一种低功耗64倍降采样多级数字抽取滤波器设计
梅海军;吴金;聂卫东;张怡;李晓蒙
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2010(10)8
【摘要】经典多级结构的数字抽取滤波器占用系统大量的功耗与面积资源,文章设计的改进型64倍降采样数字抽取滤波器采用由级联积分梳状滤波器、补偿FIR滤波器和半带滤波器组成,在保持∑-△ ADC转换精度的约束下,实现了最大程度降低系统功耗与面积的设计目标.在多级级联积分梳状(CIC)滤波器的设计中,充分运用置换原则以优化各级级数并采用非递归结构实现方式,同时将多相结构运用到补偿滤波器与半带滤波器中,获得电路功耗与面积的明显降低.将∑-△调制器输出信号作为测试激励,通过Matlab系统仿真、FPGA验证与FFT信号分析,得到的输出数据信噪比达到15bit有效位数精度,且系统速度满足要求.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】梅海军;吴金;聂卫东;张怡;李晓蒙
【作者单位】无锡市晶源微电子有限公司,江苏,无锡,214028;东南大学无锡分校,江苏,无锡,214000;无锡市晶源微电子有限公司,江苏,无锡,214028;江南大学信息学院,江苏,无锡,214035;东南大学无锡分校,江苏,无锡,214000;东南大学无锡分校,江苏,无锡,214000
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
【相关文献】
1.一种24位Delta-Sigma A/D数字抽取滤波器设计 [J], 骆丽;李晓玥;曾俊琦;徐子轩
2.多级数字抽取滤波器设计与MATLAB仿真研究 [J], 杨旭峰
3.一种数字中频处理的高倍抽取滤波器设计 [J], 童亚钦;郑世刚
4.一种低资源数字抽取滤波器设计 [J], 钱泽斌;严伟
5.一种用于14位1.28MS/sΣΔADC的数字抽取滤波器设计 [J], 杨银堂;李迪;石立春
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实验四 IIR 数字滤波器的设计及网络结构 一、实验目的 1．了解IIR 数字滤波器的网络结构。 2.掌握模拟滤波器、IIR 数字滤波器的设计原理和步骤。 3．学习编写数字滤波器的设计程序的方法。 二、实验内容 数字滤波器：是数字信号处理技术的重要内容。它的主要功能是对数字信号进行处理，保留数字信号中的有用成分，去除信号中的无用成分。 1．数字滤波器的分类 滤波器的种类很多，分类方法也不同。 （1）按处理的信号划分：模拟滤波器、数字滤波器 （2）按频域特性划分；低通、高通、带通、带阻。 （3）按时域特性划分：FIR 、IIR 2．IIR 数字滤波器的传递函数及特点 数字滤波器是具有一定传输特性的数字信号处理装置。它的输入和输出均为离散的数字信号，借助数字器件或一定的数值计算方法，对输入信号进行处理，改变输入信号的波形或频谱，达到保留信号中有用成分去除无用成分的目的。如果加上A/D 、D/A 转换，则可以用于处理模拟信号。 设IIR 滤波器的输入序列为x(n)，则IIR 滤波器的输入序列x(n)与输出序列y(n)之间的关系可以用下面的方程式表示： 1 ()()() M N i j i j y n b x n i a y n j ===-+-∑∑ （5-1） 其中，j a 和i b 是滤波器的系数，其中j a 中至少有一个非零。与之相对应的差分方程为： 10111....()()()1....M M N N b b z b z Y z H Z X z a z a z ----++== ++ （5-2） 由传递函数可以发现无限长单位冲激响应滤波器有如下特点： （1） 单位冲激响应h(n)是无限长的。
数字滤波器设计 通信与电子信息当中，在对信号作分析与处理时，常会用到有用信号叠加无用噪声的问题。这些噪声信号有的是与信号同时产生的，有的是在传输过程中混入的，在接收的信号中，必须消除或减弱噪声干扰，这是信号处理中十分重要的问题。根据有用信号与噪声的不同特性，消除或减弱噪声，提取有用信号的过程就称为滤波。滤波器的种类很多，实现方法也多种多样，本章利用Matlab来进行数字滤波器的设计。 数字滤波器是一离散时间系统，它对输入序列x(n)进行加工处理后，输出序列y(n)，并使y(n)的频谱与x(n)的频谱相比发生某种变化。 由DSP理论得知，无限长冲激响应(IIR)需要递归模型来实现，有限长冲激响应(FIR)滤波器可以采用递归的方式也可采用非递归的方式实现。本章把FIR 与IIR滤波器分别用Matlab进行分析与设计。数字滤波器的结构参看《数字信号处理》一书。 数字滤波器的设计一般经过三个步骤: 1(给出所需滤波器的技术指标。 2(设计一个H(Z)，使其逼近所需要的技术指标。 3(实现所设计的H(Z)。 4.1 IIR数字滤波器设计 设计IIR数字滤波器的任务就是寻求一个因果、物理可实现的系统函数H(z)，jω使它的频响H(e)满足所希望得到的低通频域指标，即通带衰减A、阻带衰减A、 pr通带截频ω、阻带截频ω。而其它形式的滤波器由低通的变化得到。pr
采用间接法设计IIR数字滤波器就是按给定的指标，先设计一个模拟滤波器，进而通过模拟域与数字域的变换，求得物理可实现的数字滤波器。从模拟滤波器变换到数字滤波器常用的有:脉冲响应不变法和双线性变换法。IIR滤波器的设计过程如下 ,,,数字频域指标模拟频域指标设计模拟滤波器H(S) 设计数字滤波器H(z) 1. 模拟滤波器简介 模拟滤波器的设计方法已经发展得十分成熟，常用的高性能模拟低通滤波器有巴特沃斯型、切比雪夫型和椭圆型，而高通、带通、带阻滤波器则可以通过对低通进行频率变换来求得。必须指出，这三种滤波器都是非线性的相频特性。具体设计方法参见《数字信号处理》一书。 (1)巴特沃斯低通滤波器的特点是:通、阻带均为单调下降。这种单调下降的特性使得系统的误差分布不均匀。在设计中，如果在通带满足指标，阻带指标就过于好了。或者说，在阻带满足指标，通带指标也过于好了。这样不利于以最小的阶数来满足设计指标。 (2)切比雪夫模拟低通滤波器分成Ι型和ΙΙ型:Ι型是通带等波纹，阻带单调下降; ΙΙ型滤波器是通带单调下降，阻带等波纹。切比雪夫的等波纹特性使得可以用较小的阶数设计出符合指标的滤波器。 (3)椭圆滤波器特点是通、阻带均为等波纹。椭圆滤波器的误差均匀分布在通、阻带，比较上面几种滤波器，在同样衰耗指标下，椭圆滤波器所要求的阶数最小。在同样阶数情况下，椭圆滤波器的通带到阻带的变化最陡峭、性能最好。2(模拟滤波器映射到数字滤波器 从模拟滤波器变换到数字滤波器常用的有:冲激响应不变法和双线性变换法。(1)冲激响应不变法
