基于DSP的IIR数字滤波器的设计(共37页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上题 目 基于DSP的IIR数字滤波器的设计 学生姓名 王喜娟 学号 所在学院 物电学院 专业班级 电信1203班 指导教师 黄朝军老师 完成地点 实验室A-1012 2016年6月7日陕西理工学院本科毕业设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子信息科学与技术(电信1203) 学生姓名 王喜娟 一、毕业设计题目 基于DSP的IIR数字滤波器设计 二、毕业设计工作自 2015 年 11 月 9 日 起至 2016 年 5 月 18 日止三、毕业设计进行地点: 博远楼A1012室 四、毕业设计应完成内容及相关要求： 数字滤波器是指完成信号滤波处理的功能，用有限

2、精度算法实现的离散时间线性非时变系统。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等，这些优势决定了数字滤波器的应用越来越广泛。主要研究内容如下： 1、课题的研究背景、目的及意义； 2、数字滤波器的基本理论； 3、数字滤波器设计方法的对比分析； 4、IIR数字滤波器的性能分析及Matlab仿真； 5、DSP上IIR数字滤波器的实现。 五、毕业设计应收集资料及参考文献： 1、应收集与课题相关文献至少12篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至2016年； 2、除了文献之外，所参考的书目不能超过3篇；

3、 3、所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。 六、毕业设计的进度安排： 1、接受任务书，结合任务书查阅文献资料（包括一定数量的外文资料），给出课题设计总体方案，完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作； （1月15日3月20日） 2、结合研究内容和设计方案，完成内容1和2的工作；（3月20日4月10日） 3、完成课题内容3的工作，并提交中期报告；（4月10日4月20日） 4、完成课题内容4和5的工作，并完成设计报告第一稿；（4月215月10日） 5、结合修改意见，完成设计报告，并在系统中提交终稿，报告字数必须在5000字以上，并按照系上统一要求的格式排版打印；（4月

4、11日5月20日） 6、制作答辩PPT，准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作 （5月21日6月10日） 7、必须定期与指导老师见面，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。 指导教师签名 黄朝军 专业负责人签名 学院领导签名 熊晓军 批准日期 2016-01-11 专心-专注-专业基于DSP的IIR数字滤波器的设计王喜娟（陕西理工学院物电学院电子信息科学与技术专业2012级3班，陕西 汉中 ）指导教师：黄朝军摘要介绍了数字滤波器的基本原理，对比分析了IIR数字滤波器的常用设计方法，借助DSP芯片的强大信号处理能力，结合Matlab程序设计，实现了IIR数字滤波器的设计。以带通滤波器为例用mat

5、lab与DSP两种方法分别实现IIR数字滤波器,设计完成后将Matlab与ccs上的结果进行比对，得出的结论二者的仿真基本一致，并且滤波效果良好。结果证明，利用matlab辅助设计DSP应用程序，可大大缩短开发时间，对滤波器的设计具有一定的指导意义。关键词数字滤波器;IIR;DSPThe design of IIR digital filter based on DSPWang Xijuan （Grade12,Class03,Major Electronic Information Science and Technology,School of Physics and Telecommuni

6、cation Engineering,Shaanxi University of Technology, Hanzhong ,Shaanxi）Tutor: Huang ChaojunAbstract:This paper introduced the basic principle of digital filter, compares and analyzes the common design method of IIR digital filter, with the powerful signal processing ability of DSP chip, combined wit

7、h Matlab programming, the design of IIR digital filter is realized.The IIR digital filter is realized by using MATLAB and DSP in two ways, with the band pass filter as an example,After the design is completed, the results of Matlab and CCS are compared, the results of the two are basically consisten

8、t, and the filtering effect is good.The results show that the use of DSP aided design matlab application, can greatly shorten the development time, the design of the filter has a certain guiding significance.Key word:digital Filter , IIR, DSP目录1 引言滤波是信号处理的基础，滤波运算是信号处理中的基本运算，滤波器的设计也就相应成为数字信号处理的最基本问题之

