音频滤波器设计
C语言中的音频处理与音乐合成
C语言中的音频处理与音乐合成IntroductionC语言作为一种通用性编程语言，广泛应用于嵌入式系统以及音频处理领域。
音频处理与音乐合成是C语言的一个重要应用之一。
本文将介绍C语言中的音频处理和音乐合成技术，涵盖频谱分析、滤波器设计、音频合成等方面。
一、频谱分析频谱分析是音频处理的重要一环，它能帮助我们了解音频信号的频率特征。
在C语言中，我们可以使用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）来实现频谱分析。
通过DFT，我们可以将时域上的音频信号转换为频域表示，得到音频信号的频谱图像。
二、滤波器设计滤波器设计是音频处理中的关键步骤之一，它可以用来增强或削弱音频信号的某些频率成分。
在C语言中，我们可以利用数字滤波器来实现滤波器设计。
常见的数字滤波器类型有有限冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器和无限冲激响应（Infinite Impulse Response，IIR）滤波器。
我们可以根据需求选择适合的滤波器类型，设计出满足要求的滤波器。
三、音频合成音频合成是将不同音频信号进行合并，生成新的音频信号的过程。
C语言提供了一些合成音频的库，如OpenAL和PortAudio等。
这些库可以用于生成各种音频效果，如混响、合唱等。
四、文件读写与格式转换在音频处理领域，经常需要处理音频文件，如读取音频文件、将音频文件转换为其他格式等。
C语言提供了文件读写的标准库函数，我们可以利用这些函数来实现音频文件的读写操作。
此外，还可以使用开源的音频处理库，如libsndfile和libavcodec等，来实现更复杂的音频文件处理和格式转换。
五、实时音频处理实时音频处理是指在音频信号产生的同时进行处理，常用于实时音频效果的实现，如实时混响、实时降噪等。
在C语言中，我们可以利用多线程或回调函数等方式来实现实时音频处理。
通过合理的线程管理和优化算法，可以实现低延迟的实时音频处理。
基于音频信号的数字滤波器设计实验
基于音频信号的数字滤波器设计实验作者：欧阳华杨忠林周卫平来源：《大学教育》 2017年第4期引言数字滤波是数字信号处理技术最典型的应用之一，与此对应数字滤波器设计实验是“数字信号处理”教学重要的环节，它通过计算机仿真的方法将理论设计过程用Matlab程序语言完成，简化步骤和计算，加深对设计方法的理解。
常规的滤波器设计实验根据给定滤波器的性能要求，用一个因果稳定的离散线性移不变的系统函数H(z)去逼近这一性能要求。
也就是说，实验的目的是设计出满足给定技术指标的数字系统函数H(z)，或者是单位冲激响应h(n)，然后画出该系统在特定频率范围的频率响应曲线，验证该系统是否达到技术指标。
该基本实验从技术指标开始，到系统函数结束，由一组数据得到另一组数据，是滤波器设计的核心工作。
但实验过程不完整，实验对象不具体，在提出问题，分析问题，解决问题环节中，只体现了解决问题的数学方法。
完成实验后学生会感到困惑，为什么这样的H (z)就能实现滤波，它的滤波性能到底如何呢？结合我校自主研究实验项目，在传统滤波器设计实验的基础上，本文设计了一个加入正弦噪声的音乐信号作为系统输入的数字滤波实验。
针对带噪声的音乐信号这个具体对象，学生自己确定要解决什么问题，解决问题思路和方法，判断问题是否解决。
结果表明该滤波器设计实验效果良好，学生借助人耳这个天然的“傅里叶分析仪”感受到所设计的滤波器的滤波效果，加深了学生对滤波器原理的理解，促进了对滤波器设计方法的掌握。
一、数字滤波器设计原理允许某些信号分量（有用信号）通过、同时阻止其他分量信号（噪声）通过的系统称为滤波器。
在本科阶段只讨论信号和噪声处于不同的频率范围的加性噪声，即信号和噪声是叠加在一起的。
