FIR数字滤波器在TI DSP上的实现

沙岩 李娜娜 王丹

【摘要】 本文针对TI公司TMS320VC54x系列DSP芯片TMS320VC5409构成的数字信号处理硬件电路，设计了FIR数字滤波器程序，程序采用汇编语言编写，具有占用存储空间少，运行速度快的优点，能够更好地适应需要实时滤波的场合[1]；阐述了FIR数字滤波器的理论设计及在DSP上的实现过程。根据其实现思路，可以很方便设计出符合要求的滤波器。

【关键词】 FIR数字滤波器 CCS TI DSP TMS320

数字信号处理器（DSP）是针对数字信号处理需要而设计的一种可编程的单片机。作为TI公司的定点系列DSP产品之一TMS320VC5409的出现，其高速的运算速度为实现数字信号的实时处理和实时控制提供了更为方便的途径。这种单片DSP把高速控制器的灵活性和阵列处理器的数值计算能力结合起来，从而提供了廉价的、比多位更为可取的处理器。

一、FIR数字滤波器优势分析

IIR数字滤波器虽然有优异的幅度响应和实现效率，但是这是以牺牲相位的非性为代价的，选择性越好，则相位的非线性越严重，非线性相位会引起频率的色散；其次设计系数的时候必须注意到稳定性的问题，极点不能位于单位圆之外，比较难确定。即频率特性中的相频特性具有非线性，其结果会造成处理信号产生相位失真而发生畸变。如果需要线性的相频特性，必须采用全通网络来修正。FIR数字滤波器可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时FIR 数字滤波器的单位冲激响应是有限个的，其实现的结构是非递归型的，因此系统是绝对稳定的； FIR滤波器的固定位噪声较容易控制，其以固定位制作时的误差对整个系统的影响较小；FIR滤波器易设计成具有线性相位响应系统，一个具有线性相位的系统对于输入信号的不同频率成份皆会有固定的延迟时间，因此不会造成信号的相位失真，相位失真对于某些信号的影响相当严重，如音频和视频，相位失真会造成声音和影像品质的不良，明显的例子像是电视的重影就是相位失真造成的，其它像一些数据传输系统是利用不同相位调制，此时相位失真也会造成数据传输的错误。因此FIR滤波器较IIR滤波器的应用更为广泛。

二、FIR滤波器设计与实现

2.1 FIR数字滤波器的结构原理

FIR滤波器的制作只是有限项的直接回旋运算，FIR系统可以利用快速傅立叶转换执行以减少所需要运算的个数，增加执行的效益。FIR数字滤波器有直接型和转置型结构，直接型结构也称为抽头延迟线结构，或称横向滤波器结构。直接型中可以看出，沿着这条链每一抽头的信号被适当的系数（脉冲响应）加权，然后将所得乘积相加就得到输出y（n）。

2.2 FIR数字滤波器的C54x实现

通过CCS的图形显示工具观察输入输出信号波形以及频谱的变化 [3].例如FIR数字滤波器的最主要特点是没有反馈回路，因此它是无条件稳定系统，它的单位冲激响应h（n）是一个有限长序列。用线性缓冲区实现延时操作的优点是：新老数据在存储器中存放的位置直接明了。为了采用线性缓冲区进行延时，需将系数和数据均存放在DARAM中，这样程序的执行速度最快。

三、在CCS环境下FIR滤波器性能仿真和实际测试

3.1 CCS环境下FIR数字滤波器的实现过程

由于奈奎斯特采样定理，数字滤波器的处理能力受到系统采样频率的限制。如果输入信号的频率分量包含超过滤波器1/2采样频率的分量时，数字滤波器因为数字系统的“混叠”而不能正常工作。如果超出1/2采样频率的频率分量不占主要地位，通常的解决办法是在模数转换电路之前放置一个低通滤波器将超过的高频成分滤除[4]。

为了对信号进行滤波，首先必须根据技术指标设计一个数字滤波器。我设计一个FIR低通滤波器。其技术指标为：通带截止频率为1500Hz，阻带截止频率为2000Hz，通带波纹是0.01，阻带波纹是0.1，取样频率是8000H。

3.2 结果分析

在CCS环境中用汇编语言编写一个实现FIR数字滤波器的程序及链接器命令文件，编译程序，在屏幕上显示滤波器的输入x（n）与输出信号y（n）的频谱图。 当频率为1000赫兹和3000赫兹的两个频率信号，经过截止频率为2000赫兹的FIR数字滤波器后，频率为3000赫兹的信号得到了一定程度的压制，频率为1000赫兹的信号被保留，基本没有变化。总体上来说，达到了滤波的效果。

本文介绍了一种基于C5409硬件平台的FIR数字滤波器实现方案。选用FIR滤波器会避免相位延迟。在汇编语言程序中，FIR滤波器采用的是直接型结构，并且采用带移位双操作数指令来实现，所设计的程序直观易懂。由于是线性相位的FIR滤波器，还可以采用线性相位FIR滤波器的结构及相应的DSP指令来设计程序。占用存储空间少，运行速度快。文章表明，FIR数字滤波器准确度高、稳定性好，易于移植使用，具有较强的实用性与灵活性。

参 考 文 献

[1]彭启琮.TMS320VC54x实用教程.成都：电子科技大学出版社，2010

[2]刘顺兰，吴杰.数字信号处理.西安：西安电子科技大学出版社，2013

[3]程培青等.数字信号处理.北京：清华大学出版社，2012

[4]王念旭等.DSP基础与应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2014