数字滤波系统范文

数字滤波系统范文（精选12篇）

数字滤波系统 第1篇

为了提高测量的可靠性和精度,常常用数字滤波的方法来抑制干扰,获得有用的信号。数字滤波是通过计算机软件编程来实现的,即在程序控制算法前附加一段数字滤波程序,它不需要增加硬件设备,不存在阻抗匹配的问题,可靠性高。目前基于单片机的数字滤波方法有很多,本文主要介绍基于单片机的滤波算法。

1 中值滤波法

对某一个被测量连续采样N次(一般N取奇数),然后把N个采样值从小到大(或从大到小)排队,再取中值作为本次采样值,这就是中值滤波算法。一般来说,N值不宜太大,否则滤波效果反而不好,且总的采样时间增长。其算法程序代码如下:

中值滤波对静态或动态测量中相同位置测量点有效,可以对由于采样器等不稳定因素造成的误码等脉冲干扰起到抑制的作用,对温度、液位、位移等变化缓慢的测量信号处理采用中值滤波有良好的效果,但对于流量、压力等变化急速的参数一般不宜采用。

2 算术平均值法

设数据采样值为Xi(i=1、2…N),算术平均值法就是寻找undefined作为本次采样的平均值,使该值与本次各采样值之间的误差ei的平方和E最小,即:

undefined

其算法程序代码如下:

通过该方法滤波后,信号会在某一数值范围附近上下波动,因此这种方法对周期性干扰噪声的信号比较有效;明显的突变信号会使该组信号的平均值远离平均值undefined,因此,该方法对脉冲如尖峰脉冲干扰抑制能力弱,数据处理速度慢。另外,平均值的平滑程度完全取决于采样个数N,N较大时,平滑度相对较高,但伴随着计算量的增大,灵敏度相对降低;N较小时,反之。对实际物理量如温度、流量、压力、液平面等测量时,应视具体情况选取N,如对一般流量,可取N=8～16,压力测量取N=4。

3 一阶滞后滤波法(惯性滤波法)

惯性滤波法是用数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。它的算法与加权滤波相似,平滑系数为α。惯性滤波的表达式为:

undefined。

其中:undefinedn为第n次采样值;undefinedn-1为上次滤波结果输出值;undefinedn为第n次采样后滤波结果输出值。其算法程序代码如下:

惯性滤波法对慢速随机变化量效果好,能很好地消除周期性干扰,但同时会引起相位滞后、灵敏度下降等现象的发生。除此之外,平滑系数的选取对系统滤波效果也有直接的影响。

4 限幅滤波

工程实践表明,采样器相邻两次采样值yn和yn-1之间存在变化,且有一定限度,限幅滤波就是利用这个现象进行滤波。首先确定出相邻两次采样值之间的最大偏差Δe,其次进行判别,若实际相邻两次采样值超出此值,则表明发生干扰,剔除该数据,并用yn-1代替yn,若小于此偏差,则为yn,即:

其算法程序代码如下:

限幅滤波主要对克服随机干扰和尖脉冲效果比较明显,但是数据处理速度比较慢,适合对缓慢变化的物理量进行处理。最关键的问题是最大差值Δe的选取, Δe值太大干扰信号将保留, Δe太小有用信号被剔除,因此可以通过对标准量多次测量后校验取得。

5 中位值平均滤波

中位值平均滤波又称防脉冲干扰复合滤波法,它的特点是将中值滤波法和算术平均值法合并,即先用中值滤波法除去由于脉冲干扰而有偏差的采样值,然后将剩下的采样值求取平均值。其算法程序如下:

由于这种滤波方法兼容了平均滤波算法和中值滤波算法的优点,所以能取得较好的滤波效果。

6 结束语

基于单片机系统的数字滤波方法多种多样,如何选择适合的滤波方法显得很重要。由于单片机算术能力和存储空间有限,所以在选择滤波方法时,首先要考虑单片机的存储量、运算时间、运算能力以及实时性是否能够满足。另外,如果干扰比较复杂,对结果影响比较严重,或者对数据处理要求比较高,可以考虑将几种滤波算法混合使用,并根据具体情况对方法进行改进,从而使得测量数据与真实值尽可能逼近,以达到最佳的滤波效果。

参考文献

[1]孙传有,孙晓彬.测控系统原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]王庆河,王庆山.数据处理中的几种常用滤波算法[J].计量技术,2003(4):53-54.

数字滤波器调研报告 第2篇

一、数字滤波器

数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。数字滤波器对信号滤波的方法是：用数字计算机对数字信号进行处理，处理就是按照预先编制的程序进行计算。数字滤波器的原理如图所示，它的核心是数字信号处理器。

二、数字滤波器发展背景

随着信息科学与计算技术的迅速发展，数字信号处理的理论与应用得到飞跃式发展，形成了一门极为重要的学科。不仅如此，它还以不同的形式影响及渗透到其他的学科中去。不论是国民经济或者是国防建设都与之息息相关，紧密相连。

我们现实生活中会遇到多种多样的信号，例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、射电天文信号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动信号、遥感遥测信号等等。上述这些信号大部分是模拟信号，也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维或多维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化(采样)和幅度上的离散化(量化)，这类模拟信号便成为一维数字信号。因此，数字信号实际上是用数字序列表示的信号，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个一维离散时间序列；而图像

信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散空间序列。信号处理的目的一般是对信号进行分析、变换、综合、估值与识别等。如何在较强的噪声背景下提取出真正的信号或信号的特征，并将其应用于工程实际是信号处理的首要任务。根据处理对象的不同，信号处理技术分为模拟信号处理系统和数字信号处理系统。数字信号处理(Digital signal Processing，DSP)与模拟信号处理相比有许多优点，如相对于温度和工艺的变化数字信号要比模拟信号更稳健，在数字表示中，精度可以通过改变信号的字长来更好地控制，所以DSP技术可以在放大信号的同时去除噪声和干扰，而在模拟信号中信号和噪声同时被放大，数字信号还可以不带误差地被存储和恢复、发送和接收、处理和操纵。许多复杂的系统可以用高精度、大信噪比和可重构的数字技术来实现。

目前，数字信号处理已经发展成为一项成熟的技术，并且在许多应用领域逐步代替了传统的模拟信号处理系统，如通讯、系统控制、电力系统、故障检测、语音、图像、自动化仪器、航空航天、铁路、生物医学工程、雷达、声纳、遥感遥测等。

数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术就是数字滤波。所谓数字滤波，是指其输入、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输入信号所含的频率成分的相对比例或滤除某些频率成分，达到提取和加强信号中的有用成份，消弱无用的干扰成份的目的。数字滤波与模拟滤波相比，有精度高、可靠性高、灵活性好等突出优点，可以满足对幅度和相位的严格要求，还能降低开发费用，缩短研制到应用的时间，在很多领域逐步代替了传统的模拟信号系统。

数字滤波器，在数字信号处理中有着广泛的应用，因此，无论是在理论研究上还是在如通讯、HDTV(高清晰度电视)、雷达、图象处理、数字音频等实际应用上都有着美好的技术前景和巨大的实用价值。

三、国内外发展状况

数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛地应用于各个科学技术领域, 例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。关于数字滤波器的研究，在40年代末期就有人研究过它的可能性问题，在50年代也有人在研究生班讨论过数字滤波的问题。直到60年代中期美国科学家库利、图基总结前人的研究成果，经过长期的研究，才开始形成了一套完整关于数字滤波器的正规理论。在这一时期，各种各样的数字滤波器原理结构和特性被提出，并且出现了各

种数字滤波器的逼近方法和实现方法，对递归和非递归两类滤波器作了全面的比较和分析。数字滤波器经历了有限冲激响应（FIR）和无限冲激响应（IIR）关系的认识转化过程。当利用快速傅利叶变换（FFT）来实现卷积运算的概念被提出之后，发现高阶有限冲激响应滤波器也可用较高的运算效率来实现，因此使得人们对高性能的有限冲激响应滤波器的设计方法进行了大量的研究分析，从而出现了此后数字滤波器设计中频域方法与时域方法的局面。