在LSI系统分析理论中，输出信号y(n)是输入信号x(n)与系统单位冲激响应h(n)的卷积：y(n)=x(n)*h(n)这样，通过设计具有特定幅度特性的系统，就可以达到滤除噪声，保留有用信号的目的。
FPAA的音频滤波器设计实例
用该软 件 ， 结合对应 的 Ｆ Ａ Ｐ Ａ芯片 ， 以使设计一个 复 可
杂 的模 拟 系统变 得非 常快 捷 简单 。软 件 Ａ ａｉ ｅ ｎｄｇ ． ｍＤ ｓ ｎｒ ｉ ｅ２包含一个 内置 的仿真器 ， ｇ 通过该仿 真器 可在阵 列 中加入虚拟信号产生器和示波镜 ，信号产 生器可 以
Ｇｕｌ ｎ ｔｕｅ ｏ ｅ ｔ ｎｃ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｉｎ Ｉ ｓｉ ｔ ｆＥｌｃｒ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ，Ｇｕｌ ４ ０ ４，Ｃ ｉａ ｉ ｔ ｏ ｉｎ ５ １ ０ ｉ ｈｎ ）
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维普资讯
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Ｆ Ａ 的音频滤波器设计实例 ＰＡ
刘 卓 ，景 新 幸 ， 陈震 华 ， 李 炎 阳
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片开发 设计的 Ｅ Ａ软件 ， Ｄ 其开发界 面如图 １所示 。利
电路的设计 和应用 注入了新 的活力 。其 中最具代表性 的成熟器件是 Ａ ａ ｉ ｎ ｄ ｍ公司研发推 出的现场可编程模 ｇ 拟 电 路 阵 列 （ ｉ ｄ ｒｇ ｍ ａ ｌ ｎ ｇ ｒ ｙ Ｆｅ Ｐｏｒ ｍ ｂ Ａ Ｍｏ Ａ ｒ ， ｌ ａ ｅ ａ Ｆ Ａ 。Ｆ Ａ Ｐ Ａ） Ｐ Ａ器件 的推 出， 使模拟 电路可编程设计 变
滤波器理论及滤波器设计方法
滤波器理论及滤波器设计方法滤波器是一类电路或设备，用于通过选择性地传递或阻止指定频率范围内的信号。
在电子和通信领域中，滤波器广泛应用于信号处理、通信系统、音频设备等各种应用中。
本文将介绍滤波器的理论基础以及常见的滤波器设计方法。
一、滤波器理论基础1.1 滤波器的基本概念滤波器通过改变信号的频率特性，实现对信号的频率选择性处理。
滤波器的输入为信号源提供的混合信号，输出为经过滤波处理后的目标信号。
1.2 滤波器的分类根据滤波器的频率响应特性，可以将滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等几种类型。
低通滤波器通过滤除高频信号而保留低频信号，高通滤波器则相反，而带通滤波器和带阻滤波器则可以选择性地通过或阻止一定频率范围的信号。
1.3 滤波器的频率响应与特性滤波器的频率响应是指滤波器在不同频率下对信号的响应情况。
常见的频率响应图形包括低通滤波器的衰减特性，高通滤波器的增益特性以及带通滤波器和带阻滤波器的带宽和中心频率。
二、滤波器设计方法2.1 传统滤波器设计方法传统的滤波器设计方法包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。
这些滤波器设计方法基于滤波器的频率响应要求，通过选择适当的滤波器特性以及阶数，来实现所需的滤波效果。
2.2 数字滤波器设计方法随着数字信号处理技术的发展，数字滤波器设计方法得到了广泛应用。
数字滤波器设计方法基于离散信号的采样与重构过程，利用数字滤波器的差分方程或频率响应函数来实现滤波效果。
常见的数字滤波器设计方法包括FIR滤波器设计和IIR滤波器设计等。
2.3 滤波器设计软件为了简化滤波器的设计过程，许多滤波器设计软件被开发出来。
这些软件通常提供了图形界面和可视化工具，帮助工程师选择并优化滤波器参数，从而实现所需的滤波效果。
