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王致华的专栏

名家专栏投稿作品

    现在电子信息处理技术进入了数字时代,数字滤波器得到广泛应用,对于滤波方式的选择就不仅仅局限于过去的模拟滤波器,可以选择模拟、数字、模拟加数字三种情况,这就是滤波器设计的系统决策问题。因为模拟、数字滤波器各有其优势,所以不能普遍排斥或取代,在特定的环境中其成本是不同的,在某些情况下某种滤波器非常合适,在某些情况下某种滤波器难以使用,在某些情况下同时使用两中滤波器可能会得到成本、性能的最优化。如果同时使用,那么两者的噪声拟制任务如何界定、以什么原则分配噪声拟制任务?本文试图回答这样的问题。


    一、模拟、数字滤波器的特点:


    模拟滤波器的特点:

    1) 由电容、电阻、电感放大器和其他物理器件构成,系统简单。

    2) 适应的频率范围宽,频率可以覆盖整个物理频率范围。

    3) 频率特性稳定性受物理其间的特性限制,有一定的温度漂移。

    4) 一般存在相位失真,幅频特性和相频特性难以兼顾同时不失真。

    5) 具有附加噪声。

    6) 通过滤波+放大不但能削弱噪声,还能够提高信号的分辨率。

    7) 必须进行实时滤波。

    8) 信号带宽不大于器件带宽。

    9) 不存在频谱泄露。

    10) 不容易实现程控性。

    11) 不容易更改设计。

    12) 成本一般低于数字滤波器。成本一般与频率成反比,频率越高成本越小。

    13) 体积一般与频率成反比,频率越高体积越小。

    14) 功耗可以设计的很低。

    15) 可以做到无源滤波。

    16) 虽然模拟滤波器知识比较专业,但是有手册图表,设计比较程序化,技术实施相对容易。


    数字滤波器的特点:

    1) 由AD转换器、数字信号处理器、寄存器构成,系统复杂。

    2) 适应的频率范围相对小,一般为低频、中频范围,频率一般不超过兆赫。

    3) 频率特性与物理器件特性无关,没有温度漂移,滤波器的频率特性稳定性好。

    4) 无相位失真。

    5) 没有附加噪声。

    6) 只能削弱噪声,而不能提高信号的分辨率数字。

    7) 可以进行实时滤波,还可以非实时滤波。

    8) 信号带宽不高于采样频率的一半,如不满足则需要加反混淆滤波器或提高采样频率。

    9) 可能存在频谱泄露。

    10) 容易实现程控性。

    11) 容易更改设计。

    12) 成本一般高于模拟滤波器。成本一般与频率成正比,频率越高体积越大。但是随着数字技术的发展成本逐渐降低,在具体情况下甚至低于模拟滤波器。

    13) 体积一般与频率成正比,频率越高体积越大。

    14) 功耗一般比模拟滤波器大,并且与频率成正比,频率越高功耗越大。

    15) 必定是有源滤波。

    16) 需要比较复杂的数字信号处理知识、实施相对困难、费时。

    17) 采用多次重复采样,数字滤波也能达到降低噪声并提高数字精度,但这只适应于随机噪声,对于周期噪声难以提高数字精度。


    以上各自的特点就是各自存在的空间和不能适应的场合,基本上高频领域依然是模拟滤波器的市场,功能简单、低功耗、高实时性、要求不高的滤波基本以模拟滤波为主,无相位失真的滤波、复杂特性的滤波、高稳定性的滤波、对成本、功耗、体积要求不高、非实时性、的高精度、可变参数滤波就说很适应于数字滤波器,采用那种滤波方案也与工程师的知识结构及系统结构有关,如果系统没有数字处理部分,那么就必须无可选择的使用模拟陷波器;有数字部分,但不具备数字滤波功能,也需要设计模拟陷波器;有数字处理部分,但是出于成本、功耗、技术、时间的考虑,可能不使用数字滤波而使用模拟波器。




    三、模拟-数字复合滤波系统的系统方案设计的总原则:


    根据模拟、数字滤波器的特点和上面的定理,可以给出滤波器系统的一种系统设计总原则:

    1) 原始信噪比大于0dB时,滤波器可以可以为单一的模拟滤波器,也可以设计为单一的数字滤波器进行滤波,数字滤波后信号精度数丢失不超过1,基本不丢失精度。

    2) 原始信噪比小于0dB时,最好设计成模拟-数字复合滤波系统,模拟、数字滤波器的一个功能分配原则:模拟滤波器负责将信比提高到不低于0dB(最高不超过20dB),数字滤波器将信噪比提高到不低于AD转换器的信噪比,滤波后的数字信号精度基本不丢失。

