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1、精品学习资源封面欢迎下载精品学习资源作者： PanHongliang仅供个人学习欢迎下载精品学习资源基于 DSP 的 IIR 滤波器系统设计摘要随着运算机和信息技术的飞速进展，数字信号处理已经成为高速实时处理的一项关键技术，广泛应用在语音识别、智能检测、工业把握等各个领域；数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统；数字滤波实质上是一种运算过程，实现对信号的运算处理；DSP 数字信号处理 Digital Signal Processing，简称 DSP是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科；20 世纪 60 岁月以来，随着运算机和信息技术的飞速进展，数字信号处理技术应运而生并得
2、到快速的进展；传感器数字信号处理是利用传感器对模拟信号或数字信号进行采集并把其转换成运算机可识别的电信号，并利用运算机对信号进行处理以达到运算机帮忙把握或是运算机自动把握的目的；DSP 芯片是一种特殊适合数字信号处理运算的微处理器，主要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法；用 DSP 芯片实现 IIR 数字滤波器，不仅具有精确度高、不受环境影响等优点，而且因 DSP 芯片的可编程性，可便利地修改滤波器参数，从而转变滤波器的特性，设计特殊灵敏；本课题主要应用 MATLAB 软件设计 IIR 数字滤波器，并对所设计的滤波器进行仿 真； 应用 DSP 集成开发环 境 CCS 调试汇 编程序， 文
3、章结合TM320C5509 的结构特点，介绍了一种IIR 滤波器在 TM320C5509 中的实现方法 ； 文 中 程 序 已 经 过 硬 件 验 证 ， 仿 真 结 果 表 明 该 设 计 符 合 要 求 ；关键词 数字滤波 ；IIR ； DSP；TM320C5509；MATLAB欢迎下载精品学习资源目录摘要I第 1 章 绪论错误！未定义书签；1.1 数字滤波器的优越性 21.2 数字滤波器实现的方法 21.3 主要争辩内容 3第 2 章滤波器基础 42.1 数字滤波器介绍 42.2 IIR 滤波器的设计方法及原理 52.3 IIR 滤波器的设计过程及 MATLAB 实现 102.3.1 设
4、计过程 102.3.2 设计流程框图 122.3.3 MATLAB 程序 12 2.3.4运行结果及分析 142.4 本章小结 14第 3 章 数字滤波器的 DSP实现 15 3.1 TMS320C5509特点 153.2 DSP系统的设计与开发 173.2.1 DSP系统的特点 173.2.2 DSP系统的设计流程 183.2.3 DSP系统的开发工具 CCS18 3.2.4IIR 滤波器的设计框图 193.2.5 程序源代码 20第 4 章 本文总结 234.1 总结错误！未定义书签；参考文献 20第一章绪论1.1 数字滤波器的优越性DSP 芯片是一种特殊适合数字信号处理运算的微处理器，主
5、要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法；数字信号处理由于具有精度高、灵敏性强等优点，已广泛应用于图像处理、数字通信、雷达等领域；数字滤波技术在数字信号处理中占有极其重要的位置，数字滤波器依据其单位脉冲响应可分为IIR（无限长冲激响应滤波器）和FIR（有限长冲激响应滤波器）两类； IIR 滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，但在有限精度的运算中，可能显现不稳固现象，而且相位特性不好把握；数字滤波器本质上是一个完成特定运算的数字运算过程，也可以懂得为是一台运算机；数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器IIR 和有限冲激响应滤波器 FIR ；FIR 滤波器具有不含反馈环路、结构简洁以及可以实现