常见的滤波器设计软件有MATLAB、Simulink、Analog Filter Wizard等。
三、滤波器的应用滤波器在众多领域中都有广泛的应用。
滤波器的设计毕业设计
滤波器的设计毕业设计滤波器的设计毕业设计引言：滤波器是电子领域中常用的一种电路元件，它可以对信号进行滤波处理，去除不需要的频率成分，使得信号更加纯净和稳定。
在各种电子设备中，滤波器的设计和优化是非常重要的一环。
本文将探讨滤波器的设计原理、常见的滤波器类型以及滤波器在实际应用中的一些案例。
一、滤波器的设计原理滤波器的设计原理基于信号的频域分析和滤波特性。
信号可以分解为不同频率的成分，而滤波器的作用就是选择性地通过或阻断特定频率范围内的信号。
滤波器的设计需要考虑到滤波器的频率响应、幅频特性、相频特性等多个因素。
二、常见的滤波器类型1. 低通滤波器：低通滤波器可以通过滤除高频信号，只保留低频信号。
在音频设备中，低通滤波器常用于去除噪音和杂音，提高音质。
在无线通信中，低通滤波器可以用于滤除高频干扰信号，保证通信质量。
2. 高通滤波器：与低通滤波器相反，高通滤波器可以通过滤除低频信号，只保留高频信号。
在音频设备中，高通滤波器常用于增强音乐的高频部分，提高音质。
在图像处理中，高通滤波器可以用于边缘检测和图像锐化。
3. 带通滤波器：带通滤波器可以选择性地通过一定范围内的频率信号，滤除其他频率范围的信号。
在无线通信中，带通滤波器可以用于选择性地接收特定频率范围的信号，提高通信效果。
4. 带阻滤波器：带阻滤波器可以选择性地阻断一定范围内的频率信号，保留其他频率范围的信号。
在音频设备中，带阻滤波器可以用于去除特定频率的噪音信号。
三、滤波器在实际应用中的案例1. 音频设备中的滤波器设计：在音频设备中，滤波器的设计对于音质的提升至关重要。
通过合理设计低通滤波器和高通滤波器，可以去除杂音和不需要的频率成分，使得音乐更加清晰和纯净。
在音响系统中，带通滤波器的设计可以用于调节音乐的频率范围，使得音乐更加丰富和动感。
2. 通信系统中的滤波器设计：在无线通信系统中，滤波器的设计对于信号的接收和发送至关重要。
通过合理设计带通滤波器和带阻滤波器，可以选择性地接收或阻断特定频率范围的信号，提高通信质量和抗干扰能力。
基于Matlab的音频降噪滤波器设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ ａｕｄｉｏ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍ ａｔｌａｂ ＸＵ Ｆａｎｙｕｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１ １７３１，Ｃｈｉｎａ）
对 于含有 噪声 的信 号 ，使用 Ｍａｔｌａｂ软 件 对读 取 到 的高 噪声信 号 ，使用 快 速 傅 里 叶变 换 观 察 频 谱 特 性 ，再 使用 具 有不 同通 带 和 阻带 的滤 波 器 对 特定 频 率段 的 噪声 进 行 处 理 ，再 进 行 一 定 的 增 幅 处 理 ，便 可得 到较 为 清晰 的原信 息信 号 。
相 抵 消 ，消去 高频 干扰 和 漏 能 。它 适 用 于 非周 期 性
的连 续信 号 。利用它 的选择 特性 使用 ｆ ｉｒｌ（）建 立 一
个 汉 宁窗 函数 ，并 用 ｆｉｌｔｅｒ（）函数 进 行 滤 波 ，去 除 噪
声部 分 。最后 用 ｐｌａｙ（）函数 播放 音频 检查 效果 。
２ 设 计 过 程 ２
设计 滤 波 器 的 频 域 特 性 便 成 了 除 去 噪 声 并 留 下 原声 的关 键 ，笔 者 注 意 到采 样 定 理 以及 一 维 ｓｉｎｃ
Hale Waihona Puke 函数 （辛 格 函数 ）ｓｉｎｃ（ ）：
，根据 所 要 保 留
１Ｔ
