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Matlab辅助DSP设计FIR数字滤波器的方案分析
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2017-10-23
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l 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：\ti\myprojects\fir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。
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：\ti\myprojects\fir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。
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