1、- 106 - 裴小平等 基于 TMS320VC5402 DSK 的自适应滤波器算法实验 基于 TMS320VC5402 DSK 的自适应滤波器算法实验电子工程与信息科学系 裴小平 李玉虎 梁晓雯摘 要：本文 简述了 DSP 处理器的发展概况，着重介绍了 TMS320VC5402 DSK 的 软、硬件平台，并介绍了一个基于此平台的自适应 数字滤波器的算法实验。关键词：DSP；算法；JTAG；实验Experiment of Adaptive Filter Algorithm Based onTMS320VC5402 DSKDept. of Electronics Engineering and
2、Information SciencePei Xiaoping Li Yuhu Liang XiaowenAbstract: This paper introduced the development of DSP and emphasized on the software and hardware workbench of TMS320VC5402 DSK. An experimental example of adaptive filter algorithm was given.Key words: DSP；algorithm；JTAG；experiment数字信号处理（Digital
3、 Signal Processing 简称 DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。近年来，随着计算机和网络技术的日益普及，DSP 技术得到了迅速发展，尤其是在通信领域，DSP 技术得到极为广泛的应用。数字信号处理理论是在众多学科理论基础上发展起来的，与网络理论、信号与系统、通信理论、人工智能、模式识别等都密切相关。它可以利用计算机和专用处理设备，将自然界中的模拟的连续信号进行抽样、量化、转换成数字信号，从而进行滤波、估值、压缩、识别等处理。由于这些处理技术要求实时快速，一般的个人计算机远远不能满足，DSP 处理器就是在这种情况下应运而生的。DSP 处理器的强大功能，超常速
4、度，迅速得到了广泛应用，反过来对DSP 理论的发展又起到了极大的推动作用。目前，DSP 处理器的主要厂商有美国德州仪器公司（TI） ，AD 公司，Motorola 公司等。其中 TI 公司可谓业界巨首，TI DSP 处理器全球市场占有率超过 50%，在国内也被广泛采用。TI 公司在国内许多高校投资建设了 DSP 实验室，我们中国科技大学电子工程与信息科学系也是受益者之一。自 1994 年以来，Comment p1: 页：107中国科学技术 大学 *实验教学研讨会 - 107 -我们便以 TI DSP开发系统为平台，开设了数字信号处理算法实验。一、TMS320VC5402 DSK 工作原理TMS
5、320VC5402 DSK是以 TMS320VC5402处理器为核心的 DSP 初学者工具(DSP Starter Kit)。它提供了一个低功耗，独立的开发平台，使用户能评估和开发 C54X DSP的应用程序，同时也可以作为以其他芯片为核心的 DSP硬件设计的参考。TMS320VC5402 DSK的结构框图如图 1所示，主要包括以下部分： 100M VC5402 DSP 64K16位的 SRAM存储器 256K16位的 FLASH存储器 JTAG仿真测试总线控制器（JTAG TBC）和并行接口控制器（ ParallelPort Controller） 电话网络接口（DAA） 麦克风/扬声器音频
6、接口 RS-232异步数据接口 扩展子板接口（MEMORY I/F 和 PERIPHERAL I/F）PC/ rsTERMINAL SPERAKERMICROPHONE DC5VTEL LINE LED 8-POS DIP SWPower LED图 1 TMS320VC5402 DSK结构框图DSK的核心是 TMS320VC5402芯片,它是 TI公司的第五代产品,支持定点运算,内核电压为 1.8V，I/O 电压为 3.3V，工作速率可达 100MIPS。片内包括一个 JTAG仿真接口、一个控制接口、一个主机接口（HPI） 、一个时钟接口、两RS232Driver UART (I/O) SAR
7、M64Kx16 FLASH256Kx16PERIPHERAL I/FEMIFDB25MUX CPLDParallelPortController 5402DSP ChipTLC320AD50CMUXTLC320AD50CDAA SWITCHMEMORY I/FJTAGTBC- 108 - 裴小平等 基于 TMS320VC5402 DSK 的自适应滤波器算法实验 个多通道缓冲串行接口 McBSP0 和 McBSP1，McBSP0 接电话网络接口，McBSP1 接麦克风/扬声器音频接口。启动（ boot）模式有三种：允许用户在运行环境中从 NO-boot、ROM-boot 或 HPI-boot 模
8、式之间选择。DSK 通过 16 位外部存储器接口（EMIF）将片外 64K16 位的SRAM，256K16 位的 FLASH 存储器以及扩展存储器接口与 DSP VC5402 相连，扩展存储器接口可以与外接子板相连。DSK 提供一个嵌入的 IEEE 标准 1149.1 JTAG（Joint Test Action Group）仿真模块，它可直接与编码设计调试软件 CCS(Code composer debugger)兼容。IEEE 标准 1149.1 扫描逻辑仅用于仿真和测试。这个逻辑提供接口器件的边界扫描，用于测试引脚之间的连续性或进行 DSP 器件外设的操作测试。这种扫描逻辑接到内部扫描逻
9、辑电路，扫描逻辑电路可以访问所有片内资源。DSP 可以利用 IEEE 标准 1149.1 串行的扫描引脚和专用仿真引脚进行在线仿真。DSK 的嵌入 JTAG 仿真端口（由测试总线控制器 TBC 提供）与主机端口（ HPI）一起与 IEEE-1284 并行接口相连。同时 DSK 也可以通过它的外部 JTAG 连接器与外部仿真器 XDS510 一起使用，进行外部仿真。DSK 的电话网络接口（DAA）与模数转换器 TLC320AD50C 连接，通过一个多通道缓冲串行端口（McBSP0 ）使 DSP 可以访问一个电话接口，多通道缓冲并行端口在软件控制下，可以访问外设扩展连接器。麦克风/扬声器接口（3.
