基于DSP的IIR低通滤波器设计
基于DSP的IIR低通滤波器
摘 要：本文介绍了DSP发展及其运用领域和CCS系统的性能、操作。研究了IIR算法原理，并编写程序实现算法，运用CCS5000进行仿真。
关键字：DSP； IIR算法；CCS5000仿真
DSP简介
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。
数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。
数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。
世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年 AMI公司发布的 S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年，日本 NEC 公司推出的μP D7720是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片。
自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4μ的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降
CCS开发系统
TI Code Composer Studio (CCStudio) 是 TI?eXpressDSPTM 实时软件技术的重要组成部分 , 它可以使开发人员充分应用 DSP 的强大功能。随着 TI 的 TMS 320C 5000 （ C5K ） 和 TMS 320C 6000 （ C6K ） DSP 平台的应用范围不断扩大 , 已经由其应用于下载视频流的手持因特网接入产品扩展到蜂窝通信网络和光网络的通信基础设施 ,eXpressDSPTM 也便获得了越来越多软件工程师的青睐。 ? ? eXpressDSP 还包含了 DSP/BIOS 可伸缩内核 ,TMS320TMDSP 标准算法的应用互操作性和可重复使用性以及 400 多家第三方厂商支持。大部分厂商提供 eXpressDSP 兼容算法、即插式应用以及种类繁多的硬件配件和咨询服务。
嵌入式编程人员现可利用 TI 的 Code Composer Studio 加快优化 DSP 软件的速度，前瞻性的综合建议及易于使用的调整工具能够帮助开发人员简化并加速代码优化进程。这些强大但易于使用的功能不仅能够缩短开发时间，而且能够帮助编程人员充分发挥 TI TMS 320C 6000 DSP 平台器件的全部潜能。
Code Composer Studio 实现了多场所的连通性 , 极大地改进了基于 TI 业界领先的 TMS 320C 5000 TM 和 TMS 320C 6000 TM DSP 平台单处理器或多处理器代码的开发、优化及其调试工具的性能。先进的应用 , 如图像与视频、宽带接入、 3G 无线通信及其它一些融合高性能的技术 将得益于 Code Composer Studio v3.1 的可靠性及其快捷的开发时间。
?????Code Composer Studio 3.1 能够使开发人员编制出更多面向高级 DSP 应用的、紧凑的高性能代码。通过实时接入的 DSP 开发者之家网站 , 内置的 Update Advisor 对最新的工具、驱动程序及其技术进行自动的流线式管理。只要确保代码和功能调用的正确输入 , 凭借编辑器程序中的 Dynamic CodeMaestro 技术即可快速生成 C 和 C++ 编码。
TI 的 eXpressDSP? 产品市场营销经理 Mike Trujillo 说： " 通过充分利用 CCStudio 的工具与功能，编程人员能够大大缩短应用开发的时间。使用 CCStudio 生成的高度优化代码，工程师能够最大限度地发挥高性能 DSP 的全部功能，或者，在其它情况下能够以成本更低的器件来满足其应用需求。 " ---- Code Composer Studio v3.1 使开发人员能够无缝管理任何复杂程度的项目 , 其项目管理器通过一个集成版本的控制接口与通用资源控制器连接 , 管理着成千上万的文件。同时支持外部 " 文件制作 " 功能 , 使项目能够在 PC 和 UNIX 平台上交叉运行。工作于同一项目的开发团队 , 不再需要集中到一个地方 , 而可分散在不同的场所。他们可以通过采用一个改进的产品开发流程 , 就可实现同一组项目文件的共享。于是可以使他们的开发周期缩短数周 , 并获得时间上提前于竞争对手推向市场的优势。 ---- 对于那些希望把业界领先的 C6000 TM DSP 平台的高性能与 C5000 TM DSP 平台的低功耗相结合的系统开发者来说 ,Code Composer Studio v3.1 为使其同时调试混合多处理器成为了可能。 Code Composer Studio v3.1 还增加了实时数据交换 (RTDX TM ) 仿真功能 , 可支持来自任何地方的 2 至 50 个 C5000 和 C6000 DSP 器件同时运行。此外 , 支持 RTDX 的仿真器还实现了实时 DSP/BIOS TM 仿真调试 , 该高级调试功能可以使开发人员更深入地了解 DSP 代码在硬件或仿真状态中的运行情况。
