基于DSP6713實現(xiàn)的IIR格型自適應(yīng)濾波器

摘要：區(qū)別于普通的FIR，IIR濾波器，為了使濾波器能夠按照某種準(zhǔn)則自動且較快地達到最佳濾波效果，采用了LMS自適應(yīng)算法和格型濾波結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法。它利用DSP技術(shù)在TMS320C6713開發(fā)板上構(gòu)建了驗證該音頻信號處理算法的硬件平臺，并在集成開發(fā)環(huán)境CCS通過DSP的軟件編程完成其工程實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，該濾波器計算復(fù)雜度低，實現(xiàn)速度快，具有良好的實時性和濾波效果。
關(guān)鍵詞：TMS320C6713；IIR；自適應(yīng)格型濾波器；LMS算法；CCS

0 引言
    在數(shù)字信號處理中，常規(guī)濾波器或固定濾波器如FIR，IIR濾波器的特性被固定，即作用于輸入信號，則產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，但是，在實際應(yīng)用中對濾波器的輸出要求往往是明確的，如果濾波器的權(quán)系數(shù)等特性無法預(yù)先知道就會限制對需要處理的數(shù)字信號實現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字信號處理領(lǐng)域中的一個重要方面，其特點是不需要知道所處理信號的統(tǒng)計特性，而且能夠自動適應(yīng)環(huán)境的變化，使得處理結(jié)果達到最優(yōu)。由于自適應(yīng)濾波大多用在實時處理的情況，所以其實時實現(xiàn)問題是自適應(yīng)濾波器的一項重要指標(biāo)。在諸多的自適應(yīng)算法中，最小均方算法(LMS)由于其設(shè)計和實現(xiàn)都較為簡單被廣泛采用。
    TMS320C6713是TI公司開發(fā)的一款新型浮點DSP芯片，它基于超長指令字結(jié)構(gòu)(VLIW)，非常適合于做高強度的數(shù)學(xué)運算，被認為是TI公司運算能力最強的處理器之一。本文使用合眾達公司開發(fā)的一款基于TMS320C6713芯片的開發(fā)板構(gòu)建了音頻信號處理系統(tǒng)，對音頻信號的IIR格型自適應(yīng)濾波處理算法進行硬件驗證。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    開發(fā)板系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。模擬音頻信號首先通過高性能前置運算NE5532進行預(yù)放，然后進入音頻ADC進行A／D轉(zhuǎn)換得到串行輸出的數(shù)字音頻信號，本文使用CIRRUS公司最新專業(yè)級音頻芯片CS4272，該芯片使用了一個差分模擬結(jié)構(gòu)，采樣率高達192 kHz，實際信噪比超過90 dB。接著數(shù)字音頻信號經(jīng)過FPGA通過DSP的McBSP口進入DSP芯片TMS320C6713。進入DSP的數(shù)據(jù)存放在DSP的內(nèi)部存儲區(qū)以利于處理器進行高速運算，經(jīng)過DSP處理后的數(shù)據(jù)同樣通過DSP的McBSP口輸出到FPGA，然后通過DAC輸出到前置運算NE5532進行放大后輸出。電路中同時還接了一個單片機芯片STC89LE52，它用于控制LED、按鍵、A／D、D／A轉(zhuǎn)換器以及與FPGA進行數(shù)據(jù)通信。

2 CCS和CSL簡介
    CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的用于開發(fā)DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境，它采用熟悉的Windows風(fēng)格界面，提供了基本的代碼生成工具，具有編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試以及實時跟蹤等功能，支持*．a(chǎn)sm，*．c，*．h，*．cmd等多種格式并最終生成*．out等可供下載至硬件電路運行的二進制格式文件，它還提供了多種C／C++代碼優(yōu)化功能和一些實時分析及編程方案。此外，CCS的調(diào)試和仿真具有很強的功能：允許中斷點、剖析點及探測點三種斷點設(shè)置，分別實現(xiàn)程序斷點、實時分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)入等功能。CCS為DSP芯片的開發(fā)與設(shè)計提供了極大的便利，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)環(huán)境之一，其版本已發(fā)展至4．1甚至更高。
    在DSP應(yīng)用系統(tǒng)中，不可避免地會涉及到大量對DSP器件外設(shè)特別是片上外設(shè)的編程處理工作，這將消耗開發(fā)工程師在開發(fā)初期大量的精力。在TI公司的CCS開發(fā)環(huán)境中，提供了DSP片級支持庫CSL作為一個組件，多數(shù)CSL模塊都由對應(yīng)函數(shù)、宏、類和表示符號組成，利用這些模塊可以非常方便地完成對DSP片上外設(shè)的配置和控制的編程工作，從而簡化了DSP片上外設(shè)的開發(fā)工作，縮短了用戶程序的開發(fā)周期，并且可以達到標(biāo)準(zhǔn)化控制管理片上外設(shè)的能力，減少DSP硬件特殊性對用戶程序代碼的影響，以方便對用戶代碼在不同器件間的移植工作。
[!--empirenews.page--]
3 自適應(yīng)IIR格型濾波器及算法
3．1 自適應(yīng)IIR格型濾波器
    自適應(yīng)濾波器就是其權(quán)系數(shù)可以根據(jù)某種自適應(yīng)算法來不斷修改，使系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足給定的性能判斷。它的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和自適應(yīng)算法的選取、最佳參數(shù)的確定，以及有效字長效應(yīng)影響的最小化等。自適應(yīng)濾波器的原理圖如圖2所示。它主要由兩部分組成：系數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和用來調(diào)節(jié)或修正濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。