我国在DSP技术起步较早，产品的研究开发成绩斐然，基本上与国外同步发展，而在FPGA方面起步较晚。全国有100来所高等院校从事DSP&FPGA的教学和科研，除了一部分DSP芯片需要从国外进口外，在信号处理理论和算法方面，与国外处于同等水平。而在FPGA信号处理和系统方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国家同样的研究。比如西北工业大学和国防科学技术大学的ATR实验室采用了FPGA可重构计算系统进行机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该系统进行复杂的卷积运算，同时利用它的可变柔性来达到自适应的目的。北京理工大学研究利用FPGA提高加解密运算的速度，等等。

随着我国科学技术的快速发展，国内有很多专家教授在数字滤波领域展开长期的深入研究，如天津大学的王兆华教授、山东大学的赖晓平教授等。无论是在理论方面还是在工程技术领域，都有很多科研成果。因而数字滤波器不断应用在各行各业里，我国现有滤波器的种类及应用技术己基本上满足现有各种电信设备需求。从整体而言，我国无源滤波器发展比有源滤波器迅速，而数字滤波器比模拟滤波器的发展较缓慢。

关于数字滤波器理论研究的发展也带来了数字滤波器在实现上的空前发展。20世纪60年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新台阶，朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致数字滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成己被研制出来并得到应用，90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。

基于fir的数字滤波器设计研究 第3篇

摘 要：伴随着知识科技的快速发展，我国在电子计算机技术研究领域逐渐走在前列。这对于如何进行社会主经济建设来讲意义重大，为了有效促进网络通讯技术的快速发展，当前，正在研究一种新的科技，这就是fir的数字滤波器。针对fir的数字滤波器的设计研究已经成为现阶段提出的科技发展的重要课题。我们通过认真分析可以知道基于fir的数字滤波器设计是一种计算机工程技术。通常我们在处理一些数字信号时，一定要结合fir的数字滤波器的设计环节来处理，不可抛开数字滤波器的分析结果，因为基于fir的数字滤波器设计研究是一种重要的应用通讯系统。本文结合实际，通过研究fir的数字滤波器设计的过程，笔者认为在研究分析fir的数字滤波器的过程中，主要注重其实际实践效能才是重点。

关键词：fir；数字滤波器；设计；研究

1 fir滤波器

fir滤波器即有限长单位冲激相应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件。在fir滤波器的作用下，可以保证任意幅频特性的同时具备严格的现行相频特性，可见，通常情况下fir滤波器是一个较为稳定的系统。从实践来看，fir滤波器在通信、图像处理等领域的应用十分广泛。从数字滤波器的结构来看，可将其分为无线脉冲响应型与有限脉冲响应型。其中，后者在设计的过程中，可以采用窗函数方法、频率采样法等策略对其进行设计，从相关的研究资料中来看，这些方法的整合应用都令数字滤波器的设计取得了实质性的进步。（图1）

2 基于fir的数字滤波器设计研究

通常情况下，基于fir的数字滤波器的设计原理采用的是加窗函数方法。由于基于fir的数字滤波器在性能、功耗等方面的优势十分明显，基于FPGA的信号处理模块已广泛应用于各种信号处理领域。

2.1 基于fir的数字滤波器的设计原理 基于fir的数字滤波器在设计时，所选择参数的幅度是较为明确的，因此，在实际应用时，需要凭借一个可实现的传输函数去调整整个设计构造，这就需要在工程设计及应用中，多给出相对的参数指标数值，以此来保障数据计算的精准度。另外，由于基于fir的数字滤波器的冲激响应仅仅能够延续一阵，时间较短，在研究的过程中，则通常会考虑基于fir的数字滤波器的此项特征来构造数字滤波器的模型。（图2）

2.2 浅析基于fir的数字滤波器的设计实例 通过精确的设计，有限冲激相应滤波器在某一具体的频率范围内均能够为系统提供出较为准确的线性相位。从具体来看，通过设计技术参数以后，构建出一个较为完整的fir数字滤波器模型，再通过使其逼近既定目标，则可以对整个设计实例进行性能分析。从整体来看，fir数字滤波器的基本结构可以表示为下图的形式：（图3）

采用窗函数法来设计fir数字滤波器的应用较为常见。从上图所显示的fir数字滤波器基础框架来看，对于一个四阶的滤波器子系统的输出情况可以用公式来表示，即：

在整个试验过程中，可以利用窗函数设计法，滤波器参数要求如下：ωp=0.2π，αp=0.25B，ωq=0.3π，αq=50dB

调用4个这样的子系统级联起来构成16阶的滤波器。其中，滤波器系数h（0），h（1），…，h（15）由滤波器设计工具FDATools生成，系数与滤波器关联，建立出完整的滤波系统模型。

设计FIR滤波器首先要根据设计目标来选择合理化的滤波器技术指标，按照系统的频率特性，采取与之对应的策略方法来将其实现，从这一点来看，实例中多采用的仍为窗函数方法来推进设计。

3 结束语

通过对基于fir的数字滤波器设计原理的研究，进一步了解到有关数字滤波器的相关设计内容，尤其是从具体的基于fir的数字滤波器的实际实例中清楚地看到，采用VisualBasic6.0所设计出的fir数字滤波器的设计软件可以实现，且突破了以往的设计方案，从而更加有利于在设计基于fir的数字滤波器的过程中进行实时在线修正，进而完善整个内容的最终设计方案。

参考文献：

[1]余琳，黃光明.基于FPGA的fir滤波器的性能研究[J].电子设计工程，2011（09）：127-128.

[2]王易炜，张金鹏，王龙.基于MATLAB的数字滤波器设计及其在数据处理中的应用[J].航空兵器，2011（04）：46-47.

[3]马冲泽，方忠春，傅鑫，吕航伟，陈林峰，杨洪友.有限冲击响应滤波器在四频激光陀螺中的应用[J].应用光学，2013（03）：525-526.

数字滤波系统 第4篇

现代化汽车越来越朝着自动化、智能化发展, 车辆的控制系统也越加完善, 车辆的控制系统需要处理由转速传感器、油门开度传感器、踏板角位移传感器等各个类型传感器输入的信号, 车辆主控系统如何抗干扰、如何快速滤除干扰获得目标波形数据成为影响车辆主控系统运行速度和控制有效性的一个主要问题。在模拟信号的传播、A/D转换的过程中, 仅仅使用硬件的方式进行抗干扰滤波已很难满足现代车辆尤其是越野车行驶地形复杂、振动大、干扰多样化的特点。本文将详细介绍软件抗干扰措施里IIR滤波器的设计与实现。

1 IIR数字滤波器设计方法

在一般情况下, 模拟滤波器都具有无限长单位冲激响应, 这与IIR滤波器具有相似性。因此, IIR设计的基本思想是使用映射方法将模拟滤波器变成所需的数字滤波器。该熟知的模拟滤波器映射到所需的数字滤波器的设计。这种方法优点:模拟滤波器设计方法是很成熟的, 各种模拟滤波器设计方法和映射表已经一应俱全, 设计会简单、精准。另一种设计方法是软件辅助设计法, 该方法是最优化设计方法中的一个。首先确定一个优化方式, 如使所要求的理想的频率响应幅度|Hd (ejw) |与实际频率响应幅度|H (ejw) |的最大误差最小的方法, 或均方误差最小化的方法等等。这种设计方法优点是无限优化能有效滤除并得到想要的数据, 缺点是需要大量的迭代, 并且没有固定的闭合响应函数式[1,2]。

2 硬件实现方法

1) 可编程逻辑器件。包括CPLD和FPGA, 内部逻辑模块具有非常完整、非常丰富的内部资源, 非常适合实现IIR数字滤波器, 比较DSP芯片和可编程逻辑器件利弊可知, 这种方法的优点是可扩展性和更强大的并行性。

