實驗六 FIR 數(shù)字濾波器6.1 實驗?zāi)康臄?shù)字濾波的作用是濾除信號中某一部分頻率分量。信號經(jīng)過濾波處理，就相當(dāng)于信號頻譜與濾波器的頻率響應(yīng)相乘的結(jié)果。從時域來看，就是輸入信號與濾波器的沖激響應(yīng)作卷積和。數(shù)字濾波器在各種領(lǐng)域由廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)字音響、音樂和語音合成、躁聲消除、數(shù)據(jù)壓縮、頻率合成、諧波消除、過載檢測、相關(guān)檢測等。本實驗主要學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的DSP 實現(xiàn)原理和C54X 編程技巧，并通過CCS 的圖形顯示工具觀察輸入/輸出信號波形以及頻譜的變化。該實驗應(yīng)該安排在串口和定時器操作實驗之后進行。6.2 實驗要求該實驗涉及到 DSP 的串口、中斷響應(yīng)等復(fù)雜操作，應(yīng)該在完成前面的串口和定時器實驗后完成。本實驗重點研究FIR 濾波器的DSP 實驗方法，沒有討論FIR 濾波器的設(shè)計原理和方法。你可以使用數(shù)字濾波器輔助設(shè)計軟件包或自行計算FIR 濾波器的系數(shù)。本實驗例子利用DES320PPU 評估板的模擬信號輸出通道產(chǎn)生一個1KHz 的方波,然后利用信號輸入通道對產(chǎn)生的方波進行低通濾波,得到一個1KHz 的正弦信號，并使用CCS 的圖形顯示工具顯示輸入和輸出的波形。這里我們使用的是一個38 階的對稱結(jié)構(gòu)的FIR 低通濾波器，其采樣頻率Fs 為25KHZ，通帶截止頻率 1.2KHZ，阻帶截止頻率為2.8KHZ，阻帶衰減為-40dB。6.3 實驗原理1) FIR 濾波器的實現(xiàn)如果 FIR 濾波器的沖激響應(yīng)為h(0)，h(1)，.，h(N-1)。X(n)表示濾波器在n 時刻的輸入，則n 時刻的輸出為：y(n) = h(0)x(n) + h(1)x(n-1）+ . + h(N-1)xn-(N-1)DES320PP-U 數(shù)字信號處理仿真/教學(xué)實驗系統(tǒng)使用與實驗指導(dǎo) 73使用MAC 或FIRS 指令可以方便地實現(xiàn)上面的計算。圖 6-1 說明了使用循環(huán)尋址實現(xiàn)FIR 濾波器的方法。為了能正確使用循環(huán)尋址，必須先初始化BK，塊長為N。同時，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和沖激響應(yīng)（FIR 濾波器的系數(shù)）的開始地址必須是大于N 的2 的最小冪的倍數(shù)。例如，N=11，大于N 的最小2 的冪為16，那么數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的第一個地址應(yīng)是16 的倍數(shù)，因此循環(huán)緩沖區(qū)起始地址的最低4 位必須是0。圖6-1 FIR 濾波器存儲器里的數(shù)據(jù)存儲方式在圖6-1 中，濾波系數(shù)指針初始化時指向h(N-1)，經(jīng)過一次FIR 濾波計算后，在循環(huán)尋址的作用下，仍然指向h(N-1)。而數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針指向的是需要更新的數(shù)據(jù)，如x(n)。在寫入新數(shù)據(jù)并完成FIR 運算后，該指針指向x(n-(N-1)。所以,使用循環(huán)尋址可以方便地完成濾波窗口數(shù)據(jù)的自動更新.使用帶 MAC 指令的循環(huán)尋址模式實現(xiàn)FIR 濾波器，程序片段如下：(輸入數(shù)據(jù)在AL 中,濾波結(jié)果在AH 中)STM #1,AR0 ；AR0=1STM #N,BK ；BK=N,循環(huán)尋址BUFFER 大小為NSTL A,*FIR_DATA_P+% ；更新濾波窗口中的采樣數(shù)據(jù)RPTZ A,#(N-1) ；重復(fù)MAC 指令N 次,先將A 清零MAC *FIR_DATA_P+0%,*FIR_COFF_P+0%,A ；完成濾波計算。