呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） I 摘 要 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。當(dāng)前我們正處于數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注，其理論及算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展得到了飛速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理的功能，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組 (由模擬信號(hào)取樣和量化的 )數(shù)字量 ，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒(méi)有漂移，能夠處理低頻信號(hào)，頻率響應(yīng)特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達(dá)到很高，容易集成等，這些優(yōu)勢(shì)決定了數(shù)字濾波器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 本論文的主要研究了 字濾波器的基本理論，基于 司的數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)了一款穩(wěn)定度高，低功耗的數(shù)字濾波器系統(tǒng)。研究了 字濾波器的基本理論，以及數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)學(xué)習(xí) 波器的結(jié)構(gòu)、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)理論，掌握了 字濾波器的原理和特性。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾 波器奠定了理論基礎(chǔ)。研究了 件的結(jié)構(gòu)和特性，根據(jù)該數(shù)字信號(hào)處理器的獨(dú)特的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的系統(tǒng)架構(gòu)，并系統(tǒng)全面的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的各個(gè)模塊電路，合理的處理模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與 連接。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的硬件平臺(tái)。 根據(jù) 司 5000 系列數(shù)字信號(hào)處理器的基本結(jié)構(gòu)和特征，充分利用其片上資源，用通用的可編程 片實(shí)現(xiàn)本次基于 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 字濾波器； is of of in we in a of is in is of of in is to to of of is a by is a of to be 梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） to so of is IR I s a of IR as as of IR IR of to of a of of a to to a I s of 000 of SP is to 計(jì) ） - 1 - 第 1 章 緒論 本章主要介紹 數(shù)字濾波器 的 優(yōu)越性 ， 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)， 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法， 主要研究?jī)?nèi)容等。 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性 21 世 紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理 (為技術(shù)核心， 經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一， 論在其應(yīng)用的深度還是廣度，正在以汀所未有的速度向前發(fā)展。 數(shù)字信號(hào)處理器，也稱(chēng) 片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為它在電子信息、通信、軟件無(wú)線電、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、 信息家電等高科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著重要的作用。采用 片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。 近年來(lái)， 術(shù)在我國(guó)也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面，在數(shù)字信號(hào)處理中，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并取得了豐碩的成果。數(shù)字濾波占有極其重要的地位。 數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服了與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲 問(wèn)題。用 片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。用可編程 片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。 幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、通信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)等都涉及信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。這些過(guò)程都可能包含衰減一個(gè)頻率范圍，阻止或隔離一些頻率成分，用數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能是方便、有效、可行的 3。數(shù)字濾波器又分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器 (有限沖激響應(yīng) 濾波器 ( 波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 字濾波器。 