在數字信號處理中，濾波占有極其重要的作用，數字濾波器是譜分析、雷達信號處理、通信信號處理應用中的基本處理算法。目前常用的濾波器設計方法普遍采用matlab仿真，dsp實現。但這一傳統設計方法需要的開發周期較長，且設計過程反復進行，非常不便。

針對這一問題，出現了系統級設計方法的構想將matlab算法仿真和dsp的實現融合在一起。文中應用matlab link for ccs development tools進行系統級設計，來完成fir濾波器的設計。

1 fir數字濾波器設計的基本步驟

數字濾波器根據其沖激響應函數的時域特性，可分為2種，即無限長沖激響應（iir）濾波器和有限長沖激響應（fir）濾波器。fir系統不像iir系統那樣易取得較好的通帶和阻帶衰減特性，要取得較好的衰減特性，一般要求h（z）階次要高，也即m要大。fir系統有自己突出的優點：系統總是穩定的；易實現線性相位；允許設計多通帶（或多阻帶）濾波器，后兩項都是iir系統不易實現的。fir數字濾波器的設計方法有多種，如窗函數設計法、頻率采樣法和chebyshev逼近法等。隨著matlab軟件尤其是matlab的信號處理工作箱的不斷完善，不僅數字濾波器的計算機輔助設計有了可能，而且還可以使設計達到最優化。

fir數字濾波器設計的基本步驟如下[1]：

（1）確定技術指標

在設計一個濾波器之前，必須首先根據工程實際的需要確定濾波器的技術指標。在很多實際應用中，數字濾波器常被用來實現選頻操作。因此，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應。幅度指標主要以2種方式給出。第一種是絕對指標。他提供對幅度響應函數的要求，一般應用于fir濾波器的設計。第二種指標是相對指標。他以分貝值的形式給出要求。本文中濾波器的設計就以線性相位fir濾波器的設計為例。

（2）逼近

確定了技術指標后，就可以建立一個目標的數字濾波器模型（通常采用理想的數字濾波器模型）。之后，利用數字濾波器的設計方法（窗函數法、頻率采樣法等），設計出一個實際濾波器模型來逼近給定的目標。

（3）性能分析和計算機仿真

上兩步的結果是得到以差分或系統函數或沖激響應描述的濾波器。根據這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗證設計結果是否滿足指標要求；或者利用計算機仿真實現設計的濾波器，再分析濾波結果來判斷。

2 fir數字濾波器的傳統設計方法

傳統的fir數字濾波器設計流程分為2個部分：開發設計和產品實現。在開發設計部分完成方案設計和算法設計與驗證，一般用matlab語言進行仿真，當仿真結果滿意時，再進入產品的實現階段。在實現階段，將開發設計的階段的算法用c/c＋＋或者匯編語言實現，在硬件的單片機或dsp目標板上實現。

下面以電力系統中的用于濾除高次諧波的低通濾波器為例，介紹設計線性相位fir低通數字濾波器的傳統設計方法。

2.1 fir濾波器的matlab仿真[2]

在電力分析實驗儀中，只要求分析20次以下的諧波，30次以上的諧波由抗混疊濾波器濾波，20－30次的諧波則由數字濾波器濾除。所以電力系統的低通濾波器的技術指標如下：通帶截止頻率為1 000hz，阻帶截止頻率為1 500hz，通帶波紋為0.001，阻帶波紋為0.001，采樣頻率為4 000hz，阻帶衰減小于50 db，因此設計中采用漢明窗比較合適。

fir濾波器的設計用matlab數字信號處理軟件包提供的專用函數來直接求取是非常方便的。

先求出濾波器的階數n：n＝ceil（n）＋1，通過相關程序仿真可以計算出n＝28。

濾波器h（n）的系數和他的幅頻特性：

調用格式為：b＝fir1（n，wc,’ftype’,window）或b＝fir2（n，wc，m，window）；編制程序并運行，表1為計算所得濾波器系數，圖1所示為設計的低通濾波器頻率響應曲線。由此可見基本滿足性能指標。h（n）的系數見表1。

