FIR实时滤波.doc

DSP课程设计实验报告

学 院：
电子信息工程学院
专 业：
通信工程
学 号：
10213082
学 生：
谭啸宇
指 导 教 师：
钱满义

2013年7月

目录
实验要求： 3
实验目的： 3
实验背景： 3
1．DMA技术 3
实验内容： 4
1.基本思想 4
2.程序与数据 5
主程序 5
噪声数据 16
FIR滤波器数据 17
3.结果 17
实验感想 20
利用DSP实现实时信号FIR滤波

实验要求：
基本部分
(1) 掌握利用滤波器设计FIR滤波器的方法，并提取滤波器参数；
(2) 掌握利用Matlab的信号处理工具箱的使用，以及利用Matlab对信号进行滤波
(3) 设计数字滤波算法，或调用DSPLIB中的滤波函数，实现对信号的滤波。
(4) 利用C语言对A/D、D/A进行初始化
(5) 利用C语言对DMA进行初始化
(6) 编写DMA中断服务程序，实现信号的实时滤波
(7) 利用CCS信号分析工具分析信号的频谱成分，确定滤波器的参数

发挥部分
(1)比较加不同窗和阶数时滤波器的滤波效果；
(2)测试所设计滤波器的幅频特性和相频特性，并与MATLIB下的设计结果进行比较。
(3)在实验板的Line in输入端接入正弦信号，分左右声道分别采集，并分别滤波。

实验目的：
掌握利用 DSP 实现信号实时 FIR 滤波设计可使学生更加透彻的理解信号的采集方法和滤波方法。学会利用 Matlab 对信号进行 FIR 滤波，掌握 Matlab 的信号仿真。同时通过对 DSP 信号处理器及 A/D、D/A 转换器以及 DMA 的编程，可以培养学生 C 语言编程能力以及使用 DSP 硬件平台实现数字信号处理算法的能力。

实验背景：
1．DMA技术
Direct Memory Access（存储器直接访问）是指一种高速的数据传输操作，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据，既不通过CPU，也不需要CPU干预。整个数据传输操作在一个称为“DMA控制器”的控制下进行。CPU除了在数据传输开始和结束时做一点处理外，在传输过程中还可以进行其他的工作。这样，在大部分时间里，CPU和输入输出都处于并行操作，因此使整个计算机系统的效率大大提高。DMA是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于 CPU 的大量中断负载,否则，CPU 需要从来源把每一片段的资料复制到暂存器，然后把它们再次写回到新的地方,在这个时间中，CPU对于其他的工作来说就无法使用。DMA传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间,当CPU初始化这个传输动作,传输动作本身是由DMA控制器来实行和完成。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以被重新排程去处理其他的工作。DMA 传输对于高效能嵌入式系统算法和网络是很重要的。
一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)， 它会先向CPU发送DMA请求信号。外设通过DMA的一种专门接口电路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管总线控制权的总线请求，CPU收到该信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号。CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权。于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预。数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还总线控制权。
实现DMA传送的基本操作如下：
1、外设可通过DMA控制器向CPU发出DMA请求；
2、CPU响应DMA请求，系统转变为DMA工作方式，并把总线控制权交给DMA控制器；
3、由DMA控制器发送存储器地址，并决定传送数据块的长度；
4、执行DMA传送；
5、DMA操作结束，并把总线控制权交还CPU。
DMA方式主要适用于一些高速的I/O设备。这些设备传输字节或字的速度非常快。对于这类高速I/O设备，如果用输入输出指令或采用中断的方法来传输字节信息，会大量占用CPU的时间，同时也容易造成数据的丢失。而DMA方式能使I/O设备直接和存储器进行成批数据的快速传送。

2.FIR低通滤波器
假设数字滤波器的频率响应函数H用下式表示：

幅频特性表示信号通过该滤波器后各频率成分振幅衰减情况，而相频特性反映各频率成分通过滤波器后在时间上的延时情况。一般选频滤波器的技术要求由幅频特性给出，其相频特性是确定的，所以在设计过程中，对相频特性一般不作要求。在低通滤波器的幅频特性中，Wp和Ws分别称为通带边界频率和阻带截止频率。从Wp到Ws称为过渡带，过渡带上的频响一半是单调下降的。
当冲击响应满足下列条件时，FIR滤波器具有对称结构，为线性相位滤波器：

