原创 基于FPGA的数字滤波设计—系统需求

数字滤波设计—系统需求

1、系统需求

1.1系统架构

三片ADS8320控制72路AD通道，每片AD器件通过模拟开关采集24路模拟通道。采样频率为1K，数字滤波也按照1K的数据流进行，后级根据不同的采样需求，抽取出128、256、512序列。在FPGA内部设计的基本结构如下。

图1.1 基本FPGA的数字滤波系统的结构

1.2滤波器的性能指标

我们在进行滤波器设计时，需要确定其性能指标。一般来说，滤波器的性能要求往往用频率响应来表征。以低通滤波器特性为例，频率响应有通带、过渡带及阻带三个范围。常见的指标主要有：幅度特性的允许误差（纹波）；过渡带斜率（滚降是否达到要求）；带外衰减。

通带：    1- A_P≤| H(e^jω)| ≤1            |ω|≤ω_c（纹波尽了小）

过渡带：要求过渡带滚降要快，迅速达到衰减要求

阻带：   |H(e^jω)| ≤ A_stω_st ≤|ω|≤ω_c                          （阻带衰减要大）

其中ω_c为通带截止频率，ω_st为阻带截止频率，A_p为通带误差,A_st为阻带误差。 

图1.2 模拟低通滤波器频率响应幅度特性的容限图

与模拟滤波器类似，数字滤波器按频率特性划分为低通、高通、带通、带阻、全通等类型，由于数字滤波器的频率响应是周期性的，周期为2π。各种理想数字滤波器的幅度频率响应如图1.3所示。

图1.3 各种理想数字滤波器的幅度频率响应

1.3本设计中的滤波需求

对每一个通道采集的数字量进行数字滤波，要求设计低通和带通两种滤波器。其中低通滤波器用来滤除带外噪声信号包括50Hz或60Hz工频信号，带通滤波器用于阻抗测试，主要滤除直流成分。

低通(lowpass)滤波器指标：

       原采样率（AD采样频率） ：Fs=1024Hz

通带                                   ：Fpass=60Hz

截止频率                            ：Fc=64Hz

通带纹波                            ：Apass<0.2dB

阻带衰减                            ：Astop>50dB

例如按照指标设计出的IIR频率响应：

图1.4 IIR频率响应

带通(bandpass)滤波器指标：

采样频率Fs=256

Fc1=18

Fc2=22

阻抗测试时，输入的是标准的正弦波信号，其噪声比较小，阻带衰减可以不做太苛刻的要求。数字滤波器阶数和结构按照低通指标来设计，而低通和带通滤波不同之处仅在系数上面。设计完成后，按照不同的需求，加载不同系数，完成低通和高通的功能。在设计这种共用滤波结构的不同类型的滤波时，按照指标要求比较苛刻的滤波器设计。在确定滤波器的阶数和结构后，再由其设计出指标比较低的另外一种滤波器。所以，以下设计都是按照低通滤波器参数来设计。