2) 单片机。专门用于数字信号区域的数字信号处理芯片, 内部预先写好的大量的DSP功能函数, 我们可以容易地调用这些函数来实现各种功能的IIR滤波器。但因为不同的公司和不同的系列, 数字信号处理芯片的编程代码差距很大, 延缓了开发速度, 以及滤波的速度有很大的关系与芯片的性能。

3) 数字集成电路。单片数字集成电路, 或者使用多芯片的数字集成电路串联在一起来实现滤波, 我们可以很容易地实现IIR数字滤波器的功能。但是一个单片集成电路缺乏强大的性能, 而多芯片集成电路级联的功耗太高, 体积过大, 这种方法没有非常好的前景[3]。

3 计算机软件设计

在滤波器的实际设计过程, 整个计算量是很大的。当滤波器的阶是比较高, 则有大量的计算量, 且在设计过程中更改滤波器种类或参数时需重新计算。

完成滤波器的频率响应设计时需要重新检查, 以获得相位频率振幅频率响应特性, 计算量是很大的。数字滤波器通常时, 设计的类型和阶数不一定完全确定, 它往往是根据滤波效果和目标要求进行不断调整, 以实现优化设计。在这种条件下, 滤波器的设计将运行大量复杂的计算, 简单的靠公式运算和通过一个简单的程序是难以在很短的时间设计成功。采用计算机辅助设计, 可以有效和快速地进行设计。

3.1 程序设计法

通常采用的是根据原型转换法原理实现的四种IIR数字滤波器设计函数:butter (巴特沃斯函数) 、cheby1 (切比雪夫I型函数) 、cheby2 (切比雪夫Ⅱ型函数) 、ellip (椭圆滤波器函数) 及yulewalk函数。

给定采样频率为7000 Hz, 通带截至频率为800 Hz, 阻带截至频率为1500 Hz, 通带衰减为3d B, 阻带衰减为60d B。分别采用各个函数设计巴特沃斯滤波器、椭圆滤波器、切比雪夫I型滤波器、切比雪夫II型滤波器和yulewalk滤波器。

该方法可以在程序段调整滤波器参数, 试验部分程序见图1、图2, 在模拟试验中, 可以通过调整滤波器的参数, 找出最适合车辆某部分控制系统的滤波器。

3.2 采用FDATOOL工具设计

FDATOOl (Filter Design&Analysis Tool) 是专门MATLAB的信号处理工具箱, 它使滤波器的分析和设计具体、灵活、简便, 并且可以使用多种方式设计IIR滤波器。从MATLAB界面下点start→Toolboxes→Filter Design→Filter Design&Analysis Tool即可进入。IIR设计时选择正确的按钮, 以下如图3所示是FDATOOL工具设计IIR低通滤波器举例。

可以看出FDATOOL设计滤波器非常方便, 另外它还具有以下功能:1) 点击左上角的File→Generate M-File, 可以根据你设计的滤波器自动生成程序代码。2) 单击Targets→XILINX Coefficient (.COE) File菜单直接生成FPGA所需的滤波器系数配置文件。

IIR滤波器设计成功后, 通过串口直接传至ECU, 根据滤波效果进一步调整滤波器参数, 这是一个循序渐进不断优化的过程。

摘要：针对车辆主控系统抗干扰的问题, 讨论了对传感器输入信号的软件滤波, 介绍了车辆主控系统可采取的硬件实现方法。针对各种干扰的不同, 利用MATLAB软件设计了易于硬件实现的IIR数字滤波器。通过调整滤波器参数, 循序渐进地优化IIR数字滤波器, 达到最优滤波效果, 增强了车辆主控系统的运行速度和控制有效性。

关键词：主控系统,MATLAB,IIR,数字滤波器

参考文献

[1]张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社, 1995.

[2]钱同慧.数字信号处理[M].北京:机械工业出版社, 2005.

基于数字滤波技术的飞参数据预处理 第5篇

基于数字滤波技术的飞参数据预处理

由于存在干扰,飞参系统记录的发动机参数中会存在噪声误差.为了利用数据对发动机工作状态和性能趋势进行监控,必须对数据进行预处理.本文利用动态数字滤波技术对高、低压转速数据进行预处理.处理后的数据更加连续、平滑,且更加清晰地反映出参数随时间的变化趋势,由此证明该方法是有效的..处理结果可在航空发动机状态监控中得到应用.

作 者：李万泉 唐昌盛 曲建岭 高峰 LI Wan-quan TANG Chang-sheng QU Jian-ling GAO Feng 作者单位：海军航空工程学院青岛分院,航空仪表与控制工程教研室,山东,青岛,266041刊 名：计测技术英文刊名：METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：28(2)分类号：V263.6关键词：飞参数据 动态数字滤波 预处理 航空发动机

数字滤波系统 第6篇

AIS；分布式算法；FIR；查找表；FPGA

[中图分类号]TN911.72[文献标识码]A[文章编号]1009-9646（2011）08-0086-02

引言:船舶自动识别系统(AIS)是由国际海事组织(IMO)、国际助航设备和航标协会(IALA)以及国际电信联盟(ITU-R)共同提出的技术标准，是一种新型的助航系统及设备。AIS在甚高频(VHF)频段上收发信息，用VHFCH87B(161.975MHz)、CH88B(162.025MHz)两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的GMSK信号，AIS同时在这两个频率上接收信息。

AIS接收机在接收频道上将接收信号下变频到中频，然后通过AD进行采样，采样信号进行后端处理之前，需对接收信号进行滤波，以滤除信号噪声。AIS接收机可采用专用集成芯片(如CMX910和CMX589)在零中频实现，其缺点在于不利于功能扩展和改进。随着FPGA功能的增强、容量的增大和价格的降低，可用单个FPGA实现整个AIS收发信机。

本文首先介绍AIS中频数字接收机的结构，然后对基于FPGA分布式算法的AIS接收滤波器实现结构进行描述，并进行仿真验证。

一、AIS中频数字接收机结构

AIS中频数字接收机的结构如图1所示，AIS射频前端将接收信号下变频为中频GMSK信号，通过AD采样后，进入FPGA进行后端物理层上的处理，包括差分解调、低通滤波、位同步与采样判决，最后通过NRZI解码还原为二进制发送数据帧。

AIS输出的中频信号带宽为1MHz左右，经AD采样后在FPGA内部进行数字化滤波处理，以滤除信号带外噪声。因此，接收滤波器带宽设计为1MHz，采用FIR结构。

二、FIR滤波器的FPGA实现

按照传统的线性FIR滤波器的实现结构，本设计中的FIR低通滤波器的实现如图2(a)所示。本设计对该结构采用分布式算法，并对该算法进行改进，得到基于查找表的并行FIR滤波器实现方法，如图2(b)所示。图2(b)结构实现与图2(a)结构相同的FIR滤波器功能，由于采用并行结构，其运算速度更快，适合在FPGA实现。图中，查找表LUT的尺寸和数据位宽由输入数据和滤波器系数决定。本设计中，采用8位AD进行采样，输入数据为8位有符号数。

移位相加模块等。

基于matlab设计的滤波系数，在Xilinx的集成开发环境ISE下利用Verilog语言分模块实现图2(b)所示的分布式并行FIR滤波器。用Modelsim进行功能验证。仿真的输入激励信号是matlab算法验证时生成的经过量化的0.5MHZ和2MHZ正弦波相叠加的信号，输入5个周期的该信号进行仿真，滤波结果如下图所示：

为了直观表示，用模拟波形来显示滤波后恢复的信号。由图可见，恢复出的信号为完整的正弦波，说明设计正确实现了功能。

三、结语

接收滤波是AIS接收机的重要组成部分，本文结合基于FPGA的AIS数字接收机，基于分布式算法，借助matlab、ISE、modelsim等设计仿真工具对AIS中频滤波算法进行了设计和验证。利用该方法设计的FIR滤波器，很好的利用了FPGA器件结构的灵活性，可移植性好，在设计不同参数的滤波器时，只需改变查找表的内容，即可设计出新的滤波器，并且将分布式算法和FPGA结合可以提高滤波运算速度，是一种可靠的设计方法。

[1]王旭东,周安栋,周冬成.并行分布式运算FIR滤波器的FPGA实现[J].舰船电子工程,2005(2):64-66.