这种对称性，可使得乘法器数量减半：对n价滤波器，当n为偶数时，乘法器的个数为n/2个；当n为奇数时，乘法器的个数为(n+1)/2个。在电路实现中，乘法器占用的逻辑单元数较多。乘法器的增加，意味着电路成本增加，另外对电路的工作速度也有影响。
在DSP的应用中，可以应用Matlab的滤波器设计工具箱fdatool工具箱生成需要的FIR滤波器，在生成C文件，提取出相应的滤波数据，应用CCS来调用这些数据，从而应用DSP产生信号的滤波效果，这样就实现了FIR的低通滤波效果。
实验内容：
1.基本思想
外部模拟信号先进行A/D转换，利用MCBSP的接收寄存器接收数据。利用CCS的频谱分析工具对输入信号进行频谱分析；根据频谱成分确定滤波器参数，然后利用Matlab设计FIR滤波器，将参数提取出来，存放到DSP存储区中。调用DSPLIB中的FIR滤波函数，对信号进行滤波。滤波后的数据利用DMA方式送到D/A转换器转换为模拟信号。
2.程序与数据
主程序:
/*
* Copyright (C) 2003 Texas Instruments Incorporated
* All Rights Reserved
*/
/*
*---------main_dmafir.c---------
* This is a DMA application example for Codec AIC23B analog input/output,
* The example places the MCBSP in DMA transmit data mode and
* syncs MCBSP receive with DMA channel 4 and MCBSP transmit
* with DMA channel 5.
* The example uses predefined CSL macros and symbolic
* constants to create the initialization values needed for
* the MCBSP and DMA control registers to effect the transfer
* Created by hailingao , BJTU , 2012/06/25
*/

#include <stdio.h>
#include <csl_mcbsp.h>
#include <csl_dma.h>
#include <csl_irq.h>
#include <dsplib.h>
#include <tms320.h>

#include "data.h"

//---------Global data definition---------

/* Constants for the buffered ping-pong transfer */
#define BUFFSIZE 256
#define PING 0
#define PONG 1

/*
* Data buffer declarations - the program uses four logical buffers of size
* BUFFSIZE, one ping and one pong buffer on both receive and transmit sides.
*/
#pragma DATA_SECTION (gBufferXmtPing, "buffer_sect");
Int16 gBufferXmtPing[BUFFSIZE]; // Transmit PING buffer
#pragma DATA_SECTION (gBufferXmtPong, "buffer_sect");
Int16 gBufferXmtPong[BUFFSIZE]; // Transmit PONG buffer
#pragma DATA_SECTION (gBufferRcvPing, "buffer_sect");
Int16 gBufferRcvPing[BUFFSIZE]; // Receive PING buffer
#pragma DATA_SECTION (gBufferRcvPong, "buffer_sect");
Int16 gBufferRcvPong[BUFFSIZE]; // Receive PONG buffer

#pragma DATA_SECTION (inp, ".data_in1");
DATA inp[NX];
#pragma DATA_SECTION (inp1, ".data_in2");
DATA inp1[NX];
#pragma DATA_SECTION (outbuf1, ".data_in3");
DATA outbuf1[NX];
//#pragma DATA_SECTION(out,".data_out");
//DATA out[NX];

