FIR数字滤波器应用分析探讨

FIR数字滤波器应用分析探讨

杨守卫

（河北省工程咨询院，河北石家庄050051）

摘

要：数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，

以达到改变信号频谱的目的。现简单介绍了FIR数字滤波器的基本情况和功能，以及FIR分布式算法原理。

关键词：FIR数字滤波器；实现方法；分布式原理

数字滤波器实质上是一个信号转换系统，它依据预定算法，把

离散时间信号转换成输出离散时间信号。数字滤波器在处理信号中主要用于处理图像、识别语音和模式。相对模拟滤波器而言，数字滤波器能够符合滤波器幅度和相位的要求，而且能够避免电压

温度漂移和噪声等问题。FIR滤波器能够保持严格的线性相漂移、位，同时它是非递归实现结构的方式，其工作具有稳定性。FIR滤

正交波器在各种数字信号处理系统中的应用都很广泛，例如卷积、

叉值的处理方面，同时，FIR滤波器的运算能够在CPU或DSP处理器上运用软件在非实时系统和低速采样系统中工作。但在一些特殊情况下，采用可编程器件反而效果会很好。

构，其中最常见的结构是直接型结构。直接型结构也称抽头延迟线

由于FIR数字滤波器本身具有对称属性，这样可以减少所应结构。

用的乘法器数量，但是加法器的数量却增加了一半，从总体上看运算量是减少了。

3.2FIR数字滤波器所具有的优点

（1）它具有严格的线性相位和任意幅度；（2）它具有性能稳定

）它可以极大地提高运算效率。的特点；（3

4

4.1

FIR数字滤波器的设计实现

设计的总体思路

1

1.1

实现数字滤波器的方法

单片通用数字滤波器集成电路实现法

单片通用数字滤波器的最大优点就是使用简单便捷，但是其如果使用多字长和阶数规格不够多，在实际应用中有很大局限性。

片扩展的方式则能使其应用范围变广，但是这会使滤波器的体积和功耗增加，导致另一种局限性。1.2

DSP器件实现法

利用DSP器件来设计FIR滤波器具有简单好用的特点，主要

是因为有专门函数来使用，这种优点使其应用很广泛。但是，由于它采用程序顺序执行，因此在一些要求高的实时性场合中的应用受到制约。1.3

可编程逻辑器件实现法

与采用DSP器件相对应，用可编程逻辑器件实现FIR滤波器，其主要适用于一些要求较高的实时性场合，在可编程逻辑器件容量不断增大、速度不断提高的情况下，使单片系统集成成为了可能。

2FIR数字滤波器的基本原理

滤波主要是提取输入信号中的特定频率范围的信号成分，经过对这些信号成分的处理，得到输出信号，这个过程就是滤波，能够进行滤波处理的电路运算或设备就是滤波器。首先，数字滤波器对信号进行滤波处理。数字滤波器具有高精确度、高稳定性、高灵活性的特点。随着数字技术的快速发展，数字滤波器越来越受到人们的青睐和欢迎，必将发挥越来越大的作用。

3

3.1

FIR数字滤波器的分布式算法

在总体设计方面

分布式算法用不同于传统运算执行部分运算顺序的方法来实现乘加运算。简而言之，分布式算法通过把各个输入数据的对应部分产生的积提前相加得到相应部分积，然后再把各部分积进行累加，从而得到最终结果，传统算法则是先得出所有乘积，再把这些乘积相加起来得到结果。从这里可以看出，分布式算法能够大幅度地减少硬件电路规模，实现流水线处理，达到加快电路执行速度的效果。

FIR数字滤波器有直接型、级联型和频率抽样型3种基本结

根据所抽取的滤波器的工作原理，这里采用FLEX10K设计了

利用原理图和VHDL一个具有线性相位的16阶FIR抽取滤波器，

来共同完成源文件设计。

FIR滤波器的设计指标：采样频率：5kHz；截止频率：2kHz；类型：低通；系数数据宽度：8位。

参数提取：使用MATLAB6.1软件中FilterDesignToolbox工具箱中的FDATool，选择低通滤波器，Kaiser窗设计方法，Fs＝5kHz，Fc＝2kHz，阶数为16位，线性相位。

以数字系统的输入、输出关系为依据，结合模块的设计思想，

这6个模块分别为：控制模块、数据寄存模划分系统为6个模块，

块、加法模块、计数模块、数据选择模块以及乘加模块。其中，控制模块处于核心地位，控制模块的应用，能够在相应的周期内进行A／D读入、转换和读出数据，然后进行数据存储，通过加法模块将2个相同系数的采样值相加，以达到节省储存空间的效果。采样值加完后，把地址部分选择的信号与对应的系数相乘，然后输出，经过8次累加，数据线送至输出端，再送至D／A转换器，这样，数字信号就可以转换成模拟信号。把输出接至示波器，利用高频信号发生器在输入端输入一个模拟信号，信号最高频率需要保持在滤波器截止视频范围内，信号在示波器上才能顺利通过。

