DSP实验六 FIR 数字滤波器的实验报告.doc

实验六 FIR 数字滤波器6.1 实验目的数字滤波的作用是滤除信号中某一部分频率分量。信号经过滤波处理，就相当于信号频谱与滤波器的频率响应相乘的结果。从时域来看，就是输入信号与滤波器的冲激响应作卷积和。数字滤波器在各种领域由广泛的应用，例如数字音响、音乐和语音合成、躁声消除、数据压缩、频率合成、谐波消除、过载检测、相关检测等。本实验主要学习数字滤波器的DSP 实现原理和C54X 编程技巧，并通过CCS 的图形显示工具观察输入/输出信号波形以及频谱的变化。该实验应该安排在串口和定时器操作实验之后进行。6.2 实验要求该实验涉及到 DSP 的串口、中断响应等复杂操作，应该在完成前面的串口和定时器实验后完成。本实验重点研究FIR 滤波器的DSP 实验方法，没有讨论FIR 滤波器的设计原理和方法。你可以使用数字滤波器辅助设计软件包或自行计算FIR 滤波器的系数。本实验例子利用DES320PPU 评估板的模拟信号输出通道产生一个1KHz 的方波,然后利用信号输入通道对产生的方波进行低通滤波,得到一个1KHz 的正弦信号，并使用CCS 的图形显示工具显示输入和输出的波形。这里我们使用的是一个38 阶的对称结构的FIR 低通滤波器，其采样频率Fs 为25KHZ，通带截止频率 1.2KHZ，阻带截止频率为2.8KHZ，阻带衰减为-40dB。6.3 实验原理1) FIR 滤波器的实现如果 FIR 滤波器的冲激响应为h(0)，h(1)，.，h(N-1)。X(n)表示滤波器在n 时刻的输入，则n 时刻的输出为：y(n) = h(0)x(n) + h(1)x(n-1）+ . + h(N-1)xn-(N-1)DES320PP-U 数字信号处理仿真/教学实验系统使用与实验指导 73使用MAC 或FIRS 指令可以方便地实现上面的计算。图 6-1 说明了使用循环寻址实现FIR 滤波器的方法。为了能正确使用循环寻址，必须先初始化BK，块长为N。同时，数据缓冲区和冲激响应（FIR 滤波器的系数）的开始地址必须是大于N 的2 的最小幂的倍数。例如，N=11，大于N 的最小2 的幂为16，那么数据缓冲区的第一个地址应是16 的倍数，因此循环缓冲区起始地址的最低4 位必须是0。图6-1 FIR 滤波器存储器里的数据存储方式在图6-1 中，滤波系数指针初始化时指向h(N-1)，经过一次FIR 滤波计算后，在循环寻址的作用下，仍然指向h(N-1)。而数据缓冲区指针指向的是需要更新的数据，如x(n)。在写入新数据并完成FIR 运算后，该指针指向x(n-(N-1)。所以,使用循环寻址可以方便地完成滤波窗口数据的自动更新.使用带 MAC 指令的循环寻址模式实现FIR 滤波器，程序片段如下：(输入数据在AL 中,滤波结果在AH 中)STM #1,AR0 ；AR0=1STM #N,BK ；BK=N,循环寻址BUFFER 大小为NSTL A,*FIR_DATA_P+% ；更新滤波窗口中的采样数据RPTZ A,#(N-1) ；重复MAC 指令N 次,先将A 清零MAC *FIR_DATA_P+0%,*FIR_COFF_P+0%,A ；完成滤波计算。注意FIR 滤波系数存放在；数据存储区另一种方法是利用 C54x 系列芯片的提供的FIRS 指令来实现FIR 滤波器。图6-2为一种有限单位冲激响应呈现对中心点对称的FIR 滤波器。长度为N 的线性相位FIR滤波器的输出表达式为：= + / 2 10( ) ( ) ( ) ( ( 1 )Nky n h k x n k x n N k图6-2 N 阶均衡FIR 滤波器框图要利用FIRS 指令,需要将输入数据缓冲分成两个,循环缓冲区大小寄存器的值设为N/2。图6-3 显示了输入序列在两个循环缓冲器里的存储情况。设辅助寄存器AR2 指到缓冲区1（Buffer1）的顶部，AR3 指到缓冲区2（Buffer2）的底部。每次进行滤波之前,应先将缓冲区1 顶部的数据移到缓冲区2 的底部,新来的一个样本存储到缓冲区1 中时,并对缓冲区1 指针AR2 加1(使用循环寻址)。处理器然后使用FIRS 指令进行乘加运算，即h(0)x(0)+x(-N+1)。当然,在使用FIRS 指令前,需要预先计算一次求和,以初始化A 。在RPTZ 重复指令和循环寻址的配合下,完成FIR 滤波.滤波完成后，需要对两个数据缓冲的指针进行修正，以便对下一个点进行处理。将Buffer1 的指针减1 和Buffer2 的指针减2，使他们指向各自缓冲的数据队列的最后。