3 IIR算法原理
滤波器可广义的理解为一个信号选择系统，它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。在更多的情况下，滤波器可理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻。
滤波器可分为三种：模拟滤波器、采样滤波器和数字滤波器。模拟滤波器可以是由RLC构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，是连续时间系统；采样滤波器由电阻、电容、电荷转移器件、运放等组成，属于离散时间系统，幅度连续；数字滤波器由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲发生器和逻辑单元等数字电路构成，精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用。
设计滤波器，就是要确定其传递函数，传递函数H(z)已知后，则可以确定系统的频率响应为，其中分别是幅频特性和相位特性。
对于无失真传输系统，有
，即
幅频特性为常数，信号通过系统后各频率分量的相对大小保持不变，没有幅度失真。相位特性为线性，使对应的时域方程的时延量为常数：，即系统对各频率分量的延迟时间相同，保证了各频率分量的相对位置不变，没有相位失真。
数字通信对相位的要求比模拟通信高许多，线性相位很重要。数字系统描述时延的函数有两个：
群时延：：反映相频曲线的线性程度
相时延：：反映各频率分量在时域的相对延时。
所以无相位失真的传输条件是要具有恒群时延和恒相时延，即＝＝常数。
数字滤波器的设计是确定其系统函数并实现的过程，一般要经如下步骤：
1、根据任务，确定性能指标。
2、用因果稳定的线性移不变离散系统函数去逼近。
3、用有限精度算法实现这个系统函数。
4、利用适当的软、硬件技术实现。
我们在这里主要讨论数字滤波器系统函数的逼近过程，包括无限长冲激响应（IIR）数字滤波器和有限长冲激响应（FIR）数字滤波器系统函数的逼近。
4 程序实现
4．1 源程序
cl500 test15.c -g -as
TMS320C54x ANSI C Compiler Version 3.50
Copyright (c) 1996-1999 Texas Instruments Incorporated
"test15.c" ==> lowpass_input
"test15.c" ==> bcg
"test15.c" ==> pnpe
"test15.c" ==> ypmp
"test15.c" ==> bsf
"test15.c" ==> main
TMS320C54x ANSI C Codegen Version 3.50
Copyright (c) 1996-1999 Texas Instruments Incorporated
"test15.c" ==> lowpass_input
"test15.c" ==> bcg
"test15.c" ==> pnpe
"test15.c" ==> ypmp
"test15.c" ==> bsf
"test15.c" ==> main
TMS320C54x COFF Assembler Version 3.50
Copyright (c) 1996-1999 Texas Instruments Incorporated
PASS 1
PASS 2
No Errors, No Warnings
[test15.c]
lnk500 test15.mak
TMS320C54x COFF Linker Version 3.50
Copyright (c) 1996-1999 Texas Instruments Incorporated
>> test15.cmd, line 6: can't find input file rts.lib
Build Complete,
1 Errors, 0 Warnings.
4．2 仿真结果分析
图1 低通滤波器的响应曲线波形
5 结束语
本文简单的介绍DSP的发展、应用及特点，并也对CCS做了简单的介绍。利用计算机和ZY13DSP12BC3实验箱，对程序进行了仿真，根据仿真结果红灯的闪烁，实现了对芯片好坏的测试。随着现代通信技术和计算机技术、计算机技术以及超大规模集成电路工艺的发展，DSP芯片前景将会有进一步的发展。
参考文献
[1]黄席椿 高顺良.滤波器综合法设计原理.北京:人民邮电出版社,1978.309-316,261-270。 [2]沈永欢 梁在中 等.实用数学手册.北京:科学出版社,2001.726-732。 [3]程佩青.数字滤波与快速傅里叶变换.北京:清华大学出版社,1990。
[4] 彭启琮. DSP集成开发环境——CCS及DSP/BIOS的原理与应用. 电子工业出版社，2004。
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