Matlab輔助DSP設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器

l 引 言

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器由于其精度高、穩(wěn)定性好、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。數(shù)字濾波器根據(jù)沖擊響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可以分為FIR(有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)濾波器)和IIR(無(wú)限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)濾波器)。FIR濾波器與IIR濾波器相比，具有嚴(yán)格的線性相位，幅度特性可任意等優(yōu)點(diǎn)。而且，FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，故一定是穩(wěn)定的，他又可以用快速傅里葉變換(FFT)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾信號(hào)，可大大提高運(yùn)算效率。

Matlab輔助DSP開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是建立Matlab與DSF 間的連接。以往一般是由開(kāi)發(fā)工具CCS把DSP中間結(jié)果先保存，再調(diào)入Matlab工作空間與：Matlab仿真中間結(jié)果比較，以此發(fā)現(xiàn)DSP程序的不足，這需要反復(fù)操作，比較麻煩。Math Works公司和TI公司共同開(kāi)發(fā)的．Matlab Link for CCS開(kāi)發(fā)工具(CCSLink)，實(shí)現(xiàn)了在．Matlab，TICCS開(kāi)發(fā)環(huán)境和DSP硬件問(wèn)的雙向連接，開(kāi)發(fā)者可以利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、可視化功能來(lái)處理CCS和目標(biāo)DSP中的數(shù)據(jù)，可以大大簡(jiǎn)化DSP軟件開(kāi)發(fā)的分析、調(diào)試和驗(yàn)證過(guò)程，縮短軟件開(kāi)發(fā)周期。

2 Matlab與CCS及目標(biāo)DSP間的連接

Matlab可通過(guò)3種方式與CCS、目標(biāo)DSP進(jìn)行連接、數(shù)據(jù)交換。CCSLink提供了3種連接對(duì)象：

與CCS的連接對(duì)象 可從Matlab命令窗運(yùn)行CCS中的應(yīng)用程序，向目標(biāo)DSP的存貯器、寄存器讀出/寫(xiě)人數(shù)據(jù)，檢查DSP狀態(tài)，開(kāi)始/停止目標(biāo)DSP中運(yùn)行的程序。

與RTDX(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換)的連接對(duì)象 使Matlab與目標(biāo)DSP直接通信，Matlab可以實(shí)時(shí)地向目標(biāo)DSP取出/發(fā)送數(shù)據(jù)，并不停止DSP中正在執(zhí)行的程序。

嵌入式對(duì)象 在Matlab環(huán)境中創(chuàng)建，該對(duì)象可代表嵌入在目標(biāo)C程序中的變量，由其可以直接對(duì)嵌入在目標(biāo)DSP存貯器/寄存器中的變量進(jìn)行操作。

下面利用Matlab與CCS及目標(biāo)DSP的連接利用Matlab輔助DSP實(shí)現(xiàn)一個(gè)低通FIR數(shù)字濾波器并把實(shí)現(xiàn)的濾波結(jié)果和Matlab中仿真的濾波結(jié)果進(jìn)行比較。

3 Matlab輔助DSP實(shí)現(xiàn)FIR過(guò)程

Matlab輔助DSP實(shí)現(xiàn)FIR，其總體過(guò)程為在DSP中編寫(xiě)處理程序；在Matlab中利用濾波器設(shè)計(jì)、分析工具(FDATool)，根據(jù)指定的濾波器性能快速設(shè)計(jì)一個(gè)FIR，然后把濾波器系數(shù)以頭文件形式導(dǎo)人CCS中，頭文件中含濾波器階數(shù)和系數(shù)數(shù)組，在Matlab中調(diào)試、運(yùn)行DSP程序并顯示、分析處理后的數(shù)據(jù)。使用該方法，便于采用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)程序。頭文件名不變，當(dāng)Matlab中設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)改變時(shí)，相應(yīng)頭文件中系數(shù)也改變，方便了程序調(diào)試、仿真。

3．1在CCS中編寫(xiě)處理程序

在CCS IDE中建立fir．pjt工程，用C語(yǔ)言編寫(xiě)處理主程序fir．c，利用匯編語(yǔ)言文件，來(lái)定義中斷服務(wù)程序。另外根據(jù)板上的存儲(chǔ)器配置方式，編寫(xiě)存儲(chǔ)器配置文件(．cmd文件)，編譯、鏈接，生成可執(zhí)行文件(fir．out文件)，加載到目標(biāo)DSP程序存儲(chǔ)器中。

3．2利用FDATool設(shè)計(jì)FIR濾波器

FIR濾波器設(shè)計(jì)方法有很多種，利用Matlab中的FDATool(Filter Design Analysis TOO1)來(lái)設(shè)計(jì)是經(jīng)常被使用到的一種。FDATool是通過(guò)指定濾波器的性能指標(biāo)來(lái)快速設(shè)計(jì)FIR或者IIR濾波器，他是一種圖形設(shè)計(jì)界面。