6、的严格线性相位等优点，因而在对相位要求比较严格的条件下，接受FIR 数字滤波器；同时，由于欢迎下载精品学习资源在许多场合下，需要对信号进行实时处理，因而对于单片机的性能要求也越来 越高；由于 DSP 把握器具有许多特殊的结构，例如接受多组总线结构实现并行处理，独立的累加器和乘法器以及丰富的寻址方式，接受 DSP 把握器就可以提高数字信号处理运算的才能，可以对数字信号做到实时处理； DSP（数字信号处理器）与一般的微处理器相比有很大的区分，它所特有的系统结构、指令集合、数据流程方式为解决复杂的数字信号处理问题供应了便利，本文选用TMS320C5509 作为 DSP处理芯片，通过对其编程来实现II
7、R 滤波器；对数字滤波器而言 ,从实现方法上，有 FIR 滤波器和无限冲激响应 IIR 滤波器之分；由于 FIR 滤波器只有零点，因此这一类系统不像IIR 系统那样易取得比较好的通带与阻带衰减特性；但是IIR 系统与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比有以下优点：1、单位冲击响应有无限多项；2、高效率（由于结构简洁、系数小、乘法操作较少）3、与模拟滤波器有对应关系4、可以解读把握，强制系统在指定位置为零点5、有极点，在设计时要考虑稳固性6、具有反馈，可能产生噪声、误差累积1.2 数字滤波器的实现方法目前数字滤波器的主要实现方法有：1. 在通用的微型运算机上用软件实现；软件可以是自己编写的，也
8、可以使 用现成的软件包，这种方法的缺点是速度太慢，不能用于实时系统，只能用于 教案和算法的仿真争辩；比如用MATLAB就几乎可以实现全部数字滤波器的仿真；而且在 MATLAB下的部分仿真程序仍可以通过转化为C 语言，再通过DSP 的 C 编译器直接在 DSP 硬件上运行；2. 用 DSPDigital Signal Processing处理器实现DSP 处理器是专为数字信号处理而设计的，如TI 公司的 TMS320C54x 系列， AD 公司的 ADSP2IX ， ADSP210X 系列等；它的主要数字运算单元是一个乘累加器 Multiply-accumulator ， MAC ，能够在一个机
9、器周期内完成一次乘累加运算，配有适合于信号处理的指令，具备特殊的循环寻址和倒序寻址才能；这些特点都特殊适合数字信号处理中的滤波器设计的有效实现，并且它速度快、稳固性好、编程便利；3. 用固定功能的专用信号处理器实现专用信号处理器接受专用集成电路ASICApplicationSpecific Integrated Circuits 实现，适用于过程固定而又追求高速的信号处理任务，是以指定的算法来确定它的结构，使用各种随机规律器件组成的信号处理器；它们体积小、保密性好，具有极高的性能，但灵敏性差；4. 用 FPGA 等可编程器件来开发数字滤波算法；由于 FPGA 产品的快速进展，人们可以利用 At
10、era、Xilinx 等产品，使用其相关开发工具和 VHDL 等硬件开发语言，通过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法；这一方法由于具有通用性的特点并可以实现算法的并行运算，无论是作为独立的数字信号处理器，仍是作为 DSP 芯片的协处理器，目前都是比较活跃的争辩领域；欢迎下载精品学习资源比较以上方法可见：可以接受MATLAB等软件来学习数字滤波器的基本学问，运算数字滤波器的系数，争辩算法的可行性，对数字滤波器进行前期的设计和仿真；而后，用 DSP 处理器或 FPGA 进行数字滤波的硬件实现；本课题设计的 FIR 数字滤波器就是用MATLAB进行设计和仿真，用 DSP 处理器来实现；1.3 主要
11、争辩内容本文主要争辩了数字滤波器的基本理论和实现方法；接着争辩分析了如何利用 MATLAB 仿真软件来设计出符合各种要求的数字滤波器，并对所设计的滤波器进行仿真得到系数，本文仍应用 DSP 集成开发环境 CCS 调试汇编程序，为后面在 DSP 上实现供应必要的数据；本课题选择在 TM320C5509 DSP 综合试验开发系统平台上进行开发；最终接受窗函数法在 CCS 环境下，利用 MATLAB 仿真得到的滤波器系数，编程实现 IIR 数字滤波器，得出滤波结果波形，并对结果进行分析与总结；欢迎下载精品学习资源第2章 滤波器基础2.1 数字滤波器的介绍数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统