注意FIR 濾波系數(shù)存放在；數(shù)據(jù)存儲區(qū)另一種方法是利用 C54x 系列芯片的提供的FIRS 指令來實現(xiàn)FIR 濾波器。圖6-2為一種有限單位沖激響應(yīng)呈現(xiàn)對中心點對稱的FIR 濾波器。長度為N 的線性相位FIR濾波器的輸出表達式為：= + / 2 10( ) ( ) ( ) ( ( 1 )Nky n h k x n k x n N k圖6-2 N 階均衡FIR 濾波器框圖要利用FIRS 指令,需要將輸入數(shù)據(jù)緩沖分成兩個,循環(huán)緩沖區(qū)大小寄存器的值設(shè)為N/2。圖6-3 顯示了輸入序列在兩個循環(huán)緩沖器里的存儲情況。設(shè)輔助寄存器AR2 指到緩沖區(qū)1（Buffer1）的頂部，AR3 指到緩沖區(qū)2（Buffer2）的底部。每次進行濾波之前,應(yīng)先將緩沖區(qū)1 頂部的數(shù)據(jù)移到緩沖區(qū)2 的底部,新來的一個樣本存儲到緩沖區(qū)1 中時,并對緩沖區(qū)1 指針AR2 加1(使用循環(huán)尋址)。處理器然后使用FIRS 指令進行乘加運算，即h(0)x(0)+x(-N+1)。當(dāng)然,在使用FIRS 指令前,需要預(yù)先計算一次求和,以初始化A 。在RPTZ 重復(fù)指令和循環(huán)尋址的配合下,完成FIR 濾波.濾波完成后，需要對兩個數(shù)據(jù)緩沖的指針進行修正，以便對下一個點進行處理。將Buffer1 的指針減1 和Buffer2 的指針減2，使他們指向各自緩沖的數(shù)據(jù)隊列的最后。圖6-3 16 點FIRS 濾波數(shù)據(jù)存放使用帶FIRS 指令的循環(huán)尋址模式實現(xiàn)FIR 濾波器，程序片段如下：(輸入數(shù)據(jù)在AL 中,濾波結(jié)果在B 中)STM #1,AR0 ； AR0=1STM #（N/2）,BK ； BK=N/2,循環(huán)尋址BUFFER 大小為NMVDD *ar2, *ar3 ； 更新 Buffer2STL A, *ar2+% ； 更新濾波窗口中的采樣數(shù)據(jù)ADD *ar2+0% , *ar3+0% ； 初始化ARPTZ B, #(N/2-1) ； 重復(fù)FIRS 指令N/2 次,先將B 清零DES320PP-U 數(shù)字信號處理仿真/教學(xué)實驗系統(tǒng)使用與實驗指導(dǎo) 76FIRS *ar2+0%, *ar3+0%,filter_coff+N/2 ；完成濾波計算。注意FIR 濾波系數(shù)存放在程序；存貯區(qū)，filter_coff 為系數(shù)起始地址MAR *ar2-% ； 修改Buffer1 指針MAR *+ar3(-2)% ； 修改Buffer2 指針2) AC01 的初始化DSE320PP-U 使用AC01 作為模擬信號接口。AC01 提供一個14bit 的D/A 和一個14bit的A/D 通道。AC01 與VC5402 通過串口0 連接。DSP 通過串口可以控制AC01 的采樣頻率、增益、低通/高通濾波器的截止頻率等參數(shù)。這一步是通過讀寫AC01 的寄存器來實現(xiàn)的。下面是初始化AC01 的代碼，有關(guān)AC01 的詳細介紹請參考AC01 的技術(shù)手冊。；-； The following codes are initalized AC01, ALL AC01 setup same !；-idle 1 ；初始化AC01 時僅僅打開串口0 的發(fā)送中斷，而且中斷服務(wù)idle 1 ；程序中簡單地將A 寄存器的值寫入到串口0 發(fā)送寄存器。idle 1 ；開始初始化時，將A 寄存器設(shè)置為0 ！idle 1ld #600h,aidle 1 ；wait for int .ld #3,aidle 1 ；send #3，AC01 的1 號寄存器為采樣率控制寄存器ld #00105h,a ；fs=10M/2/A/B= 25k，采樣率設(shè)置為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 通道產(chǎn)生一個1KHz 的方波，作為FIR 濾波器的輸入信號。