Cómo leer imágenes en filtros diseñados para su procesamiento

Título: Diseño de filtro FIR utilizando DSP

El procesador digital (DSP) tiene fuertes capacidades de procesamiento de datos y se usa ampliamente en el campo del procesamiento de señales digitales de alta velocidad, como el filtrado digital. , procesamiento de audio, procesamiento de imágenes, etc. En comparación con los filtros analógicos, los filtros digitales no tienen deriva y pueden manejar señales de baja frecuencia. Las características de respuesta de frecuencia pueden acercarse mucho a las características ideales, la precisión puede ser muy alta y son fáciles de integrar. El uso de un chip DSP programable para implementar el filtrado digital puede cambiar fácilmente las características del filtro modificando los parámetros del filtro. A continuación se explica principalmente el uso del chip DSP TMS320VC54x para diseñar e implementar filtros digitales FIR.

Propósito e importancia del diseño

En un sistema de aplicación real, siempre hay varias interferencias, por lo que en el diseño del sistema, la calidad del filtro afectará directamente el rendimiento del sistema. Usando DSP para el procesamiento digital, se puede muestrear una fuente de señal mezclada con ruido y señal y luego, mediante filtrado digital para filtrar el ruido, se puede extraer la señal útil. Por lo tanto, los filtros digitales son el campo de aplicación más básico de DSP. Familiarizarse con los filtros digitales basados ​​en DSP puede proporcionar una buena base para el desarrollo de sistemas de aplicación DSP.

Indicadores técnicos

1. Los parámetros de frecuencia del filtro digital incluyen principalmente: ① Frecuencia de corte de la banda de paso: es el punto límite entre la banda de paso y la banda de transición, en el que se transmite la señal. la ganancia cae al límite inferior prescrito. ② Frecuencia de corte de la banda de parada: es el punto límite entre la banda de parada y la banda de transición, en el que la atenuación de la señal cae al límite inferior especificado. ③ Frecuencia de giro: es la frecuencia cuando la potencia de la señal se atenúa a la mitad (aproximadamente 3 dB). En muchos casos, fc se utiliza a menudo como banda de paso o frecuencia de corte de banda de parada. ④ Cuando no hay pérdidas en el circuito, la frecuencia natural: es su frecuencia de resonancia. Los circuitos complejos suelen tener múltiples frecuencias naturales.

2. Ganancia y pérdida

La ganancia del filtro en la banda de paso no es constante. ① Para la ganancia de banda de paso del filtro de paso bajo, generalmente se refiere a la ganancia cuando ω = 0; el paso alto se refiere a la ganancia cuando ω → ∞ y el paso de banda se refiere a la ganancia en la frecuencia central. ②Para el filtro de banda suprimida, se debe dar la atenuación de la banda suprimida, y la atenuación se define como el recíproco de la ganancia. ③La cantidad de cambio de ganancia de banda de paso se refiere a la cantidad de cambio máxima de ganancia en cada punto de la banda de paso. Si la cantidad de cambio de ganancia de banda de paso está en dB, se refiere a la cantidad de cambio de valor de dB de ganancia.

3. Coeficiente de amortiguación y factor de calidad

El coeficiente de amortiguación α representa el efecto de amortiguación del filtro sobre la señal con frecuencia angular ω0, y es un indicador de la pérdida de energía en el filtro. , que es un coeficiente relacionado con el tamaño de la parte real del polo de la función de transferencia.

4. Sensibilidad

El circuito del filtro se compone de muchos componentes y los cambios en el valor del parámetro de cada componente afectarán el rendimiento del filtro.

5. Función de retardo de grupo

En el diseño de filtros, la función de retardo de grupo se utiliza comúnmente para evaluar el grado de distorsión de fase de la señal después del filtrado.

Los indicadores técnicos anteriores son las características de los filtros generales, pero en aplicaciones prácticas, los filtros digitales generalmente se usan para implementar operaciones de selección de frecuencia, por lo que la tecnología requerida al usar DSP para implementar el diseño de filtros digitales Los indicadores son principalmente respuesta de amplitud-frecuencia y respuesta de fase-frecuencia dadas en el dominio de la frecuencia. Como se muestra en la siguiente figura

Curvas características de respuesta de amplitud-frecuencia y respuesta de fase-frecuencia

Para la respuesta de amplitud-frecuencia, su significado es la amplitud de la señal de salida después de que pasa la señal. a través del sistema y la amplitud de la señal de salida cuando entra. La relación de amplitudes de la señal, generalmente expresada en decibeles. Para la respuesta de fase-frecuencia, significa la diferencia entre la fase de la señal de salida después de que la señal pasa a través del sistema y la fase de la señal cuando ingresa. El uso de indicadores lineales de respuesta de fase-frecuencia para el diseño de filtros tiene las siguientes ventajas: ① Solo contiene algoritmos de números reales y no implica aritmética de números complejos; ② No hay distorsión de retraso, solo un número fijo de retrasos ③ El algoritmo FFT se puede utilizar para mejorar la eficiencia operativa; ④ Dado que la respuesta de impulso unitario del El filtro FIR es una secuencia de longitud finita, el filtro FIR no tiene problemas de inestabilidad y el error es pequeño.