9、一。滤波器通常被理解为一个信号选择系统，它可以通过某些成分又能衰减或阻止其他成分1。滤波器一般可理解为选频系统，如高通、低通、带阻、带通。滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器是连续时间系统，可分为无源滤波器和有源滤波器；数字滤波器主要由乘法器、加法器、逻辑单元、时钟脉冲发生器和存储延迟单元五部分构成，具有稳定性好，精度高，可以时分复用，不存在阻抗匹配问题的特性。数字滤波器和模拟滤波器的滤波概念基本相同，根据其单位脉冲响应的性质数字滤波器分为有限长单位脉冲响应滤波器和无限长单位脉冲响应滤波器，根据频率响应特性分为高通、低通、带阻、带通等类型，数字滤波器不仅具有模拟滤波器固有的优点，比模拟

10、滤波器的灵活性更强，滤波精度更高，稳定性更好。1.1课题研究目的及意义随着信息时代、数字时代的到来，数字信号处理技术已成为一门非常重要的学科和技术领域。数字信号处理在图像、语音、自动控制、通信、军事、航空航天、雷达、和医疗等多领域获得普遍的应用。而数字滤波在数字信号处理过程中占据着举足轻重的地位 ，数字滤波性能的优劣直接决定数字信号处理能力的强弱。数字滤波器是实现数字信号滤波的线性时不变系统，实质上是一种运算过程，实现对信号运算的处理。无限长单位脉冲响应数字滤波器和有限长单位脉冲数字滤波器是两种最常用的数字滤波器，其中IIR数字滤波器具有运算速度快，占有存储空间少，运算速度快，很高的计算精度，

11、结构简单和比较好的选频特性，比较低的阶数实现等优点2-3。数字滤波器便于集成、稳定性好、精度较高、不存在阻抗匹配问题，可以时分复用，而且数字滤波器对比模拟滤波器在信噪比、灵活性、稳定性、滤波精度方面效果更好。数字滤波器（DF,Digital Filter）现在起着非常重要的作用且得到了普遍的应用。 1.2数字滤波器发展趋势美国与德国的科学家在1917年分别发明出LC滤波器，次年在美国获得首个多路复用系统，无源滤波器技术自50年代起逐渐的走向成熟。60年代起，随着计算机技术的不断发展，集成的流程和材料工业相应得到迅速发展，滤波器技术向着高精度、小尺寸、多功能、低能耗的方向发展，达到了一个新的高度

12、。70年代后数字滤波以多功能、高精度、稳定可靠为主攻方向，数字滤波技术也称为一门非常重要的学科及技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，模拟滤波器一般由电容、电感这些模拟器件搭建来实现，会有电压飘移、温度飘移和噪声等问题，而数字滤波器可以通过软件或数字芯片来实现，因而不存在这些问题可以达到很高的稳定度和精度。随着信息时代和数字时代的到来，单独的软件、硬件已不能满足需求，所以就将软件与硬件相结合发挥各自的优点，而现在应用最成熟的就是数字滤波器，简称DSP。数字滤波器具有许多模拟滤波器没有的优点，如使用灵活、精度高、可靠性强，被广泛的应用在语音、通信、数字电视、图像、许多工程领域及生物医学等哥

13、哥科学技术领域。 1.3主要研究内容首先探讨了数字滤波器的目的及意义，分析了数字滤波的基本原理，简单介绍了数字滤波的几种设计方法。其次基于Matlab程序语言和DSP芯片的强大功能，以带通滤波器为例用两种方法实现了IIR数字滤波器的设计及仿真，并对比分析其幅频、相频特性。具体介绍MATLABDE的性能及滤波器的实现方法，最后给出滤波器的仿真结果；描述了DSP芯片定义、特点和分类，重点介绍TMS320C54芯片。最后给出IIR数字滤波器在DSP芯片中的移植结果，并对比分析matlab仿真结果与DSP中的仿真结果。2数字滤波器的基本原理2.1数字滤波器概念数字滤波器的输入、输出信号都是数字信号，可

14、以滤除数字器件或程序的一些频率成分，也可以以数值运算的方法改变输入信号含有频率成分的比例，其本质是一个线性时不变的离散系统由有限精度算法来实现。数字滤波器是一种信号处理装置，具有一定的传输特性4-5。其工作原理是利用离散系统性质对系统输入的信号进行有效的加工和变换以改版输入序列的信号波形或频谱，使有用的信号成分通过，滤除无用的信号成分输出。数字滤波器与模拟滤波器根据频率响应特性都可以分为带通、带阻、高通与低通四大类；数字滤波器相比模拟滤波器除了其固有的优点外，还具有体积小、无阻抗匹配问题、精度高、重量轻、稳定性高使用灵活等优点，更重要的是它换可以实现模拟滤波器不能实现的特殊功能。数字滤波器是一