在编程过程中，要注意应用模块化的设计思想，在对各个部分进行综合前要对各个模块实行调试，从而达到程序设计的最大优化，这样一旦某个部分出现问题，可以单独修改仿真调试，不用再从整体上查找。4.2各模块实现

4.2.1控制模块的实现

控制器在抽取滤波器中处于核心地位，它具有接受输入数据和向其他模块发送控制信号和数据的2个功能。它在向加法器发

乘法器和累加器送抽头数据时，依据一定的规律，并按照加法器、

的时序特性，使它们在每个时钟周期内都可以完成任务，实现流水线操作。

4.2.2数据移位模块的实现

数据移位寄存器有16个触发器，每来1个脉冲，数据依次往后移。

4.2.3加法模块的实现

本文所设计的滤波器是具有线性相位的FIR滤波器，满足偶

（下转第49页）h（n）=h（n－N－1）。对称条件：

机电信息2011年第15期总第297期47ZhuangbeiyingyongyuYanjiu◆装备应用与研究

表1

扇区A

BC

D

C1C2A1A2

POOPPOPOOPOOPPOPPO

各小区所发矢量表

按顺序所发矢量

OOOPOOPONPONPOOPPN

OONOOOPNNOONPONPON

ONNOONONNONNOONOON

OONOOOPNNOONPONPON

OOOPOOPONPONPOOPPN

POOPPOPOOPOOPPOPPO

由于试验条件所限，试验阶段带电抗器负载对变流器性能进行试验，实验结果如图8所示，实现了三电平变流器作为电源去带动负载。

当计算出各小区所发矢量作用时间后，即可按此顺序生成SVPWM脉冲，进而驱动逆变器生成所需频率的交流电能。2.3三电平变流器控制的实现

逆变器控制芯片DSP接收到上位机传来的电压幅值和幅角信息，按照上述的SVPWM产生方法发出IGCT触发脉冲触发相应的IGCT。其控制框图如图6所示。

4结论及展望

通过上面系统主电路结构设计、三电平SVPWM控制算法的研究，通过仿真和实验的手段验证了该变流器可以安全可靠的工作，在未来完全可以应用于大型船舶推进系统中。

3仿真与实验验证

［参考文献］

［１］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７［２］马小亮．大功率交－交变频调速及矢量控制技术［Ｍ］．北京：机械工

业出版社，２００４

在前述的硬件结构以及控制软件的配合下，对系统进行了原

理上的算法仿真，结果如图7所示，可见控制算法和原理是可行的。

收稿日期：2011－04－28

作者简介：董业宗（1957—），男，湖北大冶人，工程师，研究方向：船舶修造。

（上接第47页）

利用加法模块来减少乘法运算的计算量，提高运行速度，简化

设计。

4.2.4数据选择模块的实现

根据计数器发送的地址选择信号，依次输出D0～D7的8个数据，送往乘法累加单元，与ROM中的特征参数对应进行乘法累加。

4.2.5计数模块的实现

计数模块按照控制器所产生的COM_CLK（与计数器的CLK相连）信号，向数据选择模块和ROM单元发送地址信号，取出数

CLK是时钟信据与参数，送往乘法累加单元进行乘法累加。其中：

号，CLR是清零信号，Q［2..0］是输出地址信号。4.2.6乘法累加模块的实现

乘法累加单元接受来自数据选择单元的数据和ROM单元内的特征参数，完成乘法累加的运算，并最终输出结果，送往D／A转换器。

过程中应用非常广泛，其应用灵活、精确度高、抗干扰能力强、速度快等，是模拟信号处理技术和设备无法比拟的，可以预见，FIR数字滤波器在未来必将得到更加广泛的应用。

［参考文献］

［１］宋寿鹏．数字滤波器设计及其应用［Ｍ］．镇江：江苏大学出版社，

２００９［２］樊景峰，吴加富．ＦＩＲ数字滤波器的优化设计［Ｊ］．开封大学学报，２０１０（３）：８５～８９［３］林爱英，谷小青，郑宝周．用频率采样法设计ＦＩＲ过滤器［Ｊ］．现

代电子技术，２０１０（１８）：８５～８７

［４］张建伟，展雪梅．ＦＩＲ数字滤波器的设计与实现［Ｊ］．无线电工程，

２０１０（６）：５４～５６

5结语

由于FIR数字滤波器具有线性相位，因此在信息采集及处理

收稿日期：2011－04－13

作者简介：杨守卫（1975—），男，河北省饶阳县人，工程师，研究方向：雷达工程。

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