一種基于VHDL實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)的濾波方法

李斐玥

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，各種儀器精密程度的提高，人們對(duì)信號(hào)質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。由于設(shè)備的缺陷和環(huán)境的干擾，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種各樣的毛刺。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，必須通過(guò)必要的方法消除或者減弱這些毛刺信號(hào)的影響。去除信號(hào)毛刺常用的有兩種方法，一種是接收信號(hào)前在硬件上串聯(lián)電阻或者并聯(lián)電容，另一種是接收信號(hào)后用軟件識(shí)別毛刺并去除。本文主要討論第二種方法。

1 原理

真實(shí)信號(hào)中毛刺的寬度一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)自身的周期，因此，從理論上講，可以通過(guò)延時(shí)的方法去除較窄的毛刺信號(hào)．在信號(hào)發(fā)生突變之后，計(jì)數(shù)器對(duì)后面的信號(hào)寬度進(jìn)行同步計(jì)數(shù)．若信號(hào)突變之后保持的寬度小于規(guī)定的數(shù)值n(濾波寬度)，認(rèn)為該信號(hào)為毛刺，否則認(rèn)為是真實(shí)的信號(hào)突變。

2 程序設(shè)計(jì)

使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)該功能。具體程序如下：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity QMC is

port(qmcClk, input : in std_logic;

y : out std_logic);

end QMC;

architecture behav of QMC is

signal tmp : std_logic_vector(7 downto 0);

signal x : std_logic;

begin

process(x,input, qmcClk)

begin

if(x=input) then

tmp<=(others=>x);

elsif(qmcClk'event and qmcClk=’1’)

then

tmp<=tmp(6 downto 0) & input;

x<= tmp(7);

end if;

end process;

y<= x;

end behav;

該程序中，y為輸出，input為輸入，tmp用于信號(hào)突變后的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)．其中，input產(chǎn)生跳變并保持若干個(gè)時(shí)鐘周期才能使tmp的最高位改變，從而使輸出改變。該時(shí)序電路在qmcClk的上升沿發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換．tmp位數(shù)為n，可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置改變。輸入信號(hào)與輸出信號(hào)先進(jìn)行比較，一致時(shí)tmp的所有位保持不變，不一致時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，將變化后的輸入從最低位依次往高位存入tmp，輸出暫時(shí)不變。如果信號(hào)突變后的寬度小于濾波寬度，tmp在最高位發(fā)生變化之前輸入信號(hào)與輸出信號(hào)重新變得一致，則認(rèn)為該突變由毛刺造成，計(jì)數(shù)清零，輸出保持不變。如果信號(hào)突變之后的累計(jì)寬度大于濾波寬度，tmp在最高位發(fā)生變化后認(rèn)為該突變?yōu)檎鎸?shí)信號(hào)，計(jì)數(shù)清零，輸出發(fā)生跳變。

3 試驗(yàn)結(jié)果

使用ISE14.6進(jìn)行仿真驗(yàn)證，生成原理圖如圖1所示。

圖1 軟件ISE14.6生成的FPGA內(nèi)部原理圖

從圖1可以看出ISE14.6自動(dòng)生成的原理圖使用了與門、非門、寄存器、觸發(fā)器等，并使用反饋的方法保持輸出穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證濾波效果，使用軟件自帶的仿真工具生成測(cè)試波形，編寫測(cè)試波形程序如下：

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.ALL;

ENTITY test IS

END test;

ARCHITECTURE behavior OF test IS

COMPONENT QMC

PORT(

qmcClk:IN std_logic;

input:IN std_logic;

y:OUT std_logic

);

END COMPONENT;

signal qmcClk:std_logic:=’0’;

signal input:std_logic:=’0’;

signal y:std_logic;

constant qmcClk_period:time:=10 ns;