由于 制器具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理，獨(dú)立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 制器就可以提高數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)做到實(shí)時(shí)處理。用可編程 片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢(shì)是 :通 過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng) (數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾 波器相比有以下優(yōu)點(diǎn) 3: (l)簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 - 2 - (2)對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力有了明顯提高，這對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的 提高起到了促進(jìn)作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來(lái)更加方便、靈活。 (4)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 自 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初 片誕生以來(lái) 片得到了飛速的發(fā)展。最成功的 片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司 (稱(chēng) 一系列產(chǎn)品，其場(chǎng)份額占全世界份額近的 50%。目前 片的價(jià)格越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò) 20 年的發(fā)展， 件在高速度，可編程，小型化，低功耗等 方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，單片 片最快每秒可完成 16 億次 (160運(yùn) 算，生產(chǎn) 件的公司也不斷壯大。 在上一個(gè)世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)源到有源和從模擬到數(shù)字兩個(gè)過(guò)程。高精度無(wú)源濾波器從設(shè)計(jì)到制造都是難度非常高的技術(shù)。有源濾波器雖然很大地改進(jìn)了濾波器的性能，也降低了一些制造工藝的難度， 但從其性能的大幅度改進(jìn)，與其它信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器后來(lái)居上。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來(lái)越高，功能也越來(lái)越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。 我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任 9。 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種 5: (1)在通用的計(jì)算機(jī) (如 用軟件 (如 C 語(yǔ)言 )實(shí)現(xiàn)。軟件可以是由自己編寫(xiě)，也可以使用現(xiàn)成的軟件包。這種方法的缺點(diǎn)是速度太慢，不能 用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要用于 法的模擬與仿真。 (2)在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專(zhuān)用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。這種方法不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。 (3)用通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的接口性能良好容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。由于單片機(jī)采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算速度較慢，而在數(shù)字濾波器中涉及大量的乘法運(yùn)算，因此，這種方法適用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。 (4)用通用的可編程 片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比， 著更適合于數(shù)字濾波的特點(diǎn)。呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 3 - 它利用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)， 具有良好的并行特點(diǎn)，并有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。 (5)用專(zhuān)用的 片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，而通用 種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)須進(jìn)行編程。 (6)用 可編程器件來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字濾波算法。使用相關(guān)開(kāi)發(fā)工具和 硬件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。這一方法由于具有通用性的特點(diǎn)并可以實(shí)現(xiàn)算法的并行運(yùn)算，無(wú)論是作為獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理，還是作為 片的協(xié)作處理器都是比較活躍的研究領(lǐng)域。 本論文研究的重點(diǎn)集中在利用 實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的硬件電路。 