[2]毕占坤,吴伶锡.FIR数字滤波器分布式算法的原理及FPGA实现[J].集成电路应用,2004(7):61-62,66.

[3]晏金成.基于DA算法的FIR滤波器的FPGA实现[J].现代计算机,2010(3):191-193.

[4]赵金宪,吴三,王乃飞.基于FPGA并行分布式算法的FIR滤波器实现[J].黑龙江科技学院学报,2006(7):248-250.

数字滤波系统 第7篇

数字滤波是数字信号处理的基本方法,在信号处理中滤波占有十分重要的地位。数字滤波与模拟滤波相比有很多优点,它除了可避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪声等问题外, 还能满足滤波器对幅度和相位的严格要求。在电力质量分析仪中, 模拟低通滤波器和数字滤波器相结合的方法可提高抗混叠效果,减少单纯模拟低通滤波器的非平直通带特性带来的测量误差。数字滤波克服了硬件滤波的许多不足[1], 它与硬件滤波相比有以下优点:

1) 数字滤波用软件实现,不需要增加硬件设备,因而可靠性高、稳定性好,不存在阻抗匹配问题。

2) 硬件滤波通常是各通道专用,而数字滤波则可多通道共享,从而降低了成本。

3) 数字滤波可以对频率很低的信号进行滤波(如0.01Hz),而硬件滤波由于受电路元件的限制,频率不可能太低。

4) 数字滤波可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法或滤波参数,具有灵活、方便、功能强的特点。

正因为如此,数字滤波被广泛应用[2],不论采用ZigBee技术还是现场总线技术等其它的粮库监测系统,都离不开数字滤波[[3,4]。

1 常用数字滤波的方法

随着计算机技术和控制理论的发展,数字滤波的方法很多,根据不同情况可以采用不同的数字滤波的方法,以下介绍目前几种常用数字滤波的方法。

1.1 算术平均值法

算术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1~N),寻找这样一个y,使y与各采样值间的偏差的平方和为最小,即

undefined

由一元函数求极值原理可得

undefined

其特点:

1)N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大,平滑度提高,灵敏度降低。应该视具体情况选择N,以便得到满意的滤波效果。

2)对每次采样值给出相同的加权系数,即1/N。在不同采样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增加新采样值在平均值中的比重,可采用加权平均值滤波法。滤波公式为Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+…+ RmYm。

3)平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号,但对偶然出现的脉冲干扰信号,滤波效果尚不理想。

1.2 中位值滤波法

中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m≥3)且是奇数,并按大小顺序排列,再取中间值作为本次采样的有效数据。

特点:中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果。例如,对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果;对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用,滤波效果会更好。即在每个采样周期,先用中位值滤波法得到m个滤波值,再对这m个滤波值进行算术平均,得到可用的被测参数。其也称为去脉冲干扰平均值滤波法。

1.3 限幅滤波法

由于大的随机干扰或采样器的不稳定,使得采样数据偏离实际值太远,为此采用上、下限限幅,即:

当y(n)≥yH时,则取y(n)=yH(上限值);

当y(n)≤yL时,则取y(n)=yL(下限值);

当yL

而且采用限速(亦称限制变化率),即:

当 |y(n)-y(n-1)|≤Δyn时,则取y(n);

当|y(n)-y(n-1)|>Δyn时,则取y(n)=y(n-1)。

其中,Δyn为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。Δyn值的选取,取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变化率。因此,一定要按照实际情况来确定Δyn,yH及yL;否则,非但达不到滤波效果,反而会降低控制品质。

1.4 惯性滤波法

RC滤波器的传递函数是undefined。其中,Tf=RC,它的滤波效果取决于滤波时间常数Tf,因此RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此,人们模仿上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。即将上式写成差分方程

undefined

稍加整理得

undefined

其中,α称为滤波系数,且0<α<1;Ts为采样周期;Tf为滤波器时间常数。根据惯性滤波器的频率特性,若滤波系数α越大,则带宽越窄,滤波频率也越低。因此,需要根据实际情况,适当选取α值,使得被测参数既不出现明显的纹波,反应又不太迟缓。

1.5 FIR滤波法

FIR滤波又称有限冲激响应滤波,FIR(finite impulse response) 滤波器是数字信号处理系统中最基本的元件,它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性,同时其单位冲激响应是有限的,没有输入到输出的反馈,是稳定的系统。因此,FIR 滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用[5]。

2粮仓温湿度测量数字滤波算法选择与程序设计

2.1 粮仓温湿度测量数字滤波算法选择

粮仓内环境温度的变化范围一般为0~40℃,粮仓是一个有较大惯性的被控对象,温湿度的变化速度较慢,因而不需要传感器的反应速度太高[6],但要求传感器有优良的物理以及化学稳定性。为此,温度传感器采用美国DALLAS公司生产的新型1-Wire(单总线)数字温度传感器芯片DS18B20[7];湿度传感器选用美国霍尼韦尔(Honeywell) 公司生产的HIH-4000-1芯片,这是一型具有激光调整互换型的容性变化的单片集成电路。其输出电压与RH值呈线性关系, 精度高、 响应时间快、 漂移小[8],在标准工作电压(DC+5V ) 和标准室温( 25℃)下, 随着RH值从0~100%,对应的输出电压从0.196~3.190V,测量湿度范围为0~100%RH, 精度为±3.5%RH, 工作温度范围为-40~+85℃。

在实际应用中,究竟选取哪一种数字滤波方法为好,应视具体情况而定,如果应用不恰当,不但达不到滤波的效果,反而会因为测量数据的不准确而降低了控制品质。根据以上的特点,同时选择限幅滤波法、中位值滤波法和算术平均值法等3种滤波方法,首先限幅滤波,其次中位值滤波,最后算术平均值,其程序框图非常简单,在此不再赘述。由于微处理器采用是AT89C51CC01单片机[9],其是MCS-51微控制器家族的成员,所以程序设计的指导思想是MCS-51汇编语言[10]。

2.2 粮仓温湿度测量数字滤波器程序设计

1)进行限幅滤波器设计,根据粮仓内环境温度具体情况,设计5个数据限幅滤波器,不采用限速,程序框图如图1所示。

2)进行中位值滤波器设计,根据中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m≥3)且是奇数,设计5个数据的中位值滤波器,程序框图如图2所示。由图2可见中位值滤波器关键就是顺序排列,然后再取中间值作为本次采样的有效数据。

3)进行算术平均值滤波器设计,设计8个数据算术平均值滤波器,程序框图如图3所示。

3 结束语

为了提高现场总线分布式粮情系统的可靠性和准确性,仅靠硬件抗干扰措施是不够的,需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰,在现场总线分布式粮情系统中,如果能够正确地采用软件抗干扰措施,与硬件抗干扰措施构成双通道抗干扰防线,无疑大大提高现场总线分布式粮情系统的可靠性和准确性[11]。数字滤波器很多,根据具体情况可以采用一种或者多种,本文采用是首先限幅滤波;其次中位值滤波;最后算术平均的方法。研究设计表明,该滤波适合DS18B20型数字式温度传感器作为温度采集单元和HIH-4000-1测量粮仓内外湿度作为湿度采集单元,也适合粮仓温湿度测量的数字滤波,对粮仓温湿度测量具有现实意义。