Principios básicos

Los métodos de diseño para usar DSP para implementar filtros FIR incluyen principalmente el método de función de ventana y el método de muestreo de frecuencia. El método de función de ventana es el método de diseño básico. aquí se utiliza el filtro FIR de diseño. Supongamos que la respuesta ideal deseada del filtro es , entonces el diseño del filtro FIR radica en encontrar una función de transferencia

para aproximar , suponiendo

aquí está el coeficiente de la serie de Fourier .

En este tipo de aproximación, el método más directo es partir de la respuesta al impulso unitario, de modo que se aproxime a la respuesta al impulso unitario ideal. Dado que es una secuencia infinitamente larga, el método más simple es truncarla, es decir, obtener una función de transferencia aproximada.

En la fórmula anterior, Q es el orden final del filtro FIR, Q cuanto mayor cuanto mejor sea la aproximación. El truncamiento de en realidad se multiplica por una ventana rectangular, es decir,

Sea z=, entonces

su coeficiente de respuesta al impulso es , ,..., , , ,..., , . Para hacerlo causal, retrasar los valores de muestra Q, podemos obtener:

Sea n+Q=k, la fórmula anterior se convierte en

Sea, N=2Q, obtener

En la fórmula, es el coeficiente de respuesta al impulso, aquí..., ,..., .

En términos generales, la relación entre la forma de transformación Z de la salida del filtro digital FIR y la forma de transformación Z de la entrada es la siguiente:

La estructura de implementación se muestra en la figura a continuación:

Diagrama de estructura de la transformada Z

A partir del diagrama de estructura y la transformada Z anterior, se puede obtener fácilmente la representación de la ecuación diferencial del filtro FIR, es decir, la transformada Z inversa de la ecuación anterior es:

La fórmula anterior es el método de representación en el dominio del tiempo del filtro digital FIR, donde x(n) es el valor de muestreo de entrada del filtro en el tiempo n. El filtro se puede diseñar de acuerdo. a la fórmula anterior.

Diseño de hardware

1. chip DSP

De acuerdo con el principio de diseño, el dispositivo central implementado adopta el procesador de señal digital de punto fijo de baja potencia producido por Compañía Texas Instruments de Estados Unidos. Chip TMS320C5402. Se eligió este chip principalmente porque es el chip DSP de bajo costo más utilizado actualmente e incluye las siguientes características principales:

⑴ Velocidad de computación rápida, hasta 532 MIPS

⑵ Más; Estructura de bus, hay 8 buses en el chip (1 bus de memoria de programa, 3 buses de almacenamiento de datos y 4 buses de direcciones);

⑶La CPU adopta el diseño de estructura paralela de von Neumann, de modo que puede completar múltiples operaciones aritméticas en alta velocidad dentro de un ciclo de instrucción;

⑷Integra ROM de 4K × 16 bits y RAM de acceso dual de 16K × 16 bits en el chip;

⑸Circuitos periféricos ricos en chip (I de uso general /O pines, temporizadores, generadores de reloj, interfaz HPI, puerto serie con búfer multicanal McBSP) hacen que sea conveniente la interfaz con dispositivos externos;

⑹E/S de 3,3 V El voltaje es un voltaje de punto central de 1,8 V , y la corriente operativa promedio es de 75 mA, de los cuales el núcleo es de 45 mA y la E/S es de aproximadamente 30 mA;

⑺El paquete BGA de 144 pines reduce el volumen y el consumo de energía.

2. Circuitos AD y DA

En este sistema de filtro digital, se selecciona el chip TLV1570 de TI como dispositivo de conversión de analógico a digital, de 8 canales de 10 bits de 2,7 a 5,5. V chip de conversión analógico a digital de bajo voltaje. La frecuencia de muestreo del TLVl570 con un voltaje de 3 V es 625 KSPS y la frecuencia máxima de la señal de entrada no puede exceder los 300 K.

Dado que se selecciona un dispositivo de 10 bits para la conversión de analógico a digital, para simplificar el código del programa y reducir la carga de trabajo computacional del DSP, se selecciona el chip TLV5608 de TI Company en este dispositivo digital. Es un chip de conversión digital a analógico de bajo voltaje de 8 canales, 10 bits, 2,7 a 5,5 V.

3.Circuito de alimentación

De acuerdo con los requisitos de voltaje y corriente del funcionamiento del chip DSP y los requisitos de secuencia de encendido del chip que utiliza fuentes de alimentación duales, considere utilizar la energía de TI. chip de conversión TPS73HD318. Su voltaje de salida es de 3,3 V en un canal y 1,8 V en el otro canal. La corriente de salida máxima de cada fuente de alimentación es de 750 mA, lo que puede satisfacer las necesidades de suministro de energía de este sistema. Y el TPS73xx tiene una corriente de reposo muy baja, que puede estabilizar la salida del regulador de voltaje.