輸入一混疊信號來測試所設計濾波器的功能：輸入信號是頻率為f1＝400hz和f2＝1 800hz的正弦交流信號。

s1＝sin（400×2πt）；

s2＝sin（1800×2πt）；

s＝s1＋s2

圖2為混疊信號波形s＝s1＋s2。

圖3經濾波器濾波后的波形。由此可見，仿真結果基本令人滿意。然后用dsp來實現系統。

將上述系統存盤，建立一個數據文件fir01.txt，將matlab中產生的fir01.txt文件，通過執行轉換命令，將自動變換為firdata.inc濾波器系數文件。轉換命令為（在matlab下）：！firdata fic01.txt

2.2 fir數字濾波器的c54實現

tms320c5416有很強的數據處理功能[3]，帶數據移位的加法指令macd在循環執行時，一但流水線啟動，該指令就變為單周期指令。可以快速完成濾波器的設計和運算。

下面討論上述仿真得到的fir濾波器的設計[4]，程序流程圖如圖4所示。

根據上述運算和流程圖編制對稱fir低通濾波器程序，源程序清單略。在ccs5000上進行仿真調試運行，利用觀察窗口可以看到如下圖形，并分析輸入信號和輸出信號的頻譜，結果如圖5，圖6所示。

輸入信號是頻率為f1＝400hz和f2＝1 800hz的正弦交流信號的疊加。通過觀察頻域和時域圖，得知：輸入波形中的低頻波形通過了濾波器，而高頻部分則被濾除。濾波器實現了目標要求。

這種方法盡管能設計出較好的濾波器。但需要用ccs把目標dsp程序運行的中間結果保存到pc機的硬盤上，然后調到matlab工作空間，與matlab算法的中間結果進行比較，可以發現dsp程序中由于設計或者精度導致的結果偏差。如此過程反復進行，非常不便。

下面提出了一種改進型的設計方法。

3 濾波器設計的改進方法

目前提出了一種系統級設計方法的構想[5]。系統級設計方法的核心是將算法設計與系統級設計仿真在統一的環境中進行，進而將開發流程的兩個部分有效地結合在一起。進行系統級設計需要一個統一的開發環境，且在該開發環境中可以對系統結構、算法進行描述，還能夠對系統不同層次、不同組件和不同數據類型進行建模。matlab link for ccs development tools就是為了完成系統級設計出現的。

3.1 matlab link for ccs development tools簡介

mathworks公司和ti公司聯合開發的matlab link for ccs development tools（ccs link）提供了matlab 和ccs的接口，即把matlab和ti ccs及目標dsp連接起來。利用此工具可以像操作matlab變量一樣來操作ti dsp的存儲器或寄存器，即整個目標dsp對于matlab好像是透明的，開發人員在matlab環境中就可以完成對ccs的操作。matlab link for ccs development tools可以支持ccs能夠識別的任何目標板，包括ti公司的dsp，evm板和用戶自己開發的目標dsp（c2000，c5000，c6000）板。

3.2 系統級設計探討

ccs link向用戶提供的3種接口如圖7，可以完成系統級設計。

3.3 數字濾波器的系統級設計方法

利用link for ccs ide接口實現ccside和matlab之間的連接來設計fir數字濾波器，利用此連接可以在matlab控制下操作dsp的應用程序，利用matlab中強大計算分析、可視化工具來分析和對比目標程序運行中的結果，大大縮短調試開發系統的周期。

具體設計步驟如下[6]：

（1）選擇dsp型號：實驗中用tms320c5416dsp；

（2）創建ccs ide連接對象；

（3）利用matlab把文件加載到ccs ide中；

（4）在matlab環境下對ccs ide連接對象進行操作；

（5）關閉ccs ide連接對象。

從這個設計步驟中可以看出，在matlab環境下操作dsp中變量或者寄存器是很方便的。這樣就可以在matlab環境下完成dsp程序的仿真調試。而不用像傳統的開發要把dsp運行結果調回pc機驗證，方便了開發設計，縮短了開發周期。

用這種方法所設計濾波器結果和上面基本相同，只是設計過程得到了很大簡化，方便了開發設計。

4.結語

應用matlab對dsp進行系統級的設計極大地改進了傳統的設計方法。matlab系統級的設計環境，有助于在設計早期發現錯誤和應對系統復雜性不斷增加的挑戰，方便了復雜dsp應用系統的設計。所設計的數字濾波器和傳統設計的濾波器比較，速度提高了很多，設計過程得到了很大的簡化，方便了開發設計。