◇高教论述◇ 科技曩向导 ２０１１年第ｌ５期 基于ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波器研究微型机与应用 刘畅孙晶华 （哈尔滨工程大学理学院黑龙江 哈尔滨 １ ５０００１） 【摘要】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。ＦＩＲ 数字滤波具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现严格线性相位等优点，现已成为最常用的数字滤波方法之一。随着通用可编程ＤＳＰ芯片 出现．用ＤＳＰ实现ＦＩＲ．数字滤波具有很广的可研究性。 【关键词】数字滤波器；ＦＩＲ数字滤波；ＤｓＰ 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 横截型结构。用前景。可作为应用系统对信号的前置处理。在许多信号处理应用中 ２．ＦＩＲ数字滤波器设计 使用数字滤波器代替模拟滤波器是有利的。ＦＩＲ数字滤波器通常应用 ２．１ＩＲ数字滤波ＭＡ，ＦＩ１ Ｂ仿真设计 于修正及改变时、频域中信号属性．它可滤除不需要的频率分量，得到 ＭＡＴＬＡＢ提供了功能强大的滤波器设计与分析工具ＦＤＡＴＯＯＬ 所需频率分量。随着ＤＳＰ芯片的出现，用ＤＳＰ芯片实现数字滤波除了 （Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｏｏ１）。通过此工具提供的面向用户的交互 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 式环境，用户能够非常方便的进行滤波器的设计以及分析。ＦＩＲ数字 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 滤波器的设计方法有窗函数法、频率采样法以及Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ逼近法 。 地修改滤波器的特性。因此基于ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波具有广阔的发 频率采样法是直接在频率域采样．在采样点上能够完全保证设计的滤 展空间 波器与理想的滤波器幅度一致．但在采样点之间是应用内插函数来建 １．ＦＩＲ数字滤波 立的．这不免使得频域不连续点附近误差较大．并且边界频率更不易 数字滤波器比较模拟滤波器来说更易于获得更多的理想滤波性 控制。Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ逼近法其滤波器参数比较难于设定，且在具体操作当 中没有其他两种设计方法简单 所以．系统ＦＩＲ数字滤波器选择窗函 能．并且不受温漂、空间噪声等的干扰。它的系统函数可以表示如下 数法设计 在窗函数中滤波效果很好的Ｈａｎｎｉｎｇ窗能将能量集中在主 式： 村 瓣内。第一旁瓣衰减是３１ｄＢ，不过主瓣宽度扩大一倍。Ｈａｍｉｎｉｎｇ窗的 ∑６ … 主瓣宽度与Ｈａｎｎｉｎｇ窗相同．能使９９．９％的能量集中在主瓣．第一旁瓣 的衰减可增加到４１ｄＢ 系统ＦＩＲ数字滤波器窗函数采用Ｈａｍｍｉｎｇ窗 １一 函数．用横截型结构设计３２阶。截止频率为１ＫＨｚ的低通滤波器。 ２．２ＦＩＲ数字滤波ＣＣＳ仿真设计 且系统函数的输入、输出满足如下差分方程： Ｃｏｄｅ ｃｏｍｐ０ｓｅｒ ｓｔｕｄｉｏ简称ＣＣＳ，是ＴＪ公司推出的为开发ＴＭＳ３２０ 系列ＤＳＰ软件的集成开发环境（ＩＤＥ）。ＣＣＳ工作在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统 ）＝∑。 