实验六 FIR 数字滤波器

6.1 实验目的

数字滤波的作用是滤除信号中某一部分频率分量。信号经过滤波处理，就相当于信

号频谱与滤波器的频率响应相乘的结果。从时域来看，就是输入信号与滤波器的冲激响

应作卷积和。数字滤波器在各种领域由广泛的应用，例如数字音响、音乐和语音合成、

躁声消除、数据压缩、频率合成、谐波消除、过载检测、相关检测等。

本实验主要学习数字滤波器的DSP 实现原理和C54X 编程技巧，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。该实验应该安排在串口和定时器操

作实验之后进行。

6.2 实验要求

该实验涉及到 DSP 的串口、中断响应等复杂操作，应该在完成前面的串口和定时器

实验后完成。

本实验重点研究FIR 滤波器的DSP 实验方法，没有讨论FIR 滤波器的设计原理和方

法。你可以使用数字滤波器辅助设计软件包或自行计算FIR 滤波器的系数。本实验例子

利用DES320PP－U 评估板的模拟信号输出通道产生一个1KHz 的方波,然后利用信号输入

通道对产生的方波进行低通滤波,得到一个1KHz 的正弦信号，并使用CCS 的图形显示工

具显示输入和输出的波形。这里我们使用的是一个38 阶的对称结构的FIR 低通滤波器，

其采样频率Fs 为25KHZ，通带截止频率 1.2KHZ，阻带截止频率为2.8KHZ，阻带衰减

为-40dB。

6.3 实验原理

1) 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)]

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使用MAC 或FIRS 指令可以方便地实现上面的计算。

图 6-1 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6-1 FIR 滤波器存储器里的数据存储方式

在图6-1 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6-2

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：

Σ?

=

= ? + ? ? ?

/ 2 1

0

( ) ( )[ ( ) ( ( 1 ))]

N

k

y n h k x n k x n N k

图6-2 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6-3 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。

图6-3 16 点FIRS 滤波数据存放

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

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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

2) AC01 的初始化

DSE320PP-U 使用AC01 作为模拟信号接口。AC01 提供一个14bit 的D/A 和一个14bit

的A/D 通道。AC01 与VC5402 通过串口0 连接。DSP 通过串口可以控制AC01 的采样

频率、增益、低通/高通滤波器的截止频率等参数。这一步是通过读写AC01 的寄存器来

实现的。下面是初始化AC01 的代码，有关AC01 的详细介绍请参考AC01 的技术手册。

；----------------------------------------------------------------------

； The following codes are initalized AC01, ALL AC01 setup same !

；----------------------------------------------------------------------

idle 1 ；初始化AC01 时仅仅打开串口0 的发送中断，而且中断服

务

idle 1 ；程序中简单地将A 寄存器的值写入到串口0 发送寄存器。

idle 1 ；开始初始化时，将A 寄存器设置为0 ！

idle 1

ld #600h,a

idle 1 ；wait for int .....

ld #3,a

idle 1 ；send #3，AC01 的1 号寄存器为采样率控制寄存器

ld #00105h,a ；fs=10M/2/A/B= 25k，采样率设置为25KHz

；flp=10M/2/40/A= 25k (all pass)

；fhp=fs/200= 125Hz (not use !)

；A=05,B=40(0x28)

idle 1 ；send 1th regs -> 05h

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #00228h,a

idle 1 ；send 2th regs -> 28h

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #00300h,a

idle 1 ；send 3th regs -> 00h

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #00405h,a

idle 1 ；send 4th regs -> 05h (AD & DA 0 dB)

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #00505h,a

idle 1 ；send 5th regs -> 05h (highpass filter disable)

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #00600h,a

idle 1 ；send 6th regs -> 00h

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #00700h,a

idle 1 ；send 7th regs -> 0

ld #3,a

idle 1 ；send #3

ld #800h,a

idle 1 ；send 8th regs -> 0

ld #0h,a

；---------------------------------------------------------------------------------------------------------

； 初始化 AC01 完成！

利用 AC01 的D/A 通道产生一个1KHz 的方波，作为FIR 滤波器的输入信号。由于

串口发送中断将每0.04ms（25KHz）产生一次，所以我们将一个周期的方波信号分25

次送出，这样经D/A 变化后便可得到1KHz 的方波。产生方波的数据参见如下：

；************************************************************************

； The following data is used by make wave ! when using, must copy to wave buffer

；************************************************************************

wave_data： ；freq about 1k Hz

.word 03ffch ；+2 volt

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 03ffch

.word 0c000h ；-2 volt

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

.word 0c000h

4) 串口的初始化和串口中断服务程序

本实验通过 DSP 的串口0 输入/输出数据。在串口通讯中，数据时钟和帧同步信号

都由AC01 产生，所以VC5402 将使用外部时钟和帧同步信号。串口设置代码如下，详

细介绍请参见串口操作实验：

；******************************************************************

； The following codes are used to initalize McBSP0 !

