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FIR邏輯設(shè)計(jì) 宋明聰 背景 數(shù)字幅度均衡功率放大器 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽C題 帶阻網(wǎng)絡(luò) 對前置放大電路輸出信號v1進(jìn)行濾波 以10kHz時(shí)輸出信號v2電壓幅度為基準(zhǔn) 要求最大衰減 10dB 數(shù)字幅頻均衡應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù) 制作數(shù)字幅頻均衡電路 對帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出的20Hz 20kHz信號進(jìn)行幅頻均衡 要求 a 輸入電阻為600歐 b 經(jīng)過數(shù)字幅頻均衡處理后 以10kHz時(shí)輸出信號v3電壓幅度為基準(zhǔn) 通頻帶20Hz 20kHz內(nèi)的電壓幅度波動(dòng)在 1 5dB以內(nèi) 解決方案 數(shù)字濾波器 模擬濾波器主要用來處理連續(xù)時(shí)間信號 而數(shù)字濾波器用來處理離散時(shí)間信號和數(shù)字信號 與模擬濾波器相比 數(shù)字濾波器有以下優(yōu)點(diǎn) 精度和穩(wěn)定性高改變系統(tǒng)函數(shù)比較容易 因而比較靈活不存在阻抗匹配問題便于大規(guī)模集成可以實(shí)現(xiàn)多維濾波 濾波原理 對輸入信號起到濾波作用 對線性非移變系統(tǒng)有 線性非移變系統(tǒng)的輸入與輸出 一個(gè)既滿足疊加原理又滿足非移變條件的系統(tǒng) 被稱為線性非移變系統(tǒng) 線性非移變系統(tǒng)的濾波作用 數(shù)字低通濾波器的技術(shù)要求 分類 無限沖激響應(yīng) IIR 有限沖激響應(yīng) FIR FIR FIR系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)的流程圖 數(shù)字濾波器是一種非遞歸系統(tǒng) 其沖激響應(yīng) 是有限長序列 其系統(tǒng)函數(shù)一般形式為 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法 基本特性FIR濾波器永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的 極點(diǎn)均位于原點(diǎn) FIR濾波器的沖激響應(yīng)是有限長序列FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為多項(xiàng)式FIR濾波器具有線性相位設(shè)計(jì)的基本方法窗函數(shù)法 頻率抽樣法和等波紋逼近法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法原理將理想低通濾波器單位取樣響應(yīng)序列截?cái)?等效于加矩形窗 用得到的有限長序列逼近理想低通濾波器 理想低通濾波器的頻率響應(yīng)其沖激響應(yīng)為 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 窗函數(shù)法 加窗的影響理想LPF加窗后 1 使濾波器的頻率響應(yīng)在不連續(xù)點(diǎn)出現(xiàn)了過渡帶 它主要是由窗函數(shù)頻譜的主瓣引起的 其寬度取決于主瓣的寬度 2 使濾波器在通帶和阻帶產(chǎn)生了一些起伏震蕩的波紋 吉布斯現(xiàn)象 主要由旁瓣造成 窗函數(shù)法 在一般情況下 對窗函數(shù)的要求是 1 盡量減少窗函數(shù)頻譜的旁瓣高度 使能量集中在主瓣 減少通帶 阻帶中的波紋 2 主瓣的寬度盡量窄 獲得較陡的過渡帶 以上兩條標(biāo)準(zhǔn)相矛盾 為了達(dá)到上述要求 采取的措施為 采用不同的窗函數(shù) 采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出來的FIR數(shù)字低通濾波器的頻率響應(yīng) 它對理想低通濾波器的頻率響應(yīng)的逼近程度 取決于窗函數(shù)的頻譜的主瓣寬度和旁瓣衰減的大小 窗函數(shù)法 幾種常用的窗函數(shù) 窗函數(shù)法 FIR濾波器系數(shù)的計(jì)算 FIRDesigner exe使用的窗函數(shù)法可以設(shè)計(jì)低通和高通兩種MATLABFIR1函數(shù) 窗函數(shù)法 FIR2函數(shù) 頻率采樣法 FDATool FIRDesigner exe程序介紹 Wc為3dB通帶截止頻率NormalizedWc Wc Fs 2 FIRDesigner exe程序介紹 本設(shè)計(jì)程序可以生成兩種結(jié)構(gòu)的FIR濾波器基于CSD編碼的并行結(jié)構(gòu)速度快 每個(gè)clk就可以處理一個(gè)輸入信號消耗資源較多基于通用乘法器的串行結(jié)構(gòu)速度慢 多個(gè)clk才可以處理一個(gè)輸入信號 clk的個(gè)數(shù)取決于非零系數(shù)的個(gè)數(shù) 消耗資源較少 MATLAB 電賽 算法的仿真驗(yàn)證均衡仿真 頻譜分析利用它的工具箱輔助設(shè)計(jì)FDATool等Simulink與DSPBuilder聯(lián)調(diào)自動(dòng)生成FPGA工程 MATLAB FIR 本設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)一個(gè)200階的低通濾波器 clc closeall N 200 f 00 050 060 090 10 150 21 m 11000000 b fir2 N f m H W freqz b 1 512 figure 1 plot f m W pi abs H fid fopen Coefficients txt wt fprintf fid 0 15f n b fclose fid 說明 b fir2 N f m 該函數(shù)返回一個(gè)包含n階低通FIR濾波器n 1個(gè)系數(shù)的行向量b 其頻率和幅值特性由向量f和m決定 f是一個(gè)頻率點(diǎn)向量 它的取值范圍在 01 之間 1對應(yīng)內(nèi)奎斯特頻率 并且f的第一個(gè)值必須為0 最后一個(gè)值必須為1 m是包含對應(yīng)f各頻率點(diǎn)理想幅值向量 f和m具有相同的長度 對于奈奎斯特頻率處的通帶 該函數(shù)要求濾波器階數(shù)n為偶數(shù) 若用戶定義n為奇數(shù) 系統(tǒng)將自動(dòng)對它加1 MATLAB FIR 轉(zhuǎn)換為頻率 f w fs 2 這三個(gè)頻點(diǎn)分別為1 66K 2 6365K 3 5155K MATLAB FIR FIR模塊說明 并行結(jié)構(gòu) Clock 系統(tǒng)時(shí)鐘ClkEn 采樣頻率AsyncRst 異步復(fù)位 1為真In 數(shù)據(jù)輸入 Out 濾波輸出 FIR模塊說明 串行結(jié)構(gòu) Clock 系統(tǒng)時(shí)鐘AsyncRst 異步復(fù)位 1為真In 數(shù)據(jù)輸入InEn 采樣頻率 Out 濾波輸出OutValid 輸出信號有效標(biāo)志位 注意的問題 時(shí)鐘同步 數(shù)據(jù)溢出 設(shè)計(jì)任務(wù) 利用WM8731作為信號的采集和輸出模塊 在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)任意的FIR濾波器 對20Hz 20KHz之間的信號進(jìn)行濾波處理 比較理論設(shè)計(jì)和實(shí)際性能的差別 寫下總結(jié) 推薦書籍 數(shù)字信號處理姚天任華中科技大學(xué)出版社無線通信FPGA設(shè)計(jì)田耘電子工業(yè)出版社MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用陳懷琛電子工業(yè)出版社數(shù)字信號處理的FPGA實(shí)現(xiàn)UweMeyer Baese清華大學(xué)出版社