摘要：根据目前粮仓温湿度测量中存在的干扰问题,提出了一种首先限幅滤波、其次中位值滤波、最后算术平均值数字滤波的方法。限幅滤波5个数据,不采用限速,5个数据中位值滤波,8个数据算术平均值滤波,并给出相应程序框图。研究设计表明,该数字滤波的方法适合粮仓温湿度测量,测量精度提高、抗干扰性能增强,对粮仓温湿度测量具有实用价值。

关键词：数字滤波,温湿度测量,干扰,现场总线

参考文献

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FIR数字滤波器的优化设计 第8篇

FIR滤波器的设计方法有许多中, 如窗函数设计法、频率取样法和最优化设计法等等。而随着MATLAB软件尤其是MATLAB的信号处理工具箱和Simulink仿真工具的不断完善, 不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能, 而且还可以使设计法达到最优化。

1. FIR数字滤波器的优化设计方法

滤波器的窗函数法和频率抽样法, 都易于理解和实现, 但是这两种方法也存在不足, 即设计结果不能精确地实现指标。优化设计方法可以解决这一问题, 其基本思想是反复设计滤波器系数直到某一个特定的误差最小化, 因此, 也称为最大最小化问题。常用的方法有:

(1) 加权契比雪夫近似法; (2) 频域最小均方误差设计; (3) 最大波动FIR滤波器的非线性等效法; (4) 最大波动FIR滤波器的多项式内插法。

本文主要用加权契比雪夫近似法来设计低通数字滤波器。

2. 加权契比雪夫近似法

定义Hd (w) 为滤波器的期望 (实际) 频率响应;H (w) 为设计滤波器的频率响应;W (w) 为加权函数的频率响应。

使用加权函数可以在不同的频带中选择误差的相对长度, 将频率响应表示成:

利用三角关系, 可将H (ω) 改写成为:

加权误差定义为:

因此, 契比雪夫近似法的求解包括找到系数, 在估计的频带内最小化E (ω) 的最大值。契比雪夫近似问题的数学表达式为:E (ω) =min[max E (ω) ] (5)

Parks和Mc Clellan提出了解决这种问题的方法, 提出了用rmez交替算法导出的迭代算法。在Parks-Mc Clellan算法中, 设已知滤波器长度N和通带容限δ1、阻带容限δ2, 但实际中, 三者之间是相关的, δ1和δ2可以根据给出的技术指标计算,

而N是未知的, 因此需要估计和设定。凯泽提出了一个简单的公式设定N, 即

3. 基于MATLAB的设计实例

MATLAB信号处理工具箱提供了比基于窗函数法的FIR滤波器设计工具箱函数firl更为通用的函数:firls, remez。函数firls是firl和fir2的扩展, 基本准则是利用最小二乘法使期望的频率响应和实际的频率响应间的误差最小。在MATLAB中, Parks-Mc Clellan算法的形式为rmez函数, 这种算法利用remez交换算法和Chebyshev近似理论来设计滤波器, 使实际频率响应拟合期望频率响应最优。最常用的调用句法为:

下面用以上两种函数来设计最优的FIR滤波器, 技术指标为ωp=0.2π, Rp=0.25d B;ωs=0.35π, Ar=60db;M=75

利用MATLAB软件进行仿真以后, 窗函数方法设计的低通滤波器的程序运行结果 (程序略) 为:Rp=0.0031;Ar=75。当M=75时设计的滤波器满足要求, 特性如图1。

利用Parks-Mc Clellan算法设计的低通滤波器的程序运行结果 (程序略) 为:N=30;实际阻带衰减, Asd=52.8325;图2是Parks-Mc Clellan算法设计的滤波器波形图。

比较两种设计方法得到结果可知, Parks-Mc Clellan算法设计的滤波器要好于窗函数方法设计的滤波器。

4. 结束语

数字滤波系统 第9篇

在数字信号处理中, 对于信号变换和滤波算法研究通常采用MATLAB仿真, MATLAB具备卓越的数值计算能力, 它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。当前数字滤波器设计在教学和实验中采用仿真设计, 利用MATLAB函数进行各种滤波器设计, 如何移植的方法和过程没有介绍, 理论教学和实际应用严重脱节, 本文利用FDAtool滤波器设计工具包, 通过对滤波器的参数进行设置, 生成实际应用中所需的参数, 并进行编程移植, 这样极大缩短了研究人员开发产品的周期, 提高了设计效率。

二、数字滤波器原理

(一) FIR滤波器实现原理

FIR滤波器是指系统的单位冲击响应仅在有限的范围内有非零值的滤波器。FIR系统只有零点, 因此这类系统不像IIR系统那样容易取得比较好的通带和阻带衰减特性。但FIR系统有自己突出的优点, 就是易实现精确地线性相位, FDAtool适合的滤波器结构为直接型结构, 如图1所示。

对应FDAtool工具箱对应FIR滤波器为卷积型结构, 关键求出系统单位冲击响应h (n) 。系统函数为:

由系统函数H (z) 可得对应系统差分方程公式为:

式中, N为滤波器阶数, x (n) 为输出信号, h (n) 为滤波器系数, y (n) 为滤波后信号。

基于微处理器平台编写程序用迭代法简单方便, 可把公式 (2) 展开, 初始输出书籍前N个点数据有一定误差, 当输入数据点数大于滤波器阶数N时, 输出滤波指标达到系统要求。

(二) IIR滤波器实现原理

IIR数字滤波器在设计上借助模拟滤波器巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等, 对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时, 根据指标先写出模拟滤波器的公式, 然后通过一定的变换, 将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。IIR数字滤波器的相位特性不好控制, 对相位要求较高时, 需加相位校准网络。

FDAtool工具箱对应IIR滤波器为二阶滤波器级联型结构, 如图2所示。通过二阶滤波器级联可得任意阶滤波器设计。

IIR滤波器系统函数为:

任意一个二阶基本节具体表达式可表示为:

式中:Al为各阶增益系数, β为延迟系数, α为反馈系数。

由公式 (4) 可得二阶滤波器差分方程为:

IIR滤波器通过每级迭代方式所得。

二、FDAtool求解系数

(一) FIR滤波器实现方法

借助FDAtool工具箱, 设置滤波器参数, 点击菜单栏Analysis下Filter coefficienst可以看到所需系数单位样值响应h (n) , 代入差分方程公式 (2) 即可。通过Targets菜单选择导出数组h (n) , 设计灵活方便。

(二) IIR滤波器实现方法

IIR滤波器设计时的阶数不是由设计者指定的, 而是根据设计者输入的各个滤波器参数 (截止频率、通带滤纹、阻带衰减等) , 由软件设计出满足这些参数的最低滤波器阶数。在MATLAB下设计不同类型IIR滤波器均有与之对应的函数用于阶数的选择。列出分子和分母系数, 对应分子系数为1、β1l、β2l, 分母系数为1、α1l、α2l, 代入公式 (5) 可求出一个二阶滤波器输出yl (n) , 前一个滤波器的输出作为下一个滤波器输入x (n) , 每一级代入不同系数, 可得出整体滤波器输出。

三、结论

对于实际工程要求, 用工具箱实现各型滤波器设计, 把得到的不同系数代入硬件实现环境, 脱离matlab常用实现函数。本例采用移植效果经STM32单片机进行采集、编写差分方程程序、DA输出, 经示波器演示效果明显, 同理论设计结果一致, 并缩短了研究的时间, 为进一步实现数字信号处理打下良好的基础。

参考文献

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[9]王易炜, 张金鹏, 王龙.基于MATLAB的数字滤波器设计及其在数据处理中的应用[J].航空兵器, 2011, 8 (4) :43-46.

