FIR数字滤波器设计与实现

电子科技大学通信与信息工程学院标准实验报告
（实验）课程名称DSP设计与实践
电子科技大学教务处制表
电子科技大学
实验报告
学生姓名：学号：指导教师：向超
实验地点：实验时间：
一、实验室名称：科B341
二、实验项目名称：FIR数字滤波器设计与实现
三、实验学时：4课时
四、实验原理：
FIR滤波器的实现
如果FIR滤波器的冲激响应为h(0)，h(1)，...，h(N-1)。

X(n)表示滤波器在n时刻的输入，则n时刻的输出为：
y(n) = h(0)x(n) + h(1)x(n-1）+ ... + h(N-1)x[n-(N-1)]
使用MAC或FIRS指令可以方便地实现上面的计算。

图4-1说明了使用循环寻址实现FIR滤波器的方法。

为了能正确使用循环寻址，必须先初始化BK，块长为N。

同时，数据缓冲区和冲激响应（FIR滤波器的系数）的开始地址必须是大于N的2的最小幂的倍数。

例如，N=11，大于N 的最小2的幂为16，那么数据缓冲区的第一个地址应是16的倍数，因此循环缓冲区起始地址的最低4位必须是0。

图4-1 FIR滤波器存储器里的数据存储方式
在图4-1中，滤波系数指针初始化时指向h(N-1)，经过一次FIR滤波计算后，在循环寻址的作用下，仍然指向h(N-1)。

而数据缓冲区指针指向的是需要更新的数据，如x(n)。

在写入新数据并完成FIR运算后，该指针指向x(n-(N-1))。

所以,使用循环寻址可以方便地完成滤波窗口数据的自动更新.
使用带MAC指令的循环寻址模式实现FIR滤波器，程序片段如下：(输入数据在AL中,滤波结果在AH中)
STM #1,AR0 ; AR0=1
STM #N,BK ; BK=N,循环寻址BUFFER大小为N
STL A,*FIR_DATA_P+% ; 更新滤波窗口中的采样数据
RPTZ A,#(N-1) ;重复MAC指令N次,先将A清零
MAC *FIR_DATA_P+0%,*FIR_COFF_P+0%,A ; 完成滤波计算。

；注意FIR滤波系数存放在数据存储区
另一种方法是利用C54x系列芯片的提供的FIRS指令来实现FIR滤波器。

图4-2为一种有限单位冲激响应呈现对中心点对称的FIR滤波器。

长度为N 的线性相位FIR滤波器的输出表达式为：
∑-=
-
-
-
+
-
=
1
2/
))]
1
(
(
)
(
)[
(
)
(
N
k
k
N
n
x
k
n
x
k
h
n
y
图4-2 N阶均衡FIR滤波器框图
要利用FIRS指令,需要将输入数据缓冲分成两个,循环缓冲区大小寄存器的值设为N/2。

图4-3显示了输入序列在两个循环缓冲器里的存储情况。

设辅助寄存器AR2指到缓冲区1（Buffer1）的顶部，AR3指到缓冲区2（Buffer2）的底部。

每次进行滤波之前,应先将缓冲区1顶部的数据移到缓冲区2的底部,新来的一个样本存储到缓冲区1中时,并对缓冲区1指针AR2加1(使用循环寻址)。

处理器然后使用FIRS指令进行乘加运算，即h(0){x(0)+x(-N+1}。

当然,在使用FIRS 指令前,需要预先计算一次求和,以初始化A 。

在RPTZ重复指令和循环寻址的配
合下,完成FIR滤波.滤波完成后，需要对两个数据缓冲的指针进行修正，以便对下一个点进行处理。

将Buffer1的指针减1和Buffer2的指针减2，使他们指向各自缓冲的数据队列的最后。

使用带FIRS指令的循环寻址模式实现FIR滤波器，程序片段如下：(输入数据在AL中,滤波结果在B中)
STM #1,AR0 ；AR0=1
STM #（N/2）,BK ；BK=N/2,循环寻址BUFFER大小为N MVDD *ar2, *ar3 ；更新Buffer2
STL A, *ar2+% ；更新滤波窗口中的采样数据
ADD *ar2+0% , *ar3+0% ；初始化A
RPTZ B, #(N/2-1) ；重复FIRS指令N/2次,先将B清零
FIRS *ar2+0%, *ar3+0%,filter_coff+N/2 ；完成滤波计算。