图6-3 16 点FIRS 滤波数据存放使用带FIRS 指令的循环寻址模式实现FIR 滤波器，程序片段如下：(输入数据在AL 中,滤波结果在B 中)STM #1,AR0 ； AR0=1STM #（N/2）,BK ； BK=N/2,循环寻址BUFFER 大小为NMVDD *ar2, *ar3 ； 更新 Buffer2STL A, *ar2+% ； 更新滤波窗口中的采样数据ADD *ar2+0% , *ar3+0% ； 初始化ARPTZ B, #(N/2-1) ； 重复FIRS 指令N/2 次,先将B 清零DES320PP-U 数字信号处理仿真/教学实验系统使用与实验指导 76FIRS *ar2+0%, *ar3+0%,filter_coff+N/2 ；完成滤波计算。注意FIR 滤波系数存放在程序；存贮区，filter_coff 为系数起始地址MAR *ar2-% ； 修改Buffer1 指针MAR *+ar3(-2)% ； 修改Buffer2 指针2) AC01 的初始化DSE320PP-U 使用AC01 作为模拟信号接口。AC01 提供一个14bit 的D/A 和一个14bit的A/D 通道。AC01 与VC5402 通过串口0 连接。DSP 通过串口可以控制AC01 的采样频率、增益、低通/高通滤波器的截止频率等参数。这一步是通过读写AC01 的寄存器来实现的。下面是初始化AC01 的代码，有关AC01 的详细介绍请参考AC01 的技术手册。；-； The following codes are initalized AC01, ALL AC01 setup same !；-idle 1 ；初始化AC01 时仅仅打开串口0 的发送中断，而且中断服务idle 1 ；程序中简单地将A 寄存器的值写入到串口0 发送寄存器。idle 1 ；开始初始化时，将A 寄存器设置为0 ！idle 1ld #600h,aidle 1 ；wait for int .ld #3,aidle 1 ；send #3，AC01 的1 号寄存器为采样率控制寄存器ld #00105h,a ；fs=10M/2/A/B= 25k，采样率设置为25KHz；flp=10M/2/40/A= 25k (all pass)；fhp=fs/200= 125Hz (not use !)；A=05,B=40(0x28)idle 1 ；send 1th regs - 05hld #3,aidle 1 ；send #3ld #00228h,aidle 1 ；send 2th regs - 28hld #3,aidle 1 ；send #3ld #00300h,aidle 1 ；send 3th regs - 00hld #3,aidle 1 ；send #3ld #00405h,aidle 1 ；send 4th regs - 05h (AD & DA 0 dB)ld #3,aidle 1 ；send #3ld #00505h,aidle 1 ；send 5th regs - 05h (highpass filter disable)ld #3,aidle 1 ；send #3ld #00600h,aidle 1 ；send 6th regs - 00hld #3,aidle 1 ；send #3ld #00700h,aidle 1 ；send 7th regs - 0ld #3,aidle 1 ；send #3ld #800h,aidle 1 ；send 8th regs - 0ld #0h,a；-； 初始化 AC01 完成！利用 AC01 的D/A 通道产生一个1KHz 的方波，作为FIR 滤波器的输入信号。由于串口发送中断将每0.04ms（25KHz）产生一次，所以我们将一个周期的方波信号分25次送出，这样经D/A 变化后便可得到1KHz 的方波。产生方波的数据参见如下：；*； The following data is used by make wave ! when using, must copy to wave buffer；*wave_data： ；freq about 1k Hz.word 03ffch ；+2 volt.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 03ffch.word 0c000h ；-2 volt.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h.word 0c000h4) 串口的初始化和串口中断服务程序本实验通过 DSP 的串口0 输入/输出数据。