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y 3 2 1 8 7 6 摘要 本文首先介绍了数字信号处理理论中的f i r 滤波器、i i r 滤波器的设计方法，自 适应滤波以及f f t 算法，然后介绍了t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片及其软件开发流程，并详细 论述了如何运用该芯片的评估板通过软件编程实现正弦波发生器和混沌信号发生 器、f i r 滤波器、i i r 滤波器、自适应滤波以及f f t 算法。最后结合实际运用，通过 阐述a r n i c4 2 9 通讯板发送功能的实现，介绍了t m s 3 2 0 f 2 4 0 与h s 3 2 8 2 的硬件 接口设计。 关键词：数字滤波器f f t d s pa r n i c4 2 9 通讯 a b s t r a c t f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ed e s i g n o ff i rf i l t e r sa n di i rf i l t e r s ，t h er e a l i z a t i o no fa d a p t e df i l t e r sa n df f t a l g o r i t h ma r ed e s c r i b e d s e c o n d ，t m s 3 2 0 f 2 4 0a n di t sd e v e l o p m e n ts y s t e m a r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e d u r eo fad i g i t a l s i n e w a v e g e n e r a t o r , a c h a o t i c s i g n a lg e n e r a t o r , f i rf i l t e r s ，i i r f i l t e r s a d a p t e d f i l t e r sa n df f t a l g o r i t h m o nt m s 3 2 0 f 2 4 0e v a l u a t i o nb o a r d a tl a s t ， i nt h ed i s c u s s i o no ft h ea r i n c4 2 9c o m m u n i c a t i o nb o a r d ，t h ei n t e r f a c eo f t m $ 3 2 0 f 2 4 0a n dh s 一3 2 8 2i si n t r o d u c e di nd e t a i l k e y w o r d ：d i g i t a lf i l t e r f f td s pt h ec o m m u n i c a t i o no fa r i n c4 2 9 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字信号处理概述 所谓数字信号处理，就是对信号进行分析、变换、综合识别等的加工处理以达 到提取信息和便于利用的目的，它是二十世纪六十年代发展起来的一门新兴的学科。 进入七十年代以来，随着电子计算机、大规模( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 、 以及微处理技术的迅猛发展，数字信号处理无论在理论上还是在工程应用中，都是 目前发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。 数字信号处理研究的内容主要有以下三个方面： 1 数字滤波：在形形色色的信号中提取所需要的信号，抑制不需要的干扰。例 如如何从被干扰淹没的雷达信号中滤除噪声干扰，提取回波信号，进而确定目标及 其方位。 2 谱估计：对各种信号进行频谱分析，特别是对随机信号进行的谱估计。例 如通过对振动信号的频谱分析，确定主要频率成分，了解振动物体的特性，为设计 及故障诊断提供必要的资料和依据。谱估计的方法可以划分为经典和现代两类。 3 数据压缩：在一定条件下把原始信号所含有的信息数据进行压缩，这种方法 在图象和语音处理中得到广泛的应用。 目前数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、 图象处理、测量与控制、生物医学工程、振动工程等各个领域，而且随着科学技术 的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。 数字信号处理之所以发展得这样快，应用得这么广，是与它的突出优点分不开 的。归纳起来，它有以下四个方面的优点： 1 精度高。模拟系统的精度主要取决于元器件的精度，一般模拟器件的精度达 到1 0 。3 已很不容易。而数字系统的精度主要取决于字长，1 6 位的字长可达1 0 一以上。 2 灵活性大。模拟信号装置一旦参数选定就不易改变，但是数字系统则不然， 它的系数可调，甚至还可以具有可编程和自适应的能力。 3 可靠性高。由于数字系统只有“0 ”、“1 ”两个电平，使其受温度、环境以 及噪声等的影响比模拟系统小。 