    圖中濾波器的結(jié)構(gòu)可以是IIR型結(jié)構(gòu)，也可以是FIR型結(jié)構(gòu)。盡管IIR結(jié)構(gòu)的濾波器性能不夠穩(wěn)定，但在實際應(yīng)用中它能夠以很小的復(fù)雜度實現(xiàn)和FIR濾波器相同的功能，且可以利用模擬濾波器設(shè)計的結(jié)果，所以在對穩(wěn)定性要求不高的情況下這是一個理想的選擇。本文所采用的是IIR格型自適應(yīng)濾波器，格型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是按階遞歸，增加或者減少級數(shù)不會影響已經(jīng)存在的階數(shù)設(shè)計。

    格型IIR濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它由兩個格型濾波器級聯(lián)而成，上方的格型濾波器H1(z)的輸入為Input，輸出設(shè)為s0(n)；下方的格型濾波器H2(z)的輸入為s0(n)，輸出為Output。

    采用TI公司開發(fā)的C67xDSPLIB庫函數(shù)DSPF_sp_iirlat。DSPF_sp_iirlat是單精度IIR格型濾波算法。其C語言形式為：
 
3．2 自適應(yīng)濾波器算法
    在前面討論了自適應(yīng)濾波器的原理和結(jié)構(gòu)，接下來討論自適應(yīng)濾波器的另一個關(guān)鍵組成部分：自適應(yīng)算法。目前，大多數(shù)自適應(yīng)濾波器都采用最小均方算法(LMS)，因為它容易設(shè)計、實現(xiàn)且性能穩(wěn)健。自適應(yīng)算法是根據(jù)某種準(zhǔn)則來設(shè)計的，目的在于設(shè)法使y(n)和d(n)盡量接近，不同的算法實質(zhì)一樣，只是接近的衡量標(biāo)準(zhǔn)不一樣。最常用的準(zhǔn)則是最小均方誤差(Mean Square Error，MSE)準(zhǔn)則，即期望信號d(n)與濾波器輸出y(n)之差e(n)的平方值最小，并根據(jù)這個準(zhǔn)則來不斷調(diào)整自適應(yīng)算法。采用TI公司開發(fā)的C67xDSPLIB庫函數(shù)DSPF_sp_lms。DSPF_ sp_lms為單精度浮點LMS算法，實現(xiàn)LMS自適應(yīng)算法。其C語言形式為：
  [!--empirenews.page--]

4 自適應(yīng)IIR格型濾波算法的DSP實現(xiàn)
    由于自適應(yīng)濾波器需要兩個輸入端，一個為主信號輸入端，另一個為參考信號輸入端。因此，如何在軟件和硬件上設(shè)計和實現(xiàn)兩個信號通路的建立問題是自適應(yīng)濾波器的關(guān)鍵之一。為了解決雙通道自適應(yīng)濾波器的信號輸入通道問題，可以采用開發(fā)板上的CS4272編解碼器的立體聲輸入功能，利用立體聲編解碼器的左、右兩路音頻輸入作為主信號輸入和參考信號輸入。然后將兩個通道的信號送往DSP進行自適應(yīng)IIR格型濾波處理，將處理后的信號通過McBSP0傳送到CS4272編解碼器，CS4272編解碼器的D／A轉(zhuǎn)換電路再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻。整個自適應(yīng)濾波的過程如圖4所示。

    本文中自適應(yīng)濾波器的參考輸入通道采用的是目標(biāo)板上的立體聲輸入接口的左通道，主信號通道采用立體聲接口的右通道，操作完成后進行交替，采用Ping-Pong數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)，Ping-Pong緩沖存儲區(qū)分配采用下面的C語言形式：

    程序使用CCS開發(fā)環(huán)境進行編譯、鏈接生成可執(zhí)行公共目標(biāo)文件(COFF)，然后加載運行。濾波器的權(quán)系數(shù)設(shè)定為512階，自適應(yīng)步長為5×10-5，輸入信號為某組給定的音頻信號，通過CCS開發(fā)環(huán)境的圖形分析工具得到測試結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹?，濾波前后的頻譜圖非常相似，結(jié)果表明該濾波器具有很好的濾波效果。

    最后通過SEED-XDSusb 2．O仿真器下載到開發(fā)板上運行并播放音樂進行實時測試，實驗結(jié)果符合預(yù)期效果，有很好的實用價值。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計的重點和難點是掌握和應(yīng)用DSP來實現(xiàn)音頻信號的采集、輸出的硬件平臺的構(gòu)建，研究了IIR格型自適應(yīng)濾波處理算法的DSP實現(xiàn)問題，最終通過DSP軟件編程完成了目標(biāo)算法的工程實現(xiàn)。本文提出的基于這種特殊結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器，由于實時性強和濾波效果明顯，將越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工程中。