的和需 要截 掉 的信 号频 率分 布 ，选 择 了相对 其 他 窗
函数 而言选 择 效 果 最 佳 的汉 宁 窗 函 数 使 得 旁 瓣 互
二阶带通滤波器的设计流程
二阶带通滤波器的设计流程引言：带通滤波器是一种可以通过滤波器将特定频率范围内的信号通过，而抑制其他频率的信号的电子设备。
二阶带通滤波器是应用最广泛的一种滤波器之一，它具有较好的频率选择特性和相位响应。
本文将介绍二阶带通滤波器的设计流程。
一、确定滤波器的频率范围在设计二阶带通滤波器之前，首先需要确定滤波器的频率范围。
这可以根据具体的应用需求来确定，例如音频处理中常用的频率范围为20Hz到20kHz。
二、选择滤波器的类型根据滤波器的特性和要求，选择合适的滤波器类型。
常见的二阶带通滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。
巴特沃斯滤波器具有平坦的幅频响应，但相位响应不是最理想的；切比雪夫滤波器在通带内具有较大的纹波，但相位响应较好；椭圆滤波器在通带内和阻带内都具有较好的性能，但设计较为复杂。
三、计算滤波器的参数根据滤波器的类型和要求，计算滤波器的参数。
主要包括通带频率、阻带频率、通带衰减和阻带衰减等。
通带频率是指滤波器传递信号的范围，阻带频率是指滤波器抑制信号的范围。
通带衰减是滤波器在通带内信号的衰减程度，阻带衰减是滤波器在阻带内信号的衰减程度。
四、选择滤波器的架构根据计算得到的参数，选择合适的滤波器架构。
常见的二阶带通滤波器架构有Sallen-Key架构和Multiple Feedback架构。
Sallen-Key架构具有简单的电路结构和较好的性能，是应用最广泛的一种架构；Multiple Feedback架构则适用于阻带衰减要求较高的场合。
五、设计滤波器电路根据选择的滤波器架构，设计滤波器的电路。
根据计算得到的参数，确定电路中的元件数值和连接方式。
在设计过程中，需要注意元件的可获得性和稳定性，以及电路的抗干扰性和稳定性。
六、进行电路仿真使用电子电路仿真软件，对设计的滤波器电路进行仿真。
通过仿真结果，可以验证滤波器的性能是否符合设计要求。
如果有需要，可以对电路进行调整和优化。
七、制作滤波器电路根据仿真结果，制作滤波器的实际电路。
音频滤波电路计算公式
音频滤波电路计算公式在音频处理领域，滤波电路是一种常用的电路结构，用于对音频信号进行滤波处理，以实现对特定频率范围内的信号进行增强或抑制。
在设计音频滤波电路时，需要根据具体的需求来选择合适的滤波器类型和参数，然后进行相应的计算和设计。
一般来说，音频滤波电路可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等几种基本类型。
每种类型的滤波器都有相应的计算公式，用于确定电路中的元件数值和连接方式。
下面将分别介绍这几种滤波器的计算公式及其应用。
1. 低通滤波器。
低通滤波器是一种能够通过低频信号而抑制高频信号的滤波器。
它常用于音频放大器中，以确保输出信号的频率范围在人耳可接受的范围内。
低通滤波器的计算公式如下：$$H(f) = \frac{1}{1 + j\frac{f}{f_c}}$$。
其中，H(f)表示滤波器的频率响应，f为输入信号的频率，fc为滤波器的截止频率。
根据这个公式，可以确定滤波器的增益和相位特性，从而选择合适的电路结构和元件数值。
2. 高通滤波器。
高通滤波器与低通滤波器相反，它能够通过高频信号而抑制低频信号。
在音频处理中，高通滤波器常用于去除低频噪声或直流偏置。
高通滤波器的计算公式如下：$$H(f) = \frac{j\frac{f}{f_c}}{1 + j\frac{f}{f_c}}$$。
同样地，这个公式可以用来确定滤波器的频率响应，从而进行电路设计和元件选择。
3. 带通滤波器。
带通滤波器是一种能够通过某一频率范围内的信号而抑制其他频率信号的滤波器。
