的特殊結(jié)構(gòu)和指令集。從測量結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)FIR濾波器能很好的消除疊加在信號上的噪聲，在實(shí)際應(yīng)用中，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)FIR濾波器即使輸入信號中被其他噪聲干擾，通過修改自適應(yīng)步長，也可以得到期望的輸出，這正是用DSP芯片設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器的優(yōu)勢。所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)FIR濾波器已經(jīng)在薄板粘結(jié)超聲檢測系統(tǒng)中應(yīng)用，得到了令人滿意的效果。

［1］Hay kin S.Adaptiv e Filter Theory［M］.T hird Editio n.Pren-cice-H all，1996.

［2］何振亞.自適應(yīng)信號處理［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［3］樓天順.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)-信號處理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

［4］趙海斌.MATLAB應(yīng)用大全［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［5］張朝柱.自適應(yīng)信號處理技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［6］郭森茂，閆生.數(shù)字信號處理器模式［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Design and Im plementation of Adaptive FIR Filter Based on DSP

WANG Xiao-juan
（Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College，Hohhot010070，China）

The article introduces the design and implementation of the adaptive FIR filter based on DSP.TMS320VC5402 DSP chip is used as the center processor to design and implement the adaptive FIR filter.The hardware system design module，the software system design flow chart and the related assembly code are given.The results of simulation and measurement show that the designed filter can perfectly eliminate the noise which disturbs the input signal.

Adaptive FIR filter；TMS320VC5402；LMS algorithm

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.023

TN713

：A

：1002-2279（2014）05-0080-04

王曉娟（1982-），女（蒙古族），內(nèi)蒙古赤峰人，講師，碩士研究生，主研方向；數(shù)字信號處理。

2014-07-07