一种低功耗64倍降采样多级数字抽取滤波器设计 梅海军;吴金;聂卫东;张怡;李晓蒙 【期刊名称】《电子与封装》 【年(卷),期】2010(10)8 【摘要】经典多级结构的数字抽取滤波器占用系统大量的功耗与面积资源,文章设计的改进型64倍降采样数字抽取滤波器采用由级联积分梳状滤波器、补偿FIR滤波器和半带滤波器组成,在保持∑-△ ADC转换精度的约束下,实现了最大程度降低系统功耗与面积的设计目标.在多级级联积分梳状(CIC)滤波器的设计中,充分运用置换原则以优化各级级数并采用非递归结构实现方式,同时将多相结构运用到补偿滤波器与半带滤波器中,获得电路功耗与面积的明显降低.将∑-△调制器输出信号作为测试激励,通过Matlab系统仿真、FPGA验证与FFT信号分析,得到的输出数据信噪比达到15bit有效位数精度,且系统速度满足要求. 【总页数】6页(P21-26) 【作者】梅海军;吴金;聂卫东;张怡;李晓蒙 【作者单位】无锡市晶源微电子有限公司,江苏,无锡,214028;东南大学无锡分校,江苏,无锡,214000;无锡市晶源微电子有限公司,江苏,无锡,214028;江南大学信息学院,江苏,无锡,214035;东南大学无锡分校,江苏,无锡,214000;东南大学无锡分校,江苏,无锡,214000 【正文语种】中文 【中图分类】TN713
【相关文献】 1.一种24位Delta-Sigma A/D数字抽取滤波器设计 [J], 骆丽;李晓玥;曾俊琦;徐子轩 2.多级数字抽取滤波器设计与MATLAB仿真研究 [J], 杨旭峰 3.一种数字中频处理的高倍抽取滤波器设计 [J], 童亚钦;郑世刚 4.一种低资源数字抽取滤波器设计 [J], 钱泽斌;严伟 5.一种用于14位1.28MS/sΣΔADC的数字抽取滤波器设计 [J], 杨银堂;李迪;石立春 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
降采样： 2048HZ对信号来说是过采样了，事实上只要信号不混叠就好（满足尼奎斯特采样定理），所以可以对过采样的信号作抽取，即是所谓的“降采样”。在现场中采样往往受具体条件的限止，或者不存在300HZ的采样率，或调试非常困难等等。若R>>1，则Rfs/2就远大于音频信号的最高频率fm，这使得量化噪声大部分分布在音频频带之外的高频区域，而分布在音频频带之内的量化噪声就会相应的减少，于是，通过低通滤波器滤掉fm以上的噪声分量，就可以提高系统的信噪比。 原采样频率为2048HZ，这时信号允许的最高频率是1024HZ（满足尼奎斯特采样定理），但当通过滤波器后使信号的最高频率为16HZ，这时采样频率就可以用到32HZ（满足尼奎斯特采样定理，最低为32HZ，比32HZ高都可以）。从2048HZ降到32HZ，便是每隔64个样本取1个样本。这种把采样频率降下来，就是降采样downsample）。这样做的好处是减少数据样点，也就是减少运算时间，在实时处理时常采用的方法。 过采样： 过采样定义：就是用高于nyquist频率进行采样，好处是可以提高信噪比，缺点是处理数据量大。 过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。设数字音频系统原来的采样频率为fs，通常为44.1kHz或48kHz。若将采样频率提高到R×fs，R称为过采样比率，并且R>1。在这种采样的数字信号中，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功率也不变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化，即将原来均匀分布在0 ~ fs/2频带内的量化噪声分散到了0 ~ Rfs/2的频带上。若R>>1，则Rfs/2就远大于音频信号的最高频率fm，这使得量化噪声大部分分布在音频频带之外的高频区域，而分布在音频频带之内的量化噪声就会相应的减少，于是，通过低通滤波器滤掉fm以上的噪声分量，就可以提高系统的信噪比。 但是单靠这种过采样方式来提高信噪比的效果并不明显，所以，还得结合噪声整形技术。直观上讲：采样后的信号是原来的信号频域延拓叠加，限带信号通常是离中心频率越远，幅度越低，因此采样率越高混叠的情况越小. 过采样目的：就是要改变的噪声的分布，减少噪声在有用信号的带宽内，然后在通过低通滤波器滤除掉噪声，达到较好的信噪比，一般用在sigma-deltaDAC 或者ADC里面。 过采样作用：能将噪声扩展到更高的频率，通过低通滤波器后，可使得基带内的SNR 提高 过采样意义： 1.提高时域分辨力从而获得更好的时域波形; 2.提高滤波器的处理增益,当在频域上滤波时,滤波器的设计变得更容易; 3.提高信噪比,匹配滤波时更好地收集波形能量; 4.抑制镜像,使上变频更容易,降低对后级DA转换的保持时间要求; 5.需要fractional sampling timing时是必需的. 过采样应用：D/A转换，但不一定非要过采样，过采样的技术一般用在低速（几十K 到数M）高精度（如16bit 18bit .....)的情况。DA过采样可以用线性插值实现。 欠采样： 当采样频率fs.max大于信号中，最高频率fmax的2倍时，即：fs.max>=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2.56-4倍的信号最大频率；采样定理又称奈奎斯特定理。欠采样是在测试设备带宽能力不足的情况下，采取的一种手段，相
