中心頻率可調(diào)的FIR數(shù)字帶通濾波器設(shè)計(jì)

1、2006年第5期 商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)v015，No5第5卷(總第26期) J0uRNAL OF sHANGQIu V0c棚0NAL AND TEcHNIcAL c0LLEGE 0ct，2006文章編號(hào)：16718127(2006)050076一04中心頻率可調(diào)的FIR數(shù)字帶通濾波器設(shè)計(jì)王瑩(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘476000)摘要：本文設(shè)計(jì)制作的中心頻率可調(diào)的HR數(shù)字帶通濾波器，其中心頻率為5kHz一150kHz多點(diǎn)可調(diào)，通帶 的3dB帶寬為4kHz這是一個(gè)通用的濾波器，可廣泛應(yīng)用與通信、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和控制等諸多場(chǎng)合關(guān)鍵詞：中心頻率可調(diào)；高性能；f1R數(shù)字帶通濾波器中圈分類號(hào)：TN713+7

2、02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AO。引 言現(xiàn)代通信、實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等諸多場(chǎng)合，數(shù)字濾波器被廣泛使用，但頻段位于5kHz一150kHz的數(shù)字濾波器較少，尤其 是中心頻率可調(diào)的更少!國(guó)際上正試圖將這樣的濾波器做成超大規(guī)模集成的AsIc，但仍有很多難題有待解決利用Matlab軟件可仿真數(shù)字濾波器，如果結(jié)合相應(yīng)硬件，可以實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)1濾波器及數(shù)字信號(hào)處理11濾波器及其分類電濾波器可定義為由電阻器、電容器、電感器和晶體管等電氣元件互相連接所形成的網(wǎng)絡(luò)，它對(duì)外施電信號(hào)進(jìn)行加工或 處理廣義地說(shuō)，濾波是一種選擇過(guò)程濾波器有多種分類方法按處理信號(hào)類型分類，濾波器可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類；按選

3、擇物理量分類，濾波 器可分為頻率薹萋；羹麗鬢萼i薹蓁翥型妻羹霎霉引薹耋鍪蝎囊鬯垂蠶譽(yù)刮薹羹：蓄葛強(qiáng)囊苡蓁攀止。嬗羹i委霎=霧弼：鐘圖解法，求解其靜態(tài)工作點(diǎn) “矚蠼鯉；521 共集電極放大電路|霎囊嗡泌硼墮萋裂婦摧蕊如圖1所示，在共集電極放大電路中，設(shè)Vc。=10V，RE=56Kn，R。=240KQ，三極管的B=40試估算靜態(tài)工作點(diǎn)Q銎掣蠢苠魂越蘭三囊和 解：根據(jù)圖1所示電路的基極回路，可列出基極回路的方程式： Vcc=IBQRB+UBEQ+(1+B)IBQRE故靜態(tài)基極電流IBQ=(Vccu8EQ)RB+(1+B)RE=20斗A則：IcQ 2pIBQ=08mA圖1UcEQ=VccIcQRE=5

4、52V22共基極放大電路 如圖2所示，在共基極放大電路中，已知R。=51kQ，R。=2kQ，R。，=3kQ，R眈=lOkQ，負(fù)載電阻RL=51kn，Vcc=12V，三極管的B=50試估算 靜態(tài)工作點(diǎn)Q解：利用R。，和R慰組成的分壓器以固定基極電位，因IB很小，可以忽略不計(jì)， 則由圖可得：萬(wàn)方數(shù)據(jù)行重構(gòu)便可完全恢復(fù)原始信號(hào)但如果輸入不帶限或者輸入的奈奎斯特頻率太高，或者寬帶的加性噪聲占據(jù)了高頻區(qū)域，都 會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象若希望避免混疊，就必須將輸入信號(hào)強(qiáng)制限帶至低于所要求的采樣率一半的頻率上這可在AD轉(zhuǎn)換器之 前用低通濾波連續(xù)時(shí)間信號(hào)來(lái)完成，這樣的濾波器叫做抗混疊濾波器理想的抗混疊濾波器頻率響應(yīng)為：