一 ）＋∑ｂ￣ｘ（ｎ一 一２） 下．类似于ｖｃ＋＋的集成开发环境。采用图形接口界面．提供有编辑工 ＦＩＲ数字滤波器的特点如下Ⅲ： 具和工程管理工具日。它将各种代码产生工具，诸如汇编器、链接器、ｃ／ １．１线性相位 ｃ＋＋编译器、建库工具等集成在了一个统一的开发平台中。ＣＣＳ所集成 ＦＩＲ数字滤波器的响应是严格线性相位的．在整个频带范围内的 的代码调试工具具有各种调试功能．包括了原ＴＩ公司提供的ｃ源代 群时延是常数，所以滤波器本身不会引入线性相位。 码调试器和模拟器所具有的所有功能。能对ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ进行指 １．２绝对稳定 令级的仿真和进行可视化的实时数据分析Ｍ。 由于没有反馈，ＦＩＲ数字滤波器始终都是稳定的。 １－３较小的有限精度误差 ＤＳＰ软件的开发过程就是根据滤波器的方程ｙ㈤＝ ｈ（ｉ）ｘ（ｎ— ）实 ｉ＝０ ＦＩＲ数字滤波器受有限字长效应的影响较小。 现输入序列与滤波器系数序列之间的卷积。具体设计如下： １．４实现效率高 ２．２．１首先建立１０２４点输入信号序列 ）和滤波器抽头系数序列 利用ＤＳＰ处理器的ＭＡＣ、循环寻址及一些专用的指令可使ＦＩＲ （ ，同时建立１０２４点转换序列 ｎ（ｎ）。 数字滤波器的实现比较高效。 ２．２．２对输入序列进行转化。输人序列的第一个值放人ｆｘｎ（Ｏ），其 ＦＩＲ数字滤波器域内的传输函数日（＝）定义形式如下： Ｎ－１ 他值赋予０。对ｆｘｎ（Ｏ）和＾（ｎ）相乘，结果放入输出序列 中，作为第一 日（ ）＝ （ ）ｚ－￣（１—３） 个数值。 ２．２．３进行系统的第一次循环，读入新的输入信号放人ｆｘｎ（０），原 令 ］表示时刻的输入信号，则时刻的ＦＩＲ输出信号ｙ【ｎ】可以表 有的值向后移动一位放入ｆｘｎ（１），其他值赋予０。再将ｆｘｎ（ｎ）与＾㈤中的 示为： 数值依次做乘累加运算，将结果存人“ｎ）中。 ２．２．４重复上面的过程，依次进行循环，每读人新的输入信号，就 ｎ］＝ ［ｎ】 ［， ：２ ｘ［ｋ］ｈ［ｎ一 ］（１—４） 将原有储存在 ｎ㈨中的数值一次向后移动一位，当进行到第２５次循 ＦＩＲ数字滤波器横截型结构如图ｌ所示．它是ＦＩＲ数字滤波器的 环之后，詹ｎ㈤中的数值依次是最新读入的输入信号以及它以前的２４ 基本结构，可由式（１＿Ｈ４）直接推演而来。 个信号倒序排列 日（ ） ｝ （１—１） Ｍ ｋ＝１ Ｎ－Ｉ 缸ｔ—＿－■ ３．ＦＩＲ数字滤波实验 首先．输人参考信号１为１００ＨＺ的正弦波，用ＣＣＳ仿真环境观察 波形１。然后．输人参考信号２为ＩＯＫＨＺ的干扰波。用ＣＣＳ仿真环境 观察波形２。将两者波形进行叠加．用ＣＣＳ仿真环境观察波形３。对叠 加后的波形进行频谱分析．用ＣＣＳ仿真环境观察波形４。将叠加后的 波形进行ＤＳＰ３２阶ＦＩＲ低通数字滤波．用ＣＣＳ仿真环境观察滤波后 的波形５ 对滤波后的波形进行频谱分析．用ＣＣＳ仿真环境观察波形 图１ ＦＩＲ数字滤波器横截型结构 ６。通过ＣＣＳ仿真环境对比波形３、５知道，高频成分的干扰波，已经被 ＦＩＲ数字滤波器除了横截型结构还有三种结构：级联型、频率抽 ＤＳＰ３２阶ＦＩＲ低通数字滤波完全滤去．原始信号即参考信号１完全从 样型、快速卷积型。不过其他三种结构没有直接型结构简单易行，都需 干扰中恢复出来。通过波形４、６频谱分析图也可看出，高频频谱已经 要做些复杂的变换才能得到。所以。本设计ＦＩＲ数字滤波器结构选择 被滤除。实际滤波器采集到的叠加后的波形即进人滤（下转第９０页） １０７ ２０１１年第ｌ５期 科技强向导 ◇高教论述◇ 和发展公有制经济．