它在音频处理中常用于选择特定频率范围内的信号进行放大或抑制。
带通滤波器的计算公式如下：$$H(f) = \frac{j\frac{f}{f_c}}{1 + j\frac{f}{f_c} + j\frac{f}{f_0}}$$。
其中，fc和f0分别表示滤波器的下限和上限截止频率。
通过这个公式，可以确定滤波器的频率响应和通频带宽度，从而进行电路设计和参数选择。
Butterworth (巴特沃斯)滤波器设计参考
高通滤波器：
1 z 1 s C1 , 1 1 z
C1 c tan
c
2
,
c 1
（Note: 参考 陈佩青《数字信号处理教程》第二版 291 页 表 6-8）
2
其他带通、带阻滤波器频率变换式参考表 6-8 （下图）
3
参考设计： 1. 1 阶 Butterworth LPF 设计
频响如下
8
Butterworth 1~2 阶 LPF & HPF Filter Coefficients 以及制作成 Excel 表格分享在： /s/1hqw2mby 可以下载使用，选择对应的类型，设定相应的 fs & fc 就能自动计算出 Filter Coefficients。
(Note: 参考 陈佩青《数字信号处理教程》第二版 266 页 表 6-4)
上面的表达式是 s 域的表达式，下面是变化到 z 域的方法。
低通滤波器：
1 1 z 1 s C 1 1 z 1 C 1 c tan c 2 c 1, c 2 f c / f s
Butterworth （巴特沃斯）滤波器设计参考
-- By Water 在嵌入式音频产品开发过程中经常会到 LPF（Low Pass Filter 低通滤波器）和 HPF（High Pass Filter 高通滤 波器），一般情况下都是离线用工具(如: Matlab）设计好滤波器的参数（Filter Coefficients）再应用到产品中 去。但有些状况下需要用户自己根据需求来实时(Real-time)调整 Filter Frequency Response (滤波器频率响应）, 这种情形下就需要在嵌入式系统中实时根据客户的设定需求来产生相应的 Filter Coefficients。 下文就汇总出了 N 阶 IIR LPF & HPF Butterworth 滤波器系数的设计方法， 具体的算法原理推导可以参考陈佩 青《数字信号处理教程》一书，此处只给出工程上可以应用的结论。
滤波器的设计流程与步骤
滤波器的设计流程与步骤滤波器是一种电子器件或电路，用于改变信号的频率特性。
在电子领域，滤波器被广泛应用于信号处理、通信系统、音频设备等方面。
设计一个滤波器需要遵循一定的流程与步骤，本文将介绍滤波器设计的一般流程，并详细探讨每个步骤的具体内容。
第一步：需求分析在滤波器设计之前，首先需要明确设计滤波器的需求。
这包括确定滤波器的类型（如低通、高通、带通、带阻等），频率范围、阻带衰减要求、插入损耗限制等。
需求分析阶段的目标是明确设计滤波器所需的功能和性能规格。
第二步：选择滤波器结构根据需求分析的结果，根据不同的滤波器类型和频率范围，选择适合的滤波器结构。
常见的滤波器结构包括RC滤波器、LC滤波器、激励响应滤波器、数字滤波器等。
选择滤波器结构时需要综合考虑设计的难度、性能指标和实际应用需求。
第三步：确定滤波器规格在选择滤波器结构后，需要进一步确定滤波器的规格。
这包括确定滤波器的阶数、各个截止频率的具体数值、通带和阻带的设定等。
可以利用相关的数学模型、理论计算或者实验手段来确定滤波器规格。
第四步：设计滤波器设计滤波器是滤波器设计流程的核心步骤。
根据滤波器的结构和规格，运用电路理论、数学模型等手段进行滤波器的具体设计。
这包括计算和选择滤波器元件的数值、确定元件的合适布局和连接方式，以及优化设计，以满足设计要求。
第五步：仿真与分析在设计完成后，进行滤波器的仿真和分析是十分重要的。