10、5mm 音频插座提供）与第二片 TLC320AD50C 连接。这片 TLC320AD50C 连在 DSP 第二个多通道缓冲串行端口（McBSP1）上，McBSP1 与 DSP 的两个定时器和一个外部中断信号相连，同时与外设扩展连接器相连来使用外接子板。通用异步接收发送器 UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）通过一个 RS-232 电平转换器与 DB-9 插座相连，组成串行异步输入输出接口。此接口可以与 PC 机相连。可编程器件 CPLD 完成 DSK 所需的组合逻辑，并为 DSP 软件提供控制和状态接口。两个 80 脚的子板连接器（
11、MEMORY I/F 和 PERIPHERAL I/F） ，一个可以访问 DSP 的异步 EMIF；另一个可以访问 DSP 的外设控制/状态信号。25 脚 DB-25 为 IEEE-1284 并口，通过 PPC（Parellel Port Controller）与中国科学技术 大学 *实验教学研讨会 - 109 -DSP 的 HPI 和 TBC 的 JTAG 相连。DSK 提供了一个八脚的 DIP 开关，控制外部用户选项；还提供了一个按钮开关，允许手动复位（RESET） 。DSK 上有一个电压管理器，监控内部产生的电压，并在复位期控制主板；四个 LED，一个用于通电指示，其他三个用于用户控制指
12、示。DSK 是一个需要+5VDC 的独立板，板上的线性电压整流器提供 1.8V 的DSP 核电压(Core Voltage),3.3VDC 数字以及 5VDC 模拟电压。二、DSP 设计软件 CCS DSK C5000DSP CCS（Code Composer Studio）是 DSP 编码设计软件，它是一个开放型的、功能强大的集成开发环境，它主要包括代码生成和代码调试两部分。代码生成部分是将用 C 或汇编语言编写的 DSP 程序编译并连接成可执行的 DSP程序；代码调试部分是对 DSP 程序及系统进行调试，使之能够达到设计目标。CCS DSK C5000 是针对 C54X DSK 开发系统设
13、计的软件平台，其中的 C 编译器只支持 ANSI C，因此，在写 C 程序时一定要遵守 ANSI C 的语法。连接 C 程序时，应包含一个运行支持库（runtime-support library） ，该库中含有所有用到的 C 函数。 CCS C5000 软件具有很好的仿真功能，程序正确运行后，可以直接观察到运行结果。有关的具体使用方法在此不作详细说明。三、自适应滤波器原理及算法1数字滤波器数字滤波器是利用数字的方法，按预定的要求对信号进行变换，把输入的信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。从某种意义上讲，数字滤波器是具有某种“算法”的数字处理过程。按照滤波器结构可将数字滤波器分
14、为：（1）无限冲激响应滤波器(IIR)（2）有限冲激响应滤波器(FIR)FIR 滤波器的差分方程是： 10)()(Nkknxhny其直接型结构如图 2 所示- 110 - 裴小平等 基于 TMS320VC5402 DSK 的自适应滤波器算法实验 x(n) x(n-I) x(n-1) h(0) h(n-1) 图 22自适应滤波器在许多 DSP 的应用场合，由于无法预先知道信号和噪声的特性或者它们是随时间变化的，仅仅用 FIR 和 IIR 两种具有固定滤波系数的滤波器无法实现最优滤波。在这种情况下，必须设计自适应滤波器，以跟踪信号和噪声的变化。自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数
