基于TMS320C6701的自适应滤波器设计与调试
时间：2009-05-04 02:53:43
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[导读]对于系数固定的FIR、IIR滤波器所具有的特性是确定的，对于输入信号可根据这个滤波器产生相应的输出，即先有了滤波器系数，然后决定相应的输出值。但有些实际应用往往是反过来要求的，即对滤波器输出的要求是明确的，
对于系数固定的FIR、IIR滤波器所具有的特性是确定的，对于输入信号可根据这个滤波器产生相应的输出，即先有了滤波器系数，然后决定相应的输出值。但有些实际应用往往是反过来要求的，即对滤波器输出的要求是明确的，而滤波器的特性却无法事先知道。如在通信系统中，信号通过信道传输，由于信道频率特性的影响，接收信号失真畸变而引发码间干扰，这将严重影响通信质量，为此，需要在系统中插入一种可调的滤波器以减小码间干扰，这种系数可调的滤波器即为自适应滤波器。其参数可以自动地按照某种准则调整到最佳滤波。自适应滤波器已广泛应用于系统模式识别，通信信道的自适应均衡，雷达与声纳的波束形成，减少或消除心电图中的周期干扰，噪声中信号的检测、跟踪、增强和信号预测等。
1 自适应滤波器的原理
自适应滤波器的原理如图1所示。
图中x(n)称为输入信号，y(n)是输出信号，d(n)称为期望信号，或称参考信号、训练信号，e(π)是误差信号，e(n)=d(n)-y(n)。
自适应滤波器H(z)的系数根据误差信号，通过一定的自适应算法，不断地进行改变，使输出信号y(n)最接近期望信号d(n)。
本文以自适应处理器为例说明自适应滤波器的设计。
2 自适应滤波器的设计
2.1 TMS320C6701的主要特点
TMS320C6701是一种通用浮点超高速DSP，与TMS320C6201管脚兼容，主频167 MHz，共8个运算单元，其中6个为浮点单元，也采用8*32 b=256 b的超长指令字，分置运算能力为1 GFLOPS或1 336 MIPS，结构上与C6201类似，不同之处在于：
(1)4个浮点／定点ALU；
(2)2个定点ALU；
(3)2个浮点／定点乘法器，乘法器接受32 b定点数，产生64 b结果；
(4)支持32／64 b的IEEE浮点格式；
(5)峰值运算能力为：1 GFLOPS(32 b单精度)，256 MFLOPS(64 b双精度)，乘法并行操作688 MFLOPS。
2.2 自适应处理器的实现
在自适应信号处理中，DSP要根据一定的算法，从实测数据中估算出权值，然后DSP把这种自适应权与数据合成，得到期望的输出。图2是一个自适应对消原理图，在3路数据中都含有期望的信号和要抑制的干扰，其中各路的干扰是相关的，而信号的相关性很弱，信号与干扰不相关。自适应算法就是从3路数据中取来一批数据作为样本，按最小二乘法则，将3路数据合成，使得合成输出中干扰基本上被消除，而信号仍较强。为了使信号不随干扰一起被对消掉，希望在求全样本中无信号。
可采用DSP对3路输入支路进行自适应合成，每路数据为复数据，I，Q串行，即先实部后虚部的次序，数据速率为1.5 MHz，根据复数的合成公式为：
y=x0-w1xl-w2x2
wn，xn，y均为复数。每输出一个复数数据，需要8次实数乘法和8次实数加法，要求DSP始终保持24 MFLOPS的运算速度。主频60 MHz的TMS320C6701峰值运算速度为60 MFLOPS，数据输入／输出速度也能满足要求。
自适应权值的运算和系统的一些控制功能由另一片TMS320C6701完成，此C6701定期从3路信号中取得一批数据作为样本，样本中仅含干扰而没有信号成分，然后按照如下公式计算出自适应权w=[w1，w2]T：
其中E表示求数学期望，在此用N次平均值近似取代，N定为16，各元素均为复数。[!--empirenews.page--]
2.3 硬件结构与原理
本电路采用2片C6701，电路结构如图3所示，3路信号为10位定点数据格式，拼成30位并行数据送到C6701的总线上，C6701将其读到片内RAM，利用移位指令分解为3个定点数。求权C6701必须把数据转换成浮点数，才能以较高的精度快速求出自适应权。求权运算中要用到除法操作，浮点DSP进行除法运算很方便。求权C6701将求得的权转换为16位定点格式，写到两片C6701共用的RAM中，加权C6701按定点方式用自适应权对3路数据加权，对结果取16位，通过FIFO后送出。