12、；数字滤波实质上是一种运算过程，实现对信号的运算处理；输入数字信号（数字序列）通过特定的运算转变为输出的数字序列，因此，数字滤波器本质上是一个完成特定运算的数字运算过程，也可以懂得为是一台运算机；描述离散系统输出与输入关系的卷积和差分方程只是给数字信号滤波器供应运算规章，使其依据这个规章完成对输入数据的处理；时域离散系统的频域特性 :,其中、分别是数字滤波器的输出序列和输入序列的频域特性（或称为频 谱特性） , 是数字滤波器的单位取样响应的频谱，又称为数字滤波器的频域响应；输入序列的频谱经过滤波后 , 因此，只要依据输入信号频谱的特点和处理信号的目的，适当选择 ，使得滤波后的中意设计的要求，这
13、就是数字滤波器的滤波原理；数字滤波器依据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应IIR数字滤波器和有限长冲激响应 FIR 数字滤波器； IIR数字滤波器的特点是，具有无限连续时间冲激响应，需要用递归模型来实现，其差分方程为： 系统函数为：设计IIR 滤波器的任务就是寻求一个物理上可实现的系统函数Hz ，使其频率响应 Hz 中意所期望得到的频域指标，即符合给定的通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减系数和阻带衰减系数；2.2 IIR 滤波器的设计方法及原理IIR 数字滤波器是一种离散时间系统，其系统函数为假设MN，当MN时, 系统函数可以看作一个 IIR 的子系统和一个 M-N 的F
14、IR子系统的级联； IIR 数字滤波器的设计实际上是求解滤波器的系数和，它是数学上的一种靠近问题，即在规定意义上（通常接受最小均方误差准就）去靠近系统欢迎下载精品学习资源的特性；假如在 S平面上去靠近，就得到模拟滤波器；假如在z平面上去靠近， 就得到数字滤波器；1. 用脉冲相应不变法设计 IIR 数字滤波器利用模拟滤波器来设计数字滤波器，也就是使数字滤波器能仿照模拟滤波器的特性，这种仿照可以从不同的角度动身；脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应动身，使数字滤波器的单位脉冲响应序列h n 仿照模拟滤波器的冲激响应 ha t ，即将 ha t 进行等间隔采样，使 h n 正好等于 ha t 的采样值
15、，中意h n= ha nT式中, T 是采样周期；假如令 Ha s 是 ha t 的拉普拉斯变换， H z 为 h n 的 Z 变换，利用采样序列的 Z 变换与模拟信号的拉普拉斯变换的关系得1-1就可看出，脉冲响应不变法将模拟滤波器的S 平面变换成数字滤波器的Z平面，这个从 s 到 z 的变换 z=esT 是从 S平面变换到 Z 平面的标准变换关系式；图 1-1 脉冲响应不变法的映射关系由（ 1-1 ）式，数字滤波器的频率响应和模拟滤波器的频率响应间的关系为1-2这就是说，数字滤波器的频率响应是模拟滤波器频率响应的周期延拓；正如采样定理所争辩的，只有当模拟滤波器的频率响应是限带的，且带限于折叠
16、频率以内时，即1-3才能使数字滤波器的频率响应在折叠频率以内重现模拟滤波器的频率响应，而不产生混叠失真，即| | 1-4但是，任何一个实际的模拟滤波器频率响应都不是严格限带的，变换后就会产生周期延拓重量的频谱交叠，即产生频率响应的混叠失真，如图7-4所示；这时数字滤波器的频响就不同于原模拟滤波器的频响，而带有确定的失真；当模拟滤波器的频率响应在折叠频率以上处衰减越大、越快时，变换后频欢迎下载精品学习资源率响应混叠失真就越小；这时，接受脉冲响应不变法设计的数字滤波器才能得到良好的成效；图 1-2 脉冲响应不变法中的频响混叠现象对某一模拟滤波器的单位冲激响应ha t 进行采样，采样频率为 f s，
