用DSP實現FIR數字濾波器

FIR濾波器具有幅度特性可隨意設計、線性相位特性可嚴格精確保證等優點，因此在要求相位線性信道的現代電子系統，如圖像處理、數據傳輸等波形傳遞系統中，具有很大吸引力。本文簡單介紹了其線性相位條件和設計方法，并且提供了一種用DSP實現的方法。
　　關鍵詞：IIR（Infinite Impulse Response）　FIR（Finite Impulse Response）　DSP（Digital Signal Processor）

一、 引　言

　　在許多信息處理過程中，如對信號的過濾、檢測、預測等，都要廣泛地用到濾波器，而數字濾波器則因其設計靈活、實現方便等特點而廣為接受。
　　所謂數字濾波器就是具有某種選擇性的器件、網絡或以計算機硬件支持的計算程序。其功能本質是按事先設計好的程序，將一組輸入的數字序列通過一定的運算后轉變為另一組輸出的數字序列，從而改變信號的形式和內容，達到對信號加工或濾波以符合技術指標的要求。

二、 數字濾波器的兩種類型

　　對于一般的數字濾波器，按照單位沖激響應可分為無限長沖激響應IIR（Infinite Impulse Response）系統和有限長沖激響應FIR（Finite Impulse Response）系統。
　　在IIR系統中，用有理分式表示的系統函數來逼近所需要的頻率響應，即其單位沖激響應h(n)是無限長的；而在FIR系統中，則用一個有理多項式表示的系統函數去逼近所需要的頻率響應，即其單位沖激響應h(n)在有限個n值處不為零。
　　IIR濾波器由于吸收了模擬濾波器的結果，有大量的圖表可查，可以方便、簡單、有效地完成設計，效果很好，但是其相位特性不好控制，必須用全通網絡進行復雜的相位較正，才能實現線性相位特性的要求。
　　FIR濾波器則可在幅度特性隨意設計的同時，保證精確、嚴格的線性相位特性。這在要求相位線性信道的現代電子系統，如圖像處理、數據傳輸等波形傳遞系統中，是具有很大吸引力的。而且，其單位沖激響應是有限長的，不存在不穩定的因素，并且可用因果系統來實現。
　　下面著重討論具有線性相位特性的FIR濾波器。

三、 FIR濾波器線性相位特性的條件及設計方法

　　1.線性相位條件
　　為保證濾波器帶內輸出信號的形狀保持不變，常常要求濾波器單位沖激響應h(n)的頻率響應H(ejω)應具有線性的相頻特性，即H(ejω)=H(ω)e-jωk，其中H(ω)為幅頻特性，k為正整數。由傅氏變換的特性可知，線性相位濾波器只是將信號在時域上延遲了k個采樣點，因此不會改變輸入信號的形狀。
　　可以證明，如果濾波器單位沖激響應h(n)為實數，且滿足：偶對稱即h(n)=h(N-1-n)或奇對稱h(n)=-h(N-1-n)時，則其相頻特性一定是線性的。
　　2.設計方法
　　(1) 窗函數設計法
　　從時域出發，把理想的無限長的hd(n)用一定形狀的窗函數截取成有限長的h(n)，以此h(n)來逼近hd(n)，從而使所得到的頻率響應H(ejω)與所要求的理想頻率響應Hd(ejω)相接近。優點是簡單、實用，缺點是截止頻率不易控制。
　　(2) 頻率抽樣設計法
　　從頻域出發，把給定的理想頻率響應Hd(ejω)加以等間隔抽樣，所得到的H(k)作逆離散傅氏變換，從而求得h(n) ，并用與之相對應的頻率響應H(ejω)去逼近理想頻率響應Hd(ejω)。優點是直接在頻域進行設計，便于優化，缺點是截止頻率不能自由取值。
　　(3) 等波紋逼近計算機輔助設計法
　　前面兩種方法雖然在頻率取樣點上的誤差非常小，但在非取樣點處的誤差沿頻率軸不是均勻分布的，而且截止頻率的選擇還受到了不必要的限制。因此又由切比雪夫理論提出了等波紋逼近計算機輔助設計法。它不但能準確地指定通帶和阻帶的邊緣，而且還在一定意義上實現對所期望的頻率響應實行最佳逼近。

