一種用于過采樣-DAC和D類音頻功率放大器的插值濾波器設(shè)計(jì)
摘 要： 本文提出了一種用于過采樣 - DAC和D類音頻功率放大器的插值濾波器的設(shè)計(jì)方法,利用此方法設(shè)計(jì)出了一個(gè)4倍的插值濾波器。
關(guān)鍵詞：插值濾波器;多級濾波;無限沖擊響應(yīng)(IIR);全通濾波器;過采樣
引言
作為 - DAC的重要組成部分,當(dāng)濾波器輸出數(shù)據(jù)到數(shù)字 - DAC時(shí),數(shù)字插值濾波器會(huì)產(chǎn)生更多的取樣點(diǎn)使調(diào)制器的輸出數(shù)據(jù)更加平滑,插值濾波器的使用也降低了 - DAC的復(fù)雜度。嚴(yán)格的插值濾波器,是先經(jīng)過零值內(nèi)插,然后低通濾波得到的,其最后輸出是一低通濾波器,如何有效地實(shí)現(xiàn)這一濾波過程將是插值濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
傳統(tǒng)的插值濾波器采用有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器,它具有良好的線性相位,但設(shè)計(jì)需要的階數(shù)高,代價(jià)大。因此,本文提出了采用無限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的思想,用matlab信號處理工具箱構(gòu)造出濾波器的數(shù)學(xué)模型,用verilog HDL語言對這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述,并用XilinxISE軟件進(jìn)行仿真和分析。
圖1 插值濾波器完整結(jié)構(gòu)圖
圖2 IIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖以及操作碼功能
(a) 輸入信號波形 (b) 輸出信號波形
圖3 系統(tǒng)輸入/輸出波形比較
實(shí)現(xiàn)策略
濾波器的選取
本文采用IIR濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì),相比FIR濾波器,IIR濾波器可以用更少的階數(shù)達(dá)到低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo),計(jì)算量更小,但它不能像FIR一樣可以精確地獲得線性相位響應(yīng),內(nèi)插信號的波形的包絡(luò)不能完全保持,為了達(dá)到線性相位的要求,本文級聯(lián)了一個(gè)全通濾波器作為補(bǔ)償濾波器來調(diào)整系統(tǒng)的相頻響應(yīng)。
多級濾波
分級插值濾波可以顯著地降低運(yùn)算量,這樣就減少了運(yùn)算速率;而且采用分級插值濾波可以降低每個(gè)濾波器的要求,允許每一級歸一化的過渡帶比較寬;簡化濾波器設(shè)計(jì)問題;分級也降低了系統(tǒng)中的存儲(chǔ)量;實(shí)現(xiàn)濾波器時(shí)可減少有限字長效應(yīng);多級結(jié)構(gòu)中某一級產(chǎn)生的舍入噪聲會(huì)部分地被下一級濾除�；谶@些優(yōu)點(diǎn),分級插值濾波是一種相當(dāng)高效的優(yōu)化方法。本文采用二倍插值濾波器級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高倍插值。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該濾波器分成兩級實(shí)現(xiàn),將信號逐步從44.1KHz升到176.4KHz的采樣頻率,每一級的插值為2,兩級均為IIR濾波器,采用橢圓型設(shè)計(jì),根據(jù)兩個(gè)橢圓濾波器的相位延遲,級聯(lián)一個(gè)全通濾波器對其相位進(jìn)行糾正。全通濾波器工作在44.1KHz,第一級插值濾波器工作在88.2KHz,只有第二級插值濾波器工作在176.4KHz,相比改進(jìn)前要求系統(tǒng)全工作在176.4KHz,運(yùn)算速率明顯減小,這對于后期的硬件實(shí)現(xiàn)非常有利。
低通濾波器的設(shè)計(jì)
插值濾波器中各級濾波器技術(shù)指標(biāo)為(在本設(shè)計(jì)中K=2):
(1) 各級濾波器的通帶誤差容限都等于系統(tǒng)總的誤差容限的1/K,各級濾波器的阻帶誤差容限都等于系統(tǒng)總的阻帶誤差容限.
(2) 各級濾波器的通帶上限邊緣頻率都等于系統(tǒng)的通帶上限邊緣頻率.
(3) 最后一級濾波器的阻帶下限邊緣頻率等于系統(tǒng)總的阻帶下限邊緣頻率.
(4)第i(i=1,2,,K-1)級的阻帶下限邊緣頻率需滿足fsi=Fi-fp, Fi為該級濾波器的抽樣頻率,fp為系統(tǒng)的通帶上限邊緣頻率。