鼓励、支持和引导非公有制经济发展：二是把所有 善的市场体系基本框架已经形成。我国现阶段市场化程度低。市场结 制和所有制实现形式区分开来．提出公有制实现形式可以而且应当多 构简单。组织程度不高，交易手段比较落后，市场法规建设落后．市场 样化，使股份制成为公有制的主要实现形式。 主体交易行为也不规范。为此，首先要改革流通，健全市场规则， ２．２．５分配理论 加强市场管理，培育和发展统～、开放、竞争、有序的现代市场体系，是 允许一部分地区、一部分人先富起来，鼓励先富帮后富，最终实现 各类市场主体平等地参与市场竞争 。实行效率优先、兼顾公平的，坚持和完善按劳分配为主 ３．２加快管理改革．强化宏观 体的多种分配制度．把按劳分配和按生产要素分配结合起来。建立和 经济改革使中国初步形成了间接宏观经济运行的 完善多层次、社会化的社会保障体系，解决不同地区、不同人群的收人 体系．国家经济的、手段也日趋成熟。但是管理存在 差距问题 ． 的问题也日益明显．要适应全球化条件下的市场经济．就要进行彻底 ２．２．６企业制度改革理论 的改革．加快向公共服务的角色转变。首先要继续推进政企分开， 确认国有企业改革是经济改革的中心环节。实行政企分开， 减少和规范行政审批：其次更多地运用经济和法律手段履行职 确立企业的市场主体和法人资格，建立现代企业制度，现代产权制度， 能，强化公共服务和社会管理职能；最后应深化机构改革，规范中 从总体上搞活国有企业．支持非公有制企业的发展。 央和地方经济社会管理的职能和权限．优化组织结构．提高行政 ２．２．７对外开放理论 效率。 确立对外开放基本国策，建立开放型经济，创建经济特区，发 ３－３加大国有经济调整力度．改革国有企业 展外向型经济。适应加入ｗｒｏ的新形势，全面提高对外开放水平，以 国有经济要推出竞争性领域．在公品领域、关系国计民生和 开放促改革、促发展。对外开放是以自力更生为基础的对外开放，中国 国家战略安全和战略利益的领域要保留国有经济，并且引入市场机 解决所以问题的关键．是靠自己的发展。 制。积极探索公有制的多种实现形式，降低国有经济比重。同时，推进 ２－３中国经济改革存在的问题 国有企业改革完善法人治理结构．培养竞争机制，放宽垄断行业对国 虽然中国的经济改革取得了实践与理论的极大突破。从总体上提 内资本的准入。完善公共管理的制度规则，颁布相关法律法规，有 高了人民的生活水平和国家的综合国力．但是在实际探索过程中，仍 效制约垄断行业国有企业的垄断行为。 ・ 然存在一些问题 ３．４推进社会保障体系建设．维护人民切身利益 ２．３．１公有制与市场经济的兼容问题尚未完全解决 提高人民生活水平．解决涉及人民群众切身利益的突出问题，是 经过３０年的改革。整个国有经济在改革中取得了很大的发展，但 维护社会和谐安定的关键。在经济改革过程中，要推进机制创新， 是．国有经济的治理结构仍然存在很多弊端，活力和效率有待进一步 理顺经济社会关系．建立健全与经济发展水平相适应的社会保障体 提高．公有制经济和国有经济在整个国民经济中的比重不断下降。如 系。坚持实施积极的就业，建立促进和扩大就业的有效机制；合理 何在市场经济中保持公有制的主体地位和国有经济的主导地位。仍然 调节收入分配．缓解部分社会成员收入分配差距扩大的趋势：深化教 是一个值得关注的关键性问题。 育改革．推动教育事业的发展；推进医疗卫生改革，解决群众 ２．３．２社会主义民主亟待加强 看病难的问题；健全环境监管能力，推进污染治理；正确处理各种利益 这主要表现在两个方面：一是作为公有生产资料主体的社会公 关系．促进社会公平和正义。 众参与国有企业治理的机制不健全：而是作为社会权力主体的社会公 ３．５全面提高对外开放水平．