/*------------------------------------------------------------------------------------*/
//
// Config McBSP: Use McBSP to send and receive the data between DSP and AIC23B
//
/*------------------------------------------------------------------------------------*/
MCBSP_Config Mcbsp1Config = {
MCBSP_SPCR1_RMK(
MCBSP_SPCR1_DLB_OFF, // DLB = 0
MCBSP_SPCR1_RJUST_LZF, // RJUST = 0,right justify the data and zero fill the MSBs
MCBSP_SPCR1_CLKSTP_DISABLE, // CLKSTP = 0
MCBSP_SPCR1_DXENA_ON, // DXENA = 1,DX delay enabler on
0, // Reserved = 0
MCBSP_SPCR1_RINTM_RRDY, // RINTM = 0
MCBSP_SPCR1_RSYNCERR_NO, // RSYNCER = 0
// MCBSP_SPCR1_RFULL_NO, // RFULL = 0
// MCBSP_SPCR1_RRDY_NO, // RRDY = 0
MCBSP_SPCR1_RRST_DISABLE // RRST = 0; Disable receiver
),
MCBSP_SPCR2_RMK(
MCBSP_SPCR2_FREE_NO, // FREE = 0
MCBSP_SPCR2_SOFT_NO, // SOFT = 0
MCBSP_SPCR2_FRST_FSG, // FRST = 1 ; Enable the frame-sync logic
MCBSP_SPCR2_GRST_CLKG, // GRST = 1 ; The sample rate generator is take out of its reset state
MCBSP_SPCR2_XINTM_XRDY, // XINTM = 0
MCBSP_SPCR2_XSYNCERR_NO, // XSYNCER =0
// MCBSP_SPCR2_XEMPTY_NO, // XEMPTY = 0
// MCBSP_SPCR2_XRDY_NO, // XRDY = 0
MCBSP_SPCR2_XRST_DISABLE // XRST = 0 Disable transimitter
),
// 单数据相，接受数据长度为16位,每相2个数据
MCBSP_RCR1_RMK(
MCBSP_RCR1_RFRLEN1_OF(1), // RFRLEN1 = 1
MCBSP_RCR1_RWDLEN1_16BIT // RWDLEN1 = 2
),
MCBSP_RCR2_RMK(
MCBSP_RCR2_RPHASE_SINGLE, // RPHASE = 0
MCBSP_RCR2_RFRLEN2_OF(0), // RFRLEN2 = 0
MCBSP_RCR2_RWDLEN2_8BIT, // RWDLEN2 = 0
MCBSP_RCR2_RCOMPAND_MSB, // RCOMPAND = 0 No companding,any size data, MSB received first
MCBSP_RCR2_RFIG_YES, // RFIG = 1 Frame-sync ignore
MCBSP_RCR2_RDATDLY_1BIT // RDATDLY = 1 1-bit data delay
),
MCBSP_XCR1_RMK(
MCBSP_XCR1_XFRLEN1_OF(1), // XFRLEN1 = 1
MCBSP_XCR1_XWDLEN1_16BIT // XWDLEN1 = 2
),
MCBSP_XCR2_RMK(
MCBSP_XCR2_XPHASE_SINGLE, // XPHASE = 0
MCBSP_XCR2_XFRLEN2_OF(0), // XFRLEN2 = 0
MCBSP_XCR2_XWDLEN2_8BIT, // XWDLEN2 = 0
MCBSP_XCR2_XCOMPAND_MSB, // XCOMPAND = 0
MCBSP_XCR2_XFIG_YES, // XFIG = 1 Unexpected Frame-sync ignore
MCBSP_XCR2_XDATDLY_1BIT // XDATDLY = 1 1-bit data delay
),
MCBSP_SRGR1_DEFAULT,
MCBSP_SRGR2_DEFAULT,
MCBSP_MCR1_DEFAULT,
MCBSP_MCR2_DEFAULT,
MCBSP_PCR_RMK(
// MCBSP_PCR_IDLEEN_RESET, // IDLEEN = 0
MCBSP_PCR_XIOEN_SP, // XIOEN = 0
MCBSP_PCR_RIOEN_SP, // RIOEN = 0
MCBSP_PCR_FSXM_EXTERNAL, // FSXM = 0 Tranmit frame-syn is provided by AIC23B
MCBSP_PCR_FSRM_EXTERNAL, // FSRM = 0 Receive frame-syn is provided by AIC23B
MCBSP_PCR_CLKXM_INPUT, // CLKR is input
MCBSP_PCR_CLKRM_INPUT, // CLKX is input
MCBSP_PCR_SCLKME_NO, // SCLKME=0 CLKG is taken from the McBSP internal input clock
// MCBSP_PCR_CLKSSTAT_0, // The signal on the CLKS pin is low
MCBSP_PCR_DXSTAT_0, // Drive the signal on the DX pin low
// MCBSP_PCR_DRSTAT_0, // The signal on the DR pin is low
MCBSP_PCR_FSXP_ACTIVEHIGH, // FSXP = 1 Because a falling edge on LRCIN or LRCOUT starts data transfer
MCBSP_PCR_FSRP_ACTIVELOW, // FSRP = 1
MCBSP_PCR_CLKXP_FALLING, // CLKXP = 1 The falling edge of BCLK starts data transfer
MCBSP_PCR_CLKRP_RISING // CLKRP = 1
),
MCBSP_RCERA_DEFAULT,
MCBSP_RCERB_DEFAULT,
MCBSP_RCERC_DEFAULT,
MCBSP_RCERD_DEFAULT,
MCBSP_RCERE_DEFAULT,
MCBSP_RCERF_DEFAULT,
MCBSP_RCERG_DEFAULT,
MCBSP_RCERH_DEFAULT,
MCBSP_XCERA_DEFAULT,
MCBSP_XCERB_DEFAULT,
MCBSP_XCERC_DEFAULT,
MCBSP_XCERD_DEFAULT,
MCBSP_XCERE_DEFAULT,
MCBSP_XCERF_DEFAULT,
MCBSP_XCERG_DEFAULT,
MCBSP_XCERH_DEFAULT
};