由于串口發(fā)送中斷將每0.04ms（25KHz）產(chǎn)生一次，所以我們將一個周期的方波信號分25次送出，這樣經(jīng)D/A 變化后便可得到1KHz 的方波。產(chǎn)生方波的數(shù)據(jù)參見如下：；*； 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斷服務(wù)程序本實驗通過 DSP 的串口0 輸入/輸出數(shù)據(jù)。在串口通訊中，數(shù)據(jù)時鐘和幀同步信號都由AC01 產(chǎn)生，所以VC5402 將使用外部時鐘和幀同步信號。串口設(shè)置代碼如下，詳細介紹請參見串口操作實驗：；*； 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 !完成串口設(shè)置后，還需要修改中斷向量表以便正確響應(yīng)串口0 的接收和發(fā)送中斷請求。本實驗中使用發(fā)送中斷產(chǎn)生方波信號和完成對AC01 的初始化；使用接收中斷存貯輸入的數(shù)據(jù)，并設(shè)置新數(shù)據(jù)到達標志。主循環(huán)在檢測到該標志后，調(diào)用FIR 濾波程序，完成對輸入數(shù)據(jù)的處理。另外，為了方便觀察，我們還使用了一個定時器，交替使XF為高和低。所以，在濾波程序正常運行時，你會看到D2 在不停地閃爍。6.4 實驗內(nèi)容本實驗需要使用C54X 匯編語言實現(xiàn)FIR 濾波器，并通過CCS 的圖形顯示工具觀察輸入/輸出信號波形以及頻譜的變化。實驗分以下幾步完成：1) 短接 JP12，使得DES320PP-U 的模擬信號輸出通道與模擬信號輸入通道相連。2) 啟動 CCS，在Project 選項中打開fir5402.pjt 文件。3) 使用 Build 選項完成編譯、連接，然后使用File 菜單中的Load Program 將OUT 文件裝入。按F5 鍵啟動程序運行，若有示波器，可以觀察DSE320PP-U 板上的JP12的引腳輸出的1KHz 的方波。DES320PP-U 數(shù)字信號處理仿真/教學(xué)實驗系統(tǒng)使用與實驗指導(dǎo) 81圖 6-4 圖形顯示窗口4) 請使用 Debug - Halt 暫停程序的執(zhí)行。在Project 管理欄中打開fir5402.asm 文件，并在ccs_show（在fir 子程序中）行后的nop 語句處上增加一個斷點。添加斷點的方法是先用鼠標單擊某行，將光標移動到需要增加斷點的行上，然后選擇工具欄的手狀圖標。當(dāng)該行被設(shè)置了一個斷點后，可以看到紅色的圓點。5) 選擇 View - Graph - Time/Frequency 菜單打開一個圖形顯示窗口，參見圖6-4。將“Start Address”項改為地址0x1800，將“Display Data Size”項設(shè)置為128，將“DSPData Type”改為“16-bit signed integer”。這樣，將在圖形顯示窗口中顯示從0x1800（信號輸入緩沖）開始的128 個點的16 位有符號整數(shù)。再打開一個圖形窗口，顯示從地址0x1020（濾波信號輸出緩沖）開始的128 點的16 位有符號整數(shù)。6) 選擇 Debug - Animate 項運行程序。Animate 運行和Run 運行基本一致，只是使用Run 運行時，若遇到斷點，將停下來，直到用戶再次使用Run 命令才恢復(fù)運行。而使用Animate 運行時，若遇到斷點，CCS 刷新所有的顯示窗口，如寄存器、CPU、MEM、圖形顯示等，然后自動恢復(fù)運行。所以，你能看到連續(xù)更新的濾波輸出。6.5 思考題1) 請說明下面的輔助寄存器的操作意義：*ar0(#0100), *ar3+%, *ar3+0%, *ar2-%, *+ar3(-2)%答：8個輔助寄存器（AR0-AR7），由一個輔助寄存器指針（ARP 3-bit）來指定一個輔助寄存器算術(shù)單元（ARAU）作16-bit無符號數(shù)運算，決定一