一、引言
隨著(zhù)信息時(shí)代和數字世界的到來(lái)，數字信號處理已成為一門(mén)極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數字信號處理在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達、軍事、航空航天、醫療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。數字信號處理（DSP）包括兩重含義：數字信號處理技術(shù)（Digital Signal Processing ）和數字信號處理器（ Digital Signal Processor ）。數字信號處理（DSP）是利用計算機或專(zhuān)用處理設備，以數值計算的方法、對信號進(jìn)行采集、濾波、增強、壓縮、估值和識別等加工處理，借以達到提取信息和便于應用的目的，其應用范圍涉及幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域。
在數字信號處理的應用中，數字濾波器很重要而且得到了廣泛的應用。按照數字濾波器的特性，它可以被分為線(xiàn)性與非線(xiàn)性、因果與非因果、無(wú)限長(cháng)沖擊響應（IIR）與有限長(cháng)沖擊響應（FIR）等等。其中，線(xiàn)性時(shí)不變的數字濾波器是最基本的類(lèi)型；而由于數字系統可以對延時(shí)器加以利用，因此可以引入一定程度的非因果性，獲得比傳統的因果濾波器更靈活強大的特性；IIR 濾波器的特征是具有無(wú)限持續時(shí)間沖激響應，這種濾波器一般需要用遞歸模型來(lái)實(shí)現，因而有時(shí)也稱(chēng)之為遞歸濾波器，而FIR濾波器的沖激響應只能延續一定時(shí)間，在工程實(shí)際中可以采用遞歸的方式實(shí)現，也可以采用非遞歸的方式實(shí)現，但其結構主要還是是非遞歸結構，沒(méi)有輸出到輸入的反饋，并且FIR濾波器很容易獲得嚴格的線(xiàn)性相位特性，避免被處理信號產(chǎn)生相位失真，而線(xiàn)性相位體現在時(shí)域中僅僅是h( n)在時(shí)間上的延遲，這個(gè)特點(diǎn)在圖像信號處理、數據傳輸等波形傳遞系統中是非常重要的，且不會(huì )發(fā)生阻塞現象，能避免強信號淹沒(méi)弱信號，因此特別適合信號強弱相差懸殊的情況。相對于IIR濾波器，FIR濾波器有著(zhù)易于實(shí)現和系統絕對穩定的優(yōu)勢，因此得到廣泛的應用；對于時(shí)變系統濾波器的研究則導致了以卡爾曼濾波為代表的自適應濾波理論的產(chǎn)生。自適應濾波即利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數等結果，自動(dòng)地調節（更新）現時(shí)刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知的統計特性，或者隨時(shí)間變化的統計特性，從而實(shí)現最優(yōu)濾波。幾種主要的自適應濾波器為：最小均方（LMS）自適應濾波器、遞推最小二乘（RLS）自適應濾波器、格型自適應濾波器、無(wú)限沖擊響應（IIR）自適應濾波器。而自適應去噪電路是信號處理領(lǐng)域一個(gè)簡(jiǎn)單應用，一個(gè)被噪聲污染的信號借助于相關(guān)噪聲可以把信號提取出來(lái)，而噪聲不斷變化,為了得到較清晰的語(yǔ)音信號必須采用自適應去噪技術(shù),隨噪聲變化進(jìn)行自適應濾波，濾波器自動(dòng)調整它們的系數。
二、數字濾波器的設計方法概述
數字濾波器有多種設計方法，如雙線(xiàn)性變換法、窗函數設計法、插值逼近法和Chebyshev逼近法等等，但是通常采用窗函數法設計。窗函數法設計FIR濾波器的基本思想是：根據給定的濾波器技術(shù)指標選擇濾波器長(cháng)度N和窗函數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(guò)加窗確定有限長(cháng)單位脈沖響應序列h(n)。一般采用以下四種窗函數：
矩形窗 w(n)=RN(n)；
Hanning窗
Hamming窗
Blackmen窗
在實(shí)際的FIR濾波器的設計中，一般采用計算機輔助設計。MATLAB是一套功能強大的適應于科學(xué)工程計算的可視化高性能語(yǔ)言，它提供了2種窗函數方法設計FIR濾波器：一種是標準通帶濾波器的設計FIR1;一種是多帶FIR濾波器的設計FIR2。函數FIR1只能設計標準的低通、高通、帶通和帶阻線(xiàn)性相位FIR濾波器。函數FIR2也設計加窗的FIR濾波器，但它針對任意形狀的分段線(xiàn)性頻率相應，這一點(diǎn)在FIR1中是受到限制的。
目前FIR濾波器的實(shí)現方法大致可分為三種：利用單片通用數字濾波器集成電路、DSP器件和可編程邏輯器件實(shí)現。單片通用數字濾波器使用方便，但由于字長(cháng)和階數的規格較少，不能完全滿(mǎn)足實(shí)際需要，使用以串行運算為主導的通用DSP芯實(shí)現要簡(jiǎn)單，是一種實(shí)時(shí)、快速、特別適合于實(shí)現各種數字信號處理運算的微處理器，借助于通用數字計算機按濾波器的設計算法編出程序進(jìn)行數字濾波計算 。由于它由具有豐富的硬件資源、改進(jìn)的哈佛結構、高速數據處理能力和強大的指令系統而在通信、航空、航天、雷達、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò )及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。