数字下变频中抽取滤波器的设计及FPGA实现 摘要：针对软件无线电接收机数字下变频中高速数字信号的降采样需求，利用半带滤波器及级联积分梳状滤波器，设计了一种半带滤波器前置的多级抽取滤波器架构。通过Simulink搭建系统模型验证之后，利用Xilinx ISE 12.3在Xilinx xc5vsx95t-2ff1136 FPGA上实现了一种下采样率为64的抽取滤波器。Modelsim仿真结果表明，该抽取滤波器设计是有效的，达到了设计指标。 0 引言数字下变频是软件无线电接收机的关键模块，高速数字信号进行变频、降采样、滤波，将高速中频信号变为低速基带信号[1-2]，便于后级处理。其中，降采样和滤波是下变频的关键模块，由抽取滤波器来完成[3]。由于多级结构可以大大降低滤波器的阶数[4]，允许每一级归一化过渡带宽比较宽[5]，抽取滤波器一般采用多级结构实现，常用结构如图1所示，wdz4-t1.gif级联积分梳状（Cascaded integrator-com，CIC）滤波器通常作为第一级抽取滤波器[1-6]。 为缩短关键路径，从而提高采样速度，滤波器常采用并行处理及流水线技术[6]。CIC滤波器中有反馈回路，加入流水线寄存器则会导致反馈回路不同步，从而无法采用流水线技术；FIR滤波器则可以采用并行处理及流水线技术。对于半带滤波器（Half-band Filter, HBF）而言，采用分布式算法则可以很好地兼容并行处理与流水线技术，且无需速率受限的乘法器资源。本设计对流水线式全并行分布式算法进行改进用以实现HBF，而并行处理提高采样率是采用复制硬件的方法[7]，wdz4-t2.gif全并行结构的HBF则是复制使用LUT，在满足处理速度的要求下，本文将HBF置于数据位宽最小的输入级（如图2）。 1 抽取滤波器整体设计及Simulink建模仿真本文将64倍抽取的总抽取率分为3级实现：2倍抽取的前置HBF、16倍抽取的CIC抽取滤波器以及2倍抽取的FIR补偿滤波器，如图2所示。各级指标如表1所示。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，可以对动态系统进行建模仿真及分析，支持多速率系统，广泛应用于数字信号处理领域的建模仿真。本文的系统模型如图3所示。
基于FPGA的数字滤波器设计与实现 数字滤波器是一种非常重要的信号处理器件，用于从信号中分离出特定频率下 的成分。它可以应用于音频、无线通讯、图像处理等领域，并且随着数字信号处理技术的发展，数字滤波器的性能和功能也日益提高。本文将介绍基于FPGA的数 字滤波器的设计与实现，以及其在实际应用中的一些注意事项。 一、数字滤波器的工作原理 数字滤波器是通过模拟信号转换成数字信号后，在数字域中进行信号处理的器件。其工作原理与模拟滤波器类似，其主要作用是从信号的频谱中分离出所需要的成分。数字滤波器通常由数字滤波器器件和数字信号处理器构成。 数字滤波器可以分为时域滤波器和频域滤波器。时域滤波器是根据信号的时间 域特性进行滤波，滤波算法通常采用卷积或差分运算。频域滤波器是将信号变换到频域后通过频率响应特性进行滤波，其通常采用离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT）等算法。 二、FPGA实现数字滤波器的方式 FPGA是一种基于可编程逻辑单元的可重构芯片，具有灵活性、高速性和可重 构性等特点，非常适合用于数字信号处理的应用。FPGA实现数字滤波器的方式主 要有两种：直接实现数字滤波器和通过CPU控制实现数字滤波器。 直接实现数字滤波器是指将数字滤波器的算法逻辑直接实现在FPGA芯片内部，其优点是响应速度快、功耗低、实现简单。缺点是难以对算法进行改进和优化。而通过CPU控制实现数字滤波器则是将数字滤波器的算法逻辑实现在CPU中，通过FPGA模块将需要滤波的信号通过DMA方式传输给CPU进行处理。该方式的优点是灵活性高、可扩展性强，缺点是响应速度慢。 三、数字滤波器设计的基本步骤
数字滤波器的设计与优化方法数字滤波器是一种用于信号处理的重要工具，广泛应用于通信、图 像处理、音频处理等领域。它能够实现对信号的去噪、平滑、提取等 功能，可以有效地改善信号的质量和准确性。在数字滤波器的设计和 优化过程中，有多种方法和技巧可以帮助我们获得更好的滤波效果。 一、数字滤波器的基本原理 数字滤波器是利用数字信号处理的方法对模拟信号进行滤波处理的 一种滤波器。它可以通过对信号进行采样、量化、数字化等步骤将模 拟信号转换为数字信号，并在数字域上进行滤波处理。 数字滤波器通常由滤波器系数和滤波器结构两部分组成。滤波器系 数决定了滤波器的频率响应特性，滤波器结构决定了滤波器的计算复 杂度和实现方式。 二、数字滤波器的设计方法 1. 滤波器设计的基本流程 （1）确定滤波器的性能指标和要求，如截止频率、通带增益、阻 带衰减等； （2）选择合适的滤波器类型和结构，如FIR滤波器、IIR滤波器等； （3）设计滤波器的系数，可以通过窗函数法、最小二乘法、频率 采样法等方法来实现；
（4）验证滤波器的性能指标是否满足要求，可以通过频率响应曲线、时域响应曲线等方式进行。 2. 滤波器设计的常用方法 （1）窗函数法：通过在频域上选择合适的窗函数，在时域上将滤波器的频率响应通过傅里叶变换推导出来。 （2）最小二乘法：通过最小化滤波器的输出与期望响应之间的误差，得到最优的滤波器系数。 （3）频率采样法：直接对滤波器的频率响应进行采样，在频域上选取一组离散频率点，并要求滤波器在这些频率点上的响应与期望响应相等。 三、数字滤波器的优化方法 数字滤波器的优化方法主要包括滤波器结构的优化和滤波器性能的优化。 1. 滤波器结构的优化 滤波器的结构优化是指通过改变滤波器的计算结构和参数，以降低滤波器的计算复杂度和存储需求，提高滤波器的实时性和运行效率。常见的滤波器结构包括直接型结构、级联型结构、并行型结构等，可以根据具体需求选择合适的结构。 2. 滤波器性能的优化
