基于DSP的測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化學(xué)院 趙維毅 李宏穆 代銀華

1.引言

DSP是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。本次設(shè)計(jì)的是通過DSP來實(shí)現(xiàn)濾波功能的FIR濾波器。采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法并用C語言在CCS5000上實(shí)現(xiàn)濾波功能。

2.原理分析與DSP系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 基于DSP的FIR濾波器原理分析

2.1.1 FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

有限沖激響應(yīng)FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，把每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出。數(shù)學(xué)上表示為：

對(duì)(1)式進(jìn)行Z變換，整理后可得出FIR濾波器的傳遞函數(shù)為：

由(2)式可知FIR濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FIR數(shù)字濾波器直接實(shí)現(xiàn)形式

2.1.2 FIR濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)

DSP系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試中不但需要數(shù)字信號(hào)處理方面的理論知識(shí)，而且還有需要對(duì)各種DSP芯片、外圍硬件電路以及DSP開發(fā)工具等都有豐富的實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。圖2為FIR濾波器DSP實(shí)現(xiàn)的電路方框圖

圖2 FIR濾波器DSP實(shí)現(xiàn)的電路框圖

DSP系統(tǒng)的輸入信號(hào)多種多樣，但一般都要轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過抗混疊濾波后由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。然后，DSP根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，如FFT、卷積等;處理后的數(shù)字信號(hào)再由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換為模擬值，在對(duì)其進(jìn)行平滑濾波后最終輸出模擬信號(hào)。需要說明的是，對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣頻率要大于其本身頻率的兩倍，因?yàn)楦鶕?jù)奈奎斯特采樣定律，只有采樣頻率至少為輸入信號(hào)頻率的兩倍時(shí)輸入信號(hào)的信息才保證不會(huì)丟失。

2.2 DSP系統(tǒng)特點(diǎn)

DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的，因此不但具有數(shù)字處理的全部?jī)?yōu)點(diǎn)而且還具有以下特點(diǎn)：

(1)接口方便：DSP應(yīng)用系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，它與這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多；

(2)編程方便：DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中能靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)；

(3)穩(wěn)定性好：DSP應(yīng)用系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度及噪聲的影響較小、可靠性高；

(4)精度高：16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到10-5級(jí)的精度；

(5)可重復(fù)性好：模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)；

(6)集成方便：DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。

3.數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法與選擇

3.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

數(shù)字濾波器有多種設(shè)計(jì)方法，如雙線性變換法、窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、插值逼近法和Chebyshev逼近法等等，但是通常采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的基本思想是：根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)選擇濾波器長(zhǎng)度N和窗函數(shù)ω（n），使其具有最窄寬度的主瓣和最小的旁瓣，其核心是從給定的頻率特性，通過加窗確定有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)序列h(n)。

目前FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法大致可分為三種：利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP器件和可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。單片通用數(shù)字濾波器使用方便，但由于字長(zhǎng)和階數(shù)的規(guī)格較少，不能完全滿足實(shí)際需要，使用以串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用DSP芯實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單，是一種實(shí)時(shí)、快速、特別適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。

3.2 窗函數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)阻帶最小衰減和過渡帶寬度的要求選擇合適的窗函數(shù)類型和窗口長(zhǎng)度N。待求濾波器的過度帶寬度 Bt近似等于窗函數(shù)主瓣寬度。且近似于窗口長(zhǎng)度N成反比，N≈A/Bt，A取決于窗口類型。

(1)首先是給定所要求的頻率響應(yīng)函數(shù)Hd(e jw)。

(2)其次求h(n)=IDTFT[H(ejw)]。

(3)再次，有過渡帶寬及阻帶最小衰減的要求，利用表可選定窗w(n)的形狀及N的大小，一般N要通過幾次試探而最后確定。

(4)求得所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng)。

(5)求h(n)=IDTFT[H(ejw)]，檢查是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足，則需重新設(shè)計(jì)。

4.設(shè)計(jì)過程及結(jié)果

4.1 選擇窗函數(shù)

假設(shè)數(shù)組和xmid長(zhǎng)度均為51，fs=181K為采樣頻率，fstop=10K為濾波器截止頻率?？梢酝ㄟ^公式tBAN/= 來反求A其中tB近似和fstop/fs相等。由此可以求得A值，從而確認(rèn)選擇矩形窗。

4.2 確定混疊信號(hào)

(1)正確連線，上電。

(2)把模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的撥動(dòng)開關(guān)的1和5置為“on”，其余為OFF”。

(3)用示波器分別觀測(cè)信號(hào)源單元的S1和S2輸出的模擬信號(hào)，分別調(diào)節(jié)信號(hào)波形選擇、信號(hào)頻率、信號(hào)輸出幅值等旋鈕，直到滿意為止；

采用兩路正弦波信號(hào)的混疊信號(hào)作為輸入信號(hào)；

低頻正弦波信號(hào)：峰峰值11V，頻率＜4KHz；

高頻正弦波信號(hào)：峰峰值5V，頻率＞40KHz。

(4)設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的撥動(dòng)開關(guān)，1、5、6置“ON”，其它置“OFF”，即采樣頻率選擇181KHz，兩路信號(hào)混疊輸入，可在“SC”點(diǎn)用示波器觀察混疊信號(hào)。圖3為混疊后的信號(hào)。

圖3 混疊后的信號(hào)

4.3 軟件編寫

噪聲函數(shù)的產(chǎn)生程序如下：

這段程序應(yīng)用于程序中產(chǎn)生噪聲函數(shù)。

計(jì)算hd(n) * MERGEFORMAT的程序如下:

該段程序?qū)崿F(xiàn)了256個(gè)單位脈沖沖擊響應(yīng)h(t)的值。

計(jì)算h(n)的程序如下：

該程序?qū)崿F(xiàn)了卷積和的計(jì)算，把結(jié)果存到py所指向的地址里。

創(chuàng)造窗函數(shù)的程序如下：

該段程序表明了是個(gè)矩形窗函數(shù)。

這兩段只是做了DSP的初始化。

圖4 主程序框圖

4.4 本設(shè)計(jì)結(jié)果

本文通過在CCS下所顯示的濾波前與濾波后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖可以看出：經(jīng)過截至頻率10K的FIR濾波器后，基本上達(dá)到濾波效果。

下圖為含噪聲與不含噪聲的效果圖：

圖5 不含噪聲的效果

圖6 含噪聲的效果圖

5.結(jié)束語

在DSP平臺(tái) 上并依據(jù)窗函數(shù)法實(shí)現(xiàn)了FIR低通數(shù)字濾波器。采用C語言對(duì)軟件進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)了算法的可移植性強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中按照需求修改各個(gè)參數(shù)，對(duì)程序稍作修改即可實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的FIR濾波器，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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