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浅析数宁滤波器算法及其应用实现_杂志文章
浅析数宁滤波器算法及其应用实现
发布时间:2020-01-22浏览次数:32返回列表

黄传丽

(黄石职业技术学院,湖北黄石435000)

【摘要】系统介绍了几种常用的数字滤波算法,并对各中算法进行比较,得出了相对较适用的算法———在通用计算机上用MATLAB 工具实现。

【关键词】数字滤波器;算法;MATLAB

一、数字滤波器的发展动态

早在四十年代后期,软件数字滤波器和第一台数字计算机就已经出现。60年代中期,出现了数字滤波器的各种逼近方法和实现方法,统一了数字滤波器的基本概念和理论。70年代至今,随着科学技术蓬勃发展,已有很多复杂和高度完善的算法和程序能在各种场合完成过滤任务。近年来Miroslav等人就这一问题提出了一套有关数字滤波器设计的新算法和新设计方案,即建立一种基于椭圆函数的现代IIR数字滤波器的设计空间,以TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407芯片为核心,构建了一个数字滤波系统硬件平台,通过MATLAB软件设计和仿真实现DSP系统应用程序的自动生成。该设计方法对同一组技术指标要求的数字滤波器可得到多种滤波器的设计方案,然后从中选取满足技术指标要求的最优设计方案。

二、数字滤波器的优点

(1)信噪比高。数字滤波器中主要的噪声源是在数字系统之前的模拟电路中引入的电路噪声,以及在数字系统输入端的模数转换过程中产生的量化噪声。这些噪声在数字系统的运算中可能会被放大,但如果在设计数字滤波器时采用合适的结构,可以以降低输入噪声对系统性能的影响。(2)可靠性高。只要在数字电路的工作环境下,数字[来自www.lW5U.coM]滤波器就能够稳定可靠的工作。(3)数字滤波器可以实现精确的线性相位和多速率处理等模拟滤波器无法实现的功能。(4)精度高。数字滤波器只要提高字长,可以实现任意精度的信号处理。(5)灵活性大。数字滤波器实现更加灵活,可用计算机软件实现,也可用大规[来自www.lw5U.coM]模集成数字硬件实现。除此之外,数字滤波器还具有易于大规模集成、自适应算法、并行处理等优点。但是经典数字滤波器的设计还存在着一些缺点,如IIR(无限冲击响应)滤波器所用存储单元少,经济且效率高,但是系统不稳定,且其相位是非线性的;FIR(有限冲击响应)滤波器可以得到严格的线性相位,却需要用较高的阶数来实现其高选择性,所以成本较高,信号延迟也较大。上述Miroslav等人提出的方案这些问题都有能得以解决。

三、数字滤波算法实现的方法

(1)在通用计算机上用MATLAB工具实现。(2)在通用计算机上用高级语言(如C语言)实现软件,可以由自己编写,也可以使用现成的软件包。这种方法速度太慢,不能用于实时系统。(3)用通用的单片机实现。这种方法实现乘法运算速度较慢,不适用于复杂的信号处理系统。(4)应用通用的DSP处理器加上专用的加速处理器构成的硬件系统实现。这种方法不便于系统的独立运行。(5)用通用的可编程DSP芯片实现。DSP利用改进的哈佛结构,内部有硬件乘法器、累加器,使用流水线结构,具有良好的并行特点,并有专门设计的适用于数字信号处理的指令系统等。(6)用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合,这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部使用硬件实现,无须进行编程,信号处理速度极高,但是会提高所设计产品的成本。通过上述比较可知:采用MATLAB等软件来学习数字滤波器的基本知识,计算数字滤波的系数,算法研究的可行性,对数字滤波器进行前期的仿真,最后可以采用DSP或FGPA作为硬件电路设计基础。

四、数字滤波器的设计过程

数字滤波器设计过程就是从给定的技术指标开始到以滤波器产品原型的实现而结束的一系列过程,该过程包括四个一般步骤:函数逼近、电路实现、缺陷研究、产品实现。基于DSP的IIR数字滤波器的基本设计过程:(1)根据指标确定滤波器的类型,设计出滤波器的函数逼近。(2)根据DSP的特点(字长、精度等)对参数进行取舍、量化,然后进行仿真;(3)根据仿真结果对滤波器的结构、参数再次进行整,直到满足以指标要求为止;(4)在DSP上用语言实现滤波器功能。在上述要求的前提下,找到尽可能简易的实现方法。一个IIR数字滤波器是否可以在DSP上实现,最终要看此算法是否满足两个条件:执行时间和精度。一个算法的精度再高,如果不能做到实时,也没有实用价值;相反,如果执行时间很快,但精度满足不了要求,也就无从实现滤波功能。IIR数字滤波器在DSP上的实现思路,应该是在满足上面两个条件的前提下,找到尽可能简易的实现方法。

通过分析,数字滤波器相对于模拟滤波器的优势决定了在今后数字滤波器将完全取代模拟滤波器趋势,随着技术的不断发展,像DSP、MATLAB这样的数字器件容量越来越大,速度也越来越快,从而使得数字滤波器的性能越来越好,成本越来越低,故数字滤波器有着很好的应用前景。

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