15、种电子滤波器，通过对数字信号做滤波处理而获得预期的响应特性的离散时间系统。数字滤波器在数字信号领域工作，其处理对象是模拟信号经过采样系统转换得到的数字信号，它与工作在模拟信号域的模拟滤波器的处理对象不同。数字滤波器可以用系统函数、单位采样系统和微分方程等形式来表示，当研发数字滤波器时，可以直接用一个框图来表示。2.2数字滤波器分类数字滤波器按照不同的分类方法可以分为许多种类，主要可分为现代滤波器和经典滤波器两大类。经典滤波器是将输入信号中占有不同频带的有用信号的频率成分与希望被滤除的频率成分通过一个满足要求的可选频滤波器来滤除干扰，从而达到滤波的目的只获得有用的信号。如果遇到有用的信号与干扰信

16、号的频谱互相重叠，那么经典滤波器就不能有效的滤除干扰信号来最大限度地恢复信号，从而出现了自适应滤波器、维纳滤波器和卡尔曼等现代滤波器。现代滤波器可以最大限度地的恢复信号，其根据随机信号的统计特性在某些最佳的准则下以最大限度来抑制干扰信号，从而得到最好的滤波目的。根据滤波特性经典滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四类6。图1.1 各种滤波器幅频特性根据冲激响应函数的时域性质数字滤波器可以分为有限长冲激响应数字滤波器和无限长冲激响应数字滤波器。无限长数字滤波器的特性是无限持续时间冲激响应。最常用的实现方法是递归型。其差分方程为： （2-1）系统函数为： （2-2）设计IIR数

17、字滤波器实质上就是找到一个使其频率响应H(Z)满足给定的通带截止频率、通带衰减系数、阻带截止频率及阻带衰减系数的可以在物理上实现的系统函数H(Z).2.3数字滤波器设计基本算法2.3.1脉冲响应不变法脉冲响应不变法就是使数字滤波器的脉冲响应序列h(n)等于模拟滤波器脉冲响应的采样值，即 （2-3）式中，T为采样周期。所以数字滤波器系统函数H(z)由下式得出： （2-4） Z-表示对-的内容进行Z变换。若是得到了符合要求的模拟滤波器传递函数 ，则相应的数字滤波器的传递函数 H(z)的计算方法是：模拟滤波器单位脉冲响应： （2-5）上式中，是对Laplace逆变换。模拟滤波器单位冲激响应采样值也称

18、之为数字滤波器冲激响应序列h(n)。对数字滤波器冲激响应h(n)进行Z变换，可得到传递函数H(z).由以上方法得出数字滤波器系统函数H(Z)且利用模拟滤波器系统函数计算的步骤：将模拟滤波器的传递函数H(s)用部分分式的方法展开成： （2-6）在MATLAB中可通过residue函数实现。若调用residue函数形式为R,P,K=residue(a,b)形式，则将下式： （2-7）变换为： （2-8）上式称为极点留数商向量形式。若b,a=resdue(R,P,K)则为上面调用形式的反过程。用数字极点表示模拟极点得到系统传递函数为 （2-9）其中T 为采样间隔。将式（2-9）转换为传递函数形式，可

19、采用R,P,K=residue(a,b)。MATLAB的窗函数库中包括利用冲激响应不变法来设计数字滤波器的函数，其格式为：bz,az=impinvar(b,a,Fs)，式中a,b分别是模拟滤波器的分子与分母多项式系数向量；FS为采样频率，单位HZ，缺省时为1HZ.bz,az分别为数字滤波器分子和分母多项式系数向量。我们用例子说明上面的函数。脉冲响应不变法的原理是将模拟滤波器转换为数字滤波器H(Z),其频率采样周期为T=0.1S。b=3 2;a=2 3 1;T=0.1; bz1,az1=impinvar(b,a,1/T)程序输出为:bz1=0.3000 -0.2807az1=2.0000 -3.