5、rl，Inl<n，<TH(jQ)=?！?，lQI<n，<T實(shí)際的低通不可能是理想的，AD和DA與理想情況也有差距，需要作某種程度的近似，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這些因素，適當(dāng) 做出調(diào)整3 FIR濾波器及其Matlab設(shè)計(jì)仿真31FIR和IIR 數(shù)字濾波器分為，無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)和有限沖擊響應(yīng)(nR)兩類兩者的主要區(qū)別是FIR濾波器的輸出結(jié)果只由當(dāng)前輸入和之前有限個(gè)輸入決定，而IIR濾波器的輸出則還依賴于之前的輸出結(jié)果，即存在反饋雖然IIR濾波器在給定階數(shù)下可以被設(shè)計(jì)成比F1R濾波器更高效，但是IIR濾波器在遞歸結(jié)構(gòu)運(yùn)算中的四舍五入處理有 時(shí)會(huì)引起寄生振蕩，穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于FIR濾

6、波器，同時(shí)nR濾波器也易于設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)，能夠提供恒定的群延遲，沒(méi)有相位 失真本文設(shè)計(jì)的就是一款FIR濾波器FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：MlH(z)=nb。z一(2)則脈沖響應(yīng)h(k)為：、h(k)=bk，Ok曼Ml (3)濾波器的階數(shù)為Ml，它的長(zhǎng)度為M我們采用直接形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)IR濾波器線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出是輸入和單位沖擊 響應(yīng)的卷積，差分方程描述為：Mly(n)=nbkx(nk)(4)32用Matlab設(shè)計(jì)FIR濾波器 (1)線性相位 線性相位FIR濾波器的相位延遲和群延遲在整個(gè)頻率段上相等且為常數(shù)對(duì)n階的線性相位FIR濾波器而言，其群延遲為n2，經(jīng)濾波后的信號(hào)簡(jiǎn)單地被延遲n2時(shí)間步長(zhǎng)這一

7、特性保持了信號(hào)在通頻帶內(nèi)的波形，即沒(méi)有相位失真F'IR濾波器設(shè) 計(jì)函數(shù)是線性相位濾波器，這種濾波器的系數(shù)遵從奇對(duì)稱或偶對(duì)稱關(guān)系依據(jù)對(duì)稱性和濾波器階次n的奇偶，這種線性相位 濾波器(儲(chǔ)存在長(zhǎng)為n+l的向量中)具有一定的頻率響應(yīng)限制性，如表l所示表l 各類線性相位濾波器的限制性比較(2)方法總覽 F1R濾波器設(shè)計(jì)的主要工具箱函數(shù)引，如表2表2 FIR濾波器設(shè)計(jì)的主要工兵箱函數(shù)在無(wú)說(shuō)明的情況下，函數(shù)firl、fir2，firls及remez均可設(shè)計(jì)I型和型線性相位FIR濾波器函數(shù)6rls是函數(shù)firl和fir2的 擴(kuò)展，它的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使期望頻率響應(yīng)和實(shí)際頻率響應(yīng)之間的整體方差達(dá)到最小本設(shè)計(jì)采

8、用了fids函數(shù)，由于該函數(shù)太長(zhǎng)， 現(xiàn)只給出部分6dsm源程序以供參照f(shuō)unctionh，a=fids(N，F(xiàn)，M，w，ftype)；check number of arguments，8et up defaultsnargchk(3，5，nargin)；·77·萬(wàn)方數(shù)據(jù)if(ma】【(F)>1)I(min(F)<O)en_|or(Frequencies in F must be in r粕ge0，1endif(rem(1ength(F)，2)一=O) ermr(F must have even lengtI，； endif(1ength(F)一=len昏h(M

