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仪器仪表与检测技术 !宴垫坐堡查皇婴丝竺笙墨垄堂蔓!塑InstnJmentation and^,Ieasu帕ment FIR数字滤波器的DSP实现 王玉坤,张作群,黄广轶,梁浩 (黑龙江省计量院,黑龙江哈尔滨150036) 摘要:针对电力质量分析仪中的信号数字滤波处理部分,基于rIMs320Vc5402芯片的数字信号处理功能,采用窗函数法,借助MAT.

LAB程序设计语言,设计了兀R数字滤波器,应用DSP汇编语言编程实现了该滤波器.实践证明,该滤波器准确度高、稳定 性好,易于移植使用,具有较强的实用性与灵活性. 关键词:DSP;

聊S320VC4502;

MArllAB;

数字滤波器;

F1R 中图分类号:rIP713.4文献标识码:B文章编号:1003.7241(2004)cr7.0061.03 The DeSign And ImplementatiOn Of Digital FlR FIIter 、7VA卜旧Yu―kun,2lIANG Zuo―qun,I|nJANG G岫一yi,IJANGl|啪(Heilo嘲iallg Provineial Instimte 0f酬.舒,Ha西in 150036,C11im) t Abstract:A聊S320Vc5402一based di矛tal陬6lteris designed by usi唔山e metllod of证ndow胁tion粕d出e ass础lylaJlguage.Itis usedin dle quali哆analyser 0f power suppdy. ' Key w0柑s:DsP;

Manab;

Di西tal 6lter;

Fm;

Window mnction

1 引言 在信号处理中,滤波占有十分重要的地位.数字滤波是数 字信号处理的基本方法.数字滤波与模拟滤波相比有很多优 点H J,它除了可避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪 声等问题外,还能满足滤波器对幅度和相位的严格要求.低通 有限冲激响应滤波器(低通陬滤波器)有其独特的优点,因为 兀R系统只有零点…,因此,系统总是稳定的,而且容易实现线 性相位和允许实现多通道滤波器.在电力质量分析仪中,模拟 低通滤波器和数字滤波器相结合的方法提高了抗混叠效果,减 少了单纯模拟低通滤波器的非平直通带特性带来的测量误差.

2 FIR滤波器的基本结构及设计方法 设矗(凡)(n=O,1,2,…,Ⅳ一1)为滤波器的冲激响应,输入 信号为石(n),则滤波器就是要实现差分方程: _】v―l y(n)=∑^(后)算(n一后) I=0 收稿日期:2004―02―02 对(1)式进行z变换,整理后可得珊滤波器的传递函数 为 Ⅳ一l Ⅳ(z)z" (2) 由(2)式可以看出,Fm滤波器的一般结构如图1所示 陬滤波器的设计方法有窗函数设计法和频率采样设计 法.窗函数设计法的基本思想是要选取某一适合的理想频率特 性选择性滤波器,然后将它的脉冲响应截断以得到一个线性相 位和因果的陬滤波器.因此,这种方法的重点在于选择某种 恰当的窗函数和一种合适的理想滤波器.设所希望得到的滤波 器的理想响应为 k(扩)=y%(n)e一胁 (3) n=一∞ 那么陬滤波器的设计就是在于寻找一个传递函数:日(矿) Ⅳ一l =1∑矗(n)e一加去逼近岛(e面),设 万方数据 伯动化技术与应用脚年第23卷第7期 仪器仪表与检测技术 一一lnst九JmentatiOn and Measu怕ment 蜘)去￡%(扩)扩也 (4) 由于岛(e")的矩形频率特性,故%(n)一定是无限长的序列, 而且是非因果的.要设计的FⅡl滤波器其^(虺)必然是有限长 的,所以要用有限长危(n)的来逼近无限长的%(n),最有效的 方法是截断%(n),或者说用一个有限长的窗口函数序列埘(n) 来截取%(n),即^(n)=伽(n)7k(n) (5) 因而,窗口函数序列的形状及长度选择很关键nJ.在设计过程 中,可由所设计滤波器的过渡带宽和阻带最小衰减的要求选定 窗函数训(n)的形状.

3 用MArⅡAB设计低通nR滤波器 在电力质量分析仪中,只要求分析20次以下的谐波,30次 以上的谐波由抗混叠滤波器滤除,20~30次的谐波则由数字滤 波滤除.该仪器的低通数字滤波器的技术指标如下:通带截止 频率为1000沌,阻带截止频率为1500}Iz,通带波纹为0.01,阻带 波纹为0.001,采样频率为5000也.,阻带衰减小于50db,设计中 可选择哈明窗. nR滤波器的设计可用高级语言,如c语言实现,也可采用 MArII.AB的数字信号处理软件包提供的专用函数来直接求取 陬滤波器系数.在MAlI.AB中,提供了几个设计滤波器的函 数.其一是采用窗函数方法的函数陬1,其缺省的窗函数为哈 明窗,调用格式为:b=lirl(n,%)或b=鼢1(n,wn,window),其中 n为滤波器阶数,wn是O~l的数,1对应采样频率,wi】耐ow为窗 函数类型【2].编制程序(略)并运行,滤波器长度为34,表1为计 算所得滤波系数,图2所示为频率响应陆线,可以看出阻带衰减 小于53dB,基本满足要求.图3所示为s(s=s1+s2,其中,s1= sin(8*2砒),S2=sin(25*2m))的波形,图4所示为滤除s2后的 波形. 表1滤波系数 滤波系数 结果 滤波系数 结果 ^(0)=矗(33) 0.0015 ^(1)=矗(32) O.0011 ^(2)=^(31) 一O.0015 ^(3)=^(30) 一0.0034 ^(4)=^(29) O.0000 ^(5)=^(28) 0.0072 ^(6)=^(27) O.0062 ^(7)=^(26) 一O.0085 ^(8)=^(25) 一0.0184 ^(9)=^(24) O.0000 ^(10)=矗(23) O.032l ^(11)=^(22) 0.0261 ^(12)=^(21) 一O.0349 ^(13)=^(20) 一O.0778 ^(14)=^(19) O.0000 ^(15)=^(18) O.19r77 ^(16)=^(17) 0.3727 图2频率响应曲线 图4滤波后曲线

4 FIR滤波器的DSP实现 7瑚s320Vc5402是电力质量分析仪的核心.7IMS3州c5402 有很强的数据处理功能,带数据移动的加指令MAcD在循环执 行时程序地址寄存器中的程序存储器地址执行加1操作.一旦 循环流水线启动,该指令就变为单周期指令HJ,MAcD指令和 'IMS3驯c5402片内较大的mw(16K)空间使滤波器的每个滤波 样值的计算可在一个周期内完成b J.此外,由于删IS320Vc5402 是16位定点处理器,在进行汇编程序设计时,FⅡt滤波器的系数 需要采用Q15格式,即将上述求得的数据转化为Q15定点格式, 即将滤波器系数乘2".在编程时,为建立循环寻址,先初始化 块循环缓冲区寄存器BK,长度为N(256),除此之外,块循环缓 冲器寄存器也需初始化【3]. 图5为低通FⅢ滤波器D印实现的电路方框图,其核心部 分是美国德州仪器公司生产的DSP芯片'瑚s320vc5402,FI.ASH 存储器ssl39vF

400、静态存储器Ⅲ171v

016、姗128是其外围 (下转第78页) 万方数据