FIR滤波器的工作原理及特点

发布时间：2022-08-24 16:11
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：3271

　　在现代电子系统中，到处都可以看到数字信号处理( DSP )的应用，从MP3播放器、数码相机到手机。在这些数字信号处理系统中，如语音或音频信号处理中，有限冲激响应(FIR)滤波器是最常用的组件之一，它能完成信号预调、频带选择和滤波等功能。下面我们将来了解其的工作原理以及特点：

　　FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。

FIR滤波器的工作原理及特点

　　一、工作原理

　　在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号;为了使信号处理能够不发生失真，信号的采样速度必须满足香农采样定理，一般取信号频率上限的4-5倍做为采样频率;一般可用速度较高的逐次逼进式A/D转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计FIR滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换。

       因此由FPGA构成的FIR滤波器的输出须外接D/A模块。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。

　　二、特点

　　有限长单位冲激响应(FIR)滤波器有以下特点：

　　(1) 系统的单位冲激响应h (n)在有限个n值处不为零

　　(2) 系统函数H(z)在|z|>0处收敛，极点全部在z = 0处(因果系统)

　　(3) 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中(例如频率抽样结构)也包含有反馈的递归部分。

　　设FIR滤波器的单位冲激响应h (n)为一个N点序列，0 ≤ n ≤N —1，则滤波器的系统函数为：

　　H(z)=∑h(n)*z^-k

　　就是说，它有(N—1)阶极点在z = 0处，有(N—1)个零点位于有限z平面的任何位置。

　　以上就是FIR滤波器的工作原理及特点介绍了。DSP设计人员的工具箱的支柱之一是有限脉冲响应(FIR)滤波器。FIR滤波器越长(有大量的抽头)，滤波器的响应越好。但是更多的抽头增加了逻辑要求、增加了计算的复杂性，增加了功耗，以及有更大可能的饱和/溢出。


