第1章 前言
数字信号处理器(DSP)已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用，近年来随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。所谓信号处理是指对信号进行滤波、变换、分析、加工、提取特征参数等的过程。在电子仪器和测量中，最典型的是用频谱分析仪对信号进行频谱分析，从而了解和取得信号的频率(或频谱)特性。在现代计算机和相关的技术发展起来以前，这一过程只能用传统频谱分析仪实现。众所周知，这种传统的频谱分析仪，无论在设计制造还是所采用的元器件方面，都要求较高的水平。尤其是频率范围宽、指标高的，设计制造的难度就更高，而其价格也非常昂贵。自从计算机及随之而兴起的数字信号处理技术发展和日趋成熟起来以后，信号频谱分析的途径，正在逐步由DSP所取代。随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理己成为一门极其重要的学科和技术领域，它在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理应用中，数字滤波器十分重要并以获得广泛应用。
美国德州仪器公司(TI)很早开始就一直致力于专用的数字信号处理器芯片的研制和生产。著名TMS320系列芯片已为科技界所熟知。据最近报道，新的TM320C64 x的运行速度己高达600MHz，其内核的8个功能单元能在每个周期同时执行4组16位MAC运算或8组8位MAC运算。单个C 64x DSP芯片能同时完成一个信道的MPEG4视频编码，一个信道的MPEG4视频解码和一个MPEG2视频解码，并仍有50%的余量留给多通道语音和数据编码，自然，还有其他一些厂商也研制生产了不少品种专用或通用的数字信号处理器芯片。
数字滤波作为数字信号处理的重要组成部分有着十分广泛的应用前景，可作为应用系统对信号的前置处理。同时用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受外界影响等优点外，还具有灵活性好的特点，可对DSP芯片编程来实现数字滤波的参数修改，进而十分方便地修改滤波器的特性。因此基于DSP的数字滤波被广泛应用于语音、图像、软件无线电等领域，具有广阔的发展空间。
在数字信号处理中，数字滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。在许多信号处理应用中使用数字滤波器代替模拟滤波器是有利的。数字滤波器容易实现不同的幅度和相位频率特性指标，克服与模拟滤波器器件性能相关的电压漂移、温度漂移和噪声问题。用DSP芯片实现数字
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滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外，还具有灵活性好的特点。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。几乎每一科学和工程领域例如声学、物理学、通信、数据通信、控制系统和雷达都涉及信号。在许多应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算。这些过程都可能包含衰减一个频率范围阻止或隔离一些频率成分。数字滤波器扩展了应用范围，例如数字图象处理、模式识别、谱分析等。
数字滤波在数字信号处理中占有重要的地位，数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器(IIR)和有限冲激响应滤波器(FIR). FIR滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现的严格线性相位等优点，因而在对相位要求比较严格的条件下，易采用FIR数字滤波器。同时，由于在许多场合下，需要对信号进行实时处理，因而对于单片机的性能要求也越来越高。普通的单片机例如MCS 51难以满足这一要求。由于DSP控制器具有许多独特的结构，例如采用多组总线结构实现并行处理，独立的累加器和乘法器以及丰富的寻址方式，采用DSP控制器就可以提高数字信号处理运算的能力，可以对数字信号做到实时处理。
用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性。几乎每一科学和工程领域例如声学、物理学、通信、数据通信、控制系统和雷达都涉及信号。在许多应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算。这些过程都可能包含衰减一个频率范围阻止或隔离一些频率成分。数字滤波器扩展了应用范围，例如数字图象处理、模式识别、谱分析等。一个带宽受限的连续时间信号能够通过采样的方法变换成离散时间信号，经过处理后离散时间信号能够转换回连续时间信号。有限长单位冲激响应(FIR)数字滤波器，与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比有以下几大优点,
(1)简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的集成度和可靠性。
(2)对干扰信号的抑制能力有了明显提高，这对系统的控制精度和稳定性的提高起到了促进作用。
(3)数字滤波器的参数调节比起模拟滤波器来更加方便、灵活。
数字信号处理(Digital Signal Processing)是利用专用处理器或计算机，以数字的形式对信号进行采样、变换、滤波、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们要求的信号形式。数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)是一种处理数字信号的专用微处理器，主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法。它在结构上针对数字信号处理的特点进行了改进和优化，并且增加了特殊的指令专门用于数字处理，因而处理速度更快，效率更高。