20、7121 1.7214设计数字滤波器时要注意脉冲响应不变法的特点。脉冲响应不变法由得到数字角频率与模拟角频率呈线性关系，其中T表示采样间隔6。若滤波器频率响应是有限带宽，可以通过变换得到数字滤波器频率响应及其接近模拟滤波器频率响应。模拟滤波器频率响应通过周期延拓可以得到数字滤波器频率响应，该方法对带阻和高通滤波器会出现混叠效应并造成频率失真，所以只适用有限带宽滤波器，这方面的问题可以由双线性变换法解决。2.3.2双线性变换法双线性变换法将s平面整个频率轴映射到z域一个频率周期内，所以s平面与z平面的映射呈非线性关系，单值双线性映射关系为： （2-10）式中，T为采样周期。若已知模拟滤波器传递函

21、数，将（2-4）式带入可得到数字滤波器的传递函数： （2-11）在双线性变换中模拟角频率与数字角频率关系如下： （2-12）因此，模拟角频率和数字角频率为非线性关系。MATLAB中的函数bilinear是用双线性变换法实现模拟s域到数字z域的映射，可以直接将模拟滤波器转换为数字滤波器。调试方法为:zd,pd,kd=bilinear(z,p,k,FS)numd,dend=bilinear(num,den,FS)上式的z,p分别是零、极点列向量；k为模拟滤波器增益;FS为采样频率，单位HZ；zd,pd,kd分别为零极点与增益；Mun,Den是传递函数分子、分母多项式的系数向量。模拟滤波器的传递函数

22、形式如下式： （2-13）Numd、Dend是传递函数分子、分母的多项式系数向量。将模拟滤波器用双线性变换法转换为数字滤波器，采样间隔为 T=0.1S 。b=3 2;a=2 3 1;T=0.1;bz1,az=bilinear(b,a,1/T)程序输出：bz1= 0.0720 0.0046 -0.0674az1= 1.0000 -1.8560 0.8606双线性变换法优点是适于高通、带阻等滤波器的设计，其幅值逼近效果好且能解决脉冲响应不变法的频谱混叠现象。它的缺点为频率变换性质会使模拟滤波器与数字滤波器的幅度、频率对应关系发生变化。2.3.3 IIR网络结构IIR网络结构主要分为直接型、级联型与

23、并联型三种。直接型系统传输函数： （2-14）其N阶差分方程： （2-15）网络结构如图2-1所示：级联型IIR的系统函数可由直接性转换得出。若直接型结构的传输函数阶数变化，则系数量化导致的误差会影响滤波器性能，所以要选择其他结构。将上式传输函数的分子、分母行因式分解可表示为： （2-16）上式,分子、分母的实系数二阶因子分别为共轭零点、极点。若把（2-16）中的单根一阶因子当做二阶因子的一种特例，那么可以表示上式为M个实系数二阶。图2.1 直接型网络结构基本级联形式： (2-17)网络结构如图2-2所示：图2.2 级联型网络结构 并联型用部分分式的形式表示传输函数H(z)，相当于用若干个一阶

24、、二阶基本网络与常数的和表示： (2-18)上式可以用二阶基本节的形式表示： (2-19)网络结构如图2-3所示：图2.3 并联型网络结构2.4数字滤波器实现方法数字滤波器的实现方法主要有以下3种：（1）用硬件来实现。单片机当前发展的速度快并且功能很强大，因此依靠单片机硬件环境与信号处理软件用于数字控制、医疗仪器等工程实际。硬件实现的优点是单片性能好，成本低，容易实现；缺点是功能单一；稳定性不好；精确度不高，在要求精确的频率滤除的情况下很可能将有用的信号也给滤掉。（2）在通用的微型机上来实现。一般在计算机软件或数字电路上实现，使用者不仅可以自己编写所需的软件，也可以使用现成的。它的优点是精度高

25、；灵活性好，滤波器性能的改变只需要改变其程序的参数；运行效率高，计算机可以在同一时间处理多路系统；处理功能强；可靠性强，计算机的运行不随周围环境的变化而变化。其缺点是实现结果的速度慢，一般用在教学和科研方面；实现过程复杂，成本高；可嵌入性接口和集成不方便。（3）用专用的信号处理DSP片软硬件结合来实现8。DSP芯片的优点是多总线、运行速度快、有大量满足信号处理的指令并且采用流水线的工作方式与并行结构，等；具有方便构成大的控制系统的外部通信接口（SCI,SPI,CAN）；大规模集成性、较低功耗及处理能力强等。缺点是成本较高、功率消耗较大等。比较上述方法：可以用MATLAB等软件学习数字滤波器基本