数字滤波器的设计及实现 数字滤波器是数字信号处理中常用的一种滤波器，它的作用是对数字信号进行滤波处理，可以去除高频噪声、降低信号中频率成分、增强信号。 数字滤波器可以分为有限长和无限长两种，有限长滤波器的输入和输出信号都是有限长的，无限长滤波器输入信号是无限长的，但是输出信号是有限长的。在实际应用中，有限长滤波器的应用更加广泛。 数字滤波器的设计需要考虑滤波器的特性和性能指标，例如阻带衰减、通带幅度响应、群延迟、相位线性等。以下将介绍数字滤波器的设计及实现具体步骤。 I. 确定滤波器的类型 常见的数字滤波器有低通、高通、带通和带阻四种类型。在滤波器设计中，首先需要确定所需滤波器类型。例如，需要去除高频噪声，则可以选择低通滤波器；需要去除低频成分，则可以选择高通滤波器。 II. 确定滤波器性能指标 另一个重要的因素是确定滤波器的性能指标。在确定性能指标的同时，需要对应用的信号做出充分的分析，确定所需的频率响应特性。
性能指标通常包括：通带增益、截止频率、阻带衰减、通带纹波等。这些指标都是用于评价滤波器的性能和可靠性的重要特征，通常需要在滤波器设计的早期确定。 III. 选择常见的数字滤波器 对于一般的滤波器设计，可以从常用的数字滤波器中选择一个进行优化，比如利用IIR（Infinite Impulse Response）结构的双二阶Butterworth滤波器是常用的数字滤波器之一，它的通带幅度响应为1，阻带幅度响应为0，剩余的幅度响应过渡区域平滑连续，是滤波器设计中最为常用的一种。 IV. 计算滤波器系数 一旦确定了滤波器类型和性能指标，就可以开始计算滤波器系数，系数通常通过设计软件进行计算。 IIR滤波器中的系数通常是两个一阶滤波器的级联，因此需要根据IIR滤波器的公式进行计算得出。常用的计算方法有：蝶形结构法、直接形式II法、正交级联法等。 V. 实现数字滤波器 根据滤波器的类型和性能指标，可以选择合适的实现方式。实现方式通常包括：离散时间傅里叶变换（DFT）、快速离散时间傅里叶变换（FFT）、差分方程等。 其中DFT和FFT算法是一类相似的算法，它们可以将离散的
数字滤波器的设计及实现实验报告 1. 数字滤波器是一种用于信号处理的重要工具，通过去除或衰减信号中的噪声、干扰或无用信息，从而实现信号的滤波和提取。本实验旨在学习数字滤波器的设计原理和实现方法，并通过实验验证其滤波效果。 2. 实验目的 •理解数字滤波器的基本原理和设计方法； •掌握数字滤波器的实现步骤和工具； •利用实验进行数字滤波器的设计与仿真； •分析和评估数字滤波器的性能指标。 3. 实验器材 •计算机 •MATLAB或其他数学软件
4. 实验流程 1.理解数字滤波器的基本原理和设计方法； 2.根据所需的滤波特性选择滤波器类型（低通、高通、 带通、带阻）； 3.设计滤波器的参数，如截止频率、阶数、窗函数等； 4.使用MATLAB或其他数学软件进行滤波器的设计与 仿真； 5.评估滤波器的性能指标，如频率响应、幅度响应、 相位响应等； 6.分析实验结果，数字滤波器设计与实现的经验与教 训。 5. 实验内容 5.1 数字滤波器原理 数字滤波器是通过数字信号处理算法来实现滤波功能的滤 波器。它可以通过对信号进行采样、变换、运算等处理来实现对信号频率成分的选择性衰减或增强。数字滤波器通常包含两种主要类型：无限脉冲响应（IIR）滤波器和有限脉冲响应
（FIR）滤波器。IIR滤波器具有时间域响应的无限长度，而FIR滤波器具有有限长度的时间域响应。 5.2 数字滤波器设计步骤 •确定滤波器类型：根据滤波要求选择低通、高通、 带通或带阻滤波器； •设计滤波器参数：包括截止频率、阶数、窗函数等； •进行滤波器设计：利用MATLAB等数学软件进行滤波器设计，滤波器系数； •进行滤波器仿真：通过信号输入滤波器进行仿真， 评估滤波效果； •优化和调整：根据实际需要，对滤波器参数进行优 化和调整，以获得更好的滤波效果。 5.3 实验结果与分析 经过实验设计和仿真，我们得到了一个具有良好滤波效果 的数字滤波器。在设计过程中，我们选择了一个5阶的Butterworth低通滤波器，截止频率为1000Hz。通过对信号 输入滤波器进行仿真，我们观察到滤波器能够有效地滤除输入
FPGA的FIR抽取滤波器设计 用FPGA实现抽取滤波器比较复杂，主要是因为在FPGA中缺乏实现乘法运算的有效结构，现在，FPGA中集成了硬件乘法器，使FPGA在数字信号处理方面有了长足的进步。本文介绍了一种采用Xilinx公司的XC2V1000实现FIR抽取滤波器的设计方法。 具体实现 结构设计 基于抽取滤波器的工作原理，本文采用XC2V1000实现了一个抽取率为2、具有线性相位的3阶FIR抽取滤波器，利用原理图和VHDL共同完成源文件设计。图1是抽取滤波器的顶层原理图。其中，clock是工作时钟，reset是复位信号，enable是输入数据有效信号，data_in(17:0)是输入数据，data_out(17:0)是输出数据，valid是输出数据有效信号。adder18是加法器模块，mult18是乘法器模块，acc36是累加器模块，signal_36to18是数据截位器模块， fir_controller是控制器模块。控制器定时向加法器、乘法器和累加器发送数据或控制信号，实现流水线操作。 图1 抽取滤波器顶层原理图 控制器 控制器是抽取滤波器的核心模块，有两个功能：一是接收输入数据，二是向其它模块发送数据和控制信号。它根据加法器、乘法器和累加器的时序特性，有规律地向加法器发送抽头数据，向乘法器发送系数，向累加器发送控制信号，让加法器、乘法器和累加器在每个时钟周期都完成指定的任务，从而实现流水线操作。控制器用VHDL语言描述，用寄存器存放抽头和系数。 加法器
