基于DSP6713的IIR格型自适应滤波器

TMS320C6713是TI公司开发的一款新型浮点DSP芯片，它基于超长指令字结构(VLIW)，非常适合于做高强度的数学运算，被认为是TI公司运算能力最强的处理器之一。本文使用合众达公司开发的一款基于TMS320C6713芯片的开发板构建了音频信号处理系统，对音频信号的IIR格型自适应滤波处理算法进行硬件验证。

　　1 硬件系统设计

　　开发板系统总体方案框图如图1所示。模拟音频信号首先通过高性能前置运算NE5532进行预放，然后进入音频ADC进行A/D转换得到串行输出的数字音频信号，本文使用CIRRUS公司最新专业级音频芯片CS4272，该芯片使用了一个差分模拟结构，采样率高达192 kHz，实际信噪比超过90 dB。接着数字音频信号经过FPGA通过DSP的McBSP口进入DSP芯片TMS320C6713。进入DSP的数据存放在DSP的内部存储区以利于处理器进行高速运算，经过DSP处理后的数据同样通过DSP的McBSP口输出到FPGA，然后通过DAC输出到前置运算NE5532进行放大后输出。电路中同时还接了一个单片机芯片STC89LE52，它用于控制LED、按键、A/D、D/A转换器以及与FPGA进行数据通信。

　　

　　2 CCS和CSL简介

　　CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的用于开发DSP芯片的集成开发环境，它采用熟悉的Windows风格界面，提供了基本的代码生成工具，具有编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试以及实时跟踪等功能，支持*.asm，*.c，*.h，*.cmd等多种格式并最终生成*.out等可供下载至硬件电路运行的二进制格式文件，它还提供了多种C/C++代码优化功能和一些实时分析及编程方案。此外，CCS的调试和仿真具有很强的功能：允许中断点、剖析点及探测点三种断点设置，分别实现程序断点、实时分析和数据导入等功能。CCS为DSP芯片的开发与设计提供了极大的便利，是目前使用最为广泛的DSP开发环境之一，其版本已发展至4.1甚至更高。

　　在DSP应用系统中，不可避免地会涉及到大量对DSP器件外设特别是片上外设的编程处理工作，这将消耗开发工程师在开发初期大量的精力。在TI公司的CCS开发环境中，提供了DSP片级支持库CSL作为一个组件，多数CSL模块都由对应函数、宏、类和表示符号组成，利用这些模块可以非常方便地完成对DSP片上外设的配置和控制的编程工作，从而简化了DSP片上外设的开发工作，缩短了用户程序的开发周期，并且可以达到标准化控制管理片上外设的能力，减少DSP硬件特殊性对用户程序代码的影响，以方便对用户代码在不同器件间的移植工作。

　　3 自适应IIR格型滤波器及算法

　　

3.1 自适应IIR格型滤波器

　　自适应滤波器就是其权系数可以根据某种自适应算法来不断修改，使系统的冲激响应满足给定的性能判断。它的设计包括结构设计和自适应算法的选取、最佳参数的确定，以及有效字长效应影响的最小化等。自适应滤波器的原理图如图2所示。它主要由两部分组成：系数可调的数字滤波器和用来调节或修正滤波器系数的自适应算法。

　　

　　图中滤波器的结构可以是IIR型结构，也可以是FIR型结构。尽管IIR结构的滤波器性能不够稳定，但在实际应用中它能够以很小的复杂度实现和FIR滤波器相同的功能，且可以利用模拟滤波器设计的结果，所以在对稳定性要求不高的情况下这是一个理想的选择。本文所采用的是IIR格型自适应滤波器，格型结构的优点是按阶递归，增加或者减少级数不会影响已经存在的阶数设计。

　　格型IIR滤波器的结构框图如图3所示。它由两个格型滤波器级联而成，上方的格型滤波器H1(z)的输入为Input，输出设为s0(n);下方的格型滤波器H2(z)的输入为s0(n)，输出为Output。

　　

　　采用TI公司开发的C67xDSPLIB库函数DSPF_sp_iirlat。DSPF_sp_iirlat是单精度IIR格型滤波算法。其C语言形式为：

　　

　　3.2 自适应滤波器算法

　　在前面讨论了自适应滤波器的原理和结构，接下来讨论自适应滤波器的另一个关键组成部分：自适应算法。目前，大多数自适应滤波器都采用最小均方算法(LMS)，因为它容易设计、实现且性能稳健。自适应算法是根据某种准则来设计的，目的在于设法使y(n)和d(n)尽量接近，不同的算法实质一样，只是接近的衡量标准不一样。最常用的准则是最小均方误差(Mean Square Error，MSE)准则，即期望信号d(n)与滤波器输出y(n)之差e(n)的平方值最小，并根据这个准则来不断调整自适应算法。采用TI公司开发的C67xDSPLIB库函数DSPF_sp_lms。DSPF_ sp_lms为单精度浮点LMS算法，实现LMS自适应算法。其C语言形式为：

　　

　　

4 自适应IIR格型滤波算法的DSP实现

由于自适应滤波器需要两个输入端，一个为主信号输入端，另一个为参考信号输入端。因此，如何在软件和硬件上设计和实现两个信号通路的建立问题是自