17、如使 f s 增加，即令采样时间间隔（ T=1/ f s）减小，就系统频率响应各周期延拓重量之间相距更远，因而可减小频率响应的混叠效应；脉冲响应不变法优缺点：从以上争辩可以看出，脉冲响应不变法使得数字滤波器的单位脉冲响应完全仿照模拟滤波器的单位冲激响应，也就是时域靠近良好，而且模拟频率和数字频率 之间呈线性关系 = T；因而，一个线性相位的模拟滤波器（例如贝塞尔滤波器）通过脉冲响应不变法得到的仍然是一个线性相位的数字滤波器；脉冲响应不变法的最大缺点是有频率响应的混叠效应；所以，脉冲响应不变法只适用于限带的模拟滤波器 例如，衰减特性很好的低通或带通滤波器 ， 而且高频衰减越快，混叠效应越小；至于
18、高通和带阻滤波器，由于它们在高频部分不衰减，因此将完全混淆在低频响应中；假如要对高通和带阻滤波器接受脉冲响应不变法，就必需先对高通和带阻滤波器加一爱惜滤波器，滤掉高于折叠频率以上的频率，然后再使用脉冲响应不变法转换为数字滤波器；当然这样会进一步增加设计复杂性和滤波器的阶数；2. 用双线性变换法设计 IIR 数字滤波器脉冲响应不变法的主要缺点是产生频率响应的混叠失真；这是由于从 S 平面到平面是多值的映射关系所造成的；为了克服这一缺点，可以接受非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范畴压缩到 - / T / T 之间，再用sTz=e 转换到 Z 平面上；也就是说，第一步先将整个S 平面压缩映射
19、到 S1 平面的- / T/ T 一条横带里；其次步再通过标准变换关系z=es1T 将此横带变换到整个 Z 平面上去；这样就使 S 平面与 Z 平面建立了一一对应的单值关系，排除了多值变换性，也就排除了频谱混叠现象，映射关系如图1-3 所示；图 1-3 双线性变换的映射关系为了将 S 平面的整个虚轴 j 压缩到 S1 平面 j 1 轴上的- / T 到/ T 段欢迎下载精品学习资源上，可以通过以下的正切变换实现式中, T 仍是采样间隔；（ 1-5 ）欢迎下载精品学习资源当1 由- / T 经过 0 变化到/ T 时， 由- 经过 0 变化到+，也即映射了整个 j 轴；将式（ 1-5 ）写成将此
20、关系解读延拓到整个 S 平面和 S1 平面，令 j =s，j 1=s1，就得再将 S1 平面通过以下标准变换关系映射到Z 平面z=es1T从而得到 S 平面和 Z 平面的单值映射关系为：（ 1-6 ）（ 1-7 ）式（ 1-6 ）与式（ 1-7 ）是 S 平面与 Z 平面之间的单值映射关系，这种变换都是两个线性函数之比，因此称为双线性变换式（ 1-5 ）与式（ 1-6 ）的双线性变换符合映射变换应中意的两点要求；第一, 把 z=ej ，可得（ 1-8 ）即 S 平面的虚轴映射到 Z 平面的单位圆；其次，将 s=+j 代入式（ 1-8 ），得因此由此看出，当 0 时， | z|0 时， | z|
21、1 ；也就是说， S 平面的左半平面映射到 Z 平面的单位圆内， S 平面的右半平面映射到Z 平面的单位圆外， S 平面的虚轴映射到 Z 平面的单位圆上；因此，稳固的模拟滤波器经双线性变换后所得的数字滤波器也确定是稳固的；双线性变换法优缺点双线性变换法与脉冲响应不变法相比，其主要的优点是防止了频率响应的混叠现象；这是由于 S 平面与 Z 平面是单值的一一对应关系； S 平面整个 j 轴单欢迎下载精品学习资源值地对应于 Z 平面单位圆一周，即频率轴是单值变换关系；这个关系如式（ 1-8 ）所示，重写如下：上式说明， S平面上与 Z 平面的成非线性的正切关系，如图 7-7 所示；由图 7-7看出，
22、在零频率邻近，模拟角频率 与数字频率 之间的变换关系接近于线性关系；但当进一步增加时， 增长得越来越慢，最终当 时， 终止在折叠频率 = 处，因而双线性变换就不会显现由于高频部分超过折叠频率而混淆到低频部分去的现象，从而排除了频率混叠现象；图 1-4 双线性变换法的频率变换关系但是双线性变换的这个特点是靠频率的严肃非线性关系而得到的，如式（ 1-8 ）及图 1-4 所示；由于这种频率之间的非线性变换关系，就产生了新的问题；第一，一个线性相位的模拟滤波器经双线性变换后得到非线性相位的数字 滤波器，不再保持原有的线性相位了；其次，这种非线性关系要求模拟滤波器 的幅频响应必需是分段常数型的，即某一频