加法器的输入和输出都是18 bit，用VHDL语言描述实现。它有两个工作时钟 的延迟，在输入数据准备好的情况下，第一个时钟得出相加结果，第二个时钟把相加结果锁存输出。 乘法器 乘法器为18 bit输入，36bit输出，用库元件MULT18X18S和36 bit锁存器实现。MULT18X18S是XC2V1000自带的18×18bit硬件乘法器，单个时钟就可完 成乘法运算。36 bit锁存器工作于时钟的上升沿，用VHDL语言描述。乘法器(mult18)也有两个工作时钟的延时，在输入数据准备好的情况下，第一个时钟得出相乘结果，第二个时钟把相乘结果锁存输出。加法器和乘法器采用锁存输出的结构，虽然增加了一个工作时钟的延迟，但有利于抽取滤波器稳定的工作，提高可靠性。 累加器 36 bit累加器用于累加乘法器的输出，得出滤波结果。它有一个控制端口 clr，当clr为高电平时，输出前一轮累加结果，并初始化，开始新一轮累加；当clr为低电平时，进行累加运算。累加器用VHDL语言描述。 数据截位器 数据截位器用VHDL语言描述，用于把累加器的36bit输出进行取舍处理，一般截掉数据低位部分，保留数据高位。为了对抽取滤波器进行功能仿真，这里截掉数据高18bit，保留数据低18bit。 工作过程及功能仿真 下面以抽取滤波器完成一次抽取滤波的全过程为例，说明抽取滤波器的工作过程。 假设时钟1、时钟2、时钟3和时钟4控制器已接收了数据x(n-3)、x(n-2)、 x(n-1)和x(n)，那么： 时钟5：控制器向加法器发送数据x(n)和x(n-3)； 时钟6：加法器进行x(n)+x(n-3)运算；控制器向加法器发送数据x(n-1)和 x(n-2)； 时钟7：加法器进行x(n-1)+x(n-2)运算，输出x(n)+x(n-3)运算结果。控制器向乘法器发送系数h(0)； 时钟8：加法器输出x(n-1)+x(n-2)运算结果，乘法器进行h(0)[ x(n)+x(n-3)]运算，控制器向乘法器发送系数h(1)； 时钟9：乘法器进行h(1)[ x(n-1)+x(n-2)]运算，输出h(0)[ x(n)+x(n-3)]运算结果。控制器向累加器发送控制信号(clr为高电平)； 时钟10：乘法器输出h(1)[ x(n-1)+x(n-2)]运算结果。累加器初始化，开始累加操作。控制器向累加器发送控制信号(clr为低电平)；
CSD编码的FIR数字抽取滤波器的设计及VLSI实现 摘要：本文介绍了一种基于CSD（Canonic Signed Digit）编码的FIR（Finite Impulse Response）数字抽取滤波器的设计及其在VLSI（Very Large Scale Integration）中的实现。该滤波器采用CSD编码的系数表示方式，利用CSD编码的特性，可以减少运算过程中的加法器和乘法器的数量，从而降低了硬件的复杂度和功耗。同时，为了进一步优化滤波器的性能，我们采用了数字抽取技术，将抽取因子设置为2，使得滤波器能够实现更高的采样率。 关键词：CSD编码；FIR滤波器；数字抽取；VLSI；硬件复杂度 1. 引言 数字滤波器在信号处理领域起着重要的作用，它可以对输入信号进行滤波和降噪处理。FIR滤波器由于其线性相位和稳定性而被广泛应用。然而，传统的FIR滤波器在硬件实现过程中存在着复杂的乘法器和加法器结构，导致了较高的功耗和硬件复杂度。因此，设计一种高效的FIR滤波器成为研究的重点。 2. CSD编码的FIR滤波器设计 CSD编码是一种用于表示系数的二进制编码方法，其主要特点是使用了正负号和0，可以有效减少系数表示的位数。在FIR 滤波器中，我们利用CSD编码来表示滤波器的系数。通过将系数
进行编码，我们可以将加法器的数量减少到最小，从而降低了硬件复杂度和功耗。 3. 数字抽取技术的应用 为了进一步优化滤波器的性能，我们采用了数字抽取技术。数字抽取是一种通过降低输入信号的采样率来减少滤波器的复杂度的方法。在本文中，我们将抽取因子设置为2，这意味着滤波器的输入采样率为输出采样率的两倍。通过数字抽取，我们可以在不影响滤波器性能的情况下，降低硬件的复杂度。 4. VLSI实现 为了验证所提出的CSD编码的FIR数字抽取滤波器的设计，在VLSI平台上进行了实现。我们采用了先进的VLSI技术和设计方法，将滤波器的各个模块进行了综合和布局，最终得到了一个高性能的滤波器。实验结果表明，所设计的滤波器具有较低的功耗和硬件复杂度，同时能够满足高采样率的需求。 5. 结论 本文介绍了一种基于CSD编码的FIR数字抽取滤波器的设计及其在VLSI中的实现。通过采用CSD编码和数字抽取技术，我们成功地降低了滤波器的硬件复杂度和功耗，并且实现了较高的采样率。实验结果表明，所设计的滤波器具有良好的性能和实用性，可以在实际应用中得。
降采样FIR滤波器的设计与硬件实现 0 引言降采样数字滤波器可广泛应用于通信、声音和图像处理系统中。而当输入信号的带宽高于需处理的带宽时，对信号进行降采样处理可以大大减少数据量，提高数据率使实时处理容易实现。同时，为了克服在频域上的混叠，还需要先用低通滤波器过滤非处理带宽的信号能量，然后再降采样，以避免混叠。本文以LTE无线通信系统为例，提出了一种完整的降采样FIR滤波器的设计和硬件实现方案。该方案在利用FDAtool得到滤波器系数之后再进行定 0 引言 降采样数字滤波器可广泛应用于通信、声音和图像处理系统中。而当输入信号的带宽高于需处理的带宽时，对信号进行降采样处理可以大大减少数据量，提高数据率使实时处理容易实现。同时，为了克服在频域上的混叠，还需要先用低通滤波器过滤非处理带宽的信号能量，然后再降采样，以避免混叠。 本文以LTE无线通信系统为例，提出了一种完整的降采样FIR滤波器的设计和硬件实现方案。该方案在利用FDAtool得到滤波器系数之后再进行定点化，并将各系数拆分成2的幂次方相加减的形式，以便进行移位相加。对于降采样，该设计没有使用传统的先滤波后采样的方案，而是在滤波过程中渗入了采样操作。这样就大大减少了硬件资源的消耗，并可将乘法器的使用数目降低到零。 1 降采样滤波器的结构原理 降采样滤波器的典型结构如图1所示，包括抗混叠滤波器和降采样器。其中D为降采样率，k表示滤波器阶数。从图1可以看出，抗混叠滤波器的输出y(n)是对输入序列x(n)加权求和的结果，即： 降采样后的输出为： 直接降低采样率往往会使信号在频域上出现混叠，所以，一般需要预先
