Matlab辅助DSP设计FIR数字滤波器 滤波器, 稳定性, 开发

samwalton

1 引 言
随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术在众多领域得到广泛应用。数字滤波器由于其精度高、稳定性好、使用灵活等优点，广泛应用在各种数字信号处理领域。数字滤波器根据冲击响应函数的时域特性，可以分为FIR(有限长冲击响应滤波器)和IIR(无限长冲击响应滤波器)。FIR滤波器与IIR滤波器相比，具有严格的线性相位，幅度特性可任意等优点。而且，FIR滤波器的单位抽样响应是有限长的，故一定是稳定的，他又可以用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现过滤信号，可大大提高运算效率。
Matlab辅助DSP开发实现的关键是建立Matlab与DSF 间的连接。以往一般是由开发工具CCS把DSP中间结果先保存，再调入Matlab工作空间与：Matlab仿真中间结果比较，以此发现DSP程序的不足，这需要反复操作，比较麻烦。Math Works公司和TI公司共同开发的．Matlab Link for CCS开发工具(CCSLink)，实现了在．Matlab，TICCS开发环境和DSP硬件问的双向连接，开发者可以利用Matlab强大的数据处理、分析、可视化功能来处理CCS和目标DSP中的数据，可以大大简化DSP软件开发的分析、调试和验证过程，缩短软件开发周期。
2 Matlab与CCS及目标DSP间的连接
Matlab可通过3种方式与CCS、目标DSP进行连接、数据交换。CCSLink提供了3种连接对象：
与CCS的连接对象可从Matlab命令窗运行CCS中的应用程序，向目标DSP的存贮器、寄存器读出/写人数据，检查DSP状态，开始/停止目标DSP中运行的程序。
与RTDX(实时数据交换)的连接对象使Matlab与目标DSP直接通信，Matlab可以实时地向目标DSP取出/发送数据，并不停止DSP中正在执行的程序。
嵌入式对象在Matlab环境中创建，该对象可代表嵌入在目标C程序中的变量，由其可以直接对嵌入在目标DSP存贮器/寄存器中的变量进行操作。
下面利用Matlab与CCS及目标DSP的连接利用Matlab辅助DSP实现一个低通FIR数字滤波器并把实现的滤波结果和Matlab中仿真的滤波结果进行比较。
3 Matlab辅助DSP实现FIR过程
Matlab辅助DSP实现FIR，其总体过程为在DSP中编写处理程序；在Matlab中利用滤波器设计、分析工具(FDATool)，根据指定的滤波器性能快速设计一个FIR，然后把滤波器系数以头文件形式导人CCS中，头文件中含滤波器阶数和系数数组，在Matlab中调试、运行DSP程序并显示、分析处理后的数据。使用该方法，便于采用C语言来实现程序。头文件名不变，当Matlab中设计的滤波器系数改变时，相应头文件中系数也改变，方便了程序调试、仿真。
3．1在CCS中编写处理程序
在CCS IDE中建立fir．pjt工程，用C语言编写处理主程序fir．c，利用汇编语言文件，来定义中断服务程序。另外根据板上的存储器配置方式，编写存储器配置文件(．cmd文件)，编译、链接，生成可执行文件(fir．out文件)，加载到目标DSP程序存储器中。
3．2利用FDATool设计FIR滤波器
FIR滤波器设计方法有很多种，利用Matlab中的FDATool(Filter Design & Analysis TOO1)来设计是经常被使用到的一种。FDATool是通过指定滤波器的性能指标来快速设计FIR或者IIR滤波器，他是一种图形设计界面。
指定FIR滤波器为低通滤波器(Lowpass)，指定阶数为30，采样频率F，为5 000 Hz，截止频率为400 Hz。打开FDATool界面(在Matlab命令窗输入fdat00l)，选FIR(Window)，用Hamming窗方法；菜单Edit->Convert Structure，选Direct Form FIR，即滤波器结构为直接I型；菜单Analysis用来选择不同的分析显示方式，如幅度响应、相位响应、脉冲响应、阶跃响应、滤波器系数等。指定完设计参数后单击按钮Design Filter，生成滤波器系数。FDATool界面如图1所示。

把生成的滤波器系数传到目标DSP中有两种方式，一种把滤波器系数输入到一个C头文件，在所建工程中添加该C头文件，另一种直接把生成的滤波器系数加到DSP存贮器中。本文采用第一种方法。
选择菜单Targets->Export to Code Composer Studio(tm)IDE，打开Export to C Header File对话框，选择C header file，指定变量名(滤波器阶数和系数向量)，输出数据类型可选浮点型或32 b，16 b整型等，根据自己安装选择目标板板号和处理器号，单击OK，保存该头文件，需指定文件名(filtercoeff．h)和路径(保存在c： imyprojectsfir工程中)。打开fir工程文件夹，该滤波器系数头文件filtercoeff．h已含在工程中。该头文件用到Matlab中的tmwtypes．h文件，需把该文件也包含在工程中，还要在fir．c文件中声明包含滤波器参数头文件，即：
#include〃filtercoeff．h〃
然后编译、链接工程，添加的头文件自动在工程目录中显示，目标DSP自动为滤波器系数分配相应的存贮空间。打开文件filtercoeff．h查看生成的滤波器系数，可看到系数是对称的，这由所选滤波器类型而定。
3．3 Matlab向目标DSP传送数据并运行、显示结果
在Matlab环境中生成所要处理的数据信号，利用CCSLink提供的Matlab与CCS及DSP间的连接对象，把数据由Matlab环境中传至目标DSP，运行目标DSF中程序，并读出目标DSP的处理结果和Matlab中的处理结果比较。Matlab中程序段如下：

以上程序段为利用CCSLink函数在Matlab中编译、链接、运行并停止目标DSP中程序来操作目标DSP。以下程序段为在Matlab中显示出经目标DSP处理前后的数据。

结果图形如图2所示。


另外，还有一种方法，即先在Matlab中把数据保存为数据文件，再利用探针或数据文件导入方式把该数据文件导人到处理程序中。处理完的数据再由探针或导出方式送到Matlab。这种方法需注意：Matlab生成数据文件时要转换为CCS能处理的数据格式。此方法将另文给出具体实现过程及代码程序。
4 结 语
一般DSP芯片实现FIR滤波器时，常是先在Matlab中设计要求的滤波器，得到滤波器系数，在目标DSP汇编程序中，对系数进行相应的Q格式转换，再用相关汇编指令实现FIR滤波器算法。但在调试时，每改变一次滤波器参数，相关系数也改变，目标DSP 中的程序也要做相应改变，给调试仿真带来很大麻烦，使滤波器设计效率很低Matlab具有强大的数值分析、计算、信号处理及图形显示功能，并为用户提供了强大的信号处理工具箱和友好方便的交互式图形用户界面，用Matlab辅助DSP 实现FIR，在滤波器系数改变时可以不必改变DSP中程序，大大提高了滤波器设计效率。本文只是利用Matlab辅助DSP实现了一个简单的FIR低通滤波器，并在TMS320C6713 DSK上成功运行。还可以利用Matlab辅助DSP来实现比较复杂的诸如语音处理、通信、图像处理等方面的程序开发，可以大大缩短DSP 应用程序的开发时间，提高设计效率，这也是以后DSP设计的一个趋势