前言

　　数字滤波器是一种利用程序运算将模数转换后的数据值进行预定要求的处理的运算部件，它是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。作为一种电子滤波器(滤波器电路)，数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模拟滤波器不同。数字滤波器工作在数字信号域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。那么，数字滤波器有哪些优点呢?小编通过搜集整理资料，对有关数字滤波器的基础知识作了简单的介绍。

　　数字滤波器的发展及应用（数字滤波器的分类）

　　数字滤波器一词出现在60年代中期。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。

　　数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度，甚至能够实现后者在理论上也无法达到的性能。例如，对于数字滤波器来说很容易就能够做到一个 1000Hz 的低通滤波器允许 999Hz 信号通过并且完全阻止 1001Hz 的信号，模拟滤波器无法区分如此接近的信号。

　　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，其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1/2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。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。

　　数字滤波器的优点

　　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。

　　数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比。这主要是因为数字滤波器是以数字器件执行运算，从而避免了模拟电路中噪声(如电阻热噪声)的影响。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，因此在设计数字滤波器时需要采用合适的结构，以降低输入噪声对系统性能的影响。

　　数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。组成模拟滤波器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的变化而漂移，而数字电路就没有这种问题。只要在数字电路的工作环境下，数字滤波器就能够稳定可靠的工作。

　　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。应用最广的是线性、时不变数字滤波器，以及f.i.r数字滤波器。

　　数字滤波器的工作方式及组成

　　数字滤波器的工作方式与模拟滤波器也完全不同：后者完全依靠电阻、电容、晶体管等电子元件组成的物理网络实现滤波功能;而前者是通过数字运算器件对输入的数字信号进行运算和处理，从而实现设计要求的特性。

　　数字滤波器理论上可以实现任何可以用数学算法表示的滤波效果。数字滤波器的两个主要限制条件是它们的速度和成本。数字滤波器不可能比滤波器内部的计算机的运算速度更快。但是随着集成电路成本的不断降低，数字滤波器变得越来越常见并且已经成为了如收音机、蜂窝电话、立体声接收机这样的日常用品的重要组成部分。

　　数字滤波器一般由寄存器、延时器、加法器和乘法器等基本数字电路实现。随着集成电路技术的发展，其性能不断提高而成本却不断降低，数字滤波器的应用领域也因此越来越广。

　　数字滤波器的设计过程

　　●按设计任务，确定滤波器性能要求，制定技术指标

　　●用一个因果稳定的离散LSI系统的系统函数H(z)逼近此性能指标

　　●利用有限精度算法实现此系统函数：如运算结构、字长的选择等

　　●实际技术实现：软件法、硬件法或DSP芯片法

　　数字滤波器硬件电路设计

　　硬件实现的主要流程是：信号经限幅、滤波后，送入DSP 的A/D 将其转换为数字信号，

　　① 本系统抗混叠滤波器分为模拟和数字两部分。在硬件中采用了由运放组成的4 阶巴特沃斯滤波器，进行抗混叠滤波，可保证约12bits 采样精度不发生混叠。在软件设计中，为了提高对信号的观测能力，依前面提到的55 通道的频率规律，在55 个数字滤波器设计中扩充了十个切比雪夫Ⅱ型低频抗混叠通道，使总通道数增加到了65 个。数字滤波器的截止频率为150Hz。

　　② DSP 电路，它完成数据采集及波谱分析任务。系统选用的DSP 芯片是TI 的

　　TMS320C2812，主要也考虑到它在课题其他算法中的应用，因为本系统算法也可用5000 系列芯片完成。另外2812 的ADC 模块因为具有对一系列转换和自动序列化的能力,且自动序列化允许系统对同一通道转换多次,允许用户执行过采样算法。这较传统的单一采样转换结果增加了更多的解决方案[4]。2812 主要特点[3] 还包括：18K 字的片内SARAM 和128K 字的片内Flash，单周期指令执行时间为6.67ns，12 位的ADC 单路转换时间为60ns，双电源(3.3V 和1.8V)供电，含有JTAG 边界扫描仿真逻辑。

　　数字滤波器软件设计

　　软件的设计主要包括DSP 编程和单片机编程。DSP 程序主要任务是初始化、管理DSP外围电路和完成波谱分析。单片机主要是液晶驱动显示。

　　① DSP 主程序：整个程序在完成滤波器初始化设置和基本的滤波器编程之后，就可以完成整个55 通道滤波器的设计。程序中，输入信号的采样频率选为5000Hz。第一组滤波器，每个采样数据都会通过。而第二组滤波器，每隔一个采样数据通过，相当于1/2 采样频率。第三组滤波器，每隔3 个采样数据通过一次，相当于1/4 采样频率。以此类推采样间隔不同的数据通过不同的滤波器组，就实现了不同的采样频率。数据进入第几组滤波器，是由K，k156320 .k10作为while 循环和if 语句的条件来完成的。也可利用状态位(即由计数值N 转

　　化的二进制值)作为if 语句的条件来控制数据是否通过。

　　若选用12 位的ADC，4 阶巴特沃斯滤波器且信号的( ) 12 8 1/ 2

　　min max A=20log( 1.5×2 ) = 20log ?9123 .1+f/ 300 ?9126 . ，

　　进而算出max f = 2524.185Hz，根据采样定理采样频率

　　max 2 s f = f =5048Hz，据此系统中采样频率 . 整个系统通过设计的电路板和DSP 的EVM 板就可以进行调试，为测试波谱分析的效果，实验中可以通过信号源提供一个0~300Hz 的单频信号。如果改变信号的频率，则可以看到信号的波长在屏幕上移动。在工程中，产品化的波谱分析仪只要通过ADC 将经传感器过来的实际信号接入DSP 即可得到实时的信号波谱图用来进行产品分析。