通过一个低通滤波器抗混叠处理后再进行降采样，这个滤波器一般也称为抗混叠滤波器。图2所示是预滤波器的原理示意图。抗混叠滤波就是在满足一定分辨率和通信带宽的前提下，尽可能降低数据量，从而节约计算资源、节省存储空间，使实时处理容易实现。 2 降采样滤波器的设计与硬件实现 2．1 降采样滤波器的设计 利用matlab工具箱中自带的FDAtool可以确定滤波器的系数。首先根据系统要求确定滤波器的性能参数，比如在LTE系统中，数据传输带宽为10 MHz，其中用到一个降采样滤波器，将采样频率为61．44 MHz的信号降采样两倍后为30．72 MHz。本设计方法选择低通FIR等纹波滤波器。滤波器的阶数可以自己指定，也可以通过设置通带纹波摆幅和阻带衰减自行得到，一般通带纹波摆幅设为0．1dB，而阻带衰减设为60 dB。在满足这些性能指标的前提下，为了便于实现，滤波器的阶数设计为30阶，故有31个抽头。其设计出的低通滤波器如图3所示。
电能计量芯片 Sigma-Delta ADC降采样滤波器设计 秦龙;陈光化;刘晶晶;曾为民 【摘要】Sigma-Delta ADC 精度高,是电能计量芯片的首选 ADC.文中设计了一个应用于电能计量芯片中∑-△ADC 的数字抽取滤波器,将∑-△调制器输出的串行比特流信号转换成多位并行输出.该抽取滤波器采样多级抽取结构,由级联积分梳状滤波器(Cascaded Integrator Comb,CIC),半带滤波器(Half Band Filter, HBF)以及 FIR 补偿滤波器组成.对各级滤波器的阶数、系数进行优秀设计,实现128倍的抽取.对HBF 采用有符号正则数编码节(CSD)编码,经优化设计后,在CSMC 0.18um 工艺下综合,与传统方法相比,面积减少8%,功耗降低15%.实验结果表明：该方法使抽取 滤波器在面积和功耗上都有所改善,且性能完全符合电能计量芯片设计要 求.%Electrical energy measurement requires high accuracy,Sigma-Delta ADC meets it. It presents a decimator filter that can be used in electrical energy measurement IC for ∑-△ADC,using this decimation will converted the Sigma-Delta modulator signal of the serial bit stream into a number of parallel. The filter consists of a CIC filter,a HBF and a FIR compensation filter. Optimize the order and coef-ficient to realize decimation ratio of 128. In implemention of HBF with CSD code,use CSMC 0. 18um process to synthesis and then found the area is less than 8% ,and power dissipation is less than 15% ,compared with convention method after optimization. Experimental re-sults show the decimation filter has improved in the area and power,and performance in full compliance with the requirements of the ener-gy metering chip.
ΣΔADC中降采样滤波器的设计与验证的开题报告 一、选题背景 Sigma-Delta (ΣΔ) 调制是一种高精度模数转换技术，广泛应用到各种领域，如音频、视频、传感器采集等。其中，ΣΔADC是一种能够实现高精度模数转换的器件，由于其高精度、低功耗等优势，在很多应用中得到广泛应用。然而，在实际应用中，ΣΔADC存在抖动误差等问题，需要通过降采样滤波器的设计与验证来解决。 二、研究目的和意义 降采样滤波器是ΣΔADC中必不可少的部分，它可以帮助ΣΔADC降低抖动噪声和带宽。降采样滤波器的设计和验证对于实现高精度、低功耗的ΣΔADC非常重要。本次开题报告的目的是进行ΣΔADC中降采样滤波器的设计与验证，探讨如何减少抖动噪声和带宽，并提高ΣΔADC的采样精度和稳定性。 三、大致研究内容 本次研究的大致内容包括： 1. 探究降采样滤波器的基本原理和设计方法，掌握降采样滤波器设计的基本流程。 2. 基于MATLAB等软件工具进行仿真与分析，验证降采样滤波器的性能指标，如抖动噪声、SNR等参数。 3. 在Cyclone V FPGA芯片上实现ΣΔADC系统的硬件设计，并基于该硬件平台对降采样滤波器进行验证实验。 4. 对于实验结果进行分析和比较，优化降采样滤波器的设计。 四、预期目标
通过本次研究，在ΣΔADC中降采样滤波器的设计与验证方面取得以下预期目标： 1. 探究降采样滤波器的基本原理和设计方法，理解其性能参数指标。 2. 通过仿真与分析验证降采样滤波器的性能指标，如SNR、抖动噪 声等指标。 3. 基于FPGA实现ΣΔADC系统的硬件设计，并进行降采样滤波器的设计和验证实验。 4. 对实验结果进行分析和比较，优化降采样滤波器的设计。 五、拟采取的研究方法和技术路线 1. 研究方法 本次研究主要采用文献调研、仿真分析和实验验证的方法。 2. 技术路线 本次研究的技术路线包括： (1) 研究降采样滤波器的基本原理和设计方法。 (2) 基于MATLAB等工具进行仿真与分析，验证降采样滤波器性能指标。 (3) 在Cyclone V FPGA芯片上实现ΣΔADC系统的硬件设计。 (4) 基于该硬件平台实现降采样滤波器的验证实验。 (5) 对实验结果进行分析和比较，优化降采样滤波器的设计。 六、预期阶段性成果 1. 对降采样滤波器的设计和验证进行深入研究，取得相关的文献研 究成果。 2. 通过仿真和实验验证降低抖动噪声和带宽的降采样滤波器的性能 指标。
