0 引言
在進(jìn)行高沖擊信號采集試驗(yàn)時(shí),,雖然在采集板中設(shè)計(jì)了硬件濾波單元,,但依然存在著采集信號毛刺較多的現(xiàn)象,這為后續(xù)信號的識別和分析帶來了不便,,因此需要采用軟件濾波的方法對信號進(jìn)行再次處理,。
常用的數(shù)字濾波器有IIR濾波器和FIR濾波器。從性能上看,,IIR濾波器所用的系數(shù)少,,可以提高運(yùn)算速度,但其相位響應(yīng),,特別是帶沿為非線形,,穩(wěn)定性不能一直得到保證。FIR數(shù)字濾波器可以得到嚴(yán)格的線性相位,,但對同一幅頻特性要求,,實(shí)現(xiàn)階數(shù)高,運(yùn)算量大,。因此一般的IIR和FIR數(shù)字濾波器難以做到嚴(yán)格的線性相位與小運(yùn)算量兼顧,,再加上采用浮點(diǎn)運(yùn)算,影響了對信號的實(shí)時(shí)處理速度,。
在對采集的沖擊信號進(jìn)行軟件濾波處理時(shí),,為了加快計(jì)算速度,,對濾波器的性能要求并不是很高,濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)簡單易行,,因此整系數(shù)濾波器是很好的選擇,。這里詳細(xì)說明了建立在極零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的簡單整系數(shù)濾波器的遞歸實(shí)現(xiàn)方法,并在硬件自帶開發(fā)環(huán)境IAREmbedded Workbench中編寫濾波算法,,將其應(yīng)用在所設(shè)計(jì)的信號采集系統(tǒng)中,,取得了較好的試驗(yàn)效果。
1 建立在極零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的簡單整系數(shù)濾波器
建立在極零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的整系數(shù)濾波器以“梳狀濾波器”為基礎(chǔ),,通過設(shè)置不同的極點(diǎn)位置及抵消相應(yīng)位置處的零點(diǎn),,分別設(shè)計(jì)出具有低通、高通,、帶通和帶阻特性的整系數(shù)濾波器,。
若一系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:
可以看出,H(z)有M個(gè)零點(diǎn)均勻分布在單位圓上,,它的頻率響應(yīng)為:
這構(gòu)成了一個(gè)最簡單的“梳妝濾波器”,,它由其在2π內(nèi)有M個(gè)等分零點(diǎn),并且幅度為梳妝而得名,。
若z=1處設(shè)置一個(gè)極點(diǎn),,用以抵消H(z)處的零點(diǎn),則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:
當(dāng)M=10時(shí),,其極一零分布以及幅頻特性分別如圖1和圖2所示??梢钥闯?,該濾波器具有低通特性,系數(shù)為整數(shù),。
由圖2可以看出,,濾波器的阻帶性能不好,這是因sin函數(shù)的較大邊瓣引起的,。為了壓縮這些邊瓣,,取得更好的性能,需將濾波器的傳遞函數(shù)HLP(z)取k次方,,得到:
為了進(jìn)行歸一化處理,,需將式(5)除以N,濾波器的系數(shù)就是非整數(shù),,無法體現(xiàn)進(jìn)行濾波器整系數(shù)的優(yōu)勢,。因此可以先將信號數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,濾波后的數(shù)據(jù)再除以N,,這樣既利用了整系數(shù)濾波器的良好性能,,又達(dá)到了歸一化的目的,。通過這種方法設(shè)計(jì)出的濾波器,性能基本可滿足要求,,在設(shè)計(jì)帶通和帶阻濾波器時(shí),,頻率的選擇會(huì)受到一定限制。
2 低通數(shù)字濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)
2.1 整系數(shù)低通濾波器的實(shí)現(xiàn)
分析所要應(yīng)用的硬件電路和采集信號的參數(shù)時(shí),,結(jié)合上一節(jié)所介紹的濾波器設(shè)計(jì)方法,,進(jìn)行簡單整系數(shù)低通濾波器的設(shè)計(jì)。要求截止頻率fp=1 kHz,,采樣頻率fs=60 kHz,,通帶衰減ap=3 dB,阻帶衰減as=40 dB,。由式(4)及式(5),,有:
由已知條件可知,相應(yīng)數(shù)字濾波器3 dB的通帶邊界頻率為:
又由于在0~2π內(nèi)M個(gè)過零的點(diǎn)中,,峰值出現(xiàn)在3π/M處,,因此阻帶中對應(yīng)as=40 dB的頻率ωs=3π/M。
由式(6)可得:
所以,,k=as/13.46=40/13.46=2.971,,在此取k為整數(shù),四舍五入得到k=3,。
又有:
這里取M為偶數(shù),,因此M=16。
由此可以得到所設(shè)計(jì)的低通濾波器的傳遞函數(shù)為:
對應(yīng)的差分方程為:
可以得到:
為了得到所設(shè)計(jì)的低通濾波器的幅頻特性曲線,,應(yīng)將傳遞函數(shù)進(jìn)行歸一化處理,,即:
得到幅頻特性曲線如圖3所示。
2.2 巴特沃斯低通濾波器的實(shí)現(xiàn)
Matlab軟件提供了豐富的數(shù)字濾波函數(shù),,可模擬出數(shù)字濾波器的幅頻,、相頻特性。為了對比濾波效果,,在Matlab軟件中利用現(xiàn)有的巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)函數(shù):
仿真出合適的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器,。式中:b,a分別代表所設(shè)計(jì)的濾波器傳遞函數(shù)中分子系數(shù)和分母系數(shù),;n為濾波器階數(shù),;ωn為歸一化采樣頻率,取值范圍為0~1,。
根據(jù)已知條件:濾波器的截止頻率為1 kHz,,采樣頻率為60 kHz,確定濾波器的階數(shù)為4,。設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)如圖4所示,。
3 簡單整系數(shù)數(shù)字濾波在信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
設(shè)計(jì)的信號采集系統(tǒng)中中央處理器為MSP430F449超低功耗系列單片機(jī),,選用MEMS高g值加速度傳感器作為系統(tǒng)的信號輸入環(huán)節(jié)。采集系統(tǒng)硬件電路的采樣頻率為60 kHz,,硬件濾波器的截止頻率為10 kHz左右,,結(jié)合所需采集的沖擊信號,分析并確定軟件濾波截止頻率為1 kHz,。結(jié)合前面所設(shè)計(jì)濾波器的傳遞函數(shù),,在硬件的開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench中編寫濾波算法,調(diào)試成功后,,應(yīng)用在信號采集系統(tǒng)的硬件電路中,,進(jìn)行測試試驗(yàn)。
應(yīng)用四階巴特沃斯低通濾波器和整系數(shù)數(shù)字濾波器對采集的原始沖擊信號進(jìn)行濾波,。濾波結(jié)果如圖5,、圖6所示。從圖中可以看出,,兩種濾波方法有效地對原始信號進(jìn)行了平滑處理,,且濾波后的曲線基本相似,保證了原有數(shù)據(jù)的真實(shí)性,。但所設(shè)計(jì)的整系數(shù)濾波器,,系數(shù)為整數(shù),設(shè)計(jì)簡單,,運(yùn)算速度塊,,同時(shí)考慮到單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行定點(diǎn)數(shù)的計(jì)算速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浮點(diǎn)數(shù),且MSP430系列單片機(jī)對16位數(shù)據(jù)類型的操作效率最高,,因此選用簡單整系數(shù)數(shù)字濾波器作為采集系統(tǒng)的軟件濾波方法,,在保持原有信號性能的情況下。更能有效地提高信號采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力,。
4 結(jié)語
常用的數(shù)字濾波器在運(yùn)算中采用浮點(diǎn)運(yùn)算,由高級語言實(shí)現(xiàn),,運(yùn)算速度慢,,特別對手小型儀器,無疑提高了成本,。本丈在所設(shè)計(jì)的高沖擊信號采集系統(tǒng)中選用簡單整系數(shù)數(shù)字濾波器作為采集系統(tǒng)的軟件濾波方法,,進(jìn)行了模擬試驗(yàn),輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定,,準(zhǔn)確可靠,,實(shí)時(shí)性好,滿足了系統(tǒng)信號采集的濾波要求,,具有一定的應(yīng)用價(jià)值,。