数字滤波系统 第10篇

在信号处理领域,对接收到的信号进行正交采样,可保留信号的幅度和相位信息,因而得到了广泛应用。

传统的I/Q正交化用到了模拟移相器,由于模拟器件本身存在不一致性,且受环境温度、电源电压等影响较大,导致两正交支路存在较大的幅度和相位正交误差,不能满足高性能电子设备的要求。

随着数字信号处理技术的飞速发展,高速A/D和高性能DSP处理机的出现,使得可以对模拟信号直接进行中频采样,得到所需的两路正交信号。数字中频直接采样[1]的常见方法有低通滤波法[2]、希尔伯特变换法[3]以及贝塞尔插值法[4],这些方法本质上都可以归结为低通滤波器的设计。低通滤波法的结构与传统模拟处理方法有相似之处,只是将移频放在A/D变换之后,对滤波器阶数要求较高,其框图如图1所示。希尔伯特变换法和插值法都是只对一路通道进行滤波,另一路通道则保留了原来的采样值。任何一种方法,I/Q两路幅度一致性和正交性取决于所采用滤波器的理想程度,要求越高,则需要的滤波器级数越多,实现起来越复杂。

针对上述方法的不足,本文介绍一种利用多相滤波器实现的数字中频正交采样。这种方法采用双路滤波,由于两通道所用的滤波器有相同的原型滤波器,所以其频响特性很相似,他们相对于理想滤波器的偏差不会直接带来I/Q两路的不一致。此外,该方法不仅不需要正交本振,而且后续的数字低通滤波器的阶数也很低,大大减小了运算量,易于实时处理。

2 基于多相滤波的数字正交采样原理

多相滤波法不是对单路而是同时对I,Q两路信号进行插值,所不同的是这两路插值信号在时域上相差了半个采样点。这种时间上的“对不齐”可以用两个时延滤波器来加以校正,由于两路的时延滤波器系数都是从一个低通滤波器抽取出来的,因此他们在幅度上有较好的一致性。多相滤波法的原理框图如图2所示。

如图2所示,多相滤波法交叉得到I,Q两路,即将输入信号x(n)的偶数项都归为I支路,奇数项都归为Q支路。

下面对其先做时域分析,根据:

可得:

也就是说x′I(n)和x′Q(n)两个序列分别是同相分量xI(n)和正交分量xQ(n)的2倍抽取序列,经过上述处理后,就可得到零中频基带信号。由于采用了奇偶抽取,I,Q两支路在时域上相当于相差了半个采样点,若分别对其延时3/4和1/4个间隔(注意这个间隔是相对于输出信号的),最后得到的信号为:

因此输出为时延上对齐的I,Q信号,注意这里的时延不是整数延迟。

对多相滤波法做频域分析,由抽取原理可知,如果xI(n)和xQ(n)的数字谱宽度小于π/2,则2倍抽取后能够不失真的恢复原信号,设输入信号的频谱为x(ω),则经过抽取和符号修正后的x′I(n),x′Q(n)的频谱为:

式中,x′I(n)和x′Q(n)的数字谱相差一个延迟因子undefined,在时域上表现为相差半个采样点,将两者在时间上对齐的一种简单、有效的方法就是采用两个时延滤波器进行校正[5]。这两个滤波器的频率响应需满足:

例如可以选择如下两组中的一组作为延迟滤波器:

或:

任选以上两组滤波器中的一组进行滤波,如选用式(6)所示的一组滤波器分别对x′I(n)和x′Q(n)进行滤波,则输出信号的频谱为:

最后所得的频谱消除了式(4)中与正频谱混叠的负频谱分量,而只留下了频移π/2,且展宽了2倍的正频谱分量,占据了-π～π的频谱空间。

3 多相滤波器的实现

下面讨论延时滤波器HI(ejω)、HQ(ejω)的实现方法。设数字滤波器的冲击响应为h(n),则其Z变换H(z)定义为:

对求和式展开并进行数学变换,可以得到:

上式即为数字滤波器H(z)的多相滤波结构,其中Rk(zD)为H(z)的多相分量,D为多相滤波器总的支路数。

可以看出,多相滤波器hk(n)在实现上是对原型滤波器h(n)进行k位的移相与D倍抽取得到的。设原型滤波器的冲击响应为h(n),则其多相结构的第k条支路的响应为:

则分支滤波器的频率响应为:

为了抑制镜频分量,原型滤波器的理想频率特性应为:

则式(13)求和中只有i=0项非零,因此将式(13)简化为:

由式(15)可见Pk(n)(即hk(n))是一个相移为ωk/D的全通网络,不同k对应着不同的相移,D倍内插滤波器多相结构中的每个分支滤波器都是实现分数倍延时。

上述多相滤波结构与传统数字下变频结构相比,具有以下优点:

(1) 滤波和混频均在低抽样率一端进行,对卷积运算的速度要求降低,硬件上降低了对高速器件的要求,缓解了处理器和高速A/D间数据传输瓶颈问题。

(2) 传统DDC的卷积运算在混频之后进行,是复数据滤波。上述结构滤波运算在混频之前进行,对实数据运算,使硬件花费大大节省。

(3) 应用高效结构对变载频带通信号调谐时,载频改变,只需改变M个混频系数,调谐灵活,在硬件实现上采用查表法可以容易实现,调谐时间短。并且低通滤波器系数不变,在很大程度上简化了硬件的设计,降低了对硬件资源和速度的要求。

4 分析与仿真

4.1 实现延时滤波器的步骤

由上述理论可知,实现时延的分支滤波器可以采用多相内插滤波器的两个分支来实现,因此要求内插滤波器的内插倍数,即总支路数D为大于等于2的偶数(较常见的是内插倍数D取4的情况),然后选取其中两个延迟相差1/2的两支路,将其分别作为I,Q路的校正滤波器。

由此,将实现基于多相结构的时延校正滤波器的步骤总结如下:

(1) 根据式(14)所示的理想低通滤波器的频率响应确定所需的原型滤波器的类型和阶数N。

(2) 求出其对应的冲击响应h(n)。

(3) 由式(12)确定多相滤波器的冲击响应hk(n),其中n=0,1,…,Q-1;k=0,1,…,D-1;N=Q*D,这里D=4且Q取整数。

(4) 选取h2(n)和h0(n)或h3(n)和h1(n)分别作为两个校正滤波器HI(ejω)和HQ(ejω)的冲激函数,即可实现延时校正。

这样,得到的滤波器阶数仅为原型滤波器阶数的1/4,实现起来比较容易。I,Q两路的延时滤波器既可以选择h2(n)和h0(n),也可以选择h3(n)和h1(n)。选择h2(n)和h0(n)时,每一路滤波器的系数都是对称的,因此每一路都是一个线性相位的滤波器,这样的滤波器不会带来两路的相位的不匹配,只会产生幅值的不一致。选择h3(n)和h1(n)时,虽然每一路不是线性相位的滤波器,但是两路系数之间具有反对称关系,这样得到的两路滤波器在幅度上不会存在不一致,只会存在相位的不匹配。

但是,无论选择哪一组作为延迟滤波器,由于都是从同一原型滤波器抽取而来,因此,对I,Q支路的失真一致,有较好的镜频抑制性能。

4.2 对D和fs的要求

由上述理论可知,时延滤波器可以采用多相滤波器的两个分支来实现,因此,要求多相滤波器的总支路数D为2的倍数(较常见的是D取4的情况),然后选取其中延迟相差1/2采样周期的两个支路,将其分别作为I,Q路的校正滤波器。

该方法对采样频率也有一定要求。设信号的中频为f0,采样频率为fs,信号带宽为B,根据带通采样定理:f0和fs之间的关系需满足undefined取能满足fs≥2B的最大正整数。

另外,根据抽取原理,当xI(n)和xQ(n)的数字谱宽度小于π/2时,其1/2抽取序列才可以无失真的表示原序列,因此要求fs≥4B。

4.3 仿真结果及分析

下面是对该方法在Matlab上的仿真结果。在某正交采样系统中,设输入信号的带宽B=5 MHz,中频f0=B,采样频率为fs=4B,输入信号为两个线性调频信号,时宽均为50 μs,带宽均为1.0 MHz。原型滤波器的阶数N=64,D=4,则多相分支滤波器的阶数为16阶。