推进国内经济发展 众参与公共事务管理的机制不健全。在社会主义市场经济条件下，缺 ２１世纪以来．经济全球化日趋加强，只有全面提高对外开放水 乏民主将导致公正的利益得不到很好的实现．决策的科学性得不到充 平．才能适应国际形势，推动经济发展。因此，必须统筹考虑国内发展、 分的保证。这样，既制约了市场经济的发展，又影响了社会主义基本制 改革与对外开放的关系 通过扩大和深化对外开放来解决改革中出现 度的完善。 ． 的问题。继续以积极的态度全面参与经济全球化，遵循国际经济惯例 ２．３．３社会不公平现象比较普遍 和多边贸易规则．积极利用外资，不断输入新的经济变量和改革动力， 由于推行允许一部分人先富起来的。地区、城乡、居民之间的 促进改革和制度创新．推经各个层面的协调开放．实现与各国的互利 收入差距逐渐扩大．市场经济的公平竞争秩序还未完全形成，人民群 共赢．确保我国经济发展的安全性．促进我国国民经济健康、持续、高 众的基本权利没有得到切实保障．实现的目标还远没有达 效、协调发展。 到。 ４．结束语 ２．３．４公共服务的只能没有充分发挥 ３Ｏ年的经济改革．为中国社会经济领域的各个方面都带来了显 社会的公共服务和社会保障体系仍不健全．关系人民群众切身利 著的变化。在３０年的改革历程中。中国的经济持续快速增长，经济总 益的很多问题仍然存在．“上学难”、“看病难”的问题比较突出。公 量不断增加．人民生活水平显著提高，综合国力也得到提高，极大地提 品的供给严重不足．难以满足广大人民群众日益增长的物质文化需 升了在国际社会中的地位。在取得成就的同时，改革也带来了一系列 要。 的问题．成为中国经济发展的阻碍 回顾中国经济改革历程，总结经验 ３．未来中国经济改革的方向 和问题．根据中国现实提出相应的对策，对于深化中国经济改革，推动 进入２１世纪．我国的经济改革处于一个重要阶段，高速的经济增 经济持续快速发展，具有深刻的现实和理论意义。 长并不能完全掩盖现实中存在的问题。因此，下阶段的经济改革担负 着解决实际问题．推动经济进一步发展的重任，未来中国经济改革有 如下几个方向： 【参考文献】 ３．１规范市场秩序．有效发挥市场机制的功能 ［１］郭树清．未来改革面临的挑战．中国改革，２００３，１１：２１—２７． ［２］吴作榜．试析中国经济改革进程的艰巨性和复杂性．经济师，２００３，８：２５３ ３Ｏ年的经济改革．催生了中国市场经济的发育。一个较为完 ［３］用作．试析中国经济改革的基本经验．理论学刊＇２０Ｏ８＇７：３９—４３． （上接第１０７页）波前的真实波形，经ＤＳＰ３２阶ＦＩＲ低通数字滤波后 滤波性能优良，并且有着非常广阔的研究前景和空间。 的真实波形。从真实波形中可知。基于ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波，滤波效 果明显。 ４．结束语 【参考文献】 ［１］邹理和．数字信号处珥Ｍ】．北京：国防工业出版社，２００９：１２—１６． 设计ＦＩＲ数字滤波器之前，要先于ＭＡＴＬＡＢ软件环境中，进行滤 ［２］吴镇扬．数字信号处理的原理与实现［Ｍ】．南京：东南大学出版社，２００２：２６—３５． 波器的设计及各种参数的调试分析。若滤波器性能可达到要求，再进 ［３］朱继ｇｌ：．基于ＭＡＴＬＡＢ的ＦＩＲ数字滤波器设计实现【Ｊ】ｌ科技广场，２００７，３（１） 行ＤＳＰ仿真软件ＣＣＳ的调试．待全部达到要求后进行最终的整体测 ３６． 试。通过仿真和实际测试表明，基于ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波，设计简便、 ［４］冉茂华．基于ＤＳＰ的ＦＩＲ数字滤波器的设计［Ｊ］．通信技术，２００６，３（５）：３１