15、来实现的。一般而言，自适应滤波器由两部分组成，一是滤波器结构，二是调整滤波器系数的自适应算法。自适应滤波器的结构采用 FIR 或 IIR 结构均可，由于 IIR 滤波器存在稳定性问题，因此一般采用 FIR 滤波器作为自适应滤波器的结构。图 3 示出了自适应滤波器的一般结构。d(n) e(n)x(n) y(n)图 3 自适应滤波器的一般结构上图中，x(n) 为输入信号，y(n) 为输出信号，d(n)为参考信号或期望信号，e(n)则是 d(n)和 y(n)的误差信号。自适应滤波器的滤波器系数受误差信号 e(n)控制，根据 e(n)的值和自适应算法自动调整。自适应算法的种类较多，最常用的有最小均方误
16、差算法，即 LMS 算法。基本的 LMS 算法如下：h(k,n+1) = h(k,n)+ue(n)x(n-k)其中，h(k,n) 和 h(k,n+1)分别是迭代前后的系数值，n 和 n+1 表示前后两个时刻，k=0N-1 ，N 为滤波器的阶数，u 为收敛因子，e(n)为误差信号，x(n-k)是输入信号。综上可知 N 阶自适应滤波器的算法如下：中国科学技术 大学 *实验教学研讨会 - 111 -（1） for(k=0，kN,k+) y(n) = h(k)x(n-k) ；FIR 滤波，以得到 y(n)的估值。（2） e(n) = d(n)-y(n) ；计算误差（3） for(k=0, kN,k+)
17、 h(k) = h(k) + ue(n)x(n-k) ；利用 LMS 调整滤波器的系数四、基于 TMS320VC5402 DSK 的自适应滤波器算法实验利用 TMS320VC5402 DSK 平台，我们为高年级本科生开设了自适应滤波器算法实验。本实验中要求实现 64 点的 FIR 滤波器和自适应滤波器（给定参考值 d(n)） ，并比较其结果。具体分三步：1 FIR 滤波为了简化设计，重点突出自适应滤波的算法实现，在此我们省略了有关FIR 滤波器的设计过程，对 FIR 滤波器作如下假设：输入信号 x(n) = n , n = 0,1,63滤波器系数 h(n) = 0.1, n=0,1,63滤波后
18、的值为 y(n), n=0,163按以上假设编写程序，经过调试、编译并运行，然后观察 y(n)的波形。y(n)的波形如图 4(b)所示。2在(1)的基础上实现自适应滤波假定期望信号为：dn = n(202.0/64), n = 0,1,63即期望信号为一直线，其中系数是为了作图方便而选取的，202 是 FIR 滤波器输出最大值，64 为滤波器点数。收敛因子为 u = 0.00005，此实验中 u 不应太大，否则后面的滤波值将出现发散现象，u 可以比 0.00005 稍小，但太小则收敛太慢。在以上假定条件下，采用 LMS 自适应算法，在 FIR 滤波器源程序基础上进行修改，再编译并运行，得到自适
19、应滤波输出 ry(n)。ry(n)的波形如图 4(d)所示。3比较结果图 4(a)为期望的输出信号 d(n)。按(1)中的方法观察 FIR 和自适应滤波以及- 112 - 裴小平等 基于 TMS320VC5402 DSK 的自适应滤波器算法实验 期望信号 dn的波形，可以看到图 4(d)的输出信号比图 4(b) 的输出信号更接近图 4(a)的输出信号，尤其在 20 点左右以后，线性基本相吻合，20 点以前线性较差的原因主要是收敛因子 u 的取值范围决定的，另外，点数增加线性也会更好。(a)期望的线性输出信号 dn (b)FIR 滤波器输出信号 yn(c)自适应滤波器输出与期望信号的误差 en
20、(d)自适应滤波器输出信号 ryn图 4 实验输出结果五、结束语通过这类实验，学生不仅对 DSP 算法有了深刻理解，同时对 DSP 处理器及整个开发系统的工作原理有了一个全面系统的了解，这给将来从事这方面的工作打下了良好的基础。中国科学技术 大学 *实验教学研讨会 - 113 -参 考 文 献1 张雄伟 操铁勇.DSP 的原理与开发应用.M 北京: 电子工业出版社,2000.2 TMS320C54X DSP CPU and Peripherals. Custom Printing Company. U.S.A, 1997.3 TMS320 DSPS Code Composer Studio Tour and Tutorial
