技经济市场
基于ＤＳＰ窗函数法实现的有限单位冲激响应ＦＩＲ数字滤波器
李想’，姜以涛２
（１陕西国防工业职业技术学院电子信息学院，陕西西安７１０３００；２江苏博世汽车柴油系统股份有限公司，
江苏无锡２１４０２８）
摘要：利用ＦＩＲ和ＤＳＰ各自的特点，将两者有机地组合成一个整体系统。基于ＤＳＰ实现ＦＩＲ数字滤波器，具有准确度高、稳 定性好，易移植使用，有较强的实用性与灵活性的特点。重点利用窗函数法实现ＦＩＲ数字滤波器。通过反复修改参数得到优 化结果，并找出进一步改进的措施。 关键词：数字信号处理；有限单位冲击响应；ＤＳＰ；ＦＩＲ
０引言
有限单位冲击响应（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ，简称ＦＩＲ）滤 波器的实现，是以微处理器和半导体元器件为核心，横跨多学科
领域，并广泛应用于控制领域，ＦＩＲ滤波器具有幅度特性可随意
设计、线性相位特性可严格精确保证等优点，因此在要求相位线 性信道的现代电子系统，如图像处理、数据传输等波形传递系统
中，具有很大吸引力。本课题为基于ＤＳＰ窗函数法实现的ＦＩＲ
数字滤波器，其中涉及到ＤＳＰ和ＨＲ这两个专有名词。其中
ＤＳＰ为Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（数字信号微处理器）的简写，发
展至今其以功能强大、高速度、可编程、低功耗著称，其中最著名 ＤＳＰ生产商为美国德州仪器（，Ｉ’Ｉ）公司。
１ 数字滤波器的功能
一个数字滤波器可以用系数函数表示为
，，、一∑ｋ＝Ｏ ｚ一 ｙ（ｚ）
ｌ一∑ ｚ
直接由此式可得出表示输入输出关系的常系数线性差分方
程为 ．ｖ （＂）＝∑ａｋｙ（ｎ一七）＋∑ｂ 一七）
数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算变换成 输出序列。可以用以下两种方法来实现数字滤波器：一种方法是
把滤波器所要完成的运算编成程序并让计算机执行，也就是采
用计算机软件来实现；另一种方法是设计专用的数字硬件、专用
的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来实现。
第１０卷第ｌ２期 ２００８年１２月 趣错参考 Ｖｏ１．１０ Ｎｏ．１２ ＤｅＣ．２ｏ０８
基于ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波器设计
徐峻江
（江苏盐城民航站，江苏 盐城２２４０５１）
摘 要：介绍了数字滤波器的工作原理，给出了采用窗函数法设计ＦＩＲ，并利用ＭＡＴＬＡＢ－Ｙ－－
具软件进行辅助设计．同时使用ＣＣＳ应用软件来对一段音频信号进行低通滤波的仿真与调试，
从而实现ＤＳＰ下数字低通滤波的设计方法。 关键词：ＦＩＲ；数字滤波器；有限冲激响应；Ｍａｔ［ａｂ；ＤＳＰ
０引言
数字滤波器是ＤＳＰ最基本的应用之一 在系
统设计中．滤波器的好坏将直接影响系统的性
能。事实上，一个实际的应用系统总存在各种干 扰。而使用ＤＳＰ进行数字信号处理可以从噪声中
提取信号，即对一个具有噪声和信号的混合源进
行采样，然后经过数字滤波器来滤除噪声，从而
提取有用信号。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，还具有灵活性好等特点，因而可通过可编程
ＤＳＰ芯片来实现数字滤波的参数修改，进而十分
方便地改变滤波器的特性。目前．基于ＤＳＰ的数 字滤波已被广泛应用于语音、图像、软件无线电
等领域。
１ ＦＩＲ数字滤波器的基本原理
数字滤波器的实现方法主要有ＩＩＲ滤波器和
ＦＩＲ滤波器两种，其中ＩＩＲ滤波器需要使用通用模
拟滤波器设计方法来进行设计．它能得到较好的 幅度特性，但是相位特性是非线性的。为了得到
线性相位，它必须外加相位校正网络，而这会使
滤波器的设计变得比较复杂，也会增加成本；而
ＦＩＲ滤波器则由有限个采样值组成，它可在保证 幅度响应满足指标要求的同时．具有严格的线性
相位特性。由于在数据通讯、语音信号处理、图
像处理等传输过程中不能有明显的相位失真，而
收稿日期：２００８—０９—０ｌ ＦＩＲ滤波器又能很容易实现ＩＩＲ滤波器难以实现的
线性相位，因而在线性要求比较高的场合得到了
广泛应用。假设ＦＩＲ滤波器的单位冲激响应为ｈ
２０１２年第２期 计算机与现代化 ＪＩＳＵＡＮＪＩ ＹＵ ＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ 第１９８期
文章编号：１００６－２４７５（２０１２）０２－００３５－０３
基于ＤＳＰ的心电信号实时滤波算法的实现
朱学慧 ，李享元
（１．中南民族大学计算与实验中心，湖北武汉４３００７４；２．中南民族大学电子与信息工程学院，湖北武汉４３００７４）