注意FIR
；滤波系数存放在程序存贮区，filter_coff为系数起始地址
MAR *ar2-% ；修改Buffer1指针
MAR *+ar3(-2)% ；修改Buffer2指针
图4-3 16点FIRS滤波数据存放
五、实验目的：
学习数字滤波器的DSP实现原理和C54X编程技巧。

通过CCS的图形显示工具观察输入/输出信号的波形以及频谱的变化。

六、实验内容：
本实验需要使用C54X汇编语言实现FIR数字滤波器，并通过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。

实验分以下几步完成：
（1）启动CCS，在Project选项中新建fir5402.prj文件，添加相应模块程序。

（2）使用Build选项完成编译、连接，然后使用File菜单中的Load Program将OUT文件装入。

图4-4 图形查看工具设置
（4）在程序中“bitf is_new_data,#1”语句处设置断点，在断点处设置Action 为读取数据格式，然后选择从给出的文档中读出方波信号，并选择重复执行。

设置起点位置为0x64，每次读取长度为1，设置完成后提交设置。

（5）选择View -> Graph -> Time/Frequency菜单打开一个图形显示窗口，参见上图。

将“Display Type”项设置为Dual Time，将“Start Address-upper display”项改为地址0x68，将“Start Address-lower display”项改为地址0x64，将“Acquisition Buffer Size”项改为1，将“Display Data Size,”项设置为128，将“DSP Data Type”改为“16-bit signed integer”。

这样，将在图形显示窗口中显示从分别从0x64与
0x68开始显示图像。

（6）在程序中“b again”语句处设置断点，在断点处设置Action为Refresh A Window，然后选择显示的窗口，设置完成后提交设置。

（7）选择Debug -> Animate项运行程序。

Animate运行和Run运行基本一致，只是使用Run运行时，若遇到断点，将停下来，直到用户再次使用Run命令才恢复运行。

而使用Animate运行时，若遇到断点，CCS刷新所有的显示窗口，如寄存器、CPU、MEM、图形显示等，然后自动恢复运行。

所以，你能看到连续更新的滤波输出。

思考题：
（1）以给出一组FIR带通滤波器系数文件DESPASS.INC，请在CCS的图形显示窗口中显示出来。

滤波器为42阶对称结构FIR滤波器，参数为采样频率fs=25kHz，带通中心频率为3kHz，通带为2.5kHz – 3.5kHz，上下过度带分别为1kHz – 2.5kHz 和3.5kHz – 5kHz。

（提示：你可以直接使用.include “despass.inc”语句，将参数文件导入主程序）
七、实验器材（设备、元器件）：
电脑一台，C54x模拟软件
八、实验步骤：
（1）打开C54x simulator 软件，加载exe1.out 文件，并按照实验内容中的步奏逐步实现，观察运行结果。

（2）完成思考题（1）中的问题。

从Despass.inc文件中得到42阶对称结构FIR滤波器的设置参数。

参数为采样频率fs=25kHz，带通中心频率为3kHz，通带为2.5kHz – 3.5kHz，上下过度带分别为1kHz – 2.5kHz 和3.5kHz – 5kHz。

（3）在源程序中找到fir_coef模块，此模块为FIR滤波器的参数设置。

把Despass.inc.文件中的数据参数替换此处的参数，即实现带通FIR滤波器的设置。

（4）选择Debug -> Animate项运行程序，观察滤波出现的波形情况并记录。

九、实验数据及结果分析：
采样频率fs=25KHz，带通中心频率为1.5KHz，通带为1.2kHz – 2.8kHz的FIR 滤波器输出图像：
采样频率fs=25KHz，带通中心频率为3KHz，通带为2.5kHz – 3.5kHz的FIR滤波器输出图像：
十、实验结论：
十一、总结及心得体会：
十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：无
报告评分：
指导教师签字：。