23、率段的幅频响应近似等于某一常数（这正是一般典型的低通、高通、带通、带阻型滤波器的响应特性），不然变换所产生的数字滤波器幅频响应相对于原模拟滤波器的幅频响应会有畸变，如图 1-5 所示；图 1-5 双线性变换法幅度和相位特性的非线性映射对于分段常数的滤波器，双线性变换后，仍得到幅频特性为分段常数的滤波器，但是各个分段边缘的临界频率点产生了畸变，这种频率的畸变，可以通过频率的预畸来加以校正；也就是将临界模拟频率事先加以畸变，然后经变换后正好映射到所需要的数字频率上；2.3 IIR 滤波器的设计过程及 MATLAB 实现2.3.1 IIR 滤波器的设计过程依据以上 IIR 数字滤波器设计方法，下面运
24、用双线性变换法基于 MATLAB 设计一个 IIR 带通滤波器，其中带通的中心频率为 p0=0.5，；通带截止频率 p1=0.4 ,p2=0.6 ；通带最大衰减 p=3dB；阻带最小衰减 s=15dB；阻欢迎下载精品学习资源带截止频率 s2=0.71. 设计步骤：(1) 依据任务 , 确定性能指标 : 在设计带通滤波器之前 , 第一依据工程实际的需要确定滤波器的技术指标 :带通滤波器的阻带边界频率关于中心频率 p0 几何对称，因此 ws1=wp0-ws2-wp0=0.3 通带截止频率 wc1=0.4 ,wc2=0.6 ；阻带截止频率wr1=0.3 ，wr2=0.7；阻带最小衰减 s=3dB和通
25、带最大衰减 p=15dB；(2) 用=2/T*tanw/2对带通数字滤波器 Hz 的数字边界频率预畸变，得到带通模拟滤波器 Hs 的边界频率主要是通带截止频率p1, p2；阻带截止频率s1， s2 的转换；为了运算简便，对双线性变换法一般T=2s通带截止频率 wc1=2/T*tanwp1/2=tan0.4/2=0.7265 wc2=2/T*tanwp2/2=tan0.6/2=1.3764阻带截止频率 wr1=2/T*tanws1/2=tan0.3/2=0.5095 wr2=2/T*tanws2/2=tan0.7/2=1.9626阻带最小衰减 s=3dB和通带最大衰减 p=15dB；(3) 运用
26、低通到带通频率变换公式 = 2- 02/B* 将模拟带通滤波器指标转换为模拟低通滤波器指标；B=wc2-wc1=0.6499normwr1=wr12-w02/B*wr1=2.236 normwr2=wr22-w02/B*wr2=2.236 normwc1=wc12-w02/B*wc1=1normwc2=wc22-w02/B*wc2=1得出， normwc=1，normwr=2.236模拟低通滤波器指标： normwc=1， normwr=2.236， p=3dB， s=15Db(4) 设计模拟低通原型滤波器；用模拟低通滤波器设计方法得到模拟低通滤波器的传 输函 数 Has ； 借 助巴 特沃
27、斯 Butterworth滤 波 器、 切比 雪 夫Chebyshev 滤波器、椭圆 Cauer 滤波器、贝塞尔 Bessel 滤波器等；欢迎下载精品学习资源(5) 调用 lp2bp 函数将模拟低通滤波器转化为模拟带通滤波器；(6) 利用双线性变换法将模拟带通滤波器Has 转换成数字带通滤波器Hz.2.3.2 IIR 滤波器的流程框图开头读入数字滤波器技术指标将指标转换成归一化模拟低通滤波器的指标设计归一化的模拟低通滤波器阶数N和 3db 截止频率模拟域频率变换，将 GP变换成模拟带通滤波器Hs用双线性变换法将 Hs 转换成数字带通滤波器Hz输入信号后显示相关结果终止2.3.3 MATLAB程
28、序MATLAB程序如下 :clearwp0=0.5*pi ；wp1=0.4*pi ；wp2=0.6*pi ；Ap=3；ws2=0.7*pi ；As=15；T=2；%数字带通滤波器技术指标ws1=wp0-ws2-wp0；%运算带通滤波器的阻带下截止频率wc1=2/T*tanwp1/2；wc2=2/T*tanwp2/2；wr1=2/T*tanws1/2；wr2=2/T*tanws2/2；w0=2/T*tanwp0/2；%频率预畸变B=wc2-wc1；%带通滤波器的通带宽度normwr1=wr12-w02/B*wr1；normwr2=wr22-w02/B*wr2；normwc1=wc12-w02/B