4 时分复用。利用一套装置同时处理几个通道的信号。 数字信号处理的实现方法可以分成三类： 1 软件实现法。即在通用计算机上按照数字滤波器的数学模型，编制出程序对 信号进行处理。其优点是灵活、方便和可靠，并能做到一机时分复用。缺点是计算 需要时间，一般不能做到实时处理。 2 硬件实现法。即根据数字滤波器的数学模型和算法，设计通用或专用数字信 号处理机。计算程序全部“硬化”，整个数字滤波器都是用硬件设备实现。 d s p 应用技术研究 3 软硬件结合实现法。这种方法是利用微处理器进行数字信号处理。亦即利一 部分硬件，再配以相应的软件，使微处理器的硬件得到充实，软件得到改造，从而 成为可编程的专用信号处理机。 1 2d s p 芯片概述 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是伴随着微电子学、数字信号处理 技术、计算机技术等学科的发展而产生的，是体现这三个学科综合科研成果的新器 件。由于它特殊的结构设计，可以把数字信号处理中的一些理论和算法实时实现， 目前d s p 已应用于雷达、语音、通讯、图象处理、网络和工业控制等领域。 1 9 8 2 年，t i 公司推出首枚d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 标志着d s p 技术发展进入实 用阶段，此后d s p 不断地更新换代，至今已有定点系列、浮点系列，多处理器并行 处理结构系列。目前d s p 的主要厂家有：t i 、a d 、m o t o r o l a 、l u c e n t ，其中 t i 公司的市场分额最大，它的产品已发展到第8 代。d s p 的主要特点表现在以下几 方面： 1 哈佛结构 d s p 内部采用程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作 数，而且还允许在程序空问和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。 2 多总线结构 采用多总线结构可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空 间。 3 流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段，采用流 水线结构，可以使这几个阶段重叠运行。 4 多处理单元 d s p 内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑单元( a l u ) 、辅助运算单元 ( a r a u ) 、累加器( a c c ) 、以及硬件乘法器( m u l ) 等，它们可以在一个指令周 期内同时进行运算，因此d s p 特别适用于f i r 和i i r 滤波器。 5 特殊的d s p 指令 为了更好的满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了一些 特殊的数字信号处理指令。 6 指令周期短 随着集成电路工艺的发展，d s p 的速度已由早期的5 m i p s ( 每秒5 百万条指令) 提高到1 6 0 0 m i p s 。 7 运算精度高 早期的d s p 字长为8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算过 程中的溢出，有的累加器达到4 0 位。此外，一批浮点d s p 如：t m s 3 2 0 c 3 x 、a d s p 2 1 0 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 等则提供了更大的动态范围。 8 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能愈来愈强，片内具有串行口( s p i 、s c i ) 、主机接口( h p i ) 、 软件控制的等待状态发生器、锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合i e e e 1 1 4 9 i 标准的测试访问口( j t a g ) ，更易于完成系统设计。 由上可以看d s p 是一种具有高速运算能力的单片机。普通单片机是事务密集型 的，而d s p 则是运算密集型，因此d s p 可以取代单片机，而单片机却不能取代d s p 。 本文主要研究数字信号处理的软硬件实现法，即利用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯 片，通过配置硬件和软件编程，实现所要求的数字信号处理任务并在f 2 4 0 e v m 板的基础上进行了d s p 接口扩展，实现了a r l n c 4 2 9 通讯功能。 3 d s p 应用技术研究 第二章数字滤波器和f f t 2 1 数字滤波器 数字滤波是信号处理的一个重要技术分支。利用它可以在形形色色的信号中提 取所需要的信号抑止不需要的信号或干扰信号。滤波器还能消除信息在传输过程中 由于信道不理想所引起的失真，因此在电子系统中各种各样的滤波器应用很多。