基于TMS320C6701的自適應濾波器設(shè)計與調(diào)試
[導讀]基于TMS320C6701的自適應濾波器設(shè)計與調(diào)試
對于系數(shù)固定的FIR、IIR濾波器所具有的特性是確定的，對于輸入信號可根據(jù)這個濾波器產(chǎn)生相應的輸出，即先有了濾波器系數(shù)，然后決定相應的輸出值。但有些實際應用往往是反過來要求的，即對濾波器輸出的要求是明確的，而濾波器的特性卻無法事先知道。如在通信系統(tǒng)中，信號通過信道傳輸，由于信道頻率特性的影響，接收信號失真畸變而引發(fā)碼間干擾，這將嚴重影響通信質(zhì)量，為此，需要在系統(tǒng)中插入一種可調(diào)的濾波器以減小碼間干擾，這種系數(shù)可調(diào)的濾波器即為自適應濾波器。其參數(shù)可以自動地按照某種準則調(diào)整到最佳濾波。自適應濾波器已廣泛應用于系統(tǒng)模式識別，通信信道的自適應均衡，雷達與聲納的波束形成，減少或消除心電圖中的周期干擾，噪聲中信號的檢測、跟蹤、增強和信號預測等。
1 自適應濾波器的原理
自適應濾波器的原理如圖1所示。
圖中x(n)稱為輸入信號，y(n)是輸出信號，d(n)稱為期望信號，或稱參考信號、訓練信號，e(π)是誤差信號，e(n)=d(n)-y(n)。
自適應濾波器H(z)的系數(shù)根據(jù)誤差信號，通過一定的自適應算法，不斷地進行改變，使輸出信號y(n)最接近期望信號d(n)。
本文以自適應處理器為例說明自適應濾波器的設(shè)計。
2 自適應濾波器的設(shè)計
2.1 TMS320C6701的主要特點
TMS320C6701是一種通用浮點超高速DSP，與TMS320C6201管腳兼容，主頻167 MHz，共8個運算單元，其中6個為浮點單元，也采用8*32 b=256 b的超長指令字，分置運算能力為1 GFLOPS或1 336 MIPS，結(jié)構(gòu)上與C6201類似，不同之處在于：
(1)4個浮點／定點ALU；
(2)2個定點ALU；
(3)2個浮點／定點乘法器，乘法器接受32 b定點數(shù)，產(chǎn)生64 b結(jié)果；
(4)支持32／64 b的IEEE浮點格式；
(5)峰值運算能力為：1 GFLOPS(32 b單精度)，256 MFLOPS(64 b雙精度)，乘法并行操作688 MFLOPS。
2.2 自適應處理器的實現(xiàn)
在自適應信號處理中，DSP要根據(jù)一定的算法，從實測數(shù)據(jù)中估算出權(quán)值，然后DSP把這種自適應權(quán)與數(shù)據(jù)合成，得到期望的輸出。圖2是一個自適應對消原理圖，在3路數(shù)據(jù)中都含有期望的信號和要抑制的干擾，其中各路的干擾是相關(guān)的，而信號的相關(guān)性很弱，信號與干擾不相關(guān)。自適應算法就是從3路數(shù)據(jù)中取來一批數(shù)據(jù)作為樣本，按最小二乘法則，將3路數(shù)據(jù)合成，使得合成輸出中干擾基本上被消除，而信號仍較強。為了使信號不隨干擾一起被對消掉，希望在求全樣本中無信號。
可采用DSP對3路輸入支路進行自適應合成，每路數(shù)據(jù)為復數(shù)據(jù)，I，Q串行，即先實部后虛部的次序，數(shù)據(jù)速率為1.5 MHz，根據(jù)復數(shù)的合成公式為：
y=x0-w1xl-w2x2
wn，xn，y均為復數(shù)。每輸出一個復數(shù)數(shù)據(jù)，需要8次實數(shù)乘法和8次實數(shù)加法，要求DSP始終保持24 MFLOPS的運算速度。主頻60 MHz的TMS320C6701峰值運算速度為60 MFLOPS，數(shù)據(jù)輸入／輸出速度也能滿足要求。
自適應權(quán)值的運算和系統(tǒng)的一些控制功能由另一片TMS320C6701完成，此C6701定期從3路信號中取得一批數(shù)據(jù)作為樣本，樣本中僅含干擾而沒有信號成分，然后按照如下公式計算出自適應權(quán)w=[w1，w2]T：
其中E表示求數(shù)學期望，在此用N次平均值近似取代，N定為16，各元素均為復數(shù)。[!--empirenews.page--]
2.3 硬件結(jié)構(gòu)與原理
本電路采用2片C6701，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，3路信號為10位定點數(shù)據(jù)格式，拼成30位并行數(shù)據(jù)送到C6701的總線上，C6701將其讀到片內(nèi)RAM，利用移位指令分解為3個定點數(shù)。求權(quán)C6701必須把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)，才能以較高的精度快速求出自適應權(quán)。求權(quán)運算中要用到除法操作，浮點DSP進行除法運算很方便。求權(quán)C6701將求得的權(quán)轉(zhuǎn)換為16位定點格式，寫到兩片C6701共用的RAM中，加權(quán)C6701按定點方式用自適應權(quán)對3路數(shù)據(jù)加權(quán)，對結(jié)果取16位，通過FIFO后送出。