29、*wc1；欢迎下载精品学习资源normwc2=wc22-w02/B*wc2； % 带通到低通的频率变换if absnormwr1absnormwr2 normwr=absnormwr2else normwr=absnormwr1 endnormwc=1；%将指标转换成归一化模拟低通滤波器的指标N=buttordnormwc,normwr,Ap,As,s； %设计归一化的模拟低通滤波器阶数N和 3db 截止频率bLP,aLP=butterN,normwc,s；%运算相应的模拟滤波器系统函数GpbBP,aBP=lp2bpbLP,aLP,w0,B；%模拟域频率变换，将GP变换成模拟带通滤波器 Hsb
30、,a=bilinearbBP,aBP,0.5；带通滤波器 Hz%用双线性变换法将Hs 转换成数字w=linspace 0,2*pi,500；h=freqzb,a,w ；subplot2,1,2 ；plotw,absh ；grid onxlabelwradylabel|Hjw| title频谱函数 subplot2,2,1；plotw,20*log10absh；axis0,2*pi,-120,20；grid on xlabelwradylabel20*lg|Hjw|dbtitle20*lg|Hjw|-w欢迎下载精品学习资源2.3.4 运行结果及分析运行结果及分析：图 2.3程序运行结果： nor
31、mwr=2.2361由设计流程运算得 normwr=2.236 与运行结果相同；低通原型的每一个边界频率都映射为带通滤波器两个相应的边界频率；依据通带截至频率和阻带截至频率与频谱函数曲线比较，中意设计要求；2.4 本章小结本章主要介绍了 IIR 滤波器设计的理论基础，分别介绍了IIR 滤波器的几种设计方法和实现方法，为后面IIR滤波器的设计奠定理论基础；介绍了用MATLAB实现步骤及运行结果；第三章 数字滤波器的 DSP 实现数字信号处理器 DigitalSignalProcessor是 一种适合对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，其主要用来实时快速地实现各种数字信号处理算法；在当今的数字
32、化时代， DSP 己成为通信设备、运算机和其它电子产品的基础器件；数字信号处理器与数字信号处理有着密不行分的关系，我们通常说的 “ DSP”可以指数字信号处理 DigitalSignalProcessing，也可以代表数字信号处理器Digital SignalProcessor在 本文里均指数字信号处理器；数字信号处理是一门包括了许多学科并应用于许多领域的学科，是指利用运算机或是专用处理设备，以数字形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估值、压缩、识别等处理，得到符合要求的信号形式；数字信号处理器是用于处理数字信号的器件，因此它是相伴着数字信号处理才产生的；DSP 进展历程大致分为三个阶
33、段： 20 世纪 70 岁月理论先行， 80 岁月产品普及和 90 岁月的突飞猛进；在 DSP 显现之前数字信号处理只能依靠微处理器MPU 来完成；但 MPU 较低的处理速度无法中意高速实时的要求；因此，直到20 世纪 70 岁月，有人才提出了 DSP 的理论和算法基础；随着大规模集成电路技术的进展， 1982 年世界上产生了第一片DSP 芯片；几年后，其次代基于CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生； 80 岁月后期，第三代DSP 芯片问世； 90 岁月 DSP 进展最快，相继显现了第四代和第五代DSP 器件；经过20 多年的进展， DSP 产品的应用己扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面