与 模拟滤波器相比，数字滤波器有其无法比拟的优点，如它本身体积小、动态范围大、 工作可靠、受外界温度、环境及老化影响小，能实现很好的频响，并能对信号进行 极其灵活的处理。本章主要介绍了数字滤波器常用的结构一i i r 、f i r 和自适应滤波 器，对它们的特点和设计方法作了比较。 2 1 - l r 滤波器 i i r 滤波器又称无限冲激响应滤波器，可用下列差分方程表示： m y ( n ) = a i x ( n f ) + 岛y 即一f ) ( 2 一1 ) i = o1 = 1 它的传递函数为 f a i z 一 ( z ) = 幽7 一 1 一6 z 1 i = 1 i i r 滤波器具有以下几个特点： ( 1 ) 单位冲激响应h ( n ) 是无限长： ( 2 ) 系统函数h ( z ) 在有限z 平面( o l z t m ) 上有极点存在； ( 3 ) 结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型的。 2 1 2 f i r 滤波器 f i r 滤波器又称有限冲激响应滤波器，可以下列差分方程 j ，( 疗) = 口，x ( n - i ) 来描述，它的传递函数为： ( z ) = h ( n ) z ” 它具有以下特点： ( 1 ) 单位冲激响应h ( n ) 是有限长的，因此f i r 滤波器总是稳定的； ( 2 ) 系统函数h ( z ) 的极点位于z 平面原点处； ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 ) 结构上是非递归型的。 当h f n ) 为实数，而且满足以下任一条件 偶对称h ( n ) f h ( n - 1 n ) 奇对称h ( n ) = - h ( n - l - n ) 其对称中心在n ：丛；处，则滤波器就具有准确的线性相位。 2 。2i i r 滤波器设计 设计i i r 滤波器的问题，可以归结为寻找一组系数慨，b 。) 。从数学观点来看， 上面提出的滤波器设计问题，实质上是一个数学逼近问题。一种i i r 数字滤波器的 设计方法就是首先在s 平面上设计出符合要求的模拟滤波器h ( s ) ，然后利用线性映 射的方法再变换到z 平面，得到满足设计要求的数字滤波器h ( z ) 这种从模拟滤波 器设计i i r 数字滤波器的方法特别适用于设计低通、高通、带通、带阻之类滤波器， 是一种常用的方法。设计滤波器的另一种方法是在z 平面上直接应用最优化程序实 现。这一方法的核心是借助于计算机辅助设计，把数字滤波器h ( z ) 的零点和极点放 在z 平面上最优位置，从而在z 平面上直接近似出最为合适的传递函数h ( z ) ，这种 方法能解决多带或任意幅度的滤波器设计问题。这里主要介绍第一种设计方法，这 种方法又分为两种：脉冲响应不变法和双线性变换法，本文采用双线性变换法来设 计i i r 滤波器，下面先简略介绍一下脉冲响应不变法。 2 2 1 脉冲响应不变法 脉冲响应不变法又称为标准z 变换法，它是从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤 波器的单位脉冲响应序列h ( n ) 模仿模拟滤波器的冲激响应h 。( t ) ，让h ( n ) 正好等于 h 。( t ) 的采样值，即 例勘。m 刀，模拟滤波器的传递函数为 h 即) 2 善去 汜巧) 其拉氏反变换为 吃( ，) = a ，p “( ，) ( 2 6 ) 其中u ( o 是单位阶跃函数，对玩采样就得到数字滤波器的单位脉冲响应序列 ( n ) = 。( n r ) ；a j e 棚“( ，1 ) = a ，( e 耵) ”“( n ) ( 2 。7 ) 再对 俐取z 变换，即得数字滤波器传递函数 邮) 2 荟乏b ( 2 8 ) d s p 应用技术研究 通过式( 2 5 ) 与式( 2 8 ) 的关系进行替代即可以得到数字滤波器传递函数h ( z ) 。 由于s 平面与z 平面的非单值映射，使脉冲响应不变法产生频谱混叠，为了克服这 一缺点，可以采用双线性变换法。 2 2 2 双线性变换法 脉冲响应不变法的主要缺点是频谱的交叠所产生的混叠效应，这是由于从s 平 面到z 平面的标准变换= = ，是多值的对应关系。为了克服这个缺点，可以采用以下 方法：首先将整个s 平面压缩到s 平面的一条横带里( 宽度为2n t ，从t 到n t ) ，其次再通过标准z 变换z = e ”将此横带变换到整个z 平面上去，这样就使s 平 面与z 平面是一一对应的关系，也就消除了频谱混叠现象。 将s 平面整个j q 轴压缩变换到s 。平面j q 。轴上的一n t 到w 一段，可以采用 以下变换关系 q ：t a n ( 掣) ( 2 - 9 ) z 这样q = 。变到n 1 = 鲁，q = o 变到q l = 0 ，可将( 2 9 ) 式改写成 ，竿一，掣 皿= 禹( 2 - l o ) p 丁+ p 一。_ 解析延拓到整个s 平面和s 平面，令j q = 岛j q 。= s ，则得 。：筹x t t x l t 叫- 咿y ，：筹 黔砑硼户卜雨 ( 2 1 1 ) 再将s ，平面通过标准变换关系映射到z 平面，这样就得到s 平面和z 平面的单值映 射关系： 1 一z _ 5 3 百7 ( 2 1 2 ) 这个变换就称为双线性变换，一般来说，为了使模拟滤波器的某一频率与数字滤波 器的任一频率有任一对应关系，可引入待定常数c ，使得( 2 9 ) 式和( 2 1 2 ) 变成 q = c t a l l ( 掣)( 2 - 1 3 ) 1 一z 一1 扣。