4. Circuito de reloj

Los terminales de reloj de la serie C54xx son X1 y X2/CLKIN, y se utiliza un oscilador de cristal pasivo para proporcionar la señal de reloj ya que el DSP tiene un. conjunto de terminales que se pueden utilizar para ajustar su frecuencia de funcionamiento. Por lo tanto, no existen requisitos especiales para la selección de la frecuencia del oscilador de cristal. Aquí se selecciona un oscilador de cristal de 10 Mhz.

5. Circuito de reinicio

Para superar las interferencias e interferencias que pueden ocurrir durante el funcionamiento del sistema DSP debido a la alta frecuencia del reloj, lo mejor es utilizar un perro guardián. Circuito de reinicio automático funcional, por lo que se utiliza un chip de reinicio automático especial MAX706. La fuente de alimentación del MAX706 es de 3,1 V ~ 5,0 V, salida de reinicio de bajo nivel y el umbral de reinicio es de 3,08 V.

6. Manejo de terminales no utilizados

De acuerdo con los principios relevantes del uso de chips DSP y el manual del chip, determine si los terminales no utilizados deben conectarse a resistencias pull-up o dejarse flotantes. .

7. Con base en los componentes del circuito mencionados anteriormente, se puede dibujar el diagrama general de conexión del circuito de hardware del filtro digital DSP, como se muestra a continuación

Programación

1. Ideas de diseño

⑴ Antes de que el DSP realice operaciones de filtrado digital, primero debe inicializarse. Solo configurando correctamente el estado inicial del DSP se puede garantizar el funcionamiento normal del chip. Este sistema realiza principalmente los dos aspectos siguientes de la inicialización:

① Inicialización del registro: registro de estado ST0, registro de estado ST1, registro de control del modo de procesador PMST, registro de estado de espera de software SWWSR, registro de control de conmutación de grupo BSCR y modo de reloj Registrarse, etc.

②Inicialización de la tabla de vectores de interrupción: escriba una subrutina de acuerdo con la posición de configuración de cada vector de interrupción mediante el chip DSP; configure el registro de control PMST para reubicar la tabla de vectores en la dirección especificada por IPTR al conectarse.

⑵ El segundo paso es el diseño de subrutina del filtrado digital FIR. Los pasos principales son los siguientes:

① Consulta el segundo bit del registro SPCR11. significa leer listo y establecer el valor de DRR11 Lea la dirección señalada por AR3, que es el último valor de muestreo.

② Reste 200 h del último valor de muestreo y luego reste 1 del valor AR3.

③Ejecutar instrucciones MAC.

④ Envía el valor del acumulador a la variable Y, y suma 200h a Y.

⑤ Consulta el segundo bit del registro SPCR20. Cuando es 1, significa que está listo para escribir. Asigne el valor Y a DXR10, que es el valor de salida del filtro.

⑥Realiza los pasos anteriores en un bucle.

2. Diagrama de flujo del programa

Con base en las ideas de programación anteriores, se puede obtener el diagrama de flujo del programa para usar DSP para implementar el diseño del filtro FIR, de la siguiente manera

3. Código del programa

Dado que la parte del programa de inicialización es demasiado grande y complicada, aquí hay solo un fragmento del programa que utiliza instrucciones MAC para programar el filtro de paso bajo FIR:

FILT_task1

LD Store_SICX ,A

STLM A,ar4

STM #1,ar0; dirección indirecta

STM #28,bk

LD DEM_Out, A

STL A,*ar4+%; Señal de entrada: parte real

STM #Coef_Tab1,ar5; >

LD #0, A

STM #27,brc

RPTB SICXU-1

MAC *AR4+0%,*AR5+,A

SICXU LD A,-16,A; Resultado del filtrado de paso bajo

LD C7FFF,B

MIN A

NEG B

MAX A

STL A,DEM_Out

LDM AR4,A

STL A,Store_SICX

RET

Coef_Tab1

.word 100 ；h(0)

.word 7 ；h(1)

… ；coeficiente de respuesta al impulso

.word -248

.word -71; h(N-1)

.end

Resumen

Al utilizar el filtrado FIR de DSP, tengo un profundo conocimiento del uso de chips DSP y los circuitos relacionados de sistemas básicos compuestos por chips DSP. Familiarícese con el diseño del sistema y el proceso de desarrollo de aplicaciones de los chips DSP, utilice la biblioteca, Internet, pregunte a sus compañeros, etc. para encontrar información y resolver problemas relacionados. Este es el trabajo más básico y el paso más crítico. Hacerlo puede cultivar sus propias habilidades prácticas para resolver problemas y métodos de pensamiento independiente, de modo que tenga el temperamento y la actitud laboral de un técnico, lo que agregará ventajas a su futuro empleo.

El filtro digital es una aplicación típica de DSP. Aprenderlo le ayudará a establecer paralelismos, facilitará estudios e investigaciones adicionales y le ayudará a comprender las funciones y principios de funcionamiento de otros sistemas basados ​​en DSP. Dominar el desarrollo de aplicaciones basadas en DSP amplía sus horizontes y aumenta sus conocimientos. Es una habilidad importante para ingresar al campo del procesamiento de señales digitales moderno y también es la base para el desarrollo de circuitos integrados a gran escala. y estudiar mucho activamente en el futuro.