系统时钟为3 MHz，此时钟将3路共30位数据以及I，Q标志位共6701位数据送向C6701，两片C6701利用互锁信号XF0、XF1确保正确地从总线上读取数据，既不丢失，也不重复读取，并根据数据的I，Q标志区分复数据的实部和虚部，两片C6701的操作如下：
(1)求权C6701用XF1和互锁指令定期读取一批数据作为样本，求得自适应权，并化为16位定点数。
(2)求权C6701利用配置成通用输出管脚的TCLK0、TCLK1向加权C6701先后提出INT0请求、HOLD请求。
(3)求权C6701取得两片C6701的公共总线控制权，利用地址线、数据线、读写R／W和STRB向公共RAM写入自适应权，然后撤销HOLD请求。
(4)加权C6701取得总线控制权，从公共RAM中读自适应权。
(5)加权C6701进行3路数据合成，把16位结果和I，Q标志写入FIFO；系统按数据时钟从FIFO中取走数据。加权C6701一直进行这样的合成、写FIFO操作，直到求权C6701下一次提出中断、HOLD请求。
(6)在两片C6701访问公共RAM，以及加权C6701向FIFO写数时，输入缓冲器74F245上的三态使能是关闭的。
2.4 时序要求
C6701利用互锁操作从数据线上正确读数是关键，数据时钟的占空比是50％，将它与C6701的XF1(设定为输入)相连，C6701通过互锁指令保证读数操作与数据时钟准确同步，同时加权C6701还要完成多次乘加运算和FIFO写数操作，这要求在硬件时序给定的情况下，C6701利用软件指令的优化排列来保证处理的正确性和高效性，其同步和运算、读写流程如图4所示，当C6701读数、写FIFO的时序与数据时钟不合拍时，可以执行指令执行顺序或增减空操作(NOP)指令。
3 软硬件调试
将PC机通过仿真卡、电缆与C6701电路板上的仿真口接好，给电路板加电，运行仿真软件，观察C6701的寄存器、程序、数据内容，因为有两片C6701，用两个仿真器调试更方便。软硬件调试的工作主要是C6701与其他设备的握手、通信问题。求权C6701的主要调试过程是：
(1)调试互锁读数指令，若有信号源，即前端送来3路数据和相应的时钟且3路信号值已知或已测出的话，则令C6701全速运行读取一段数据，然后让C6701停下来，观察读到的数据与送来的数据是否完全一致，若不一致，则逐步检查；若没有信号源，则利用示波器或逻辑分析仪来分析波形，C6701进行互锁读时，就会将XF0置低，观察XF0与XF1(数据时钟)以及STRB信号的波形，可以看出同步互锁的时序配合，若达不到要求，则要修改C6701程序，还应注意C6701读数时刻(STRB上升沿)是否临近数据转换沿。
(2)向RAM写自适应权：利用仿真器直接察看RAM中内容是否正确写入，或者将写入的权再从RAM读回后比较，以次验证存储器总线操作。
4 程序固化
软硬件调试符合要求后，就可以将程序固化到RAM中。求权C6701的程序代码固化在EPROM地址1000H开始的区间，加权C6701的程序代码固化在EPROM地址8000H开始的区间，求权C6701是标准的8位ROM引导方式，而加权C6701是串行口引导方式，其程序头与求权C6701代码的程序头一样，加权C6701的32位代码事先按先低字节，后高字节的顺序转换成8位代码。
求权C6701的代码在上电复位后自动装入片内RAM，求权C6701引导成功后要通过串口向加权C6701发送加权C6701的代码，求权C6701总共向加权C6701发送N+2个32字。
在程序固化后，再检验电路板的工作是否正确，可通过C6701的IACK等管脚连到的发光二极管闪烁来表明DSP程序已经正确引导并正常运行，在C6701的程序中应加入IACK指令，C6701全速工作时定期在IACK管脚上输出一个负脉冲。
5 结 语
DSP器件已经应用于很多领域，用其构成的自适应滤波器，也得到了广泛应用，本文提出的这种特殊结构的自适应滤波器，由于有较好的实时性和滤波效果，应该有较好的应用前景。
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