上述给定的线性调频信号的频谱如图3所示,为便于比较,以常见的低通滤波法为例,信号分别经过基于低通滤波法和多相滤波法的正交采样后的频谱如图4,图5所示。

镜频抑制比(Image Ratio),IR是衡量数字正交方法性能的主要指标,定义为镜频分量与信号分量的功率比(Pi为镜频功率,Ps为信号功率):

下面分别给出用低通滤波法和多相滤波法进行正交变换所得到的镜频抑制比,其中低通滤波法中I,Q两路用到的滤波器为64阶,系数相同,并且自身偶对称,多相滤波法中I,Q两路用到的滤波器为16阶,系数自身不对称,但两路滤波器系数交叉对称在前面提到的插值法和Hilbert变换法中,一般对正交双路中的一路不加任何处理(幅度无失真),而对另一路进行滤波。因此,滤波器的任何失真都会导致I,Q两路的不一致,这就要求滤波器有理想的响应曲线,往往很难实现。

而低通滤波法和多相滤波法都是同时对两路进行滤波,由图6和图7可以看出,低通滤波法在整个频带内的镜频抑制比基本相同,约为-60 dB,在边缘部分稍低。多相滤波法用16阶滤波器就可以达到-100 dB的衰减,并且衰减的宽度也较大,因此他的检波效果最理想。多相滤波法对镜频的抑制优于低通滤波法,其原因在于多相滤波法中用到的原型低通滤波器的性能均优于低通滤波法中的滤波器性能,如过渡带宽窄,通带、阻带波纹小,阻带衰减大等。

另外,利用多相结构设计的滤波器在计算量上具有明显的优越性,对于图1所示的用低通滤波法实现的正交采样框图,设输入的信号的采样频率为fs,滤波器的阶数为N阶,则其乘法计算量为 S1=fs+N*fs*2,采用图3所示的多相滤波结构实现正交采样,由于各个分支滤波器的系数rk(n)由原来的N减少为N/4,输入的数据速率为fs/2,乘法计算量为S2= fs+N*fs/4,运算量约降为前者的1/8,降低了后续信号处理的难度,同时所需的滤波器也更易实现。

5 结 语

本文对数字正交采样的多相滤波实现方法进行了探讨,并与其他常见的数字正交采样方法进行了比较。分析与仿真表明,多相滤波法的实质是对一原型滤波器抽取而得到两路滤波器系数,因此其与理想滤波器的差异不会直接导致I,Q两路的不匹配。此外,多相滤波法能以较低的阶数实现较高的镜频抑制比,是目前一种较理想的数字正交采样方案,易于实现并且降低了后续信号处理对运算速度的要求,有利于实时信号处理。

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数字滤波系统 第11篇

摘 要：在电力滤波系统开发中软件的规划设计至关重要。本文作者使数位讯号处理器TMS320F2812作為系统的控制核心，并以CCStudio 3.1作为数位控制板的软件开发系统，而本文是以C语言来撰写程序，以下将针对程序的设计及流程进行阐述。

关键词：电力滤波；系统开发；软件；规划；设计；研究

中图分类号：TN713

1 ADC转换比例介绍

本文系统透过电压及电压感测电路，调整其比例与直流位准，再经由 DSP 之类比数位转换通道，将类比讯号转换成数位讯号送入程序中运算，藉此来完成系统的回授控制，其中ADC所能允许的电压范围为0～3伏特。

TMS320F2812之类比/数位转换表达式如下所示：

利用式（1）来设计本文系统中实际上的电压、电流回授值转换为数位值后的比值，如表1所示。

2 主程序流程介绍

程序架构可分为主程序及中断服务子程序，主程序部分是设定暂存器功能、变数的宣告与初始化及执行无穷循环动作，控制部份则是在中断服务子程序内执行，利用中断频率与正缘触发讯号来达到所需的控制时间，图1为系统程序流程图，其说明如下所示：（1）程序开始。（2）设定变数资料型态及其初始值。（3）规划外围相关缓存器，包含计数器、I/O脚位设定，中断功能的开启及类比数位转换通道设定。（4）进入主程序则执行闸流体触发角度的产生与输出并等待中断发生，当中断发生时进入中断服务子程序。

3 中断服务子程序

当发生中断后，系统程序式流程会进入中断服务子程序执行主要的控制功能程序，分成五个中断服务子程序，其执行的流程如图2，说明如下：

3.1 计数器1中断服务子程序

（1）计数器1产生中断事件，程序进入中断服务子程序。（2）经由类比数位转换信道取得控制所需讯号vm、vt、imL、itL、imc、itc与Vdc。（3）计算所需之补偿电流。（4）计算出的补偿电流进入迟滞电流控制。（5）产生PWM讯号送至功率开组件M1～M4。（6）中断结束，跳回主程序。

3.2 Capture1中断服务子程序

（1）m相电源端电压正缘触发讯号产生，进入中断服务子程序。（2）记录电源端电压正缘触发讯号产生时之计数器2的计数值。（3）中断结束，跳回主程序。

3.3 Capture2中断服务子程序

（1）m相负载端电流正缘触发讯号产生，进入中断服务子程序。（2）记录负载端电流正缘触发讯号产生时之计数器2的计数值。（3）中断结束，跳回主程序。

3.4 Capture4中断服务子程序

（1）t相电源端电压正缘触发讯号产生，进入中断服务子程序。（2）记录电源端电压正缘触发讯号产生时之计数器4的计数值。（3）中断结束，跳回主程序。

3.5 Capture5中断服务子程序

（1）t相负载端电流正缘触发讯号产生，进入中断服务子程序。（2）记录负载端电流正缘触发讯号产生时之计数器4的计数值。（3）中断结束，跳回主程序。

4 补偿电流程控流程

在程序计算补偿电流的部份，详细的补偿电流程控流程，说明如下：（1）进入产生补偿电流原理子程序。（2）利用Capture1与Capture2中断子程序，求出m相负载之触发角度，利用Capture4与Capture5中断子程序，求出t相负载之触发角度。（3）求出二相负载电流的基本波成份平均值I avg。（4）将已求得的I avg分别与m相及t相之单位电压相乘，可得实际电源端电流参考讯号ims及its。（5）计算直流链电压闭回路控制值I cm。（6）重新修正实际电源端电流参考讯号ims及its。（7）将实际电源端电流减去负载电电流可得补偿电流参考讯号imc*及itc*。（8）补偿电流产生子程序结束。

5 结束语

本文针对电力滤波系统开发提出软件规划设计方法，用以改善相位控制非线性负载在变换角度时，负载电流变化之瞬时现象。以上系统架构是透过Matlab软件建立而成与模拟分析，控制则是使用TMS320F2812为核心，藉由电压电流感测电路，光耦合驱动电流等将系统回授控制实现。

参考文献：

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]吴敏，桂卫华，何勇.现代鲁棒控制[M].长沙：中南大学出版社，2006.

[3]（加）R.MohanMathur，（印）RajivK.Varma著.徐政，译.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置[M].北京：机械工业出版社，2005.