DMA_Config dmaRcvConfig = { //接收通道的主要参数配置
DMA_DMACSDP_RMK(
DMA_DMACSDP_DSTBEN_NOBURST,
DMA_DMACSDP_DSTPACK_OFF,
DMA_DMACSDP_DST_DARAMPORT1,
DMA_DMACSDP_SRCBEN_NOBURST,
DMA_DMACSDP_SRCPACK_OFF,
DMA_DMACSDP_SRC_PERIPH,
DMA_DMACSDP_DATATYPE_16BIT
), /* DMACSDP */
DMA_DMACCR_RMK(
DMA_DMACCR_DSTAMODE_POSTINC,
DMA_DMACCR_SRCAMODE_CONST,
DMA_DMACCR_ENDPROG_OFF, /* ENDPROG OFF */
DMA_DMACCR_WP_DEFAULT,
DMA_DMACCR_REPEAT_OFF,
DMA_DMACCR_AUTOINIT_ON, /* AUTOINIT ON */
DMA_DMACCR_EN_STOP,
DMA_DMACCR_PRIO_LOW,
DMA_DMACCR_FS_DISABLE,
DMA_DMACCR_SYNC_REVT1
), /* DMACCR */
DMA_DMACICR_RMK(
DMA_DMACICR_AERRIE_ON,
DMA_DMACICR_BLOCKIE_OFF,
DMA_DMACICR_LASTIE_OFF,
DMA_DMACICR_FRAMEIE_ON,
DMA_DMACICR_FIRSTHALFIE_OFF,
DMA_DMACICR_DROPIE_OFF,
DMA_DMACICR_TIMEOUTIE_OFF
), /* DMACICR */
(DMA_AdrPtr)(MCBSP_ADDR(DRR11)), /* DMACSSAL */
0, /* DMACSSAU */
NULL, /* DMACDSAL, to be loaded by submit */
0, /* DMACDSAU */
BUFFSIZE, /* DMACEN */
1, /* DMACFN */
0, /* DMACFI */
0 /* DMACEI */
};

DMA_Config dmaXmtConfig = { //发送通道的主要参数配置
DMA_DMACSDP_RMK(
DMA_DMACSDP_DSTBEN_NOBURST,
DMA_DMACSDP_DSTPACK_OFF,
DMA_DMACSDP_DST_PERIPH,
DMA_DMACSDP_SRCBEN_NOBURST,
DMA_DMACSDP_SRCPACK_OFF,
DMA_DMACSDP_SRC_DARAMPORT0,
DMA_DMACSDP_DATATYPE_16BIT
), /* DMACSDP */
DMA_DMACCR_RMK(
DMA_DMACCR_DSTAMODE_CONST,
DMA_DMACCR_SRCAMODE_POSTINC,
DMA_DMACCR_ENDPROG_ON,
DMA_DMACCR_WP_DEFAULT,
DMA_DMACCR_REPEAT_OFF,
DMA_DMACCR_AUTOINIT_OFF,
DMA_DMACCR_EN_STOP,
DMA_DMACCR_PRIO_LOW,
DMA_DMACCR_FS_DISABLE,
DMA_DMACCR_SYNC_XEVT1
), /* DMACCR */
DMA_DMACICR_RMK(
DMA_DMACICR_AERRIE_ON,
DMA_DMACICR_BLOCKIE_OFF,
DMA_DMACICR_LASTIE_OFF,
DMA_DMACICR_FRAMEIE_ON,
DMA_DMACICR_FIRSTHALFIE_OFF,
DMA_DMACICR_DROPIE_OFF,
DMA_DMACICR_TIMEOUTIE_OFF
), /* DMACICR */
NULL, /* DMACDSAL, to be loaded by submit */
0, /* DMACSSAU */
(DMA_AdrPtr)(MCBSP_ADDR(DXR11)), /* DMACDSAL */
0, /* DMACDSAU */
BUFFSIZE, /* DMACEN */
1, /* DMACFN */
0, /* DMACFI */
0 /* DMACEI */
};

