实验FIR数字滤波器DSP编程实现
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实验4: FIR数字滤波器的DSP编程实现
一、实验目的：
㈠ 了解一个FIR数字滤波器DSP程序的设计、编写和建立的过程。
㈡ 学习使用simulator调试滤波器程序的方法。了解使用simulator进行程序调试，如何输入测试信号，观察输出结果。
二、实验原理：
㈠ FIR滤波器的结构和数据存储方式
对于一个FIR滤波器，假定其冲激响应为)12,1,0(Nibi，输入信号为x(n),则有以下差分方程:
10)()(Niiinxbny
其对应的滤波器传递函数为：
iNiizbzH10)(
可以用横截型(又称直接型或卷积型)FIR数字滤波器的结构图表示（图8-6-1）。
+)(nx1z1z1z1z)1(nx)2(nx)1(Nnx)(ny0b1b2b2Nb1Nb
图8-6-1 横截型FIR滤波器的结构图
由上面的公式和结构图可知,FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算。它不断地从输入端读入样本值x(n)，经延时(1z)，做乘法累加，再输出滤波结果y(n)。 在实际编程中,1z的实现方法有两种:线性缓冲区法和循环缓冲区法。本实验采用了循环缓冲区法。
循环缓冲区法的主要特点是:对于N级FIR滤波器，在数据存储区开辟一个称为滑窗的具有N个单元的缓冲区，滑窗中存放最新的N个输入样本值。每次输入新的样本时，新的样本将改写滑窗中最老的数据，其它数据则不需要移动。编写程序时利用片内BK（循环缓冲区长度）寄存器对滑窗进行间接寻址，因而循环缓冲区地址是首尾相邻的。如图8-6-2所示，图中假定N=6。
数据存储器数据存储器数据存储器循环缓冲区顶部循环缓冲区底部x(n)x(n-1)x(n-1)x(n-1)x(n)x(n)x(n-2)x(n-2)x(n-2)x(n-3)x(n-3)x(n-3)x(n-4)x(n-4)x(n+2)x(n-5)x(n+1)x(n+1)XARXARXAR
图8-6-2 利用循环缓冲区法实 现1z
假定第一次执行完50)()(iiinxbny后，间接寻址的辅助寄存器ARx指向x(n-5)。然后，从I/O口输入数据x(n+1)，将原来存放x(n-5)的数据存储器单元改写为x(n+1)。
同样，当进行完第二次乘法累加运算50)1(1(iiinxbny）后，ARx最后指向x(n-4)。这时，再从I/O口输入数据x(n+2)，将原来存放x(n-4)的数据存储器单元改写为x(n+2)。
……
利用循环缓冲区法的主要优点是：不需要移动数据，可将循环缓冲区定位在数据存储器的任何位置（而线性缓冲区则要求必须定位在DARAM中）。
本实验是一个使用CCS的simulator进行滤波器基本程序调试的实验，其输入信号x(n)用.inc文件输入。
以下灰色字体内容可以不看。
㈡ FIR数字滤波器的设计
FIR数字滤波器的设计可以采用C、Fortron等高级语言来实现，其编程较为复杂。我们采用MATLAB中信号处理工具箱的有关指令，可以很方便地求出FIR滤波器系数。 例：设计一个FIR低通滤波器，通带边界频率为1500Hz，通带波纹小于1dB；阻带边界频率为2000Hz，阻带衰减大于40dB；采样频率为8000Hz。
FIR滤波器的设计可以用MATLAB窗函数法进行，例如选择Hamming窗，其程序为：
b=fir1(16,1500/8000*2);
FIR数字滤波器系数b为：
b0=
b1=
b2=
b3=
b4=
b5=
b6=
b7=
b8=
b9=
b10=
b11=
b12=
b13=
b14=
b15=
b16=
将上述系数存盘，建立一个数据文件（如）。
㈢ 建立DSP汇编程序的FIR滤波器系数文件
上述系数必须转换成Q15格式，并放置在DSP汇编程序的.inc文件中，进行FIR滤波器的汇编程序的汇编、链接时，inc文件将被自动地加入到工程中去。
从MATLAB中产生的文件，通过执行转换命令，将自动变换为滤波器系数文件。转换命令为（在MATLAB下）：
！firdat
将产生文件。其内容如下：
N .set 17
COFF_FIR: .sect "COFF_FIR "
.word 0
.word 158
.word 263
.word -290
.word -1406
.word -951
.word 3186
.word 9287 .word 12272
.word 9287
.word 3186
.word -951
.word -1406
.word -290
.word 263
.word 158
㈣ 产生滤波器输入信号的文件
在使用CCS的Simulator进行滤波器特性的测试时，需要输入时间信号x(n)。以下是一个产生输入信号的C语言程序，这个信号是频率为1000Hz和2500Hz的正弦波合成的波形。文件名为。