百7 通常取c = 2 t ，代入上式得 ( 2 一1 4 ) j ：三马( 2 - 1 5 ) 2 l + z 为了得到模拟滤波器频率q 与数字滤波器山之间关系，把z = 和s _ j q 带入上式 得 q ：兰t a i l f 与 ( 2 1 6 ) ，2 式( 2 1 6 ) 反映了双线性变换构成s 平面与z 平面的单值映射，消除了脉冲响应不变 法所存在的频谱混叠问题，但q 与脚的映射关系存在严重非线性。 2 3f i r 滤波器设计 i i r 滤波器的优点是可以利用模拟滤波器的设计有大量的图表可查，方便简单， 但它也有明显的缺点，就是相位的非线性，而f i r 滤波器在这方面有其独特的优点， 它除幅度可以随意设计外，还可以保持严格的线性相位特性。f i r 滤波器的设计方 法有两种：窗函数法、频率取样法。这些方法与模拟滤波器无关，本文主要讨论窗 函数设计法。 f i r 滤波器的设计就在于寻找传递函数h ( e ”) = h ( n ) e 一，“去逼近希望得到的 1 0 滤波器理想特性王l ( 口”) 。理想特性的单位冲激响应h a ( n ) 可由傅立叶变换求得： ( n ) = 芒1fh a ( e 。) e j ”d w ( 2 1 7 ) 这样，设计f i r 滤波器就是要解决h ( n ) 与t h ( n ) 的逼近问题。由式( 2 1 7 ) 知道，h 。( n ) 是一个无限长非因序列，而h ( n ) 是有限长因果序列，因此用h ( n ) 逼近h d ( n ) ，要解决 以下两个问题：无限长l l d ( n ) 序列变成有限长序列h n ( n ) ，把h 。( n ) 变成因果序列 h ( n ) 。解决上述两个问题最有效的方法是采用一个有限长度的窗口序列w ( 以) 来截取 h a ( n ) ，使其成为有限长因果序列 ( ”) = w ( n ) ( 疗) ，相应的h ( n ) 的频响h ( e j 。) 为 日o ”) = 磊1 j l ( e p ) o 舳。) d o ( 2 1 8 ) 由上式可见h ( e 问) 逼近以( p 。) 的好坏完全取决于窗函数的频率特性矽( p ，。) 。因而 窗函数的形状及长度的选择就很关键，通常采用的窗函数有：矩形窗、三角形窗、 海宁窗、哈明窗、布莱克曼窗。 2 4 自适应滤波 前面我们所讨论的信号都是确定性的信号，( x ( n ) ) 中的各个x ( n ) n n - 个确切的 数值，相应的频域表示及各种频率滤波方法，都立足于同样的确定性的基础之上。 而在随机信号处理中，这些理论和方法在原理上和实用上都有很大的局限性，自适 应滤波则是平稳随机信号的一种最佳滤波器。自适应滤波在输入过程的统计特性未 知时，或是输入过程的统计特性变化时能够调整自己的参数，以满足某种最佳准则 的要求。自适应滤波按照其所采用最佳准则不同，可分为最小均方误差( l m s ) 和 最小二乘( r l s ) 自适应滤波器，本节主要讨论前一种滤波器。 2 4 1 最小均方误差滤波器 本节讨论的是横向滤波器，其输入矢量为 x ( n ) = b ( h ) ，x ( h 1 ) ，x ( 以一a 彳+ 1 ) r 加权矢量为 w = 【w l ，w 2 ，w m 】 则相应地滤波器的输出为 y ( n ) = w i x ( i i f + 1 ) = x 7 ( n ) w ，l y ( n ) 相对于参考信号的误差为 e ( 以) = d ( n ) 一y ( n ) = d ( n ) 一w7 x ( 以) 式中d ( n ) 为参考信号。根据最小均方误差准则， 均方误差最小。由式( 2 2 2 ) 得均方误差函数为 舌= e 每2 ( 竹) ) = e k 竹) 一w 7 x ( n ) f ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 最佳的滤波器参量w 。使得e ( n ) f f 日 ( 2 2 3 ) 由= 0可得 ( w w 。【- r “p ，式中r 为x ( n ) 的自相关，p 为d ( n ) 与x ( n ) 的互相关。上述解称为维纳解， 直接根据上式求解正规方程的方法叫做直接矩阵求逆算法，实际应用中由于求解涉 及求相关矩阵和矩阵求逆，因此运算量过大，无法实现。通常采用最陡下降法。 2 4 2 最陡下降法 运用最陡下降法求解w 0 的思路如下：先设置一个w 的初值w ( o ) ，因为负梯 度方向是减少最快的方向，因此可以采用如下的递推公式来调整w 以寻找w 。，。 w ( n + 1 ) = w ( h ) 一z v w 孝( 2 2 4 ) 其中v wf 为f 的梯度，u 为步长因子。对于v 。f 可采用如下的梯度估计 v 。毒= v 。e 名( n ) = 甲。