四、 FIR濾波器的實現

　　不論是窗函數設計法，還是頻率抽樣設計法，都要求出濾波器的單位沖激響應h(n)，然后才能在時域中實現頻域中的濾波。
　　1.濾波系統的差分方程
　　在頻域，當其輸入信號為X(ejω)時，如濾波器的頻率響應為H(ejω)，則其輸出信號為Y(ejω)=X(ejω)H(ejω)。
　　在時域，設濾波器的單位沖激響應h(n)為一N點序列，即0≤n≤N-1時h(n)的值不為零，根據離散傅氏變換的性質，則可以將濾波器的輸入序列x（n）的響應y（n）表示為x（n）與h(n)的卷積和，即：

　　這就是濾波系統的差分方程，它給濾波器的實現奠定了理論基礎。即求出時域的h(n)后，便可通過卷積來實現頻域的濾波。
　　2.卷積和運算的實現
　　(1) h(n)序列N個點數值的存儲
　　由于h(n)是根據濾波性能要求已經設計好的有限長單位沖激響應，故其N個點的數值是已知的，因此可以存放在ROM或RAM當中，且對應著N個不同的地址，便于尋址。
　　(2) 輸入序列x（n）的移位寄存
　　輸入序列x（n）是不斷變化的，因此只能對其進行移位寄存，寄存器的個數為N，即N個寄存器中分別存放著x（n）、x（n-1）……x（n-N+1），它們都隨著n的變化而變化。
　　(3) 乘法器
　　用以完成兩個數值的乘法，即h(m)x（n-m），也就是將存儲器中N地址所對應的N個固定數值h(m)分別與N個移位寄存器中的不斷變化的N個變化數值x（n-m）相乘。
　　(4) 累加器
　　用以實現N個乘積的累加，即將當前x（n）所對應的N個乘積進行累加，所得到的和就是y（n）。當濾波器的下一個輸入值即x（n +1）到來時，累加器清零，并重新將下一組x（n +1）所對應的N個乘積進行累加，所得到的和就是y（n +1）。
　　3.DSP的支持
　　DSP作為信號處理應用，與一般微處理器有很大的區別。
　　(1) 哈佛結構：采用多個并行存儲器塊結構，使得能夠訪問的存儲器個數增加，從而減少在一個指令周期中所需存儲器操作周期數。
　　(2) 乘加流水線為核心的數據通路：卷積和運算的基本操作就是乘法與加法，DSP則將相乘及累加統一考慮，構成以乘法器、加法器流水線為中心的運算部件。
　　(3) 特殊的指令：指令RPT由數據存儲器指定重復次數，指令MACD可以一次完成相乘并帶數據移位的累加，因此使得每一級FIR濾波器只需一個指令周期。
　　(4) 指令系統的多級流水線：采用多級流水線操作方式，可以把指令周期減小到最小值，同時也就增加了數字信號處理器的吞吐量。

五、 具體電路框圖及程序流程圖

　　圖 1為FIR濾波器DSP實現的電路方框圖，其核心部分為TI公司生產的DSP芯片TMS320C203 ，EP2ROM和RAM是其外圍電路。DSP送給A/D抽樣時鐘，對輸入的模擬信號抽樣，即將模擬信號轉換成數字信號，然后讀取每一次的抽樣值，并對抽樣值進行卷積運算（FIR數字濾波），最后將運算結果（濾波后的數字信號）送至D/A ，轉換成模擬信號進行輸出。

圖 1　電路框圖

　　圖 2為程序流程圖，說明如下：

圖 2　程序流程圖

　　(1) 對DSP進行初始化，定義DSP的一些向量和工作模式；
　　(2) 為數字濾波作準備，將預先設計好的有N個抽頭的FIR數字濾波器的沖激響應序列h(n)中的N個數值放入存儲單元B1～BN；
　　(3) 作好濾波準備工作后，開始進行抽樣，并讀入抽樣值，放入存儲單元A1中；
　　(4) 之后便對抽樣值進行運算處理：
　　(a) 將累加器清零，并設置兩個準備相乘的存儲單元A與B的初始值K和L;
　　(b) 將第K個抽樣值AK與沖激響應序列的第L個數值BL相乘（K+L=N+1），并將乘積送入累加器進行累加；
　　(c) 將第K-1個抽樣值AK-1放入AK，此時AK中原數值被覆蓋；
　　(d) 重復(b)～(c)，直至共完成N次乘加運算。
　　(5) 輸出處理結果；
　　(6) 重復(3)～(5)。

六、 結束語

　　FIR濾波器具有嚴格的線性相位，且是可物理實現的因果系統，因此被廣泛地應用在現代通信技術當中，如解調器中的位同步與位定時提取、自適應均衡去碼間串擾以及話音的自適應編碼等。可見對FIR濾波器的研究是具有非常重要的現實意義的。