#include <>
#include <>
void main()
{
int i;
double f[256];
FILE *fp;
if((fp=fopen("","wt"))==NULL)
{
printf("can't open file! \n");
return;
}
fprintf(fp,"INPUT: .sect %cINPUT %c \n",'"','"');
for(i=0;i<=255;i++)
{ f[i]=sin(2**i*1000/8000)+sin(2**i*2500/8000);
fprintf(fp," .word %1d\n",(long)(f[i]*16384/2));
}
fclose(fp);
}
该程序将产生名为的输入信号程序。
㈤ FIR数字滤波器的汇编程序
FIR数字滤波器汇编程序如下：
************一个FIR滤波器源程序 *****************
.mmregs
.global start
.def start,_c_int00
INDEX .set -1
KS .set 256
.copy "" ;x(n)在程序区0x00A6
.copy "" ;Bn
.data OUTPUT .space 1024 ;输出在数据区0x2400,保留1024个字，即40h
FIR_DP .usect "FIR_VARS",0
D_FIN .usect "FIR_VARS",1
D_FOUT .usect "FIR_VARS",1
COFFTAB .usect "FIR_COFF",N
DATABUF .usect "FIR_BFR",N
BOS .usect "STACK",0Fh
TOS .usect "STACK",1
.text
_c_int00
STM #COFFTAB,AR5
RPT #N-1
MVPD #COFF_FIR,*AR5+
STM #INDEX,AR0
STM #DATABUF,AR4
RPTZ A,#N-1
STL A,*AR4+
STM #(DATABUF+N-1),AR4
STM #(COFFTAB+N-1),AR5
FIR_TASK:
STM #INPUT,AR6
STM #OUTPUT,AR7
STM #KS-1,BRC
RPTBD LOOP-1
STM #N,BK
LD *AR6+,A
FIR_FILTER:
STL A,*AR4+0%
RPTZ A,N-1
MAC *AR4+0%,*AR5+0%,A
STH A,*AR7+
LOOP:
EEND B EEND
.end
㈥ FIR滤波器链接程序
对应以上汇编程序的链接程序如下：
-m
-o
MEMORY {
PAGE 0: ROM1(RIX) :ORIGIN=0080H,LENGTH=1000H
PAGE 1: INTRAM1(RW) :ORIGIN=2400H,LENGTH=0200H
INTRAM2(RW) :ORIGIN=2600H,LENGTH=0100H
INTRAM3(RW) :ORIGIN=2700H,LENGTH=0100H
INTRAM4(RW) :ORIGIN=2800H,LENGTH=0040H
B2B(RW) :ORIGIN=0070H,LENGTH=10H
}
SECTIONS
{
.text : {}>ROM1 PAGE 0
.data : {}>INTRAM1 PAGE 1
FIR_COFF: {}>INTRAM2 PAGE 1
FIR_BFR : {}>INTRAM3 PAGE 1
FIR_VARS: {}>INTRAM4 PAGE 1
.stack : {}>B2B PAGE 1
}
三、实验任务：
㈠ 在CCS上建立fir工程，并运行程序。
建立fir工程，对汇编程序进行汇编、链接，如有错误则进行修改、调试，当汇编、链接成功后，运行程序。【即 File 然后 load program 然后运行程序 】下载程序
㈡ 观察输入信号的波形及频谱
单击View→Graph→Time/Frequency，按图8-6-3改变各选项。其中，由.cmd可知输入信号的数据放在程序区0x00a2开始的地址中。其波形为频率为1000Hz和2500Hz正弦信号的合成信号。
将图8-6-3“Display Type”项改为“FFT Magnitude”,则将显示输入信号的频谱图。
㈢ 观察输出信号的波形及频谱
利用Debug菜单下的命令Run运行程序后,仍选择View→Graph→Time/Frequency，将图8-6-3中数据区开始的地址改变为0x2400,按“OK”,将显示滤波器输出信号或者频谱图。
四、实验设备：
微机主机 一台 (已安装CCS C5000和MATLAB软件包)
五、思考题：
（一）如何确定FIR滤波器的输入、输出等主要数据在DSP存储器中的位置 图8-6-3 Graph选项窗口