k 2 ( 疗) - - - 2 e ( 一) x ( 玎) ( 2 2 5 ) 童室堕至塾丞丕堂塑圭堂垡堡塞一 将式( 2 2 5 ) 带入式( 2 2 4 ) 得l m s 算法的递推公式 w m + 1 ) = w ( n ) + 2 胪( 疗) x ( 一) ( 2 _ 2 6 ) 由式( 2 - 2 1 ) 、式( 2 - 2 2 ) 、式( 2 2 6 ) 构成了完整的l m s 算法，为了保证算法的收 敛，可以证明步长因子要满足条件：0 f i a 。，这里 。是r 的最大特征值。 2 5 快速傅立叶变换 在信号分析和处理中，傅氏变换是常用的一种分析工具。离散傅立叶变换( d f t ) 是许多数字信号处理的基础，然而计算d f t 所需的运算量是相当大的，即使使用运 算速度很高的计算机，也需要大量的运算时间，严重影响了它的实际使用。1 9 6 5 年 库利( c o o l e y ) 和图基( t u k e y ) 提出了快速傅立叶变换( f f t ) ，极大地改变了这 一局面。将较长序列的d f t 逐次分解成较短序列的d f t ，利用三角函数的周期性和 对称性减少运算量，这是f f t 的基本原理。f f t 的分解方法基本上分成两类：一类 是将时间序列x ( n ) ( n 为时间标号) 进行逐次分解，称为按时间抽取法；另一类是 将傅立叶变换序列x ( k ) ( k 为频率标号) 进行分解，叫做按频率抽取算法。对每一 类算法，按基本的蝶形构成又可分为基2 、基4 、基8 以及任意因子等的f f t 算法， 本文主要讨论基2 f f t 算法。 2 5 。l 按时间抽取f f t 算法( d i t ) 假定序列的样本数n 是2 的整数幂，即n = 2 ，r 是任意正整数，由d f t 定义可 得： 一1 ( | 】 ) = x ( n v “ k = 0 , 1 ，n - 1 h 目o ( 2 2 7 ) 式中w = e “n f n 。显然矿。是一周期函数，其周期为n 。 由d f t 的定义可以看出，在x ( n ) 为复数序列的情况下，完全直接运算n 点d f t 需 要n 2 次复数乘和n ( n 1 ) 次复数加法，因此对于一些相当大的n 值( 如1 0 2 4 点) 来 说，直接计算它的d f t 所需用的计算量是很大的，时析型f f t 的思路是：将原有的 n 点序列逐次奇偶对分，直到各子序列中只含有一个数，求出单项序列的d f t ，由 此再合成两项序列的d f t ，由此再合成四项序列的d f t ，最后由两个n 2 项 序列的d f t 合成原序列的d f t 。这按照上述思想，将原始样本序列x ( n ) 按标号i 1 分 解成偶数项和奇数项两个序列： g ( n ) = x ( 2 n ) h ( n ) = x ( 2 n + 1 )”= 0 , i ，n 2 1 g ( n ) 和h ( n ) 的d f t 分别为： 坐一ln 2 - 1 g ( 七) = g ( 胛) 嘴： 日( 后) = ( n ) 掰： n - o 月t 0 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) d s p 应用技术研究 这时，x ( n ) 的n 点d f t 可写成 n 2 1 n 1 2 - 1 x ( 七) = x ( 2 n ) 嚼“+ x ( 2 n + 1 ) 孵” 月t 0 月萱。 因为哪= ( p 讲“”) 2 = i ，2 ，故( 2 3 2 ) 式可改写成 ( 2 3 0 ) x ( 七) = g ( h ) 吲2 + ( 以) 嘲：蝶 ( 2 - 3 i ) 将式( 2 - 2 9 ) 代入式( 2 - 3 1 ) 得 x ( k ) = g ( 七) + 孵h ( k ) ( 2 3 2 ) 由式( 2 - 2 9 ) 可知，g ( k ) 和h 是以n 2 为周期的函数，而x ( k ) 贝j j 是以n 为周 期的函数，根据孵“”= 一蝶，可将式( 2 - 3 2 ) 改写成 f g ( 七) + 矽；日( 七) 0 k sn 一1 x 肚。 g ( 七一譬) 一嘴“，2 ) h ( k - 了n )盟七 f f 0 0 b 0 块 低地址 b l 块 低地址 高地址高地址 图4 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 存储配置 由图( 4 3 ) 可以看出，为了便于使用指令对r p t 、m a c d ，滤波器的系数和输入序列 x ( 1 3 ) 在b 0 块和b 1 块中的位置应当相反。 实验中运用窗函数法设计了一个数字低通滤波器，所加的窗为h a m m i n g 窗，其 主要性能指标如下： d s p 应用技术研究 滤波器长度n = 1 1 1 ，系数为偶对称 采样频率：f , = i o k h z ，通带为o - l k h z ，过渡带为l k h z 一1 3 k h z 带内波动： o 0 4 3 d b 阻带衰减：一5 1 d b 以下 将滤波器的系数按q 1 5 格式定标得： 0 0 0 do o o f0 0 0 9f f f e f f f 2f f e cf f e ff f f d0 0 0 f0 0 i e 0 0 i f0 0 0 ef f f l f f d 5f f c af f d c0 0 0 60 0 3 80 0 5 5 0 0 4 80 0 1 0f f c 3f f 8 8f f 8 4f f c 50 0 3 2 0 0 9 