三、DSP技術(shù)概述
利用DSP器件來(lái)實(shí)現，它的一個(gè)DSP系統的設計過(guò)程如下：
在設計DSP系統之前，首先必須根據應用系統的目標確定系統的性能指標、信號處理的要求，通?？捎脭祿鞒虉D、數學(xué)運算序列、正式的符號或自然語(yǔ)言來(lái)描述。第二步是根據系統的要求進(jìn)行高級語(yǔ)言的模擬。一般來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現系統的最終目標，需要對輸入的信號進(jìn)行適當的處理，而處理方法的不同會(huì )導致不同的系統性能，要得到最佳的系統性能，就必須在這一步確定最佳的處理方法，即數字信號處理的算法（Algorithm），因此這一步也稱(chēng)算法模擬階段。例如，語(yǔ)音壓縮編碼算法就是要在確定的壓縮比條件下，獲得最佳的合成語(yǔ)音。算法模擬所用的輸入數據是實(shí)際信號經(jīng)采集而獲得的，通常以計算機文件的形式存儲為數據文件。如語(yǔ)音壓縮編碼算法模擬時(shí)所用的語(yǔ)音信號就是實(shí)際采集而獲得并存儲為計算機文件形式的語(yǔ)音數據文件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數據并不一定要是實(shí)際采集的信號數據，只要能夠驗證算法的可行性，輸入假設的數據也是可以的。
在完成第二步之后，接下來(lái)就可以設計實(shí)時(shí)DSP系統，實(shí)時(shí)DSP系統的設計包括硬件設計和軟件設計兩個(gè)方面。硬件設計首先要根據系統運算量的大小、對運算精度的要求、系統成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。然后設計DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設計和編程主要根據系統要求和所選的DSP芯片編寫(xiě)相應的DSP匯編程序，若系統運算量不大且有高級語(yǔ)言編譯器支持，也可用高級語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）編程。由于現有的高級語(yǔ)言編譯器的效率還比不上手工編寫(xiě)匯編語(yǔ)言的效率，因此在實(shí)際應用系統中常常采用高級語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程方法，即在算法運算量大的地方，用手工編寫(xiě)的方法編寫(xiě)匯編語(yǔ)言，而運算量不大的地方則采用高級語(yǔ)言。采用這種方法，既可縮短軟件開(kāi)發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)運算的要求。
DSP硬件和軟件設計完成后，就需要進(jìn)行硬件和軟件的調試。軟件的調試一般借助于DSP開(kāi)發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開(kāi)發(fā)系統或仿真器等。調試DSP算法時(shí)一般采用比較實(shí)時(shí)結果與模擬結果的方法，如果實(shí)時(shí)程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應該一致。應用系統的其他軟件可以根據實(shí)際情況進(jìn)行調試。硬件調試一般采用硬件仿真器進(jìn)行調試，如果沒(méi)有相應的硬件仿真器，且硬件系統不是十分復雜，也可以借助于一般的工具進(jìn)行調試。
系統的軟件和硬件分別調試完成后，就可以將軟件脫離開(kāi)發(fā)系統而直接在應用系統上運行。當然，DSP系統的開(kāi)發(fā)，特別是軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)需要反復進(jìn)行的過(guò)程，雖然通過(guò)算法模擬基本上可以知道實(shí)時(shí)系統的性能，但實(shí)際上模擬環(huán)境不可能做到與實(shí)時(shí)系統環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實(shí)時(shí)系統時(shí)必須考慮算法是否能夠實(shí)時(shí)運行的問(wèn)題。如果算法運算量太大不能在硬件上實(shí)時(shí)運行，則必須重新修改或簡(jiǎn)化算法。