/* Define a DMA_Handle object to be used with DMA_open function */
DMA_Handle hDmaRcv, hDmaXmt;

/* Define a MCBSP_Handle object to be used with MCBSP_open function */
MCBSP_Handle hMcbsp;

volatile Uint16 transferComplete = FALSE;
Uint16 err = 0;
Uint16 old_intm;
Uint16 xmtEventId, rcvEventId;

//---------Function prototypes---------

/* Reference the start of the interrupt vector table */
/* This symbol is defined in file vectors.s55 */
extern void VECSTART(void);

/* Protoype for interrupt functions */
interrupt void dmaXmtIsr(void);
interrupt void dmaRcvIsr(void);
void taskFxn(void);

/*
* copyData() - Copy one buffer with length elements to another.
*/
void copyData(Int16 *inbuf, Int16 *outbuf, Int16 length)
{
Int16 i = 0;

for (i = 0; i < length; i++)
{
//outbuf[i]=inbuf[i]
inp1[i] = inbuf[i];
}
for (i = 0; i < length/2; i++)
{
inp[i] = inp1[2*i]+SINE_TABLE[i]; //取出输入信号的左声道并加噪
//inp[2*i+1] = inp1[2*i+1]+SINE_TABLE[i];
}
fir(inp, h, outbuf1, dbptr, NX, NH); //将加噪后的左声道信号滤波
for (i = 0; i < length/2; i++)
{
outbuf[2*i] =inp[i];
outbuf[2*i+1] =outbuf1[i]; //将左右信号合并输出
}

}

/* ------------------------------- Threads ------------------------------ */

/*
* processBuffer() - Process audio data once it has been received.
*/
void processBuffer(void)
{
Uint32 addr;
static Int16 pingPong = PING;

while(DMA_FGETH (hDmaRcv, DMACCR, ENDPROG)){
;
}

// Determine which ping-pong state we're in
if (pingPong == PING)
{
// Configure the receive channel for pong input data
addr = ((Uint32)gBufferRcvPong) << 1;
DMA_RSETH(hDmaRcv, DMACDSAL, addr & 0xffff);
DMA_RSETH(hDmaRcv, DMACDSAU, (addr >> 16) & 0xffff);

// Set new state to PONG
pingPong = PONG;
}
else
{
// Configure the receive channel for ping input data
addr = ((Uint32)gBufferRcvPing) << 1;
DMA_RSETH(hDmaRcv, DMACDSAL, addr & 0xffff);
DMA_RSETH(hDmaRcv, DMACDSAU, (addr >> 16) & 0xffff);

// Set new state to PING
pingPong = PING;
}

DMA_FSETH (hDmaRcv, DMACCR, ENDPROG, 1);
// DMA_FSETH (hDmaXmt, DMACCR, ENDPROG, 1);

if (pingPong == PONG)
{
//Insert your application program here
copyData(gBufferRcvPing, gBufferXmtPing, BUFFSIZE);
// Configure the transmit channel for ping output data
addr = ((Uint32)gBufferXmtPing) << 1;
DMA_RSETH(hDmaXmt, DMACSSAL, addr & 0xffff);
DMA_RSETH(hDmaXmt, DMACSSAU, (addr >> 16) & 0xffff);

}
else
{
//Insert your application program here
copyData(gBufferRcvPong, gBufferXmtPong, BUFFSIZE);
// Configure the transmit channel for pong output data
addr = ((Uint32)gBufferXmtPong) << 1;
DMA_RSETH(hDmaXmt, DMACSSAL, addr & 0xffff);
DMA_RSETH(hDmaXmt, DMACSSAU, (addr >> 16) & 0xffff);
}

// Start the DMA
// DMA_start(hDmaRcv);
// DMA_start(hDmaXmt);

}

//---------main routine---------
void main(void)
{
Uint16 i;

/* Initialize CSL library - This is REQUIRED !!! */
CSL_init();

// T