这可以通过使用模拟电路仿真软件、信号处理工具等进行。
通过仿真结果，可以评估滤波器的性能是否满足设计要求，并进行必要的调整和优化。
第六步：原型制作与测试设计完成后，需要制作滤波器的实际原型，并进行测试和验证。
这可以通过PCB设计和制作、元器件的选取和组装等方式完成。
通过实际测试，可以验证滤波器的性能指标，并进行必要的调整和改进。
第七步：性能验证与优化通过对原型滤波器的测试结果进行分析和评估，可以判断滤波器是否满足设计要求。
若不满足，则需要针对具体问题进行调整和优化。
FIR滤波器实现音乐信号的滤波去噪
FIR滤波器实现音乐信号的滤波去噪FIR (Finite Impulse Response) 滤波器是一种数字滤波器，常用于音频信号处理中。
它的工作原理是通过对输入信号的每个样本进行线性加权求和，得到滤波后的输出信号。
FIR滤波器最常用于滤波去噪、频率响应等应用上。
在音乐信号处理中，FIR滤波器可以用于去除噪声，使得音乐听起来更加清晰、纯净。
下面将详细介绍FIR滤波器实现音乐信号滤波去噪的过程。
首先，需要明确滤波器的设计目标。
在音乐信号处理中，通常希望尽可能保留音乐信号的频率特征，同时去除噪声或其他不需要的信号。
因此，FIR滤波器需要具有如下特性：1.线性相位响应：在音频信号中，线性相位响应可以确保滤波后的信号不会有明显的时延，使得音乐听起来更加自然。
2.频率选择性：FIR滤波器可以对不同频率范围内的信号进行有选择性的处理。
这意味着可以设计不同的系数来强调或抑制特定频率段的音频信号。
接下来，需要设计滤波器的系数。
FIR滤波器的系数决定了滤波器的频率响应。
常见的设计方法有窗函数法、频率采样法等。
在音乐信号的滤波去噪中，常见的方法是使用窗函数法进行系数设计。
通过选择合适的窗函数，可以在频域上改变频率响应，并且窗函数具有较好的抑制能力，可以减少滤波器陷波带的泄露。
常见的窗函数有矩形窗、汉宁窗、海明窗等。
系数设计完成后，需要将音乐信号输入到FIR滤波器中进行滤波去噪。
这可以通过卷积运算实现，即将输入信号的每个样本与滤波器的系数进行点乘，并求和得到输出信号的样本。
FIR滤波器可以在时域上滤除音乐信号中的噪声成分，从而提高音乐的质量和清晰度。
它可以精确地控制滤波器的频率响应，选择性地增强或抑制音频信号的不同频率组成部分，从而实现滤波去噪的效果。
除了基本的FIR滤波器之外，还可以通过级联多个FIR滤波器来实现更复杂的滤波效果。
这种级联滤波器的设计方式可以更好地适应不同的音乐信号滤波需求，提高滤波器的性能。
总结起来，FIR滤波器在音乐信号处理中具有重要的应用。
D类音频放大器的输出低通滤波器设计
D类音频放大器的输出低通滤波器设计2011-08-10 13:15:03| 分类：默认分类 | 标签：数字音频|字号订阅在便携式及小型化消费类产品中,D类音频功率放大器的应用已非常普遍。
本文介绍了D类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理,给出了滤波器中电感和电容值的计算方法和选择时的考虑因素。
本文还以美国国家半导体的D类音频放大器LM4668和LM4680为例,描述了具体的输出滤波器的设计方法,并介绍了即将推出的LM4681的电路框图和特性。
一直以来,电子系统中的音频信号都是用模拟电信号来表示的。
尽管数字处理和数字放大技术在当今的系统中已经得到了运用,但是音频/声音信号还是必须转换回模拟信号,以满足人的听觉系统收听音乐的需要。
图1：单片D类音频放大器的组成。
目前,在大多数便携式及小型化消费类产品,如MP3、便携式DVD和平板显示器等中,开关模式(D类)音频功率放大器的应用已很普遍。
由于D类放大器的功耗较低,因此能够实现较高的效率。
它延长了便携式设备的电池使用寿命,并能够减小散热器的尺寸和PCB的面积,从而节省了系统成本。