9、) eHDr(F鯽d A塒usbe equal len殍hs； endif(nargin=3)， W=ones(1engtIl(F)2，1)； ftype=，endif(n嘶n=4)，if is8tr(W)， ftyPe=W；W=ones(1ength(F)2，1)； elseftype=，-end end if(n8rgin=5)，ifisempty(W)， W=ones(1ength(F)2，1)； end曲dif isempty(ftype) ftype=O；di腸r=O； el鴕ftype=lower(ftype)；if strcmp(ftype，hI strcmp(ftype，hil

10、bertftype=l；differ=0；elseif strcmp(ftype，dl stImp(ftype，tli任brentiatorftype=l；di玨br=l；elseen_or(Requires symmetry to be Hilbertor甜iHerentiatorend end本文設(shè)計(jì)的是128點(diǎn)FIR濾波器根據(jù)選用的芯片(見(jiàn)后面硬件實(shí)現(xiàn)部分)，以中心頻率76kHz為例，Matlab程序如下：>>n=127；127階FIR濾波器>>f=O 0576 0592 0624 0“1；歸一化的數(shù)字頻率>>m=O O ll O O；帶通濾波器須采用

11、多帶設(shè)計(jì)>>b=fids(n，f，m)； 用最小方差算法計(jì)算系數(shù)bk>>H，w=舶qz(b)； 分析bk，得到系統(tǒng)函數(shù)>>plot(wpi·125，ab8(H)；朗d 由系統(tǒng)函數(shù)繪出頻率響應(yīng)圖>>碰s(50，100，0，12)>>】【labeI(頻率kHz，；yIabel(頓度l單位，；>>plot(wpi十125，db(abs(H)；gIid>>瓤is(50，100，一60，10)>>xlabel(頻毒kHz；ylabel(幅度dB，；·78·萬(wàn)方數(shù)據(jù)仿真繪出的濾波器

12、頻率響應(yīng)如圖1 如果幅度以dB為單位來(lái)表示，頻率響應(yīng)如圖2暨；| 、撼3Ir，r-1P1P“q 。，+乳n|r，kd I 啦 剛4“ 腳A fI矗。J磊翮。撇1譚涮舀!f"r p t 譬h+：腎澍扒，、，、嗣1礦頻率，Hz圖1 濾波器頻率響應(yīng)圖一 圖2濾波器頻率響應(yīng)圖二 從Manab模擬的情況來(lái)看，當(dāng)中心頻率高達(dá)76kHz時(shí)，±2kHz的通帶寬度已經(jīng)顯得很窄，仍然得到了非常理想的效果，從通帶向外過(guò)渡僅2kHz范圍內(nèi)已經(jīng)達(dá)到20dB衰減4 FIR濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)41直接型FIR系統(tǒng)直接型的FIR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3輸入x(n)依次經(jīng)過(guò)M個(gè)抽頭延 遲線，分別與系數(shù)b。相乘，乘法累加后

13、得到輸出Y(n)，從而實(shí)現(xiàn)了卷 積運(yùn)算：MY(n)=bkx(nk) (5)k 2U42硬件實(shí)現(xiàn)圖3直接型的FIR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)采用專用的DsP芯片實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器，這樣的FIR系統(tǒng)需要一個(gè)抗混疊濾波器、AD、DsP、DA和一個(gè)平滑濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們選用了LTcl564、ADS78lO和VPl6256這幾款芯 片，濾波器的系數(shù)存放在EPROM里如圖4：其中VPl6256是zallink公司的一個(gè)廠專用的FIR濾波器，內(nèi)含16個(gè)同步于系l。薹譬嘉)I統(tǒng)時(shí)鐘的乘法累加器，由它們完成卷積T一霎妻絮譬囂耄怒幣i竹習(xí)水研輯矸耳LTCl564ADS7810 VPl6256DAC854l LTcl564實(shí)

