Matlab輔助DSP設(shè)計FIR數(shù)字濾波器

l 引 言

隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(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，廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字信號處理領(lǐng)域。數(shù)字濾波器根據(jù)沖擊響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可以分為FIR(有限長沖擊響應(yīng)濾波器)和IIR(無限長沖擊響應(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。而且，F(xiàn)IR濾波器的單位抽樣響應(yīng)是有限長的，故一定是穩(wěn)定的，他又可以用快速傅里葉變換(FFT)算法來實現(xiàn)過濾信號，可大大提高運算效率。

Matlab輔助DSP開發(fā)實現(xiàn)的關(guān)鍵是建立Matlab與DSF 間的連接。以往一般是由開發(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公司共同開發(fā)的．Matlab Link for CCS開發(fā)工具(CCSLink)，實現(xiàn)了在．Matlab，TICCS開發(fā)環(huán)境和DSP硬件問的雙向連接，開發(fā)者可以利用Matlab強大的數(shù)據(jù)處理、分析、可視化功能來處理CCS和目標(biāo)DSP中的數(shù)據(jù)，可以大大簡化DSP軟件開發(fā)的分析、調(diào)試和驗證過程，縮短軟件開發(fā)周期。

2 Matlab與CCS及目標(biāo)DSP間的連接

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

與CCS的連接對象 可從Matlab命令窗運行CCS中的應(yīng)用程序，向目標(biāo)DSP的存貯器、寄存器讀出/寫人數(shù)據(jù)，檢查DSP狀態(tài)，開始/停止目標(biāo)DSP中運行的程序。

與RTDX(實時數(shù)據(jù)交換)的連接對象 使Matlab與目標(biāo)DSP直接通信，Matlab可以實時地向目標(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。

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

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

3 Matlab輔助DSP實現(xiàn)FIR過程

Matlab輔助DSP實現(xiàn)FIR，其總體過程為在DSP中編寫處理程序；在Matlab中利用濾波器設(shè)計、分析工具(FDATool)，根據(jù)指定的濾波器性能快速設(shè)計一個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語言來實現(xiàn)程序。頭文件名不變，當(dāng)Matlab中設(shè)計的濾波器系數(shù)改變時，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中編寫處理程序

在CCS IDE中建立fir．pjt工程，用C語言編寫處理主程序fir．c，利用匯編語言文件，來定義中斷服務(wù)程序。另外根據(jù)板上的存儲器配置方式，編寫存儲器配置文件(．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程序存儲器中。

3．2利用FDATool設(shè)計FIR濾波器

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

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Export to C Header File對話框，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)類型可選浮點型或32 b，16 b整型等，根據(jù)自己安裝選擇目標(biāo)板板號和處理器號，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，添加的頭文件自動在工程目錄中顯示，目標(biāo)DSP自動為濾波器系數(shù)分配相應(yīng)的存貯空間。打開文件filtercoeff．h查看生成的濾波器系數(shù)，可看到系數(shù)是對稱的，這由所選濾波器類型而定。

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

在Matlab環(huán)境中生成所要處理的數(shù)據(jù)信號，利用CCSLink提供的Matlab與CCS及DSP間的連接對象，把數(shù)據(jù)由Matlab環(huán)境中傳至目標(biāo)DSP，運行目標(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、運行并停止目標(biāo)DSP中程序來操作目標(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現(xiàn)過程及代碼程序。

4 結(jié) 語

一般DSP芯片實現(xiàn)FIR濾波器時，常是先在Matlab中設(shè)計要求的濾波器，得到濾波器系數(shù)，在目標(biāo)DSP匯編程序中，對系數(shù)進行相應(yīng)的Q格式轉(zhuǎn)換，再用相關(guān)匯編指令實現(xiàn)FIR濾波器算法。但在調(diào)試時，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)試仿真帶來很大麻煩，使濾波器設(shè)計效率很低Matlab具有強大的數(shù)值分析、計算、信號處理及圖形顯示功能，并為用戶提供了強大的信號處理工具箱和友好方便的交互式圖形用戶界面，用Matlab輔助DSP 實現(xiàn)FIR，在濾波器系數(shù)改變時可以不必改變DSP中程序，大大提高了濾波器設(shè)計效率。本文只是利用Matlab輔助DSP實現(xiàn)了一個簡單的FIR低通濾波器，并在TMS320C6713 DSK上成功運行。還可以利用Matlab輔助DSP來實現(xiàn)比較復(fù)雜的諸如語音處理、通信、圖像處理等方面的程序開發(fā)，可以大大縮短DSP 應(yīng)用程序的開發(fā)時間，提高設(shè)計效率，這也是以后DSP設(shè)計的一個趨勢