ao o c o0 0 8 2f f f 2f f 4 ef e e lf f l 5f f c 4o o b 2 0 1 6 a0 1 7 co o b ff f 7 8 f e 3 df d b ff e 6 80 0 1 60 2 1 50 3 5 d0 3 0 eo o e df d a af a b 9f 9 d bf c 5 f 0 2 8 0 0 6 2 81 4 2 6l a e c1 d t ol a e c1 4 2 6 o b 2 80 2 8 0f c s ff 9 d bl a b 9f d a ao o e d 0 3 0 e0 3 5 d0 2 1 50 0 1 6r e 6 8f d b ff e 3 df f 7 8o o b f0 1 7 c0 1 6 ao o b 2f f c 4 f f l 5f e e lf f 4 ef f f 20 0 8 2o o c o0 0 9 a0 0 3 2f f c 5f f 8 4f f 8 8f f c 30 0 1 0 0 0 4 80 0 5 50 0 3 80 0 0 6f f d cf f c a f f d 5f f f l0 0 0 e0 0 l f0 0 l e0 0 0 ff f f d f f e ff f e cf f f 2f f f e0 0 0 90 0 0 f0 0 0 d 输入信号由两个正弦信号叠加而成： x ( r 1 ) = 0 7 * s i n ( 2 * 6 0 0 * 0 0 0 0 1 * n ) + 0 3 * s i n ( 2 1 2 0 0 0 0 0 0 1 * n ) 波形如图4 4 ( a ) 所示，经f i r 低通滤波后，输出波形如图4 4 ( b ) ，比较上述两图可 以看出，输入信号经过低通滤波后去除了高频部分。 图4 4 ( a ) 输入信号波形图4 4 ( b ) 输出信号波形 运用f 2 4 0 评估板实现上述滤波器时，数据的运算时间约为6 1 ts ，当a d 的采 样速率达最高( 1 0 0 k h z ) 时，仍可保证对数据的实时处理，相应的该低通滤波器通 带为o - l o k h z ，过渡带为l o k h z 一1 3 k h z 。若需要获得更高的通带范围，在保证数据运 算时间的前提下，可通过外接高速a d 获得。 4 2 2 i i r 滤波器的实现 i i r 滤波器同f i r 滤波器相比，可以用较少的阶数获得很高的选择特性，它占 用的存储单元少，运算次数少，具有经济、高效的特点，但是在有限精度的运算中， 可能出现不稳定现象。而且选择性越好，相位的非线性越严重，不象f i r 滤波器可 以得到严格的线性相位。因此，在相位要求不敏感的场合，如语音通信等，选用i i r 滤波器较为合适，而对图像信号处理、数据传输等以波形携带信息的系统，对线性 相位要求较高，在条件许可的情况下，采用f i r 滤波器较好。 i i r 滤波器的差分方程为： 童塞塾窒塾丞盔堂堡主笙奎 一 一 砌) = e 差b 瓜川) + 挚_ y ( 川) 。7 由上式可见，y ( n ) 由两部分构成：第一部分芝也z 一f ) 是一个对x ( n ) 的m 节延时链 l o o 接结构，每节延时抽头后加权相加，也即是一个横向结构网络。第二部分也是一个 n 节延时链的横向结构网络，不过它是对y ( n ) 延时，因此是个反馈网络。通常i i r 滤波器按其结构形式可分为：直接i 型、直接i i 型、级联型、并联型四种本文采 用了直接i i 型。 直接i i 型同直接i 型相比，所使用的延时器最少，因而在实践中得到广泛的应 用，由于高阶i i r 滤波器总可以化成多个二阶基本节( 或称二阶节) 相级联或并联 形式，下面以二阶节为例说明如何用d s p 实现它。二阶节的传递函数如下： ( z ) ：譬尝等 ( 4 _ 8 ) 其系统结构图如下 ，；一 r 7 札 。 1 一 r ， 趣 j 图4 - 5 直接i i 型二阶节i i r 滤波器 由上图可以写出反馈通道和前向通道的差分方程： 反馈通道：w ( n ) = x ( n ) 一b l w ( n 1 ) 一b 2 w ( n 一2 ) ( 4 - 9 ) 前向通道：y ( n ) = a 0 w ( n ) 十a 】w ( n 一1 ) + a 2 w ( n 一2 ) ( 4 - 1 0 ) 比较式( 4 - 1 0 ) 和式( 4 - 6 ) 可以发现，二阶节的前向通道相当于输入为w ( n ) 的f i r 滤波器，因此可以采用前文所介绍的f i r 滤波器的方法来实现。对于反馈通道，则 可以利用c e x x 的l t d 指令，它可以将数据装载t 寄存器，而后实现数据存储单元的 移动。为了减少程序的执行时间和提高数据运算的精度，程序中采取了以下措施： 同f i r 滤波器一样，将滤波器的输入序列和滤波系数放置于片内双存取r a m ：b o 块和b 1 块，以减少存储器的访问时间。 在设计f i r 滤波器时，可能会出现一个或多个以上系数大于等于l 。在这种情况 下，当然可以采用大数定标法，即用大数去除所有的系数但是还不如将大于等于 1 的系数分解成两个小于l 的系数，例如b 。= 1 5 ，则x ( n ) b o = x ( n ) o 7 + x ( n ) $ o 8 。 