系統(tǒng)時鐘為3 MHz，此時鐘將3路共30位數(shù)據(jù)以及I，Q標志位共6701位數(shù)據(jù)送向C6701，兩片C6701利用互鎖信號XF0、XF1確保正確地從總線上讀取數(shù)據(jù)，既不丟失，也不重復讀取，并根據(jù)數(shù)據(jù)的I，Q標志區(qū)分復數(shù)據(jù)的實部和虛部，兩片C6701的操作如下：
(1)求權(quán)C6701用XF1和互鎖指令定期讀取一批數(shù)據(jù)作為樣本，求得自適應權(quán)，并化為16位定點數(shù)。
(2)求權(quán)C6701利用配置成通用輸出管腳的TCLK0、TCLK1向加權(quán)C6701先后提出INT0請求、HOLD請求。
(3)求權(quán)C6701取得兩片C6701的公共總線控制權(quán)，利用地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫R／W和STRB向公共RAM寫入自適應權(quán)，然后撤銷HOLD請求。
(4)加權(quán)C6701取得總線控制權(quán)，從公共RAM中讀自適應權(quán)。
(5)加權(quán)C6701進行3路數(shù)據(jù)合成，把16位結(jié)果和I，Q標志寫入FIFO；系統(tǒng)按數(shù)據(jù)時鐘從FIFO中取走數(shù)據(jù)。加權(quán)C6701一直進行這樣的合成、寫FIFO操作，直到求權(quán)C6701下一次提出中斷、HOLD請求。
(6)在兩片C6701訪問公共RAM，以及加權(quán)C6701向FIFO寫數(shù)時，輸入緩沖器74F245上的三態(tài)使能是關(guān)閉的。
2.4 時序要求
C6701利用互鎖操作從數(shù)據(jù)線上正確讀數(shù)是關(guān)鍵，數(shù)據(jù)時鐘的占空比是50％，將它與C6701的XF1(設(shè)定為輸入)相連，C6701通過互鎖指令保證讀數(shù)操作與數(shù)據(jù)時鐘準確同步，同時加權(quán)C6701還要完成多次乘加運算和FIFO寫數(shù)操作，這要求在硬件時序給定的情況下，C6701利用軟件指令的優(yōu)化排列來保證處理的正確性和高效性，其同步和運算、讀寫流程如圖4所示，當C6701讀數(shù)、寫FIFO的時序與數(shù)據(jù)時鐘不合拍時，可以執(zhí)行指令執(zhí)行順序或增減空操作(NOP)指令。
3 軟硬件調(diào)試
將PC機通過仿真卡、電纜與C6701電路板上的仿真口接好，給電路板加電，運行仿真軟件，觀察C6701的寄存器、程序、數(shù)據(jù)內(nèi)容，因為有兩片C6701，用兩個仿真器調(diào)試更方便。軟硬件調(diào)試的工作主要是C6701與其他設(shè)備的握手、通信問題。求權(quán)C6701的主要調(diào)試過程是：
(1)調(diào)試互鎖讀數(shù)指令，若有信號源，即前端送來3路數(shù)據(jù)和相應的時鐘且3路信號值已知或已測出的話，則令C6701全速運行讀取一段數(shù)據(jù)，然后讓C6701停下來，觀察讀到的數(shù)據(jù)與送來的數(shù)據(jù)是否完全一致，若不一致，則逐步檢查；若沒有信號源，則利用示波器或邏輯分析儀來分析波形，C6701進行互鎖讀時，就會將XF0置低，觀察XF0與XF1(數(shù)據(jù)時鐘)以及STRB信號的波形，可以看出同步互鎖的時序配合，若達不到要求，則要修改C6701程序，還應注意C6701讀數(shù)時刻(STRB上升沿)是否臨近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換沿。
(2)向RAM寫自適應權(quán)：利用仿真器直接察看RAM中內(nèi)容是否正確寫入，或者將寫入的權(quán)再從RAM讀回后比較，以次驗證存儲器總線操作。
4 程序固化
軟硬件調(diào)試符合要求后，就可以將程序固化到RAM中。求權(quán)C6701的程序代碼固化在EPROM地址1000H開始的區(qū)間，加權(quán)C6701的程序代碼固化在EPROM地址8000H開始的區(qū)間，求權(quán)C6701是標準的8位ROM引導方式，而加權(quán)C6701是串行口引導方式，其程序頭與求權(quán)C6701代碼的程序頭一樣，加權(quán)C6701的32位代碼事先按先低字節(jié)，后高字節(jié)的順序轉(zhuǎn)換成8位代碼。
求權(quán)C6701的代碼在上電復位后自動裝入片內(nèi)RAM，求權(quán)C6701引導成功后要通過串口向加權(quán)C6701發(fā)送加權(quán)C6701的代碼，求權(quán)C6701總共向加權(quán)C6701發(fā)送N+2個32字。
在程序固化后，再檢驗電路板的工作是否正確，可通過C6701的IACK等管腳連到的發(fā)光二極管閃爍來表明DSP程序已經(jīng)正確引導并正常運行，在C6701的程序中應加入IACK指令，C6701全速工作時定期在IACK管腳上輸出一個負脈沖。
5 結(jié) 語
DSP器件已經(jīng)應用于很多領(lǐng)域，用其構(gòu)成的自適應濾波器，也得到了廣泛應用，本文提出的這種特殊結(jié)構(gòu)的自適應濾波器，由于有較好的實時性和濾波效果，應該有較好的應用前景。
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