在DSP系統設計中，開(kāi)發(fā)工具是必不可少的。 TI公司的CCS IDE（Code Composer Studio Integrated Development Environment）可以提供環(huán)境配置、源程序編輯、編譯連接、程序調試、跟蹤分析等各個(gè)環(huán)節，以加速軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。它把編譯、匯編、鏈接等工具集成在一起，用一條命令即可完成全部的匯編工作。另外把軟、硬件開(kāi)發(fā)工具集成在其中，使程序的編寫(xiě)、匯編、程序的軟/硬件仿真和調試等開(kāi)發(fā)工作在統一的環(huán)境中進(jìn)行，給開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)極大的方便。
DSP分為定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩種，而TMS
四、FIR濾波器的DSP實(shí)現
DSP系統的開(kāi)發(fā)是一個(gè)復雜的過(guò)程，在系統的設計和調試中不但需要數字信號處理方面的理論知識，而且還有需要對各種DSP芯片、外圍硬件電路以及DSP開(kāi)發(fā)工具等都有豐富的實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗。
一個(gè)典型的DSP系統構成如圖1所示。
圖1 典型的DSP系統構成
DSP系統的輸入信號多種多樣，但一般都要轉換為模擬信號，經(jīng)過(guò)抗混疊濾波后由模數轉換芯片將模擬信號變換為數字信號。然后，DSP根據實(shí)際需要對其進(jìn)行相應的處理，如FFT、卷積等;處理后的數字信號再由數模轉換芯片將其轉換為模擬值，在對其進(jìn)行平滑濾波后最終輸出模擬信號。需要說(shuō)明的是，對輸入模擬信號的采樣頻率要大于其本身頻率的兩倍，因為根據奈奎斯特采樣定律，只有采樣頻率至少為輸入信號頻率的兩倍時(shí)輸入信號的信息才保證不會(huì )丟失。
五．DSP系統的特點(diǎn)
DSP系統是以數字信號處理為基礎的，因此不但具有數字處理的全部?jì)?yōu)點(diǎn)而且還具有以下特點(diǎn):
(1) 接口方便：DSP應用系統與其他以現代數字技術(shù)為基礎的系統或設備都是相互兼容的，它與這樣的系統接口以實(shí)現某種功能要比模擬系統與這些系統接口要容易得多；
(2) 編程方便：DSP應用系統中的可編程DSP芯片可使設計人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中能靈活方便地對軟件進(jìn)行修改和升級；
(3) 穩定性好：DSP應用系統以數字處理為基礎，受環(huán)境溫度及噪聲的影響較小、可靠性高；
(4) 精度高：16位數字系統可以達到10-5級的精度；
(5) 可重復性好：模擬系統的性能受元器件參數性能變化的影響比較大，而數字系統基本不受影響，因此數字系統便于測試、調試和大規模生產(chǎn)；
(6) 集成方便：DSP應用系統中的數字部件有高度的規范性，便于大規模集成。當然，數字信號處理也存在一些缺點(diǎn)。例如，對于簡(jiǎn)單信號處理任務(wù)，若采用DSP則使成本增加。DSP系統中的高速時(shí)鐘可能帶來(lái)高頻干擾和電磁泄漏等問(wèn)題，而且DSP系統消耗的功率也較大。此外，DSP技術(shù)更新速度快，對于數學(xué)知識要求高，開(kāi)發(fā)和測試工具還有待進(jìn)一步完善。
六、數字濾波器的應用
數字濾波是現代數字信號處理的重要研究?jì)热?，在信號分析、圖像處理、模式識別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應用。目前Wiener濾波、Kalman濾波和自適應濾波等一些線(xiàn)性濾波方法已經(jīng)得到了很快的發(fā)展，其中自適應濾波器是目前數字濾波器領(lǐng)域中最為活躍的分支。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電話(huà),光纜,微波等通信方式已發(fā)展得日益完善，語(yǔ)音質(zhì)量空前提高.但在某些領(lǐng)域，周?chē)肼暠容^大，所需的語(yǔ)音信號很容易被周?chē)肼曀廴?，基?/span>DSP實(shí)現并進(jìn)行了去噪處理，速度快且性能穩定,也就是利用LMS算法實(shí)現自適應濾波器來(lái)消除噪聲。而隨著(zhù)現代數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，非線(xiàn)性數字信號處理方法在信號處理領(lǐng)域中的地位和作用顯得越來(lái)越重要，因為從自然現象和社會(huì )現象中涌現出來(lái)的大量信號處理問(wèn)題是非線(xiàn)性的。線(xiàn)性數字信號處理方法雖然在理論上比較成熟，且實(shí)現相對簡(jiǎn)單，但它對非線(xiàn)性問(wèn)題的處理結果在大多數情況下是不十分理想的。近二十年來(lái)，非線(xiàn)性數字信號處理技術(shù)已取得了長(cháng)足進(jìn)展，其中包括對非線(xiàn)性數字濾波器的研究。受到人們日益重視的一些非線(xiàn)性濾波方法包括小波濾波、同態(tài)濾波、中值濾波、形態(tài)濾波等，它們都是現代數字信號處理領(lǐng)域的前沿研究課題，不但有重要的理論意義，而且有廣闊的應用前景。
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