主要研究?jī)?nèi)容 本論文主要 : 研究數(shù)字濾波的理論知識(shí)，為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ) ; 研究 司 字信號(hào)處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及片上資源，并研究通信電子線路中各種接口的相互連接關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)價(jià)格低、功耗小、精度高的數(shù)字濾波器系統(tǒng)。 研究有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（ 的具體實(shí)現(xiàn)方法。 - 4 - 第 2 章 字濾波器的理論研究 波器簡(jiǎn)介 數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí) 間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。 因此，數(shù)字濾波器本身既可以是用數(shù)字硬件裝配成的一臺(tái)完成給定運(yùn)算的專(zhuān)用 的數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可以將所需要的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。數(shù)字 濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出的優(yōu)點(diǎn)。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能越來(lái)越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來(lái)看，可以分為兩大類(lèi) :有限沖擊響應(yīng) (字濾波器和無(wú)限沖擊響應(yīng) (字濾波器。本文研究 字濾波器。 字濾波器的結(jié)構(gòu) 有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 1： 10)()( 其差分方程為 : 10)()()( （ 其基本結(jié)構(gòu)型式有以下幾種 : 由上式可以得出如下圖 2示的直接型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又可以稱(chēng)為卷積型結(jié)構(gòu)。 圖 2波器直接型結(jié)構(gòu) x(n) h(0) h(1) h(2) h(+ y(n) 呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 5 - 將轉(zhuǎn)置理論應(yīng)用于上圖可以得到圖 2示的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)，可得到圖 2示轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu) 4。 將式中的系統(tǒng)函數(shù) H(z)分解成二街實(shí)系數(shù)因子的形式，即 : 212211010)()()(Nk 當(dāng)需要控制濾波器的傳輸零點(diǎn)時(shí)，可將系統(tǒng)函數(shù) H（ z）分解成上式形式，這樣就可以用二階節(jié)級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成。其中 N/2表示取 N/2 的整數(shù)部分。若 N 為偶數(shù)，則 奇數(shù)，故系數(shù) 是因?yàn)檫@時(shí)有奇數(shù)個(gè)根，其中復(fù)數(shù)根成共軛對(duì)，必為偶數(shù)，必然有奇數(shù)個(gè)實(shí)根。圖 2出了 N 為奇數(shù)時(shí) 波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。 圖 2波器的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu) z1z1z1z1h(0) h(1) h(2) h(3) h(y(n) x(n) 圖 2波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖 （ x(n) z1z1z1z1z10102 20N11 0212 22 2/1N22N - 6 - 第 3 章 波器設(shè)計(jì)方法 波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率抽樣設(shè)計(jì)法等，其中窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是最基本的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì) 波器中，一個(gè)最重要的計(jì)算就是加窗，采用矩形窗是最直接和 簡(jiǎn)便的方法，但采用矩形窗存在較大的 應(yīng)，且矩形窗的第一旁瓣與主瓣相比僅衰減 13此實(shí)際設(shè)計(jì)中一般采用其他窗函數(shù)。 本小節(jié)主要介紹幾種常用的窗函數(shù)和頻率抽樣設(shè)計(jì)法。 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) 波器 (一 )窗函數(shù)法的基本思想 窗函數(shù)設(shè)計(jì)的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器，然后將它的脈沖響應(yīng)截?cái)嘁缘玫揭粋€(gè)線性相位和因果的 波器。因此這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度和具有最窄主瓣寬度和盡可能 小的旁瓣衰減的某個(gè)窗函數(shù)。任何數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng))(是 的周期函數(shù)，它的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為： dj )()( 10其中 ： )21()21(s )(21)(20 其中的 立葉系數(shù) )(得有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的一種可能方法就是把無(wú)窮級(jí)數(shù)截取為有限項(xiàng)級(jí)數(shù)來(lái)近似，而吉布斯 (象使得直接截取法不甚令人滿(mǎn)意 1 窗函數(shù)法就是用被稱(chēng)為窗函數(shù)的有限加權(quán)系列 (n)來(lái)修正式 (傅立葉級(jí)數(shù)。（ （ 呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 7 - 以求得要求的有限沖激響應(yīng)序列 h(n)。 即有： )()()( )(n 是有限長(zhǎng)序列，當(dāng) n n0 時(shí)， )(n =0。 