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第2章 系统硬件设计
2.1 TMS320C5402芯片
TMS320C5402是TI的第七代DSP产品之一，它具有优化的CPU结构，内部有1个40位的算术逻辑单元(包括一个40位的桶式移位 寄存器和2个独立的40位累加器)，一个17×17的乘法器和一个40位专用加法器，16K字RAM空间和4K×16bitROM空间。共20根地址线，可寻址64K字数据区和1M字程序区，具有64KI/O空间。处理速度为l00MIPS，速度高、功耗低。引脚分布如图2-1所示。
TMS320C5402采用修正的哈佛结构和8总线结构(4条程序/数据总线和4条地址总线)，以提高运算速度和灵活性。在严格的哈佛结构中，程序存储器和数据存储器分别设在两个存储空间，这样，就允许取址和执行操作完全重叠。修正的哈佛结构中，允许在程序和数据空间之间传送数据，从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算、逻辑运算、位操作、乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。与修正的哈佛结构相配合，TMS320C5402还采用了一个6级深度的指令流水线，每条流水线之间彼此独立，在任何一个机器周期内可以有1至6条不同的指令在同时工作，每条指令工作在不同的流水线上，使指令的执行时间减小到最小和增大处理器的吞吐量。
TMS320C5402的硬件结构具有硬件乘法器、8总线结构、功能强大的片内存储器配置和低功耗设计的特点。因此，可以进行高速并行处理，同时，集成度高可节省硬件开销，提高系统抗干扰性。它除了完成数字信号处理任务外，还可以兼顾通用单片机的操作任务，因此，它是集数字信号处理与通用控制电路于一体的多功能低功耗微处理器。
综上所述C5402的CPU结构特征如下。
(1)具有高性能的改进的哈佛总线结构，即具有三条独立的16bit数据存储器 总线和一条16bit的程序存储器总线。
(2)具有一个40bit的算术逻辑单元，包括一个40bit的筒形移位器和两个独立的加法器。
(3)17×17bit的并行乘法器与专用的40bit加法器相结合。 (4)具有专用于Viterbi蝶形算法的比较、选择、和存储单元(CSSU)。
(5)指数译码器可以在一个指令周期内求一个40bit累加数的指数值，这里的指数定义为累加器中没有数据占用的位数的个数减去8。
(6)两个地址发生器、八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元(ARAU)。
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图2-1 C5402引脚分布
2.2滤波器分类
数字滤波器从功能上看，可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。数字滤波器根据其单位脉冲响应可分为IIR (Infinite Impulse Response) 无限长冲激响应滤波器和FIR (Finite Impulse Response) 有限长冲激响应滤波器两类。IIR滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，但在有限精度的运算中可能出现不稳定现象，而且相位特性不好控制。在许多实际应用中为了保证滤波后的信号不产生相位失真。一般均采用FIR滤波器。
2.3滤波器设计原理
数字滤波器的设计问题就是寻找一组系数Ai和Bi，使得其性能在某种意义上逼近所要求的特性。如果在s平面上去逼近，就得到模拟滤波器，如果在z平面上去逼近，则得到数字滤波器。
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数字滤波是将输入的信号序列，按规定的算法进行处理，从而得到所期望的输出序列。一个线性位移不变系统的输出序列y(n)和输入序列x(n)之间的关系，
应满足常系数线性差分方程：
（2-1） y(n)??bix(n?i)??aiy(n?i) n?0i?0i?1
N?1Mx(n)为输入序列，y(n)为输出序列，Ai、Bi 为滤波器系数，N为滤波器的阶数。
2.4 FIR滤波器设计
FIR 滤波器能够在保证幅度特性满足技术要求的同时，易做成严格的线性相位特性，且FIR滤波器的单位抽样响应是有限长的，因而滤波器一定是稳定的，而且可以用快速傅里叶变换算法实现，大大提高了运算速率。同时只要经过一定的延时，任何非因果有限长序列都能变成因果的有限长序列，所以系统总能用因果系统来实现。但FIR必须用很长的冲激响应滤波器才能很好地逼近锐截止的滤波器，需要很大的运算量，要取得很好的衰减特性，需要较高的阶次。
有限长单位冲激响应（FIR）滤波器有以下特点： (1) 系统的单位冲激响应h (n)在有限个n值处不为零；
(2) 系统函数H(z)在|z|>0处收敛，极点全部在z = 0处（因果系统）；
(3) 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。
长度为N的FIR滤波器的单位冲激响应h(n)的系统函数为：
（2-2）
其差分方程为：
（2-3）
FIR滤波器直接型结构如图2-2所示：
图2-2 FIR滤波器直接型结构
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x(n) h(0) Z-1
h(1) Z-1 Z-1 h(N-1) Z-1 h(N) y(n)