FIR數字濾波器在TI DSP上的實現

沙巖 李娜娜 王丹

【摘要】 本文針對TI公司TMS320VC54x系列DSP芯片TMS320VC5409構成的數字信號處理硬件電路，設計了FIR數字濾波器程序，程序采用匯編語言編寫，具有占用存儲空間少，運行速度快的優點，能夠更好地適應需要實時濾波的場合[1]；闡述了FIR數字濾波器的理論設計及在DSP上的實現過程。根據其實現思路，可以很方便設計出符合要求的濾波器。

【關鍵詞】 FIR數字濾波器 CCS TI DSP TMS320

數字信號處理器（DSP）是針對數字信號處理需要而設計的一種可編程的單片機。作為TI公司的定點系列DSP產品之一TMS320VC5409的出現，其高速的運算速度為實現數字信號的實時處理和實時控制提供了更為方便的途徑。這種單片DSP把高速控制器的靈活性和陣列處理器的數值計算能力結合起來，從而提供了廉價的、比多位更為可取的處理器。

一、FIR數字濾波器優勢分析

IIR數字濾波器雖然有優異的幅度響應和實現效率，但是這是以犧牲相位的非性為代價的，選擇性越好，則相位的非線性越嚴重，非線性相位會引起頻率的色散；其次設計系數的時候必須注意到穩定性的問題，極點不能位于單位圓之外，比較難確定。即頻率特性中的相頻特性具有非線性，其結果會造成處理信號產生相位失真而發生畸變。如果需要線性的相頻特性，必須采用全通網絡來修正。FIR數字濾波器可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時FIR 數字濾波器的單位沖激響應是有限個的，其實現的結構是非遞歸型的，因此系統是絕對穩定的； FIR濾波器的固定位噪聲較容易控制，其以固定位制作時的誤差對整個系統的影響較小；FIR濾波器易設計成具有線性相位響應系統，一個具有線性相位的系統對于輸入信號的不同頻率成份皆會有固定的延遲時間，因此不會造成信號的相位失真，相位失真對于某些信號的影響相當嚴重，如音頻和視頻，相位失真會造成聲音和影像品質的不良，明顯的例子像是電視的重影就是相位失真造成的，其它像一些數據傳輸系統是利用不同相位調制，此時相位失真也會造成數據傳輸的錯誤。因此FIR濾波器較IIR濾波器的應用更為廣泛。

二、FIR濾波器設計與實現

2.1 FIR數字濾波器的結構原理

FIR濾波器的制作只是有限項的直接回旋運算，FIR系統可以利用快速傅立葉轉換執行以減少所需要運算的個數，增加執行的效益。FIR數字濾波器有直接型和轉置型結構，直接型結構也稱為抽頭延遲線結構，或稱橫向濾波器結構。直接型中可以看出，沿著這條鏈每一抽頭的信號被適當的系數（脈沖響應）加權，然后將所得乘積相加就得到輸出y（n）。

2.2 FIR數字濾波器的C54x實現

通過CCS的圖形顯示工具觀察輸入輸出信號波形以及頻譜的變化 [3].例如FIR數字濾波器的最主要特點是沒有反饋回路，因此它是無條件穩定系統，它的單位沖激響應h（n）是一個有限長序列。用線性緩沖區實現延時操作的優點是：新老數據在存儲器中存放的位置直接明了。為了采用線性緩沖區進行延時，需將系數和數據均存放在DARAM中，這樣程序的執行速度最快。

三、在CCS環境下FIR濾波器性能仿真和實際測試

3.1 CCS環境下FIR數字濾波器的實現過程

由于奈奎斯特采樣定理，數字濾波器的處理能力受到系統采樣頻率的限制。如果輸入信號的頻率分量包含超過濾波器1/2采樣頻率的分量時，數字濾波器因為數字系統的“混疊”而不能正常工作。如果超出1/2采樣頻率的頻率分量不占主要地位，通常的解決辦法是在模數轉換電路之前放置一個低通濾波器將超過的高頻成分濾除[4]。

為了對信號進行濾波，首先必須根據技術指標設計一個數字濾波器。我設計一個FIR低通濾波器。其技術指標為：通帶截止頻率為1500Hz，阻帶截止頻率為2000Hz，通帶波紋是0.01，阻帶波紋是0.1，取樣頻率是8000H。

3.2 結果分析

在CCS環境中用匯編語言編寫一個實現FIR數字濾波器的程序及鏈接器命令文件，編譯程序，在屏幕上顯示濾波器的輸入x（n）與輸出信號y（n）的頻譜圖。 當頻率為1000赫茲和3000赫茲的兩個頻率信號，經過截止頻率為2000赫茲的FIR數字濾波器后，頻率為3000赫茲的信號得到了一定程度的壓制，頻率為1000赫茲的信號被保留，基本沒有變化。總體上來說，達到了濾波的效果。

本文介紹了一種基于C5409硬件平臺的FIR數字濾波器實現方案。選用FIR濾波器會避免相位延遲。在匯編語言程序中，FIR濾波器采用的是直接型結構，并且采用帶移位雙操作數指令來實現，所設計的程序直觀易懂。由于是線性相位的FIR濾波器，還可以采用線性相位FIR濾波器的結構及相應的DSP指令來設計程序。占用存儲空間少，運行速度快。文章表明，FIR數字濾波器準確度高、穩定性好，易于移植使用，具有較強的實用性與靈活性。

參 考 文 獻

[1]彭啟琮.TMS320VC54x實用教程.成都：電子科技大學出版社，2010

[2]劉順蘭，吳杰.數字信號處理.西安：西安電子科技大學出版社，2013

[3]程培青等.數字信號處理.北京：清華大學出版社，2012

[4]王念旭等.DSP基礎與應用系統設計.北京：北京航空航天大學出版社，2014