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　　滤波器　　滤波器是对波进行过滤的器件，是一种让某一频带内信号通过，同时又阻止这一频带外信号通过的电路。　　滤波器主要有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器三种，按照电路工作原理又可分为无源和有源滤波器两大类。本文主要对低通、高通还有带通三种滤波器做以下简单的介绍，希望电子爱好者的朋友们看完有一点小小的收获。　　低通滤波器　　电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过，电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为低通滤波器。　　低通滤波器原理很简单，它就是利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过;对于需要放行的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。　　最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成，如下图。该低通滤波器的作用是让低于转折频率f。的低频段信号通过， 而将高于转折频率f。的信号去掉。RC无源低通滤波器RC无源低通滤波器的幅频特性曲线　　这一低通滤波器的工作原理是这样：当输入信号Vin中频率低于转折频率f。的信号加到电路中时，由于C的容抗很大而无分流作用，所以这一低频信号经R输出。当Vin中频率高于转折频率f。时，因C的容抗已很小，故通过R的高频信号由C分流到地而无输出，达到低通的目的。这一RC低通滤波器的转折频率f。由下式决定：低通滤波器除这种RC电路外，还可以是LC等电路形式。　　高通滤波器　　最简单的高通滤波器是“一阶高通滤波器”，它的的特性一般用一阶线性微分方程表示，它的左边与一阶低通滤波器完全相同，仅右边是激励源的导数而不是激励源本身。当较低的频率通过该系统时，没有或几乎没有什么输出，而当较高的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减。　　实际上，对于极高的频率而言，电容器相当于“短路”一样，这些频率，基本上都可以在电阻两端获得输出。换言之，这个系统适宜于通过高频率而对低频率有较大的阻碍作用，是一个最简单的“高通滤波器”，如下图。RC元件构成的高通滤波器　　RC高通滤波器的幅频特性曲线　　这一电路的工作原理是这样：当频率低于f。的信号输入这一滤波器时，由于C1的容抗很大而受到阻止，输出减小，且频率愈低输出愈小。当频率高于f。的信号输入这一滤波器时，由于C1容抗已很小，故对信号无衰减作用，这样该滤波器具有让高频信号通过，阻止低频信号的作用。这一电路的转折频率f。由下式决定：　　高通滤波器除可以用元件外，还可以用LC构成。　　带通滤波器　　带通滤波器是一种仅允许特定频率通过，同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性，故而被广泛地应用现在电子设计中。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。带通滤波器的作用　　一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。　　通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。以上是三种常见的滤波器的简单介绍，其实滤波器的种类多种多样，在这里我们就不一一介绍了。
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　　电磁兼容(EMC)是指电子设备在其设计、生产和使用过程中，能够在不相互干扰的情况下正常工作。电磁兼容性问题是现代电子设备设计中需要重点考虑的关键之一。在保证设备正常运行的前提下，需要防止设备对外部环境产生电磁干扰或受到外部电磁干扰的影响。在这个过程中，EMC滤波器发挥着极为重要的作用。　　1. EMC滤波器的基本原理　　EMC滤波器主要分为电源线滤波器和信号线滤波器两类。电源线滤波器用于减少电源线上的高频噪声，而信号线滤波器则用于减少信号线上的噪声干扰。　　EMC滤波器通过其内部的电容、电感等元件，实现对电路中噪声信号的滤除或抑制。它可以将设备内部产生的电磁噪声滤波，同时也可以阻止外部电磁噪声进入设备系统。　　2. EMC滤波器在电子设备中的作用　　2.1 减少电磁干扰：EMC滤波器可以有效降低电子设备产生的电磁干扰，避免设备内部各个模块之间相互干扰，确保设备的正常工作。　　2.2 保护设备：通过滤波功能，EMC滤波器可以减少设备受到外部电磁干扰的影响，提高设备的稳定性和可靠性，延长设备的使用寿命。　　2.3 符合法规标准：在很多国家和地区，电子设备需要符合一定的电磁兼容性标准。EMC滤波器的应用可以帮助设备符合相关的法规标准，保证产品顺利通过认证测试。　　2.4 提高系统性能：通过减少电磁干扰，EMC滤波器可以提高系统的抗干扰能力，改善电路的各项性能指标，确保设备的正常运行。　　3. 应用场景　　1. 计算机和服务器：在计算机和服务器等设备中，EMC滤波器被广泛应用于电源模块，IO接口、信号线等部分。它能有效减少设备产生的电磁噪声，提高系统的稳定性和可靠性。　　2. 通讯设备：无线通讯设备、基站、天线等通讯设备都需要使用EMC滤波器，以保证设备之间的信号传输不受干扰，并遵守相关的电磁兼容性标准。　　3. 工业控制设备：工业自动化领域中的PLC控制器、变频器、电机驱动器等设备，需要使用EMC滤波器来降低电磁干扰，确保设备的稳定运行和生产过程的可靠性。　　4. 汽车电子：在汽车电子领域，各种控制模块、传感器、车载娱乐系统等设备需要通过EMC滤波器来抑制电磁干扰，保证车辆内部电子系统的正常工作。　　5. 消费类电子产品：诸如智能手机、平板电脑、家用电器等消费类电子产品也会采用EMC滤波器，以减少电磁干扰、提升设备的稳定性和可靠性，同时确保符合相关的法规标准。　　6. 能源领域：在能源领域，包括电力电子设备、充电桩、逆变器等大功率电子设备，利用EMC滤波器来降低电磁干扰，确保系统的安全与可靠运行。
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　　滤波器是电子与通信工程中一种至关重要的元件。它的主要功能是允许特定频率的信号通过，同时阻挡其他频率的信号。滤波器广泛应用于各种领域，比如音频处理、无线通信、信号处理以及电源管理等。　　滤波器的基本原理　　滤波器通过滤除不需要的频率成分，有效改善信号质量。滤波器的频率响应特性决定了其工作效果，通常使用幅度响应图表示。在不同的应用场景中，滤波器有不同的设计需求和特性。　　滤波器的分类　　滤波器可以根据多种标准进行分类，主要包括以下几种：　　按照频率响应特性　　低通滤波器(LPF)：允许低频信号通过，阻止高频信号。常用于去除信号中的高频噪声(如在音频处理中)。　　高通滤波器(HPF)：允许高频信号通过，阻止低频信号。常用于消除直流分量或低频噪声(如在图像信号处理)。　　带通滤波器(BPF)：只允许特定频段的信号通过，阻止其他频率的信号。适用于无线通信，能够选择特定的通信信道。　　带阻滤波器(BSF)：阻止特定频段的信号通过，允许其他频率通过。常用于消除某个频率的干扰，如电源频率干扰。　　按照实现方法　　模拟滤波器：使用电阻、电容和电感等元件构成的滤波器，通常用于模拟信号处理。它们的设计相对简单，适合低频应用。　　数字滤波器：基于数字信号处理技术实现的滤波器，适用于高频信号处理。提供更高的灵活性和处理能力，广泛应用于音频、图像处理和通信系统。　　按照工作带宽　　窄带滤波器：侧重于通过特定的窄频带，通常用于高选择性应用，如通信系统中的信号选择。　　宽带滤波器：允许较广频带的信号通过，适合多频信号的传输，如音频与视频信号的处理。　　滤波器的应用范围　　滤波器在多个领域中都有广泛的应用，具体包括：　　音频处理　　在音频信号处理中，低通滤波器用于去除高频噪声，确保音质清晰。高通滤波器则应用于去除低频噪声，维护音频信号的干净和饱满。带通滤波器可以用于均衡器，选择特定频段的声音进行增强。　　无线通信　　在无线通信领域，带通滤波器用于选择特定的频段以接收信号，避免其他频率的干扰。高通和低通滤波器也常用于信号预处理，保证信号的质量和稳定性。　　图像处理　　在图像处理中，滤波器用于平滑图像和去除噪声。高通滤波器有助于增强边缘特征，提高图像的清晰度。带通滤波器可用于选择特定频段的信息，优化图像质量。　　电力电子　　在电力电子设备中，滤波器用于抑制电源中的谐波，保护设备并改善电源质量。低通滤波器常用在开关电源和逆变器中，以平滑输出信号，确保可靠性。　　生物医学　　在生物医学信号处理方面，滤波器用于清除心电图(ECG)和脑电图(EEG)信号中的背景噪声，提取重要的生理信息。这对疾病诊断和监测具有重要意义。　　滤波器在现代电子系统中具有广泛的应用，其分类和应用范围涵盖了通信、音频处理、电力系统、生物医学信号处理和雷达系统等多个领域。
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