这样，将使所有的系数保持精度，而仅仅多开销一个机器周期。 由以上讨论可以看出，i i r 滤波器所涉及的算术运算是常数乘及累加，因此算 术溢出是用定点d s p 实现i i r 滤波器最主要的问题。从减小量化噪声的角度来说， 输入变量和滤波器系数的值应该在其动态范围内尽可能地大，但由此可能引起的溢 d s p 应用技术研究 出又必需加以考虑。 比起其他直接综合法的结构来，用二阶节级联所构成的i i r 滤波器受量化噪声 的影响较小，故广泛应用于i i r 滤波器的定点实现中。由式( 4 8 ) 可以得n - - 阶节 的变换型结构图，如图4 6 。此结构同直接i i 型相比，延时器的数目和乘法的次数 相同，但只需要作三次加法，因此它的内部节点溢出的可能性要小。采用此结构实 7 v 1r d - ( 鼬“且z ( 。：y ( n ) l f 鉴 - b 2 。 图4 6 变换型二阶节i i r 滤波器 现时，溢出可能在三个和节点上发生，从而需要对输入x ( n ) 和系数a 。进行定标，且 定标时不能改变系统传递函数，由式( 4 - 8 ) 得y ( n ) ，并用s 定标得： 上尘塑：笠三尘堕+ 曼苎! ! 二1 2 - t 。a , x ( n - 2 ) 一! ! 兰! ! 二1 2 一b , y ( n - 2 ) ( 4 一1 1 ) s j i s 2s ls 1s is 2 ss 式中：定标因子s 在输入信号x ( n ) 和系数a k 之间进行分配，即s = s l s 。 为了确定s ，通常可以采用以下三种方法： 一l 用l ( 酬估计，其中h ( n ) 是单位冲激响应，此式是响应的上界，用它来定 n = 0 标保证不会溢出，这是三种方法中最保守的估计。 广n 一1 ， l 2 用f & ) f 估计，这是一种比较圆满的估计方法。 l h = oj 用m a x jh ( j _ 妇i 估计，其中h ( j z 3 是单位冲激响应的傅立叶变换，这种方法只 能保证在稳态时不溢出，而暂态时仍然可能溢出。 为了使得中间溢出不影响最终答案的正确性，运算中不应采用d s p 的溢出饱和 方式。 实验中运用双线性变换法设计了个六阶f i r 低通滤波器，所采用的模拟低通 滤波器为b u t t e r w o r t h ，其参数如下： 采样频率：f 。= i k h z ，通带为o - l o o h z ，过渡带为i o o h z 一1 5 0 h z 带内波动： - 3 步长u = 0 3 0 5 1 7 5 ，经过i 0 0 0 次 学习后，相应地输出波形如图4 9 ( c ) 。为了便于显示，从误差信号中等间隔抽取1 5 0 点，画出了相应的误差曲线，如图4 9 ( d ) ，利用f 2 4 0 评估板实现时，相应的学习 时间约为7 * n * 1 0 0 0 个机器周期，即7 0 m s 。 图4 9 ( a ) 输入信号波形 图4 9 ( b ) 参考信号波形 南京航空航天大学硕士论文 1 05 0 0 5 1 5 01 0 01 5 0 图4 9 ( c ) 输出信号波形图4 9 ( d ) 误差信号曲线 4 2 4 f f t 的实现 本实验中f f t 采用了基2d i t 算法，对于n 点序列的变换，c 2 x x 需要2 n 个存 储单元，分别用来存储实部和虚部。本文实现了6 4 点序列的f f t ，输入数据按实部、 虚部顺序存放，正弦、余弦的系数采用q 1 5 定标，定位于程序区，按此方法可实现 1 0 2 4 或更多点f f r 。由第二章的讨论可以看出，f f t 主要涉及加减、乘法运算和整 序，利用c 2 x x 的位倒序操作的间接寻址方式可以有效的实现f f t 的整序，以下给出 了6 4 点f f t 的整序程序： l a ra r l ，# 2 0 0 h l a r a r o ， # 6 4 m a r a r l ， r p t# 6 3 i n * b r o + ，2 由于t m s 3 2 0 c 2 x x 是定点d s p ，在完成f f t 运算时归一化是一个很重要的问题， 不仅在输入级数据可能溢出，每级中间结果也可能有溢出，因此要保证经过一次 蝶式运算后的结果要小于1 。本文采用了一种简单的方法：每级运算中将数据除2 ， 则最后结果是1 2 。，m 为f f f 蝶式运算的级数。以6 4 点为例，运算结果为实际值的 1 6 4 。 实验中对方波进行了6 4 复数点f f t 变换，输入波形和相应的频谱谱曲线如下： 1 08 06 d4 口2 0 2 04 0 6 0 图4 1 0 ( a ) 输入信号波形 上述实验结果同m a t l a b 的仿真结果相同 为0 4 4 m s 。 4 3a r i n c4 2 9 通讯板的实现 2 04 d6 d 图4 1 0 ( b ) 输入信号的频谱 运用f 2 4 0 实现上述变换时，所需时间约 d s p 应用技术研究 在现代民用飞机上，系统与系统之间，系统与部件之间需要传输大量信息，随 着数字技术的发展和微型电子计算机的出现，越来越多的航空电子设备已采用数字 化技术。采用数字传输既减轻了飞机和设各的重量，又降低了成本，并提高了信息 传输的速度。 