幾種常用的窗函數(shù) 工程中比較常用的窗函數(shù)有 l3: 矩形窗函數(shù)、三角形 (函數(shù)、漢 寧 (函數(shù)、海明 (函數(shù)、布萊克曼 (函數(shù)和凱塞 (函數(shù)。 這幾種窗函數(shù)的比較見(jiàn)表 3示。 表 3種常用窗函數(shù)對(duì)比 窗函數(shù)的選擇原則是 : 具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度 ; 窗函數(shù) 旁瓣峰值衰減（ 過(guò)渡帶（ ） 阻帶最小衰減（ 矩形窗 /N 角窗 /N 寧窗 /N 明窗 /N 萊克曼窗 2 /N 塞窗 0 /N - 8 - 旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻帶衰減 ; 主瓣的寬度要窄，以獲得較陡的過(guò)渡帶。 通常上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿(mǎn)足。當(dāng)選用主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到較陡的過(guò)渡帶，但通帶和阻帶的波動(dòng)明顯增加 :當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時(shí)，雖能得到勻滑的幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過(guò)渡帶加寬。因此，實(shí)際選用的窗函數(shù)往往是它們的折衷 。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)犧牲主瓣寬度來(lái)?yè)Q取旁瓣波動(dòng)的減少。 用頻率抽樣法設(shè)計(jì) 波器 所謂頻率抽樣法就是從頻域出發(fā)，根據(jù)頻域的采樣定理，對(duì)給定的理想濾 波器的頻域響應(yīng)進(jìn)行等間隔采樣 45 )()()2( 把 )(k)，通過(guò)下式可求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z)和頻率響應(yīng) )( : 1011)()1)(/1()( )2()()( 10 其中， )( 是一個(gè)內(nèi)插函數(shù)： K=0， 1.(呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 9 - e 1()2s )2s 1)( 由于頻譜的有限個(gè)采樣值恢復(fù)出來(lái)的頻率響應(yīng)實(shí)際上是對(duì)理想頻率響應(yīng)的逼近， 因此，這種方法必然有一定的逼近誤差。若被逼近的頻率響應(yīng)比較平滑，則各采樣點(diǎn)之間的逼近誤差較小 ;反之，則逼近誤差較大。 為了提高逼近的質(zhì)量，可以采用人為的擴(kuò)展過(guò)渡帶的方法，即在頻率相應(yīng)的過(guò)渡帶內(nèi)插入一個(gè)或多個(gè)比較連續(xù)的采樣點(diǎn)，使過(guò)渡帶比較連續(xù)，從而通帶和阻帶之間變化比較緩慢，使得設(shè)計(jì)得到的濾波器對(duì)理想濾波器的逼近誤差較小。 數(shù)字濾波器的 軟件輔助設(shè)計(jì) 矩陣實(shí)驗(yàn)室 (意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專(zhuān)業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。 基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用 解算問(wèn)題要比用 C， 語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。 當(dāng)前流行的 括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包 (工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工 具包用來(lái)擴(kuò)充符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類(lèi)。有許多的優(yōu)點(diǎn)比如 : 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富 ;具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句 (如 環(huán)， 環(huán)， 句和 句 )，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?;程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，等等優(yōu)點(diǎn)。因此在各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 為了向 需 要的匯編語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，需要編寫(xiě)通用的語(yǔ)言?？梢灾苯佑?C 語(yǔ)言，然后調(diào) 用 帶的 C 編譯器將 C 語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成匯編語(yǔ)言，但一般情況下，濾波器對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較 高，而整個(gè)濾波器的程序編寫(xiě)也不是很大，所以采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。濾波器設(shè)計(jì)需要編寫(xiě)的 通用語(yǔ)言。 程序： %清寄存器值 %清屏 N=1024; %數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù) （ ( - 10 - 000; %采樣頻率 1： N)/ %采樣時(shí)間間隔 y=l， 1024); %產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào) ); z=y; z) 00; %截止頻率 *lp/ %函數(shù)的參數(shù) ， %濾波器的零極點(diǎn)表示 ， %濾波器的傳遞函數(shù)表示 bl=8* %將參數(shù)按比例縮小 Al=8*; %為 序做準(zhǔn)備， 不需要 y) ; %濾波 y=y， N); %將原始信號(hào)做 換 y.*y); %做功率譜分析 f=(0:(N/2; i=1:N/2f(i)=f(i)*; l); f， :N/2); y=N); y.