26、知识、计算数字滤波器系数和阶数、研究算法可行性和对数字滤波器进行前期仿真。其次，可以用DSP或FPGA来实现硬件电路。一般通用可编程DSP芯片具有更好的实时性与灵活性，所以本次实现数字滤波是采用通用可编程DSP芯片来完成。3 IIR滤波器设计MATLAB实现基于MATLAB设计滤波器可以按照设计的要求来调整设计的参数，从而降低设计的复杂度并且是滤波器的设计最优化。MatlabB普遍的被应用在工程计算领域，其信号处理工具箱提供了几个直接计算IIR数字滤波器的函数，可以直接调用所需的函数来设计期望的滤波器。利用Matlab信号处理工具箱能够方便的设计各种数字滤波器，设计简单方便。3.1 MATLA

27、B性能介绍（1）MATLAB有丰富的工具箱（toolbox）。各个领域的专家学者将众多科学领域中常用的算法编写为一个个子程序，即M文件，这些M文件包含在一个个工具箱中。其工具箱可以分为功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充MATLAB符号计算、图形可视化、建模仿真等功能，学科性工具箱是按学科领域来分类的，如信号处理、控制、通信。系统辨识等工具箱。（2）有强大的图形绘制和可视化功能，可以进行视觉数据处理和分析，进行图形、图像的显示及编辑，能够绘制二维、三维图形，使用户可以制作高质量的图形。（3）程序限制不严格，设计自由度大，可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作

28、系统上运行。（4）有和用其他高级语言(如C,C+,FORTRAN,JAVA)编写的外部程序相接口的能力，也可把MATLAB程序转换成上述高级预压的子程序。有把外部文件及外部硬件设备读入数据的能力。（5）可以在多种操作系统下运行，如DOS、Windows95/98/2000/NT、Compaq Alpha、LinuxSun Solaris等。同时有超过500种的数学、统计、科学及工程方面的函数，使用简单快捷，并且有很强的用户自定义函数的能力。（6）源程序的开放性。开放性也是MATLAB最受人们欢迎的特点之一。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对

29、源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。3.2 利用MATLAB实现滤波器的设计方法方法一：根据给定的滤波器指标及类型，直接调用对应的滤波器函数编写M文件实现。借助于模拟滤波器的设计方法设计出模拟滤波器，利用脉冲响应不变法或双线性变换法转换成指定的数字滤波器类型，然后用硬件或软件实现10。（1） 根据给定的数字滤波器的性能指标，首先对设计性能指标中的频率指标进行转换，转换后的频率指标作为模拟带通滤波器原型设计指标；（2） 调用相应的MATLAB函数设计模拟带通滤波器，估计模拟滤波无最小阶数和边界频率；（3） 由模拟带通原型经频率变换获得相应的过渡模拟滤波器；（4） 采用双线性变换法或脉冲

30、响应不变法将相应类型的模拟滤波器转换成数字滤波器。方法二：利用Matlab中的信号处理工具箱，直接调用FDAtools函数，在弹出的窗口中结合滤波器指标和类型进行设计11-12。MATLAB是一个非常强大的软件，它的运算能力非常强大，MATLAB工具箱中有各种各样的函数和一些工具。FDAtool工具箱可以通过给定的滤波器参数（通带截止频率、通带最大衰减、阻带截止频率、阻带最小衰减及采样频率）来设计数字滤波器，fdatool工具箱如图3.1示：图3.1 fdatool工具箱图3-1中右下角的FS为采样频率，Fpass和Fstop分别是通道上司截止频率和阻带截止频率,Apass和Astop分别是通

31、带最大衰减和阻带最小衰减，令FS=1000hz, Fpass=200Hz,Fstop=400Hz, Apass=1dB,Atop=30dB.左下角选择lowpass和IIR。下面依次生成巴特沃斯滤波器、切比雪夫I型滤波器、切比雪夫II型滤波器以及椭圆滤波器的股频特性曲线，分别如图3.2、3.3、3.4、3.5：图3.2 巴特沃斯滤波器幅频特性曲线图3.3 切比雪夫I型滤波器幅频特性曲线图3.4 切比雪夫II型滤波器幅频特性曲线图3.5 椭圆滤波器幅频特性曲线对比上图可得，图3.2中信号的幅度在输入信号是220Hz时开始衰减，在500Hz时达到最大；图3.3中信号的幅度在输入信号是200Hz时开