为了使航空电子设备的技术指标、电气性能、外形和接插件等规范统一，由美 国各航空电子设备制造商、定期航班的航空公司、飞机制造商以及其他一些国家的 航空公司联合成立了一个航空无线电公司( 简称a r i n c ) 。这个公司制定了一系列统 一的工业标准和规范，简称为a r i n c 规范。a r i n c4 2 9 数字信息传输规范( d i t s ) 3 3 为在航空电子设备之间传输数字数据信息制定了航空运输工业标准，本文利用 t m s 3 2 0 f 2 4 0 评估板和h a r r i s 公司的h s 一3 2 8 2 芯片实现了高速a r i n c4 2 9 通讯板的 发送功能。 4 3 1a r i n c4 2 9 数字信息传输规范 一数据的传输 数据信息传输规范阐述了通过一对双绞屏蔽线( 数字数据总线) 从一个端口向 其他系统或设备以串行方式传输数字数据信息的方法，a r i n c4 2 9 系统规定，在一 对传输线上，不允许双向传输数据信息。 系统所传输的数据或者是采用二进制表示法( b n r ) 编码的，或者是采用二一十 进制( b c d 一二进制编码的十进制) 表示法编码，而且字母和数字是根据i s o 一5 字 母编码发送的。这种由源系统提供的数据具有很高的速率，所以能保证数据的更新 值的微小变化。传输是按“开环”( 数据单向流动) 方式进行，奇偶校验位( 第3 2 位) 作为每个数字字的一部分来发送，以便数据接受端进行简单的勘误和数据合理 性检验，这样可防止显示错误的或可疑的数字字。 数据传输是以电脉冲形式发送的，1 个电脉冲就是1 位。1 个数据字( 3 2 位) 被分为5 段：即： 标志码( 1 a b e l ) ，第l 8 位，用于标识传输的参数。 源目的识别码( s d i ) ，第9 1 0 位。当需要将一些专用字传输到一个多系统的特 定系统时，就可以用s d i 来识别字的目的地。s d i 也可以根据字内容来判明一个多 系统的源系统。 数据区( d a t a ) ，第1 1 2 9 位。将数据进行编码，以便于传输。 符号状态位( s s m ) ，第2 9 3 1 位，用于标识数据字的特性，如方向、符号等，s s m 也可表明数据发生器硬件的状态，是无效数据还是试验数据。 奇偶校验位( p a r i t y ) ，第3 2 位。a r i n c4 2 9 数字信息系统奇偶校验位逻辑提供 的是奇校验。 1 个数据字传输1 个参数( 如速度、温度等) 。两个数据字之间有4 位间隔，该间隔 也作为字同步用，跟在这间隔时间后面的发送的第一位，表示一个新的数据字的 南京航空航天大学硕士论文 开始。 二双极回零和数据传送 a r i n c4 2 9 的发送速度有1 0 0 千位秒和1 2 1 4 5 千位秒两种，在同一总线不 得将两种总线混用。3 2 位的数据字以脉冲形式发送，采用了双极回零调制，发送出 去的脉冲有三个电平，即高电平( + l o v ) 、中电平( o v ) 、低电平( 一l o v ) 。高电平为 逻辑i ，低电平为逻辑0 ，中电平为发送自身时钟脉冲，如图( 4 - 1 1 ) 所示。字与字 之间以一定间隔( 4 位) 分开，此间隔作为字同步。 a r i n c 4 2 9 属于串行多路数字数据传输，这种传输的特性主要有三个：一是数据， 二是时钟，三是字同步。 1 数据 数据是传输的实际信息，每一位前一半为高电平( + l o v ) 时，表示该位逻辑值为 1 ，为低电平( 一l o v ) 时，表示该位逻辑值为0 。 2 时钟 时钟的功能是建立一个触发接收器工作的时间基准。定时是由每一位开始的脉 冲和每一位中间的脉冲的跃变来完成的。每个周期的前一半包含数据，在每位的 后一半周期，电位回到o v ( 即中间值) ，以维持自身的同步。 3 字同步 所谓字同步就是按时建立一个固定点，以便识别传输过程的开始和结束。字与 字之间有4 位间隔，这4 位都是中间值，数据字以这个间隔来同步，跟在这一间隔 后面发送的第一位就表示新的数据字的开始。 高( + i o v ) ii_ _ 一 _ - _ _ _ _ _ _ 一 ii11i i il 3 13 2l34561 0 1 101010 i 图4 1 l 双极回零调制法 4 3 2h s 一3 2 8 2 介绍 h s 一3 2 8 2 是美国h a r r i s 公司推出的高性能数据通信芯片，它支持a r i n c4 2 9 通 讯规范和其他串行数据传输协议，外接驱动芯片h s 一3 1 8 2 ，便可以产生a r i n c4 2 9 电平，其引脚功能定义见附录l 。 该芯片具有以下特点：数据字的长度为2 5 位或3 2 位，其中3 2 位字符合a r i n c 4 2 9 规范，数据传输速率为o l o o k b p s ；具有2 个独立的接受部件和1 个发送部 件，可同时进行接收和发送，且接收部件和发送部件相互独立：两个接受部件相 互独立，它们的工作速度l o 倍于接受数据的速率，可直接同a r i n c 总线相连；能 d s p 应用技术研究 自动实现发送数据的并串转换和产生奇偶校验位；能自动实现接受的数据串并 转换和奇偶校验；能自动产生字与字之间的4 位间隔；具有和外部c p u 联系的 接口，可通过命令字设置芯片的各种工作方式，其控制字如见表4 4 ：单电源+ 5 v ， d c 供电，采用c m o