巴特沃斯有源低通滤波器的设计 摘要 随着社会科学技术的飞速发展，各种科技产品在人类社会中随处可见，极大的丰富了人们的日常生活。物联设备、可穿戴设备以及虚拟仪器产品在各种应用和消费场合变得极为普遍。就目前而言，在几乎所有的电子产品中，各种增益、带宽以及高性能的滤波器都发挥着至关重要的作用，例如可穿戴设备的语音信号输入系统中，运用高性能的低通滤波器进行语音信号的降噪、滤波、回声消除，来提高系统的音质和语音识别精准度等。 本论文通过对各种低通滤波器的通频带、增益和截止频率的分析，采用通频带最大扁平度技术（巴特沃斯技术）来设计实现四阶高性能低通滤波器，通过Multisum仿真软件，验证了设计的正确性。在这基础上，本文还对如何提高该滤波器的响应速度进行了研究，提出了一种有效的提高响应速度的方案，并通过仿真软件得以验证。这在低通滤波器的理论以及实际工程应用中，都具有非常重要的意义。 关键词：有源低通滤波器，巴特沃斯，运算放大器
Design of Butterworth Active Low Pass Filter ABSTRACT With the rapid development of social science and technology, various technological products can be seen everywhere in human society, which greatly enriches people's daily lives. IoT devices, wearable devices, and virtual instrument products have become extremely common in various applications and consumer occasions. For now, in almost all electronic products, various gains, bandwidths, and high-performance filters play a vital role. For example, in the voice signal input system of wearable devices, the use of high-performance low-pass The filter performs noise reduction, filtering, and echo cancellation of the speech signal to improve the sound quality of the system and the accuracy of speech recognition. In this paper, through the analysis of the passband, gain and cutoff frequency of various low-pass filters, the maximum flatness of the passband technology (Butterworth technology) is used to design and implement a fourth-order high-performance low-pass filter, through Multisum simulation software To verify the correctness of the design. On this basis, this paper also studies how to improve the response speed of the filter, and puts forward an effective scheme to improve the response speed, which is verified by simulation software. This is of great significance in the theory of low-pass filters and in practical engineering applications. KEYWORDS：active low-pass filter，butterworth，amplifier
数字滤波器概述 一、数字滤波器的基本概念 信号处理最广泛的应用是滤波。数字滤波，是指输入、输出均为离散时间信号，利用离散时间系统特性对输入信号进行加工和变换，改变输入序列的频谱或信号波形，让有用频率的信号分量输出，抑制无用的信号分量输入。或者说，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的算法。 数字滤波器是一个离散时间系统。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍。数字滤波器的频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率（即二分之一抽样频率点）呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。 数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语声信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域（如通信、雷达、声纳、仪器仪表和地震勘探等）都得到了广泛的应用。 