*y); f=(0:(N/2; i=1:N/2f(i)=f(i)*; ); f， ;N/2); 呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 11 - 第 4 章 數(shù)字濾波器硬件電路設(shè)計(jì) 于 數(shù)字濾波器總體硬件設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)采用 5000 系列的 用型的芯片， 5000 系列的 有更高的時(shí)鐘頻率、更低的價(jià)格和更加強(qiáng)大的運(yùn)算功能，在數(shù)字濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了 司的一款高性能、低功耗的定點(diǎn) 有較快的運(yùn)算速度：運(yùn)算速度最快可達(dá) 532用了低功耗設(shè)計(jì)方式 :內(nèi)核電壓為 I/O 電壓為 字濾波系統(tǒng)的具體方案框圖見(jiàn)圖 42。 通常的設(shè)計(jì)中會(huì)采用 5V 供電并行的 數(shù)轉(zhuǎn)換 )和 模轉(zhuǎn)換 )芯片與 輸數(shù)據(jù)過(guò)程中會(huì)占用總線的時(shí)間，而且需要采用多片電平轉(zhuǎn)換器件將 5V 電平轉(zhuǎn)換為 邏輯電平。 考慮到 片上包含兩個(gè) 通道緩沖串行口 )接口，可以將這兩個(gè)通道模仿實(shí)現(xiàn) 時(shí)序，因此本設(shè)計(jì)中采用了 口器件， 片采用的源 鐘 4字濾波器系統(tǒng)方案框圖 - 12 - 是 現(xiàn)將需要濾波信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)的實(shí) 時(shí)采樣。 部硬件結(jié)構(gòu) 定點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器。它采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8 條 16 位的總線，其中包括 4 條程序 /數(shù)據(jù)總線和 4 條地址總線 107。 用并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使其能在一條指令周期內(nèi)，高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算?；窘M成如下 : 40 位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 (包括一個(gè) 40 位桶形移位寄存器和 2 個(gè)獨(dú)立的 40 位累加器 ; 17并行乘法器，與 40 位專(zhuān)用加法器相連，用于非流水線式單周期乘法 /累加 (做 C)運(yùn)算 ;比較、選擇和存儲(chǔ)單元 (用于加法 /比較選擇。指數(shù)編碼器，可以在單個(gè)周期內(nèi)計(jì)算 40 位累加器中數(shù)值的指數(shù)。 片上外圍電路包括 :通用 I/O 引腳 ( ，定時(shí)器，時(shí)鐘發(fā)生器，一個(gè)與外部處理器通信的 8 位的 口，兩個(gè)多通道緩沖串行口。器片內(nèi)存儲(chǔ)器的種類(lèi)只要有以下幾種 : 雙訪問(wèn)單訪問(wèn) 般映射在數(shù)據(jù)空間。 般由若干塊構(gòu)成，由于每塊 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以被訪問(wèn) 2 次，中央處理單元和片內(nèi)外設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)可以同時(shí)對(duì)其進(jìn)行一次讀和一次寫(xiě)操作。根據(jù)需要，通過(guò)改變處理器狀態(tài)寄存器的三個(gè)位 C、 靈活地改變存儲(chǔ)器的配置。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間還有一塊特殊的區(qū)域， 00H08H。這塊區(qū)域包含的是存儲(chǔ)器映像寄存器，它包含了 所有的寄存器，可以通過(guò)讀這塊存儲(chǔ)器來(lái)了解各個(gè)寄存器的值，或者通過(guò)寫(xiě)這塊寄存器來(lái)改變寄存器的值。因此編程時(shí)不能隨便向這個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，除非根據(jù)需要來(lái)改變相應(yīng)寄存器的值，否則會(huì)導(dǎo) 致程序運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。 具有高度專(zhuān)業(yè)化的指令系統(tǒng)，包括單指令重復(fù)和塊指令重復(fù)操作，塊存儲(chǔ)器傳輸指令， 32 位長(zhǎng)操作數(shù)指令，同時(shí)讀入 2 或 3 個(gè)操作數(shù)的指令，能并行存儲(chǔ)和并行加載的算術(shù)指令，條件存儲(chǔ)指令和從中斷快速返回。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，復(fù)位電路是系統(tǒng)中必不可少的電路。電源剛加上電時(shí)， 片處于復(fù)位狀態(tài)， /低使芯片復(fù)位。為使芯片初始化正確，一般應(yīng)保證 /低至少持續(xù) 3 個(gè) 期。但是，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要幾百毫 秒的穩(wěn)定期，一般為 100 對(duì)于實(shí)際的 用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)品化的 統(tǒng)，其可靠性是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。由于 統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。 為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，硬件上也必須做相應(yīng)的處理。硬件上最有效的保護(hù)措施就是采用具有監(jiān)視 (能的自動(dòng)復(fù)位電路。自動(dòng)復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)再次復(fù)呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 13 - 位的功能。其基本原理就是通過(guò)電路提供 一個(gè)高低電平發(fā)生變化的信號(hào)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)這個(gè)信號(hào)不發(fā)生變化，自動(dòng)復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常并重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。根據(jù)上述原理，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了 片。