摘要：介绍数字心电图的心电信号处理中实时滤波算法的实现，探讨针对心电信号的工频干扰、肌电和基线漂移的实时 数字滤波方法，在数字心电图的ＤＳＰ芯片平台上选取有效的滤波算法分别用于消除和抑制基线漂移、工频干扰及肌电干 扰。实验表明，在ＤＳＰ上实现的心电数字滤波方法能达到预定设计要求，具有实时性、有效性等优点，并成功地应用到国
家医药管理局攻关项目的十二导联数字心电图机上。 关键词：心电图；数字信号处理器；基线漂移；工频干扰；肌电 中图分类号．，ＴＰ３０１．６ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—２４７５．２０１２．０２．０１０
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ＤＳＰ・・ｂａｓｅｄ ＥＣＧ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ＺＨＵ Ｘｕｅ—ｈｕｉ ，ＬＩ Ｘｉａｎｇ—ｙｕａｎ２
（１．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｏｕｔｈ—Ｃｅｎｔｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ—Ｃｅｎｔｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ＥＣＧ（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ—ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｅｌｅｃｔｒｏ— ｍｙｏｇｒａｐｈｙ ｎｏｉｓｅ，ａｎｄ ｂａｓｅ—ｌｉｎｅ ｄｒｉｆｔ，ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ＥＣＧ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ｈｊｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ＥＣＧ ｓｉｇｎａ１．ａ ｎｏｔｃｈ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ．１ｉｎｅ ｎｏｉｓｅ ｗｉｔｈ ｂａｓｅ—ｌｉｎｅ ｓｈｉｆｔ ａｎｄ ａ ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｍｕｓｃｌｅ ｎｏｉｓｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｆａｓｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｅｆｆｅｅ— ｔｌＩａｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ；ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｂａｓｅ．１ｉｎｅ ｄｒｉｆｔ；ｐｏｗｅｒ・ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｅｌｅｅｔｒｏｍｙｏｇｒａｐｈｙ
—一
ＡＴ Ａ ≤ 鎏Ｄ ＦＩＲ数字滤波器的设计 张萍福建莆田学院电子信息工程学系 ５５１ １ ｏＯ 文章以窗函数法设计线性相位Ｆ搋数字滤波器 为例，介绍 利用ＭＡＴＬＡ￣工其软件辅助设计 和仿真的方法，对一段音频馆号进行低通滤 波，并使用ＣＣＳ应用软件进行仿真及调试，实 现了蚤ｓＰ下数字低通滤波器的设计。 ＤｓＰ；ＭＡＴＬＡＢＩＦ糯滤波器 １引言 一个实际的应用系统中，由于设备或 者是外界环境的原因，总存在各种干扰， 使信号中混入噪声，譬如音频信号中高频 成分的噪声使得音乐听起来刺耳，失去了 原有悦耳的音质。为了提高信号质量，可 以对信号进行滤波，从噪声中提取信号， 即对一个具有噪声和信号的混合源进行采 样，然后经过一个数字滤波器，滤除噪 声，提取有用信号。 ２ ＦＩＲ滤波器的设计方法分析 数字滤波器依据冲激响应的宽度划分 为有限冲激响应（ＦＩＲ）滤波器和无限冲激响 应滤波器（ＩＩＲ）。ＦＩＲ滤波器是有限长单位 冲激响应滤波器，在结构上是非递归型的， 有限冲激响应滤波器（ＦＩＲ），具有以下的优 点：（１）可以在幅度特性随意设计的同时， 保证精确、严格的线性相位，（２）由于ＦＩＲ 滤波器的单位脉冲响应ｈ（ｎ）是有限长序 列，因此ＦＩＲ 滤波器没有不稳定的问 题，（３）由于ＦＩＲ滤波器一般为非递归结 构，因此在有限精度运算下，不会出现递归 结构中极性震荡等不稳定现象，误差较小。 ＦＩＲ滤波器的设计方法有窗函数设计 法和频率采样设计法，下面扼要介绍窗函数 设计法。