数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。如果数字滤波器的内部参数不随时间而变化，则称为时不变的，否则为时变的。如果数字滤波器在某一给定时刻的响应与在此时刻以后的激励无关，则称为因果的，否则为非因果的。如果数字滤波器对单一或多个激励信号的响应满足线性条件，则称为线性的，否则为非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器。 二、数字滤波器的基本结构 作为线形时不变系统的数字滤波器可以用系统函数来表示，而实现一个系统函数表达式所表示的系统可以用两种方法：一种方法是采用计算机软件实现；另一种方法是用加法器、乘法器、和延迟器等组件设计出专用的数字硬件系统，即硬件实现。不论软件实现还是硬件实现，在滤波器设计过程中，由同一系统函数可以构成很多不同的运算结构。对于无限精度的系数和变量，不同结构可能是等效的，与其输入和输出特性无关；但是在系数和变量精度是有限的情况下，不同运算结构的性能就有很大的差异。因此，有必要对离散时间系统的结构有一基本认识。 在实际应用中，多处情况是利用数字滤波器来处理模拟信号。处理模拟信号的数字滤波器基本结构如图1所示： 图1 处理模拟信号的数字滤波器基本结构 在图1中，输入端接入一个低通滤波器()s H 1，其作用是对输入信号()t x 0的频率进 行限制，以避免频谱混叠，因此称()s H 1为输入抗“混叠”滤波器；在输出的端也接一个低
摘要 数字滤波器分为无限脉冲响应数字滤波器(IIR)和有限脉冲响应数字滤波器(FIR)，FIR数字滤波器在语音、图像、数字通信系统和计算机领域信号处理中有着广泛的应用。论文主要研究在Labview环境中实现FIR数字滤波器的设计。 论文重点描述了FIR数字滤波器的原理、方法、设计过程及窗函数法、频率取样法、切比雪夫逼近法等几种常用的设计方法。分别采用窗函数法、频率取样法、切比雪夫逼近法设计FIR数字滤波器，通过对几种设计方法的比较，得出了各自的优缺点。最后对在窗函数法下设计的FIR数字滤波器进行了仿真，得出了正确的仿真图形。 通过对实验的分析，说明论文在几种方法下有效地实现了FIR数字滤波器的设计，所设计的FIR数字滤波器能有效地对含噪信号进行滤波处理。 关键词：FIR数字滤波器；Labview；窗函数法；频率采样法；等波纹切比雪夫逼近法
Abstract Digital filter are divided into infinity impulse response digital filter (IIR) and finite impulse response digital filter (FIR), FIR digital filters in phonetics, image, digital communication system and in the field of computer signal processing in a wide range of applications. Thesis mainly realize Labview environment in the design of FIR digital filters. The paper describes the principle of FIR digital filters, methods, design process and window function method, frequency sampling method, chebyshev approximation method of several common design method. The author window function method were used in several different window function including rectangular window, han ning window, Kaiser window, Blake mann window and frequency sampling method, chebyshev approximation method realizes the FIR digital filters and the conclusion that various methods of FIR digital filters the frequency response of graph, through the comparison of several design method, it is concluded that the respective advantages and disadvantages. Finally in window function method to design of FIR digital filters under simulated, obtained the correct the simulation. Through the analysis of experiment in that paper, several methods efficiently implemented under the design of FIR digital filters, the design of FIR digital filters can effectively to signal with noise filtering processing. Keywords: FIR digital filters; Labview; window function method; frequency sampling method ; corrugated chebyshev approximation method