；******************************************************************

stm #0,spsa0 ；choose SPCR10

stm #2000h,spcr10 ； receive sign_extend in DRR

stm #1,spsa0 ； choose SPCR20

stm #0c0h,spcr20 ； fs -> int !

stm #2,spsa0 ； choose RCR10

stm #40h,39h

stm #3,spsa0 ； choose RCR20

stm #0,39h

stm #4,spsa0 ；choose XCR10

stm #40h,xcr10

stm #5,spsa0 ； choose XCR20

stm #0,39h

stm #0eh,spsa0 ； choose PCR0

stm #0dh,pcr0 ； fs is low active, rise edge of clkx, falling edge

； of clkr

stm #7h,spsa0

stm #8000h,39h

rpt #0ffffh

nop

stm #00h,dxr10

ldm 22h,a

stm #1,38h

stm #0c1h,39h ； start McBSP0 send !

完成串口设置后，还需要修改中断向量表以便正确响应串口0 的接收和发送中断请

求。本实验中使用发送中断产生方波信号和完成对AC01 的初始化；使用接收中断存贮

输入的数据，并设置新数据到达标志。主循环在检测到该标志后，调用FIR 滤波程序，

完成对输入数据的处理。另外，为了方便观察，我们还使用了一个定时器，交替使XF

为高和低。所以，在滤波程序正常运行时，你会看到D2 在不停地闪烁。

6.4 实验内容

本实验需要使用‘C54X 汇编语言实现FIR 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) 短接 JP12，使得DES320PP-U 的模拟信号输出通道与模拟信号输入通道相连。

2) 启动 CCS，在Project 选项中打开fir5402.pjt 文件。

3) 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。按F5 键启动程序运行，若有示波器，可以观察DSE320PP-U 板上的JP12

的引脚输出的1KHz 的方波。

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图 6-4 图形显示窗口

4) 请使用 Debug -> Halt 暂停程序的执行。在Project 管理栏中打开fir5402.asm 文件，

并在ccs_show（在fir 子程序中）行后的nop 语句处上增加一个断点。添加断点的

方法是先用鼠标单击某行，将光标移动到需要增加断点的行上，然后选择工具栏的

手状图标。当该行被设置了一个断点后，可以看到红色的圆点。

5) 选择 View -> Graph -> Time/Frequency 菜单打开一个图形显示窗口，参见图6-4。将

“Start Address”项改为地址0x1800，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0x1800

（信号输入缓冲）开始的128 个点的16 位有符号整数。再打开一个图形窗口，显示

从地址0x1020（滤波信号输出缓冲）开始的128 点的16 位有符号整数。

6) 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。

6.5 思考题

1) 请说明下面的辅助寄存器的操作意义：

*ar0(#0100), *ar3+%, *ar3+0%, *ar2-%, *+ar3(-2)%

答：8个辅助寄存器（AR0--AR7），由一个辅助寄存器指针（ARP 3-bit）来指定一个辅助寄存器算术单元（ARAU）作16-bit无符号数运算，决定一个新的地址，装入辅助寄存器中，AR0--AR7的内容相当灵活，可以装入立即数，加上立即数，减去立即数；也可以从数据存储器装入地址；还可以作以下的变址寻址：

将该AR的内容加1或减1，再寻址（循环常用）

将该AR的内容加上或减去AR0的内容，再寻址

将该AR的内容逆向进位加上或减去AR0的内容，再寻址，由于采用反向进位，得以实现位倒序寻址 。

2) 本实验程序使用 ar2 和ar3 作为指针，能否使用其它的辅助寄存器，如ar0 和ar1?

3) 在 DES320PP-U 板上，‘C5402 的片内RAM 被同时映射为数据存贮区和程序存贮区，

若将两者分离，该程序将如何修改？

4) 本程序使用了循环寻址，使用循环寻址的数据缓冲区的地址能否任意设置？

5) 已给出一组 FIR 带通滤波器系数文件DESPASS.INC，请在DES320PP-U 实验系统

上实现，并观察输入和输出的波形以及频谱。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

过渡带分别为1kHz – 2.5kHz 和3.5kHz – 5kHz。（提示：可以直接使用.include

“despass.inc”语句，将参数文件导入主程序。）

6) 修改滤波子程序，使用 C54X 的FIR 指令而不是MAC 指令完成滤波运算。

7) 若条件允许，请修改程序：利用 DES320PP-U 的输入通道接收外部信号源的输入，

然后将滤波后的信号从输出通道输出，并通过示波器观察结果。

6.6 实验结果