該芯片具有上電復(fù)位功能，電壓監(jiān)測(cè)功能和看門(mén)狗功能 9。 圖 4字濾波器系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 - 14 - 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 給 片提供時(shí)鐘一般有兩種方法。一種是利用 片內(nèi)部所提供的晶振電路，在 片的 間連接一晶體可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器，晶體應(yīng)為基本 模式，且為并聯(lián)諧振。 另一種方法是將外部的時(shí)鐘源直接輸入 腳， 空。采用封裝好的晶體震蕩器，這種方法使用方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用，只要在引腳 4 上加電壓，引腳2 接地，就可以在引腳 3 上得到所需的時(shí)鐘。 圖 4鐘電路原理圖 電源設(shè)計(jì) 呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 15 - 為了降低芯片的功耗， 片采用低電壓供電方式，并且采用內(nèi)核電壓和I/0 電壓分開(kāi)的方式。 片電源分為兩種 ，即內(nèi)核電壓 ( I/O 電壓 (其中， I/O 電源一般采用 壓，而內(nèi)核電源電壓為 電流消耗主要取決于器件的激活度， 耗的電流主要取決于 激活度，外設(shè)消耗的電流取決于正在工作的外設(shè)及其速度。一般的，與 設(shè)消耗的電流比較小。時(shí)鐘電路也需要消耗一小部分的電流，而且這部分電流是恒定的，與 外設(shè)的激活度無(wú)關(guān)。 器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流，包括鐘電路和所有外設(shè)。 為外部接口引腳提供電壓，消耗的電流取決 于外部輸出的速度和數(shù)量，以及在這些輸出上的負(fù)載電容。源所消耗的電流 60源所消耗的電流 3此可以得出該系統(tǒng)在全速工作的狀態(tài)下，最大功耗為 25本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了兩片 提供 片的 I/O 電源和內(nèi)核電源。 最大輸出電流可達(dá) 800包含 固定電壓輸出幾種類(lèi)型。由于功耗為 (O I，而系統(tǒng)的輸入電壓為 5V，為將低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，將 輸入直接接到 輸出端，而不是直接接到 5樣系統(tǒng)功耗將降低 51統(tǒng)在工作狀態(tài)下，邏輯電平在不停的快速發(fā)生變化，因此系統(tǒng)的電源也會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，為保證系統(tǒng)的電源完整性，在輸入 5源、 源的輸出處都增加了大容量的儲(chǔ)能電容，在所有芯片的各個(gè)電源管腳處都增加了去禍電容。 由于有兩個(gè)電源，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是加電次序。理想情況下， 片上的兩個(gè)電源同時(shí)加電，但是在一些場(chǎng)合很難做到。如果不能 做到同時(shí)加電，應(yīng)先對(duì) 后對(duì) 電。 不超過(guò) 壓 2V。 口設(shè)計(jì) 1985 年制定的檢測(cè) 片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，1990 年被修改后成為 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即 1990。通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)具有 口的芯片的硬件電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測(cè)。具有 口的芯片，相關(guān) 腳的定義為 :測(cè)試時(shí)鐘輸入 ;測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò) 腳輸入 口 ;測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò) 腳從 口輸出 ;測(cè)試模式選擇， 來(lái)設(shè)置 口處于某種特定的測(cè)試模式 ;測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。 設(shè)計(jì)一個(gè) 統(tǒng)，一般必須考慮系統(tǒng)的軟件硬件調(diào)試，調(diào)試 統(tǒng)一般離不開(kāi)真器。而仿真器通過(guò)仿真接口實(shí)現(xiàn)與 間的數(shù)據(jù)交互。設(shè)計(jì)仿真接口比較簡(jiǎn)單，只要根據(jù) 片所提供的接口類(lèi)型按照相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)即可。下圖為 真接口定義 8。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 16 - 圖 4真接口定義 A/D 轉(zhuǎn)換器件與 接設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì) 在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號(hào)代碼是離散量，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間 (亦即時(shí)間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)上 )對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)取樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的。取樣定理 :在滿(mǎn)足取樣定理的條件下，可以用一個(gè)低通濾波器將信號(hào) 個(gè)低通濾波器的電壓傳輸系數(shù) )(低于 在 前應(yīng)迅速下降為零。因此，取樣定理規(guī) 定了 A/D 轉(zhuǎn)換的頻率下限。因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間?？梢?jiàn)，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的 。量化和編碼 :我們知道，數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也不是連續(xù)的。