34、，并逐步成为电子产品更新换代的准备因素；欢迎下载精品学习资源3.1TMS320C5509 特点TMS320C5509 接受双乘累加单元 MAC 结构；整个处理器内部分为 5 个大的功能单元：储备器缓冲单元 M 、指令缓冲单元 I 、程序把握单元 P、地址生 成单 元 A 和 数 据计 算单 元 D ， 各个 功能 单元 之 间通 过总 线连 接；TMS320C5509 中共有 12 条总线： 1 条 32 位程序数据总线 PB，1 条 24 位程序地址总线 PAB，5 条 16 位的数据总线 BB 、CB、DB 、EB、FB和 5 条 24 位的数据地址总线 BAB 、CAB 、DAB 、EA
35、B、FAB；作为嵌入式芯片的一种， DSP 芯片是一种特殊适合于进行数字信号处理的微处理器芯片，已经广泛应用于实现各种数字信号处理运算；其显著特点可以 归纳如下：1. 哈佛结构哈佛结构是不同于传统的冯诺曼Von Neuman结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据储备在不同的储备空间中，即程序储备器和数据储备器是 两个相互独立的储备器，每个储备器独立编址，独立拜望；与两个储备器相对 应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高 了一倍；2. 流水线与哈佛结构相关， DSP 芯片广泛接受流水线以削减指令执行时间，从而增强了处理器的处理才能； TMS320 系列处理器的
36、流水线深度从2-6 级不等；第一代TMS320 处理器接受二级流水线，其次代接受三级流水线，而第三代就接受四级流水线；也就是说，处理器可以并行处理2-6 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段；3. 专用的硬件乘法器在一般形式的 FIR 滤波器中，乘法是DSP 的重要组成部分；对每个滤波器抽头，必需做一次乘法和一次加法；乘法速度越快，DSP 处理器的性能就越高；在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成；相比而言， DSP 芯片的特点就是有一个专用的硬件乘法器；4特殊的 DSP 指令DSP 芯片的另一个特点是接受特殊的指令；例如TMS320C10 中的 LTD
37、 指令， 可单周期完成加载寄存器、数据移动、同时累加操作；仍有DMOV 指令，它完成数据移位功能；在数字信号处理中，推迟操作特殊重要，这个推迟就是由 DMOV 指令来实现的 9 ；5快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP 指令再加上集成电路的优化设计，可使 DSP 芯片的指令周期缩短到 200ns以下；现在，许多 DSP 处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的 20ns以下，甚至在 10ns以内；快速的指令周期使得 DSP 芯片能够实时实现许多 DSP 应用；6面对寄存器和累加器DSP 所使用的不是一般的寄存器文件，而是专用寄存器，较新的DSP 产品都
38、有类似于 RISC 的寄存器文件；许多 DSP 仍有大的累加器，可以在反常情形下对数据溢出进行处理；7. 支持前、后台处理DSP 支持复杂的内循环处理，包括建立起X、Y 内存和分址 /循环计数器；一些欢迎下载精品学习资源DSP 在做内循环处理中把中断屏蔽了，另一些就以类似后台处理的方式支持快速中断；许多 DSP 使用硬连线的堆栈来储存有限的上下文，而有些就用隐匿的寄存器来加快上下文转换时间；8. 拥有简便的单片内存和内存接口DSP 设法防止了大型缓冲器或复杂的内存接口，削减了内存拜望；一些DSP 的内循环是在其单片内存中重复执行指令或循环操作部分代码，它多接受SRAM 而不是 DRAM ，由于