    3) 原始信噪比小于0dB,噪声是随机噪声,并且信号是低频信号,可以采用多次重复采样,通过单一数字滤波降低噪声和提高采样精度,即以加宽数字频带换取数字精度的提高。但是对于周期点噪声干扰如50Hz干扰多次重复采样情况就比较复杂,这种噪声通过FFT变换能够有效消除。


    根据上面的讨论,若AD转换器为16位,信号中存在50Hz高相对噪声,原始信号信噪比为-48dB,即1/256,则Ns=16-20log(257)/6=16-8.03=8, 或者直接用(3)式:

    drtNs=|-48|/=8,Ns=Na-drtNs=16-8=8,这就是说,用16位的AD转换器对-48dB信噪比的信号进行数字滤波只能最大得到8位精度的数字信号。如果SNR=1,则由(4)式drtNs=1,Nd=Na-1=15,基本不损失精度。如果SNR=10,即20dB,可以认为数字滤波后完全不损失信号精度。

    有这样的设计案例:希望从10V的50Hz干扰中提取100mV的信号,最终的信噪比不低于60dB。显然,原始信噪比为-40dB,如果完全用数字滤波,数字信号的分辨力应大于100dB,16位AD转换器的高分辩力是96dB,少4dB,可以将就用。

    生物电非常微弱,心电算是比较高的了,在毫伏级,脑电、肌电、听觉、视觉等人体诱发电位通常在微伏级,甚至低到0.1微伏以下,这些生物电信号完全淹没在噪声之中,通过周期性刺激产生周期信号,通过数字迭加去噪技术提取微弱信号,有上千次的迭加,但是,迭加次数也不是无限的,因为刺激次数超过数千次后人体生物电会产生疲劳,信号特性发生变化,如果在数字采样之前能将信噪比提高到0dB, 将减少相当的迭加次数,在数字信号处理中采用数字滤波、通过特定的信号模型,建立快速提取算法,最终经最少次数提取出信号特征。尽管人体电信号提取一般采用仪器放大进行共模拟制,但是对称性是难以完全满足,因此会有一部分50Hz干扰转换为差分信号,对于微伏级信号,这部分差分信号还是不小的,如果不通过模拟电路进行滤波,就需要数字滤波,会影响数字信号精度数,如果不进行数字滤波,通过周期采样也能消除,但是会增加迭加次数(实际上迭加平均本身就一种数字滤波)。早期的诱发电位仪没有数字滤波器,因为AD转换在250KHz以上,当时处理高速数字信号还是有一定困难,现在处理250KHz以上的数字信号已经没有困难,因此新的诱发电位设备都有数字信号处理器。早期采用硬件程控滤波器尽量削弱噪声,现在可以通过数字程控滤波器代替模拟程控滤波器,早期采用12位AD转换器,现在可以采用16位甚至更高的AD转换器,采样速度甚至在MHz以上。

    现在数字技术高度发展,在理论上可以取代模拟滤波器,在技术上有取代模拟滤波器的趋势。其实取代不取代主要看要求、看成本、看场合,看综合性能,不必追求时髦。某些领域是很难取代的,从上面的对比上看,模拟滤波器的优点还是满多的,有些地方用模拟滤波非常好,特别是它有一个最大的优点是滤波后通过放大可以提高分辨力,这是数字滤波器所没有的(这是对单次采样情况而言,如果采用多次采样,也可能噪声并提高数字精度,但以牺牲数字带宽、增加功耗、成本为代价),这就是它在高性能复合滤波系统中存在的根本理由,模拟、数字滤波并用,各取所长各避所短,就可以构成高性能高性价比的信号处理滤波系统。

  • 阅读(42207)  |   评论(30)  |   推荐(111)
网友评论
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  • 匿名好博文
  • 2012/12/26 17:22:23回复
  • 头像
  • 匿名专业
  • 2012/12/26 17:16:23回复
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  • 匿名支持
  • 2012/12/26 16:32:32回复
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  • 匿名学习了
  • 2012/12/26 16:31:57回复
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  • 匿名好专业
  • 2012/12/26 16:31:19回复
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  • 匿名模拟-数字复合滤波器系统的系统方案设计
  • 2012/12/26 16:30:43回复
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  • 匿名欢迎分享转载
  • 2012/12/26 10:54:31回复
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  • 匿名赞一个
  • 2012/12/26 10:54:04回复
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  • 匿名还不错
  • 2012/12/26 10:53:47回复
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  • 匿名很专业
  • 2012/12/26 10:44:28回复
  • 发表评论(已有30条评论)
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