实验4 FIR数字滤波器的DSP编程实现

时间：2025-04-23

实验4: FIR数字滤波器的DSP编程实现

一、实验目的：

㈠了解一个FIR数字滤波器DSP程序的设计、编写和建立的过程。㈡学习使用simulator调试滤波器程序的方法。了解使用simulator进行程序调试，如何输入测试信号，观察输出结果。

二、实验原理：

㈠ FIR滤波器的结构和数据存储方式

对于一个FIR滤波器，假定其冲激响应为bi(i 0,1,2 N 1)，输入信号为x(n),则有以下差分方程:

y(n) bix(n i)

i 0

N 1

其对应的滤波器传递函数为：

H(z) biz i

i 0

N 1

可以用横截型(又称直接型或卷积型)FIR数字滤波器的结构图表示（图8-6-1）。

N 1)

图8-6-1 横截型FIR滤波器的结构图

由上面的公式和结构图可知,FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算。它不断地从输入端读入样本值x(n)，经延时(z)，做乘法累加，再输出滤波结果y(n)。

在实际编程中,z的实现方法有两种:线性缓冲区法和循环缓冲区法。本实验采用了循环缓冲区法。

循环缓冲区法的主要特点是:对于N级FIR滤波器，在数据存储区开辟一个称为滑窗的具有N个单元的缓冲区，滑窗中存放最新的N个输入样本值。每次输入新的样本时，新的样本将改写滑窗中最老的数据，其它数据则不需要移动。编写程序时利用片内BK（循环缓冲区长度）寄存器对滑窗进行间接寻址，因而循环缓冲区地址是首尾相邻的。如图

8-6-2所示，图中假定N=6。

数据存储器

循环缓冲区顶部

x(n)x(n-1)x(n-2)x(n-3)x(n-4)

循环缓冲区底部

x(n-5)

ARX

数据存储器

x(n)x(n-1)x(n-2)x(n-3)x(n-4)x(n+1)

ARX

数据存储器

x(n)x(n-1)x(n-2)x(n-3)x(n+2)x(n+1)

ARX

图8-6-2 利用循环缓冲区法实现z

假定第一次执行完y(n)

间接寻址的辅助寄存器ARx指向x(n-5)。 bx(n i)后，

ii 0

然后，从I/O口输入数据x(n+1)，将原来存放x(n-5)的数据存储器单元改写为x(n+1)。

同样，当进行完第二次乘法累加运算y(n 1）

bx(n 1 i)后，ARx最后指向

ii 0

x(n-4)。这时，再从I/O口输入数据x(n+2)，将原来存放x(n-4)的数据存储器单元改写

为x(n+2)。

利用循环缓冲区法的主要优点是：不需要移动数据，可将循环缓冲区定位在数据存储器的任何位置（而线性缓冲区则要求必须定位在DARAM中）。

本实验是一个使用CCS的simulator进行滤波器基本程序调试的实验，其输入信号x(n)用.inc文件输入。

以下灰色字体内容可以不看。

㈡ FIR数字滤波器的设计

FIR数字滤波器的设计可以采用C、Fortron等高级语言来实现，其编程较为复杂。我们采用MATLAB中信号处理工具箱的有关指令，可以很方便地求出FIR滤波器系数。

例：设计一个FIR低通滤波器，通带边界频率为1500Hz，通带波纹小于1dB；阻带边界频率为2000Hz，阻带衰减大于40dB；采样频率为8000Hz。

FIR滤波器的设计可以用MATLAB窗函数法进行，例如选择Hamming窗，其程序为：

b=fir1(16,1500/8000*2);

FIR数字滤波器系数b为：

b0=1.16797e-018 b1=0.00482584

b2=0.00804504 b3=-0.00885584 b4=-0.0429174 b5=-0.029037 b6=0.0972537 b7=0.283423 b8=0.374525 b9=0.283423 b10=0.0972537 b11=-0.029037 b12=-0.0429174 b13=-0.00885584 b14=0.00804504 b15=0.00482584 b16=1.16797e-018

将上述系数存盘，建立一个数据文件（如fir01.txt）。

㈢建立DSP汇编程序的FIR滤波器系数文件

上述系数必须转换成Q15格式，并放置在DSP汇编程序的.inc文件中，进行FIR滤波器的汇编程序的汇编、链接时，inc文件将被自动地加入到工程中去。

从MATLAB中产生的fir01.txt文件，通过执行转换命令，将自动变换为firdata.inc滤波器系数文件。转换命令为（在MATLAB下）：

！firdat fir01.txt

将产生firdata.inc文件。其内容如下： N .set 17

COFF_FIR: .sect "COFF_FIR "

.word 0 .word 158 .word 263 .word -290 .word -1406 .word -951 .word 3186 .word 9287 .word 12272 .word 9287 .word 3186 .word -951 .word -1406 .word -290 .word 263

.word 158

㈣产生滤波器输入信号的文件

在使用CCS的Simulator进行滤波器特性的测试时，需要输入时间信号x(n)。以下是一个产生输入信号的C语言程序，这个信号是频率为1000Hz和2500Hz的正弦波合成的波形。文件名为firinput.c。

#include <stdio.h> #include <math.h> void main() {

int i;

double f[256]; FILE *fp;

if((fp=fopen("firin.inc","wt"))==NULL) {

printf("can't open file! \n"); return; }

fprintf(fp,"INPUT: .sect %cINPUT %c \n",'"','"'); for(i=0;i<=255;i++)

{ f[i]=sin(2*3.14159*i*1000/8000)+sin(2*3.14159*i*2500/8000); fprintf(fp," .word %1d\n",(long)(f[i]*16384/2)); }

fclose(fp); }

该程序将产生名为firin.inc的输入信号程序。