指定FIR濾波器為低通濾波器(Lowpass)，指定階數(shù)為30，采樣頻率F，為5 000 Hz，截止頻率為400 Hz。打開(kāi)FDATool界面(在Matlab命令窗輸入fdat00l)，選FIR(Window)，用Hamming窗方法；菜單Edit->Convert Structure，選Direct Form FIR，即濾波器結(jié)構(gòu)為直接I型；菜單Analysis用來(lái)選擇不同的分析顯示方式，如幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、濾波器系數(shù)等。指定完設(shè)計(jì)參數(shù)后單擊按鈕Design Filter，生成濾波器系數(shù)。FDATool界面如圖1所示。

把生成的濾波器系數(shù)傳到目標(biāo)DSP中有兩種方式，一種把濾波器系數(shù)輸入到一個(gè)C頭文件，在所建工程中添加該C頭文件，另一種直接把生成的濾波器系數(shù)加到DSP存貯器中。本文采用第一種方法。

選擇菜單Targets->Export to Code Composer Studio(tm)IDE，打開(kāi)Export to C Header File對(duì)話框，選擇C header file，指定變量名(濾波器階數(shù)和系數(shù)向量)，輸出數(shù)據(jù)類(lèi)型可選浮點(diǎn)型或32 b，16 b整型等，根據(jù)自己安裝選擇目標(biāo)板板號(hào)和處理器號(hào)，單擊OK，保存該頭文件，需指定文件名(filtercoeff．h)和路徑(保存在c：timyprojectsfir工程中)。打開(kāi)fir工程文件夾，該濾波器系數(shù)頭文件filtercoeff．h已含在工程中。該頭文件用到Matlab中的tmwtypes．h文件，需把該文件也包含在工程中，還要在fir．c文件中聲明包含濾波器參數(shù)頭文件，即：
#include〃filtercoeff．h〃

然后編譯、鏈接工程，添加的頭文件自動(dòng)在工程目錄中顯示，目標(biāo)DSP自動(dòng)為濾波器系數(shù)分配相應(yīng)的存貯空間。打開(kāi)文件filtercoeff．h查看生成的濾波器系數(shù)，可看到系數(shù)是對(duì)稱(chēng)的，這由所選濾波器類(lèi)型而定。

3．3 Matlab向目標(biāo)DSP傳送數(shù)據(jù)并運(yùn)行、顯示結(jié)果

在Matlab環(huán)境中生成所要處理的數(shù)據(jù)信號(hào)，利用CCSLink提供的Matlab與CCS及DSP間的連接對(duì)象，把數(shù)據(jù)由Matlab環(huán)境中傳至目標(biāo)DSP，運(yùn)行目標(biāo)DSF中程序，并讀出目標(biāo)DSP的處理結(jié)果和Matlab中的處理結(jié)果比較。Matlab中程序段如下：

以上程序段為利用CCSLink函數(shù)在Matlab中編譯、鏈接、運(yùn)行并停止目標(biāo)DSP中程序來(lái)操作目標(biāo)DSP。以下程序段為在Matlab中顯示出經(jīng)目標(biāo)DSP處理前后的數(shù)據(jù)。

結(jié)果圖形如圖2所示。

另外，還有一種方法，即先在Matlab中把數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)文件，再利用探針或數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入方式把該數(shù)據(jù)文件導(dǎo)人到處理程序中。處理完的數(shù)據(jù)再由探針或?qū)С龇绞剿偷組atlab。這種方法需注意：Matlab生成數(shù)據(jù)文件時(shí)要轉(zhuǎn)換為CCS能處理的數(shù)據(jù)格式。此方法將另文給出具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程及代碼程序。

4 結(jié) 語(yǔ)

一般DSP芯片實(shí)現(xiàn)FIR濾波器時(shí)，常是先在Matlab中設(shè)計(jì)要求的濾波器，得到濾波器系數(shù)，在目標(biāo)DSP匯編程序中，對(duì)系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的Q格式轉(zhuǎn)換，再用相關(guān)匯編指令實(shí)現(xiàn)FIR濾波器算法。但在調(diào)試時(shí)，每改變一次濾波器參數(shù)，相關(guān)系數(shù)也改變，目標(biāo)DSP 中的程序也要做相應(yīng)改變，給調(diào)試仿真帶來(lái)很大麻煩，使濾波器設(shè)計(jì)效率很低Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值分析、計(jì)算、信號(hào)處理及圖形顯示功能，并為用戶(hù)提供了強(qiáng)大的信號(hào)處理工具箱和友好方便的交互式圖形用戶(hù)界面，用Matlab輔助DSP 實(shí)現(xiàn)FIR，在濾波器系數(shù)改變時(shí)可以不必改變DSP中程序，大大提高了濾波器設(shè)計(jì)效率。本文只是利用Matlab輔助DSP實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的FIR低通濾波器，并在TMS320C6713 DSK上成功運(yùn)行。還可以利用Matlab輔助DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的諸如語(yǔ)音處理、通信、圖像處理等方面的程序開(kāi)發(fā)，可以大大縮短DSP 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，這也是以后DSP設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢(shì)