39、前者接口更简便； 2000 年 3 月，德州仪器（ TI）公司推出了高性能低功耗的 TMS320C55x 芯片10；其性能可以达到 400800MIPS，但功耗低到0.05 mW/MIPS ；TMS320 系列包括定点、浮点和多处理器等三种类型的数字信号处理器；它的结构是特地针对实时信号处理而设计的，具有指令灵敏、可操作性强、速度快以及支持并行运算和 C 语言等特点，是性价比较高的一类DSP，在通信设备中得到了广泛的应 用；C5000 系列 DSP是针对个人便携设备而设计的，如音乐播放器、3G 蜂窝电话、数码相机、高速音频设备、高精度的信号和多通道应用；通常人们把C54x 和 C55x 系列通
40、称 C5000 系列，主要用于功耗低、便携式的无线通信终端产品；C5000 系列包括旧有的 C5x、当前主流的 C54x 和较新的 C55x 系列；其中， C54x 接受改进的哈佛结构，并集成有丰富的硬件规律和外部接口资源，具有较高的性能，及较低的成本和体积；C55x 是在 C54x 的基础上进展起来的， 也接受改进型哈佛结构，其器件功耗较C54x 更低，性能更高；TMS320C55x 接受多总线结构，由五组内部数据总线（3 个用于读， 2 个用于写）和一组内部程序储备总线构成； 32bit 的程序总线（ PB）传送从程序储备器来的指令代码和马上数；三组16bit 数据读总线（ BB，CB 和
41、 DB ）连接数据读地址产生规律； CB 和 DB 总线传送双操作数； DB 总线传送单操作数； BB 总线供应第三种读路径并且能够供应双乘操作数的系数；两组16bit 数据写总线EB ， FB 连接数据写地址产生规律；六组24bit 数据总线（ PAB， CAB ， DAB ，BAB ， EAB ， FAB）传送执行指令所需要的地址；仍有一条附加总线为DMA 把握器和外设把握器供应服务；TMS320C55x 的 CPU 结构主要包括四种功能单元：即指令缓冲单元（I 单元），程序流程单元（ P 单元），地址数据流程单元（ A 单元）和数据运算单元（ D 单元）；其数据运算单元包括一个40bit
42、 的可以供应 -32 到 31 移位范畴的桶形移位器，一个 40bit 的算术规律电路（ ALU ），两个乘累加器（ MAC ）可以在一个周期中执行两个 MAC 操作，以及四个 40bit 的累加器；在其地址数据流程单元仍包括一个 16bit 的算术规律电路（ ALU ），为主 ALU 供应简洁的算术运算；55x 的指令集功能强大而且使用灵敏，它同时具有易于使用和程序效率高的特点；寻址方式包括确定寻址、寄存器间接寻址、直接寻址，这些寻址方式降低了算法所需要的指令数量，减小了代码量，也提高了芯片运算速度；特殊要提到的是 C55x 指令集中所供应的三操作数指令，这种指令可以实现 3 个操作数的同时
43、处理（如写入寄存器或储备器等操作），大大压缩了代码的指令数量；欢迎下载精品学习资源3.2 DSP 系统的设计与开发DSP 系统的开发是一个复杂的过程，在系统的设计和调试中不但需要数字信号处理方面的理论学问，而且仍要熟识把握各种DSP 芯片、外围硬件电路以及 DSP 开发工具等；3.2.1 DSP 系统的特点DSP 系统是以数字信号处理为基础的，因此不但具有数字处理的全部优点24而且仍具有以下特点:1. 接口便利： DSP 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口 要简洁得多；2. 编程便利： DSP 应用系统中的可编程 DSP 芯片，能灵敏便利地进行修改和升级；3. 稳固性好： DSP 应用系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小、牢靠性高，无器件老化现象；4. 精度高： 16 位数字系统可以达到 10-5 级的精度；5. 可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；6. 集成便利： DSP 应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成；当然，数字信号处理也存在一些缺点；例如，对于简洁信号处理任务，如接受 DSP 就使成本增加； DSP