14、現(xiàn)8點(diǎn)、16點(diǎn)、32點(diǎn)、64點(diǎn)或128點(diǎn)數(shù)叫(抗混疊)H (AD)H(DsP)H (DA)H(平滑濾波)卜+|_一一一一J L一_jL一一_j L一一一一J L一一字濾波而LTCl564是LinearTechnology公司的一款連續(xù)時(shí)間低通濾波器，可用于抗混疊、信號(hào)重構(gòu)和帶限它最大的特圖4系統(tǒng)硬件構(gòu)建框圖 點(diǎn)是由四個(gè)管腳的邏輯電平控制，截止頻率從10kHz到150kHz以lOkHz為單位可調(diào)利用此特點(diǎn)可以方便地實(shí)現(xiàn)帶限帶寬 的調(diào)整43實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)實(shí)際上，對(duì)于不同的中心頻率只要在Matlab程序中分別輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)就可以得到相應(yīng)的濾波器系數(shù)，我們將事先算好 的多組系數(shù)按不同地址位存放在EP

15、ROM中，做一個(gè)手動(dòng)數(shù)位開(kāi)關(guān)控制EPROM的高位地址線就可以使VPl6256啟動(dòng)的時(shí)候 載入所需要的那一套系數(shù)，從而達(dá)到改變中心頻率的目的設(shè)計(jì)中，我們選擇采樣頻率為信號(hào)帶寬的3倍VPl6256的第56管腳cLKOP控制了AD的采樣，而cLKOP的頻率在128點(diǎn)濾波工作模式下是系統(tǒng)時(shí)鐘scLK的18所以，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率=3×8×信號(hào)帶寬 為了達(dá)到比較好的濾波效果，除改變系數(shù)外，同時(shí)也調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和信號(hào)帶寬，一套系數(shù)對(duì)應(yīng)了固定的一對(duì)時(shí)鐘頻率和信號(hào)帶寬因?yàn)檎麄€(gè)濾波器系統(tǒng)包括AD、DA和DsP都同步于系統(tǒng)時(shí)鐘工作，故變動(dòng)時(shí)鐘頻率不會(huì)出現(xiàn)任何不同步的 問(wèn)題此外，設(shè)計(jì)的抗混疊濾波器和

16、平滑濾波器均采用了轉(zhuǎn)折頻率可調(diào)的t胍1564這款低通濾波芯片，可以方便地調(diào)整信號(hào) 帶寬當(dāng)然，事先用Madab計(jì)算濾波器系數(shù)的時(shí)候應(yīng)考慮到信號(hào)帶寬和系統(tǒng)時(shí)鐘變化，才能計(jì)算出對(duì)應(yīng)的系數(shù)(下轉(zhuǎn)9l頁(yè))·79·萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)中心頻率可調(diào)的FIR數(shù)字帶通濾波器設(shè)計(jì)作者：王瑩， WANG Ying作者單位：商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南,商丘,476000刊名：商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)英文刊名：JOURNAL OF SHANGQIU VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE 年，卷(期)：2006，5(5)引用次數(shù)：0次參考文獻(xiàn)(3條)1.T·J·特雷

17、爾 數(shù)字濾波器引論 19862.A V 奧本海姆.R W 謝弗.J R 巴克.劉樹(shù)棠.黃建國(guó) 離散時(shí)間信號(hào)處理 19983.施陽(yáng).李俊 Matlab語(yǔ)言工具箱-Toolbox實(shí)用指南 1998相似文獻(xiàn)(1條)1.學(xué)位論文 柏松 基于GIC JFET的壓控阻抗變換器及其應(yīng)用 2002該文首先介紹了用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)實(shí)現(xiàn)壓控電阻(VCI)的原理及其非線性補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的方法.場(chǎng)效應(yīng)晶體管是用電場(chǎng)效應(yīng)感生并控制載流子運(yùn)動(dòng)的半導(dǎo)體器件.然后,介紹了兩個(gè)用通用阻抗變換器(GIC)電路實(shí)現(xiàn)的高性能壓控阻抗變換器的電路結(jié)構(gòu).在Antoniou所提出的通用阻抗變換器 (GIC)的基礎(chǔ)上,用JFET