窗函数法设计ＦＩＲ滤波器的基本 思想是：根据给定的滤波器技术指标，选 择滤波器长度Ｎ和窗函数∞（ｎ），使其具有 最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣。其核心是 从给定的频率特性，通过加窗确定有限长 单位脉冲响应序列ｈ（ｎ）。 给定滤波器的频率响应为Ｈｄ（ｅｊｗ），要 求设计一个频率响应为Ｈ（ｅｊｗ）的滤波器来 逼近Ｈ （ｅｊ ），其中： ’）＝ （ …＝∑ （，，） （１） 对Ｈ （ ）进行傅立叶反变换推导出其 时域响应 （ｎ），即 ｈｄ（，７）＝ｊ１ ；￣ｆｔｄ（ Ｐ ＝ 去￡ ” ： （２）ｈ ｆｎ—Ｔ ｌ ＼ ， 由于ｈ （ｎ）是无限长序列，且是非因果 的。要得到有限长的ｈ（ｎ），需要用一个有 限长的窗口函数序列∞（ｎ）来截取ｈ（ｎ），即 ＾（Ｈ）＝ｗ（Ｈ） （，７）【３） ３ ＭＡＴＬＡＢ程序设计与仿真 本设计中对一段音频信号进行分析， 该音频信号由于含有高频噪音听起来非常 刺耳。ＭＡＴＬＡＢ从第五版后，新增了对 语音文档读取、写入和播放的功能，使得 对语音文档的调用和存取相当便捷。在微 软视窗平台上，声音文档多以（．ｗａｖ） 格式处理，Ｍａｔｌａｂ可直接读取写入和播放 此类文件，具体格式如下： ［ｙ，ｆｓ，ｎｂｉｔｓ】＝ｗａｖｒｅａｄ（‘十． ｗａｖ’） ％ＷＡＶ文档的读取 ｗａｖｗｒｉｔｅ（Ｙ，ｆｓ，ｎｂｉｔｓ，‘十． ｗａｖ’） ％ＷＡＶ文档的写入 ｗａｖｐｌａＹ（Ｙ，ｆｓ）％ＷＡＶ文档的 播放 ｓｏｕｎｄ（）、ｓｏｕｎｄｓｃ（）也是ＷＡＶ文档 的播放函数，调用格式与ｗａｖｐｌａｙ相同。 通过对这段音频信号进行分析，发现 该信号中混入了高频噪音，需要虑除 ４ｋＨ Ｚ以上的频率成分，以净化语音频 带。 设计ＦＩＲ滤波器，关键是得到正确的 ｈ（ｎ）系数，按照频带的要求，进行 ＭＡＴＬＡＢ程序设计。ＭＡＴＬＡＢ中提供了 ５种设计ＦＩＲ数字滤波器的方 法，这里选用窗函数法。对语 音信号的分析来说，窗函数的 形状是非常重要的，矩形窗的 谱平滑陛较好，但波形细节丢 失，并且矩形窗会产生泄漏现 象，而海明窗可以有效地克服 泄漏现象，应用范围也最为广 －８０ ｜ ｌ 《 ｌ｜ｊ — 誊 ｉ臻囊疆露薯薯 一 薯蘩黉 霉 ％§ ∞蕾ｊ ｉ蕾强 强鬟Ｉ罄强 一誊氇 鬟 誊ｌ曩 ｔ誊 饕ｉ 泛。根据设计参数阻带最小衰减大于５ ０ ｄＢ，选用海明窗；过渡带宽为０．０４ ，可 得滤波器阶数为ｌ４，这些指标在工程中是 可以接受的。程序设计中可以直接调用ｆｉｒｌ 函数，设计完成后仿真得到如下的滤波器 幅频特性图，如图ｌ。 从图ｌ可以直观地看出，通带边缘频率 在０．１９ ｎ左右，阻带边缘频率为０．２３Ⅱ，阻 带衰减接近５３ｄＢ，符合设计要求。 我们还可以利用ＭＡＴＬＡＢ的滤波器 设计工具软件ＦＩＬＴＥＲ ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤＡＮＡＬＹＳＩＳ Ｔ００Ｌ（ＦＤＡ），在指 定位置输入设计参数，快速设计出所需的 数字滤波器。 得到ｈ（ｎ）系数以后，利用ｆｉｌｔｅｒ函数 对信号进行滤波，滤波后用ｓｏｕｎｄ函数播 放音频信号，发现信号的音质得到明显的 改善。 ４ ＦＩＲ数字滤波器的ＤＳＰ设计 ４．１ ＤＳＰ系统简介 ＤＳＰ（Ｄｉｇｉ切ｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）是一种 实时、快速、特别适合于实现各种数字信 号处理运算的微处理器。由于它由具有丰 富的硬件资源、改进的哈佛结构、高速数 据处理能力和强大的指令系统，而在通 信、航空、航天、雷达、工业控制、网 络及家用电器等各个领域得到广泛应用。 教学和科研中常常采用的ＴＭｓ３２０Ｃ５４ｘ系 列数字信号处理芯片，是由美国德州仪器 公司（ＴＩ）生产的第三代ＤＳＰ产品，本 文采用Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｃ ５ ４ １ ６芯片。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６芯片最大可寻址能力为 １９２Ｋ字（包括６４Ｋ字的程序空间、６４Ｋ字 的数据空间和６４Ｋ字的Ｉ／０空间），扩展寻 址模式下有２５６Ｋ字～８Ｍ字的扩展地址空 间，并拥有一套高效灵活的指令集。其指 令周期为６．２５ｎｓ，执行速度最高可以达到 １ ６０Ｍ ＩＰＳ，完全可以满足实时处理的要 求。 ＣＣＳ（Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ）是 ＴＩ公司的ＤＳＰ开发集成环境，既可以工 作在纯软件仿真环境中，也可以被设置成 Ｅｍｕｌａｔｏｒ的方式，用仿真器连接硬件板卡 进行硬件实验。软件仿真，就是由软件在