在串口通讯中，数据时钟和帧同步信号都由AC01 产生，所以VC5402 将使用外部时钟和帧同步信号。串口设置代码如下，详细介绍请参见串口操作实验：；*； The following codes are used to initalize McBSP0 !；*stm #0,spsa0 ；choose SPCR10stm #2000h,spcr10 ； receive sign_extend in DRRstm #1,spsa0 ； choose SPCR20stm #0c0h,spcr20 ； fs - int !stm #2,spsa0 ； choose RCR10stm #40h,39hstm #3,spsa0 ； choose RCR20stm #0,39hstm #4,spsa0 ；choose XCR10stm #40h,xcr10stm #5,spsa0 ； choose XCR20stm #0,39hstm #0eh,spsa0 ； choose PCR0stm #0dh,pcr0 ； fs is low active, rise edge of clkx, falling edge； of clkrstm #7h,spsa0stm #8000h,39hrpt #0ffffhnopstm #00h,dxr10ldm 22h,astm #1,38hstm #0c1h,39h ； start McBSP0 send !完成串口设置后，还需要修改中断向量表以便正确响应串口0 的接收和发送中断请求。本实验中使用发送中断产生方波信号和完成对AC01 的初始化；使用接收中断存贮输入的数据，并设置新数据到达标志。主循环在检测到该标志后，调用FIR 滤波程序，完成对输入数据的处理。另外，为了方便观察，我们还使用了一个定时器，交替使XF为高和低。所以，在滤波程序正常运行时，你会看到D2 在不停地闪烁。6.4 实验内容本实验需要使用C54X 汇编语言实现FIR 滤波器，并通过CCS 的图形显示工具观察输入/输出信号波形以及频谱的变化。实验分以下几步完成：1) 短接 JP12，使得DES320PP-U 的模拟信号输出通道与模拟信号输入通道相连。2) 启动 CCS，在Project 选项中打开fir5402.pjt 文件。3) 使用 Build 选项完成编译、连接，然后使用File 菜单中的Load Program 将OUT 文件装入。按F5 键启动程序运行，若有示波器，可以观察DSE320PP-U 板上的JP12的引脚输出的1KHz 的方波。DES320PP-U 数字信号处理仿真/教学实验系统使用与实验指导 81图 6-4 图形显示窗口4) 请使用 Debug - Halt 暂停程序的执行。在Project 管理栏中打开fir5402.asm 文件，并在ccs_show（在fir 子程序中）行后的nop 语句处上增加一个断点。添加断点的方法是先用鼠标单击某行，将光标移动到需要增加断点的行上，然后选择工具栏的手状图标。当该行被设置了一个断点后，可以看到红色的圆点。5) 选择 View - Graph - Time/Frequency 菜单打开一个图形显示窗口，参见图6-4。将“Start Address”项改为地址0x1800，将“Display Data Size”项设置为128，将“DSPData Type”改为“16-bit signed integer”。这样，将在图形显示窗口中显示从0x1800（信号输入缓冲）开始的128 个点的16 位有符号整数。再打开一个图形窗口，显示从地址0x1020（滤波信号输出缓冲）开始的128 点的16 位有符号整数。6) 选择 Debug - Animate 项运行程序。Animate 运行和Run 运行基本一致，只是使用Run 运行时，若遇到断点，将停下来，直到用户再次使用Run 命令才恢复运行。而使用Animate 运行时，若遇到断点，CCS 刷新所有的显示窗口，如寄存器、CPU、MEM、图形显示等，然后自动恢复运行。所以，你能看到连续更新的滤波输出。6.5 思考题1) 请说明下面的辅助寄存器的操作意义：*ar0(#0100), *ar3+%, *ar3+0%, *ar2-%, *+ar3(-2)%答：8个辅助寄存器（AR0-AR7），由一个辅助寄存器指针（ARP 3-bit）来指定一个辅助寄存器算术单元（ARAU）作16-bit无符号数运算，决定一