作者简介：李芳芳（1979.09-），女，本科，工程师，研究方向：电力自动化、数据网及二次防护。

基于多相滤波的高效数字下变频设计 第12篇

航天测控技术在航天技术中占有非常重要的地位[1],发射技术已经相对较为成熟,而接收技术却一直处于追赶阶段。当今,发射技术高速发展,这就促使接收系统向高速宽带数字处理方向不断发展。

传统数字接收机的结构较固定,运行的模式相对单一,人们在基于软件无线电技术的全数字接收机的研究方面投入较大精力[2],相应产生了许多新的接收技术。而较为理想的全数字接收机,是在天线后面直接射频采样来进行数字处理。因此,本文提出了一种高效数字下变频滤波结构[3],来实现航天测控系统中的宽带接收技术。

相对于模拟的下变频技术,数字下变频结构有较为理想的I/Q通道平衡特性,并且通过抽取可以降低数据传输速率。然而,数字下变频器的运算速度[4]影响着输入数据流能达到的最高速度,中频采样率的不断提高给硬件的实现带来了很大压力,这种情况下,就需要一种能够在低频下来完成高速数据流下变频的方案。

基于以上分析,本文提出了一种利用多相滤波结构的数字下变频技术[5],该技术实现了在低频下完成高速数据流下变频,使信号带宽达到了百兆量级,从而实现了对中频接收信号的直接采样;另外,该方法又采用了双路滤波结构,由于两通道所用的滤波器具有相同的原型滤波结构,所以它们的频响特性一样,因此,不会直接带来I/Q两路的不一致。通过分析和比较,相对于传统方法,该方法节省了大约1/3的硬件资源,降低了开发设计的成本,并达到了很好的效果。

1 传统数字下变频器的结构

数字下变频的作用是将高速率的数字中频信号下变频为低速率的数字基带信号,并且降低了信号的采样速率。数字下变频器结构的基本模型如图1所示,其主要由3部分构成:本地振荡器(NCO)、混频器和低通/抽取滤波器[6]。

图1中,将A/D转换器的输出信号送进数字下变频,经过混频器后,将输入的数字信号分别与本地产生的正弦信号和余弦信号相乘,得到I、Q两路信号;然后,再分别经过低通滤波器与信号降采样处理,其输出是滤去高频分量的且数据流降低了的数字基带信号。

图1虚线部分为传统的数字下变频器的结构,如果用FPGA实现,通常会遇到如下几个问题:(1)如果中频信号的采样速率非常高时(例如>200 MHz),FPGA就无法用普通I/O引脚来接收;(2)用通用的查表法时,无法产生高速NCO;(3)混频器部分的高速乘法器结构无法实现[7];(4)抽取滤波器部分的高速乘法器和高速加法器无法实现。

为了克服以上瓶颈,提出了基于多相滤波的数字下变频设计方法。

2 多相滤波数字下变频原理

2.1 下变频器混频器部分理论推导

设输入信号为:

式中,x(t)为接收信号;a(t)为传输数据;f0为载波频率;φ(t)为接收信号的初始相位。

此处选用带通采样频率fs可表示为:

则采样后的序列可表示为:

式中,

分别为信号的同相分量和正交分量。

由式(3)可得:

令

则可得

也就是说x'BI(n)和x'BQ(n)两个序列分别是同相分量xBI(n)和正交分量xBQ(n)的2倍抽取序列。由于xBI(n)和xBQ(n)是零中频信号,所以其数字谱宽度小于π/2,故其2倍抽取序列x'BI(n)和x'BQ(n)可以无失真的表示原序列[8]。

而且容易证明,x'BI(n)和x'BQ(n)的数字谱[9]为:

也就是说二者在数字谱上相差了一个延迟因子,在时域上相当于相差了半个采样点,这里,w=2πfs。这半个时延差显然是由于采用了奇偶抽取[10]引起的,如图2所示。

本文通过设计2个时延滤波器来对这种时延差进行纠正,下面给出这种滤波器设计方法。

2.2 时延滤波器的设计

将二者在时间上进行对齐的一种简单的、有效的方法是用2个时延滤波器来进行校正[11],此处,2个时延滤波器的频率响应需要满足:

可以选

用上述的2个滤波器分别对x'BI(n)和x'BQ(n)进行滤波,可得

因此,经过Hi(ejw)、Hq(ejw)的滤波,2个正交的基带信号x″BI(n)和x″BQ(n)在时间上就完全对齐了。这样实现起来是比较容易的。无论选择哪组作为延时滤波器,由于都是从同一原型滤波器抽取而来的,因此,对I、Q支路的信号失真一致,并且有较好的镜频抑制性能。

基于多相滤波的下变频器的混频器结构如图3所示。

由图3可以看出,通过设定采样频率和奇偶抽取来把模拟信号变换为2个正交的零中频数字基带信号,而一般的带通采样还需要通过数字正交混频才能得到2个正交的基带信号,这样就省去了NCO[12,13],而且本身已经进行了抽取,采样率降为原来的1/2,并且实现起来相对较简单。下面将给出下变频器的低通滤波器的设计方法。

2.3 基于多相滤波的低通滤波器设计

有限冲激响应(FIR)数字滤波器的特点是,单位冲激响应h(n)为有限长,其系统函数可表示为:

式中,N为FIR滤波器的阶数。

也可以用线性卷积表示FIR滤波器的输入输出关系,

即

2.3.1 传统数字下变频结构的低通滤波器输出

要实现接收的中频信号为350 MHz,中频带宽为100 MHz,采样率为280 MHz,所以,设置本振信号中心频率为70 MHz,且初始相位为0。则I路产生的NCO值为:0,-1,0,1,…,则Q路产生的NCO值为:1,0,-1,0,…,输入的数据流为x(1),x(2),x(3),...,x(n)。则I路在进入低通滤波器前的数据形式可以表示为:0,-x(2),0,x(4),…,则Q路在进入低通滤波器前的数据形式可以表示为x(1),0,-x(3),0,…,此处,滤波器阶数为32阶,即滤波器系数可以表示为b(0),b(1),b(2),…,b(31)。则经过低通滤波器后I路数据可以表示为:

经过低通滤波器后Q路数据可以表示为:

2.3.2 基于多相滤波的低通滤波器的设计

由图3可知,输入序列为x(1),x(2),x(3),...,x(n)。

同理,根据前面所述,设I路产生的NCO值为:0,-1,0,1,…,Q路产生的NCO值为:1,0,-1,0,…。

由式(20)和式(21)可得,I路的低通滤波器系数为原型滤波器的偶数抽取,阶数是16阶。Q路的低通滤波器系数为原型滤波器的奇数抽取,阶数是16阶。那么,基于多相滤波的下变频器的结构如图4所示。

3 下变频器的工程实现

经过工程验证,对于中频频率为350 MHz,中频带宽为100 MHz,采样率为280 MHz的接收信号,用基于多相滤波的下变频器对该信号进行下变频是现实可行的。

在多相抽取滤波器FPGA的实现中,有一个值得注意的地方就是对数据溢出的处理。2个定点数据相加后得到的总和有可能会超出存储计算结果的寄存器的动态范围,进而导致溢出。溢出的结果将会导致严重的信号失真,并且会在滤波器的输出端造成较大的振幅震荡[14,15]。

本文中对溢出的处理方案如下:运用模2K+M的补码编码的方案[16],即将符号位先进行扩展,然后再进行运算。令M=2,即模2K+2补码的方式,就是将符号位进行扩展,将原来使用的“0”和“1”表示正负转换为用“00”和“11”分别表示正和负。接着进行FIR滤波处理后,就避免了溢出情况。

下面将从占用FPGA资源对比来证明本文提出的方法相对于传统下变频法有较大的优越性。

FPGA选用的是XILINX公司VIRTEX-II系列的器件XC2V3000-4BG728。表1所示为FPGA中分别使用传统下变频方法和使用多相滤波法时的FPGA资源使用情况。

通过表1中2种方法的对比可以看出,在FPGA资源使用上相比于传统方法,多相滤波法节约了1/3的资源,且将该方法用在工程实现中是切实可行的。

4 结束语

在现有技术条件下,用传统的数字下变频方法来实现上述指标比较困难。多相滤波法实质就是对一个原型滤波器进行抽取而得到2路滤波器的系数,因此其与理想滤波器的差异不会导致I、Q两路的不匹配。此外,多相滤波法能以较低的阶数来实现较高的镜频抑制比,进而减少了系统对电子器件运算速率的依赖和FPGA内部资源的损耗,大大降低了运算量。本方法对宽带高中频系统的数字下变频处理有较好参考价值。