BEGIN

uut:QMC PORT MAP(

qmcClk=>qmcClk,

input=>input,

y=>y

);

qmcClk_process:process

begin

qmcClk<=’0’;

wait for qmcClk_period/2;

qmcClk<=’1’;

wait for qmcClk_period/2;

end process;

stim_proc:process

begin

wait for 100 ns;

wait for qmcClk_period*10;

input<=’1’;

wait for 20ns;

input <=’0’;

wait for 20ns;

input <=’1’;

wait for 180ns;

input<=’0’;

wait for 20ns;

input<=’1’;

wait for 20ns;

input<=’0’;

wait for 50ns;

input<=’1’;

wait for 20ns;

input<=’0’;

wait for 100ns;

input<=’1’;

wait for 70ns;

input<=’0’;

wait for 20ns;

input<=’1’;

wait for 70ns;

input<=’0’;

wait for 20ns;

input<=’1’;

wait for 20ns;

input<=’0’;

wait for 180ns;

input<=’1’;

wait for 20ns;

input<=’0’;

wait for 20ns;

input<=’1’;

wait for 180ns;

end process;

END;

其中qmcClk為周期10 ns，占空比50%的時(shí)鐘信號(hào)，input為帶有毛刺的輸入信號(hào)，分別在信號(hào)的上升沿、下降沿和中間部分插入了一些寬度為20 ns的毛刺。y為輸出信號(hào)。

由測(cè)試程序生成的波形仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 濾波效果圖

由波形可以看出，輸出波形比輸入波形產(chǎn)生了約125.5ns的延遲，在高電平和低電平都成功過(guò)濾了毛刺，還原了信號(hào)。設(shè)時(shí)鐘信號(hào)qmcClk周期為T，tmp位數(shù)為n，理想狀態(tài)下延時(shí)為(n-1)T，實(shí)際由于輸出信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)qmcClk的上升沿觸發(fā)，輸入信號(hào)的上升沿和下降沿的時(shí)延不一致會(huì)產(chǎn)生額外的誤差，其時(shí)長(zhǎng)小于T。因此總延遲時(shí)間t的取值范圍是(n-1)T

4 結(jié)論

本方法由于tmp的累計(jì)過(guò)程需要時(shí)間，在真實(shí)信號(hào)突變時(shí)相位會(huì)發(fā)生改變，為了盡量減小誤差，可以提高qmcClk的頻率,此外，濾波精度受毛刺寬度和毛刺分布的影響。由于毛刺會(huì)使計(jì)數(shù)清零，毛刺頻繁發(fā)生時(shí)，間隔若小于nT，正常信號(hào)會(huì)無(wú)法顯示。其中，0-1毛刺會(huì)降低占空比，1-0毛刺會(huì)提高占空比。如果毛刺恰好在信號(hào)跳變時(shí)發(fā)生，本方法將無(wú)法識(shí)別，也會(huì)降低信號(hào)的精度。為了保證精度，qmcClk應(yīng)保證來(lái)源穩(wěn)定，根據(jù)毛刺寬度和出現(xiàn)頻率調(diào)整qmcClk的頻率和tmp的位數(shù)，其中毛刺出現(xiàn)頻率越高，選擇qmcClk的頻率應(yīng)越高，tmp的位數(shù)應(yīng)越少。延時(shí)較長(zhǎng)時(shí)不適用于對(duì)信號(hào)同步性要求很高的場(chǎng)所。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種去除毛刺的方法,適用于毛刺寬度較窄的情況，通過(guò)仿真計(jì)算分析，可知該方法可以有效消除毛刺。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法在方波濾波中取得了良好的效果。該方法通過(guò)延時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)毛刺的過(guò)濾，而濾波寬度需要根據(jù)毛刺特性，信號(hào)特性等因素綜合確定。識(shí)別的正確率和信號(hào)精度依賴于濾波寬度的選擇，如果濾波寬度太小，則較寬的毛刺會(huì)被當(dāng)作真實(shí)信號(hào)；如果太大，則真實(shí)信號(hào)容易被誤認(rèn)為毛刺信號(hào)，使得信號(hào)失真。當(dāng)毛刺出現(xiàn)在信號(hào)突變附近時(shí)，該方法濾波后會(huì)對(duì)真實(shí)信號(hào)的頻率產(chǎn)生影響[1]。