這就是說(shuō)，任何一個(gè)數(shù)字量的大小，都是以某個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來(lái)表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示。顯然，數(shù)字信號(hào)最 低有效位中的 1 表示的數(shù)量大小，就等于。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱(chēng)為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是 A/D 轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。 單片 A/分辨率 :它說(shuō)明 A/A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制 (或十進(jìn)制 )數(shù)的位數(shù)表示。從理論上講， n 位輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器能區(qū)分 2n 個(gè)不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿(mǎn)量程輸入的 2/1 N 。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，呂梁學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） - 17 - 量化單位愈小，分辨率愈高。例如 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出為 10 位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號(hào)最大值為 3V，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入信號(hào)的最小電壓為 3轉(zhuǎn)換誤差 :表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表1就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的一個(gè)字。 根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的特點(diǎn)，在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了 片，它是一款 8 通道 10 位 電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。由于 10 電壓為 此選擇 壓供給 件可以省略電平轉(zhuǎn)換器件。 325此對(duì)于輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)最高頻率不能超過(guò) 300K。系統(tǒng)的分辨率為 3圖為 功能時(shí)序圖。從功能時(shí)序圖可以看出該器件包含一個(gè) 8 通道輸入多路復(fù)用器，一個(gè)高速的 10 位 個(gè)內(nèi)部的電壓參考源和一個(gè)高速的串行接口。 高速串行接口包 含五根信號(hào)線 :行時(shí)鐘輸入、 行數(shù)據(jù)輸入、 行數(shù)據(jù)輸出、 同步信號(hào)、 選信號(hào)。其中每個(gè)取樣和轉(zhuǎn)換過(guò)程需要 16 個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)鐘，因此只有當(dāng) 16/1(時(shí)，系統(tǒng)才能正常的工作。 口設(shè)計(jì) 有兩個(gè)高速、全雙工、多通道緩沖串行接口 (方便的數(shù)據(jù)流控制可使其與大多數(shù)同步串行外圍設(shè)備接口。 在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)上對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展的，除了具有標(biāo)準(zhǔn) 串口的功能特點(diǎn)外，其靈活性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :雙緩沖區(qū)發(fā)送，三緩沖區(qū)接收，允許連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸 ;可與 兼容設(shè)備直接接口 ;可編程幀同步、數(shù)據(jù)時(shí)鐘極性，支持外部移位時(shí)鐘和內(nèi)部頻率可編程移位時(shí)鐘 ;擁有相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受幀同步脈沖和時(shí)鐘信號(hào) :多通道發(fā)送和接收，最多可達(dá) 128個(gè)通道，速度可為 100s。 口工作于時(shí)鐘停止模式時(shí)與 議兼容。當(dāng)將 置為時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部得到同步，這時(shí) 作為 主設(shè) 備或從設(shè)備。發(fā)送時(shí)鐘信號(hào) 應(yīng)于 議中的串行時(shí)鐘 送幀同步信號(hào)對(duì)應(yīng)于從設(shè)備的使能信號(hào) 這種方式下對(duì)接收時(shí)鐘信號(hào) 接收幀同步信號(hào) 不進(jìn)行連接，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)部與 連接。 硬件平臺(tái)的調(diào)試與結(jié)果 統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試中不但需要數(shù)字信號(hào)處理方面的理論知識(shí)，而且還需要對(duì)各種 片、外圍硬件電路以及 發(fā)工具等都具有豐富的實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)硬件平臺(tái)建立好后，重要工作就是硬件調(diào)試和軟件硬件聯(lián)調(diào) 11。 硬件調(diào)試是檢測(cè)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)是否合理的重要方法，通過(guò)硬件調(diào)試能為后續(xù)軟件調(diào)試和系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)提供保障。由于本系統(tǒng)是一個(gè)基于 系統(tǒng)，在系統(tǒng)的調(diào)試中主要測(cè)試步驟和實(shí)際結(jié)果如下 :首先測(cè)量電路板的電源和地是否有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)象會(huì)對(duì)電路板上的器