32、始衰减，在500Hz时达到最大；图3.4中信号的幅度在输入信号是260Hz时开始衰减，在410Hz时达到最大；图3.5中信号的幅度在输入信号200Hz时开始衰减，在420Hz时达到最大。根据要求：通带截止频率200Hz和阻带截止频率400Hz。综合以上分析，椭圆滤波器最符合要求。3.3 仿真结果3.3.1 切比雪夫I型滤波器巴特沃斯低通滤波器幅频特性随的增加而单调下降，当N较小时，阻带幅频特性下降较慢，要想使其幅频特性接近理想低通滤波器，必须增加滤波器的阶数，这将导致模拟滤波器使用的原件增多，线路更复杂13。切比雪夫滤波器阻带衰减特性则有所改善。切比雪夫I滤波器的幅频特性和相频特性图如图3.5

33、。图3.4 切比雪夫I型滤波器的幅频特性3.3.2切比雪夫II型滤波器特点：误差值在规定的频段上等幅变化 。切比雪夫II型滤波器的幅频特性和相频特性如图3.5。图3.5 切比雪夫II型滤波器的幅频、相频特性3.3.3椭圆滤波器特点：幅值响应在通带和阻带内都是等波纹的，对于给定的阶数和波纹要求，椭圆滤波器能获得较其他滤波器为窄的过渡带宽，就此而言，椭圆滤波器是最优的。椭圆滤波器的幅频特性和相频特性图及如图3.6。图3.6 椭圆滤波器幅频特性和相频特性3.3.4三种滤波器比较调用MATLAB滤波器设计函数得：当阶数相同时，对相同的通带最大衰减和阻带最小衰减，巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性且过

34、渡带最宽；两种类型的切比雪夫滤波器过渡带宽相等，比巴特沃斯滤波器过渡带窄，但比椭圆滤波器过渡带宽；切比雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器比较，切比雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，再不允许通带内有波纹的情况下，巴特沃斯型更适合；从相频响应看，巴特沃斯型优于切比雪夫型，前者相频响应更接近于直线14。四种滤波器各具特点，实际应用根据滤波器阶数和相位特性具体选择。4 IIR滤波器DSP实现DSP数字信号处理(Digital Signal Processing)是一门涉及许多学科又被许多领域广泛应用的新兴学科14。1960年以来，随着计算机与信息技术的发展，数字信号处理技术出现并迅速的发展起来。传感

35、器数字信号处理原理为利用传感器对数字信号或模拟信号采集并将它转换为计算机可识别的电信号，然后用计算机对信号进行处理达到计算机自动控制或计算机辅助控制的目的。 DSP芯片是一种适合数字信号处理运算的微处理器，用来快速、实时地实现各种数字信号处理算法。用DSP 芯片实现IIR 数字滤波器，既具有精确度高、不受环境影响等优点，又因DSP 芯片的可编程性，可更方便修改滤波器参数来改变滤波器特性，设计十分灵活。4.1 DSP芯片定义DSP芯片（数字信号处理器），是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用哈弗结构，具有专门的硬件乘法器，提供特殊的DSP指令，用来快速的实现各种数字信号处理算法。4.2

36、 DSP芯片特点根据数字信号处理的要求，DSP芯片主要特点为：（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2） 程序和数据空间分开，可同时访问指令和数据；（3） 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4） 快速的中断处理及硬件I/O支持；（5） 有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（6） 支持流水线操作，使译码、执行等操作可以重叠执行；DSP芯片的其他通用功能与通用微处理器相比较弱些。4.3 DSP芯片分类（一）按基础特性分根据DSP芯片工作时钟和指令类型分类。若在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片可以正常工作，除计算机速度有变化外，没有性能的下降

37、，称为静态DSP芯片。如TI公司的TMS320C2XX系列芯片、日本OKI电气公司的DSP芯片等。若有两种或两种以上的DSP芯片，其指令集和相应机器代码机管脚结构相互兼容，称为一致性DSP芯片，如美国TI公司的TMS320C5X等。（二）按数据格式分根据DSP芯片工作数据格式分类。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，如TI公司的TMS320C2XX/C5X、TMS320C1X/2X系列等；以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如AD公司ADSP21XX系列、TI公司TMS320C3X/C4X/C8X等。不同浮点DSP芯片采用的浮点格式不完全一样，一些DSP芯片采用自定义浮点格式，一