所以,许多大型平板显示器和消费类音频产品都更愿意采用此类放大器。
不过,D类放大器基于使用高开关频率信号的数字调制技术,旨在实现信号的高效放大。
调制频率通常高达数百kHz,这远远超出了音频范围。
由于我们需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号(音乐),因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量,以再生与人类听觉系统相匹配的真实模拟信号。
这里,我们将阐述一些有关输出低通滤波设计的考虑因素和建议。
图2：BTL半电路模型。
D类放大器：单片式D类音频放大器包括模拟音频输入、调制器、功率晶体管等(见图1)。
输出滤波器设计：由于我们需要恢复所需的音频信号,因此重要的是设计出一款优秀的输出低通滤波器,以滤除高频分量(无用信号)并获得高品质的模拟声音。
我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器,以便与负载阻抗相匹配。
DSP滤波算法设计与实现
DSP滤波算法设计与实现DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）滤波算法在信号处理领域中起到了至关重要的作用。
滤波算法可以对信号进行分析、处理和改善，去除噪音、增强信号等。
本文将介绍DSP滤波算法的设计和实现原理，以及常见的滤波器类型和应用场景。
一、滤波算法设计原理1. 数字滤波器的基本原理数字滤波器将离散时间的输入信号转换为输出信号，其基本原理是通过对输入信号进行离散化和加权求和的过程来实现。
滤波器的核心是滤波器系数的选择和滤波器结构的设计。
2. 滤波器设计方法常用的数字滤波器设计方法包括频率抽样法、模拟滤波器转换法、窗函数法和优化算法等。
频率抽样法根据滤波器的频率响应特性进行设计，模拟滤波器转换法则是将模拟滤波器的设计方法应用于数字滤波器设计。
窗函数法通过选择适当的窗函数对滤波器的频率响应进行修正。
优化算法通过数学优化模型对滤波器进行设计。
二、常见的滤波器类型1. FIR滤波器FIR（Finite Impulse Response，有限冲激响应）滤波器是一种常见的数字滤波器类型。
它的特点是只有有限个非零响应值，不存在反馈路径。
FIR滤波器具有线性相位和稳定性，适用于广义线性相位要求的应用领域。
2. IIR滤波器IIR（Infinite Impulse Response，无限冲激响应）滤波器是另一种常见的数字滤波器类型。
它的特点是存在反馈路径，具有无限长的冲激响应。
IIR滤波器具有较小的滤波器阶数，可以实现较小的延迟，适用于实时性要求较高的应用领域。
三、滤波器的应用场景1. 语音信号处理在语音信号处理中，滤波器可以用于降噪、语音增强、语音识别等任务。
通过采用合适的滤波器设计和优化算法，可以提高语音信号的清晰度和可理解性。
2. 图像处理在图像处理中，滤波器可以用于图像去噪、边缘检测、图像增强等任务。
通过采用适当的滤波器类型和参数设置，可以去除图像中的噪音，提高图像的质量和细节。
D类音频放大器的输出低通滤波器设计
D类音频放大器的输出低通滤波器设计2011-08－10１3:１5:0３| 分类: 默认分类 | 标签:数字音频｜字号订阅在便携式及小型化消费类产品中,Ｄ类音频功率放大器的应用已非常普遍。
本文介绍了D类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理,给出了滤波器中电感和电容值的计算方法和选择时的考虑因素。
本文还以美国国家半导体的D类音频放大器LＭ466８和LM４６８０为例,描述了具体的输出滤波器的设计方法,并介绍了即将推出的LM4681的电路框图和特性。
一直以来,电子系统中的音频信号都是用模拟电信号来表示的。