38、些DSP芯片采用IEEE标准浮点格式。（三）按用途分按DSP用途可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，专用型DSP芯片用于待定的DSP运算，更适合特殊的运算。4.4 TMS320C54芯片功能TMS320C54是继TMS320C1X和TMS320C2X后的第三代定点DSP处理器。其核心中央处理器以TMS320C25的核心CPU为基础提高了整体性能。TMS320C5X工作速度为TMS320C25的2倍以上，对TMS320C1X和TMS320C2X具有源代码向上兼容特性。TMS320C5X系列有TMS320C50/C52/C53/C54等多种产品，它们主要

39、区别是片内RAM、ROM资源的多少。下面以TMS320C54为主介绍DSP芯片。4.4.1 内部结构TMS320C54x DSP采用先进的修正哈弗结构与8总线结构使处理器性能大大提高。其独立的程序和数据总线允许同时访问程序存储器与数据存储器，即可以在一条指令中同时执行3次写操作和1次读操作。还可在数据总线与程序总线之间相互传送数据，使其具有在单个周期内同时执行逻辑运算、算术运算、乘法累加器运算、移位操作及访问程序的强大功能。虽然TMS320C54x系列DSP芯片产品很多，但其体系结构基本相同，各个型号主要是片内存储器和片外设的配置不同。C54x硬件结构分为3大块：CPU包括乘法器、累加器、移位

40、寄存器、算术逻辑运算单元、地址生成器、各种专门用途的寄存器及内部总线。存储器系统包括片内访问数据RAM、片内程序ROM和外接存储器接口、双访问数据RAM。片内外专用硬件电路包括各种类型的串口、片内的定时器、主机接口、片内锁相环时钟发生器及各种控制电路。此外，芯片中包含仿真功能和其IEEE标准接口可用于芯片开发应用时的仿真。4.4.2 总线结构C54x DSP片内包含8条16位的总线，即4条地址总线和4条数据/程序总线。这些总线功能如下：（1）程序总线（PB）。传送程序存储器的指令代码和立即操作数。（2）数据总线（CB、DB和EB）。将内部各单元（如数据地址生成电路、CPU、片外围电路及数据存储

41、器、程序地址生成电路）连接在一起。CB和DB传送数据存储器操作数，EB传送写到存储器的数据。（3）4个地址总线（PAB、CAB、DAB和EAB）传送执行指令所需地址。C54x DSP利用两个辅助寄存器算术运算单元（ARAU0和ARAU1）在每个周期内产生两个数据存储器地址。PB将存放在程序空间的操作数传送到加法器和乘法器以便执行累加/乘法操作或通过数据传送指令传送到数据空间的地址。这种功能与双操作数特性支持在一个周期内执行3操作数指令。C54x DSP有一条双向总线用于寻址片内外设。其通过CPU接口的总线交换器连接DB和EB。利用这个总线写/读需要2个或2个以上周期，具体时间取决外围电路结构。

42、4.4.3 CPU部分先进的多总线结构（1条程序总线、3条程序总线和4条程序总线）。40位算术逻辑运算单元包括1个40位桶形移位寄存器与2个独立的40位累加器。17*17位并行乘法器和40位专用加法器连接用于非流水线式单周期累加/乘法运算。选择、比较、存储单元用于加法比较选择。指数编码器：可在单个周期内计算40位累加器数值的指数。双地址生成器：包含8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元。4.4.4存储器系统具有64K字程序存储空间、192K字可寻址存储空间、64K字数据存储空间及64K字I/O空间，可将C5402、C5410、C5416、C548和C549等程序空间扩展至8M。片内双寻址RAM。将C54x的DARAM分成若干块，每个周期CPU可对同一个DARAM块寻址2次，即CPU在一个机器周期内可对同一个DARAM块写入1次和读写1次。DARAM可以映射到程序空间和数据空间。一般情况DARAM总是映射到数据存储器空间，用于存放数据。片内单寻址RAM。如C548、C5402、C5410和C5416等。