尽管数字处理和数字放大技术在当今的系统中已经得到了运用，但是音频/声音信号还是必须转换回模拟信号,以满足人的听觉系统收听音乐的需要。
图１：单片Ｄ类音频放大器的组成。
目前，在大多数便携式及小型化消费类产品,如ＭP3、便携式ＤVＤ和平板显示器等中,开关模式（D类)音频功率放大器的应用已很普遍。
由于D类放大器的功耗较低,因此能够实现较高的效率。
它延长了便携式设备的电池使用寿命,并能够减小散热器的尺寸和PＣB的面积,从而节省了系统成本。
所以,许多大型平板显示器和消费类音频产品都更愿意采用此类放大器。
不过,D类放大器基于使用高开关频率信号的数字调制技术,旨在实现信号的高效放大。
调制频率通常高达数百kHz,这远远超出了音频范围。
由于我们需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号(音乐),因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量,以再生与人类听觉系统相匹配的真实模拟信号。
这里,我们将阐述一些有关输出低通滤波设计的考虑因素和建议。
ﻫ图２：BＴL半电路模型。
Ｄ类放大器：单片式Ｄ类音频放大器包括模拟音频输入、调制器、功率晶体管等(见图1)。
输出滤波器设计：由于我们需要恢复所需的音频信号，因此重要的是设计出一款优秀的输出低通滤波器，以滤除高频分量(无用信号)并获得高品质的模拟声音。
我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器,以便与负载阻抗相匹配。
滤波器设计的四个指标
滤波器设计的四个指标滤波器是信号处理中常用的一种工具，它可以对信号进行频率选择，滤除不需要的频率成分，保留感兴趣的频率成分。
在滤波器设计中，有四个关键指标需要考虑，分别是通带增益、截止频率、阻带衰减和相位响应。
一、通带增益通带增益是指滤波器在通带内对信号进行增益的程度。
通带是指滤波器在这个范围内能够传递信号而不造成衰减的频率范围。
通带增益可以用来衡量滤波器对信号的放大程度，通常用分贝（dB）来表示。
通带增益的大小对于滤波器的性能有着重要的影响。
如果通带增益过大，会导致信号失真，而如果通带增益过小，会导致信号衰减过多。
因此，在滤波器设计中，需要根据应用需求和系统要求来确定通带增益的大小。
二、截止频率截止频率是指滤波器对信号进行滤波的频率界限。
在截止频率之前的频率成分会通过滤波器，而在截止频率之后的频率成分会被滤波器滤除。
截止频率可以分为低通截止频率、高通截止频率、带通截止频率和带阻截止频率四种类型。
低通截止频率是指滤波器只允许低于该频率的信号通过，而高于该频率的信号会被滤除。
高通截止频率则相反，只允许高于该频率的信号通过。
带通截止频率是指滤波器只允许某个频率范围内的信号通过，而带阻截止频率则相反，滤波器只滤除某个频率范围内的信号。
三、阻带衰减阻带衰减是指滤波器在截止频率之外对信号进行衰减的程度。
阻带是指滤波器在这个范围内对信号进行衰减的频率范围。
阻带衰减可以用来衡量滤波器对截止频率之外的信号的抑制能力，通常用分贝（dB）来表示。
阻带衰减的大小对于滤波器的性能有着重要的影响。
如果阻带衰减过小，会导致截止频率之外的信号通过滤波器，从而影响系统的性能。
因此，在滤波器设计中，需要根据应用需求和系统要求来确定阻带衰减的大小。
四、相位响应相位响应是指滤波器对信号引起的相位延迟或相位变化。
不同类型的滤波器对信号的相位响应有不同的影响。
在某些应用中，如音频处理和图像处理，相位响应是非常重要的。
相位响应可以分为线性相位和非线性相位。
数字信号处理中滤波器设计的使用教程
数字信号处理中滤波器设计的使用教程数字信号处理（DSP）是一门广泛应用于通信、音频、图像、雷达等领域的技术。
滤波是其中一种常见的操作，用于去除或改变信号中的某些成分。
本文将介绍数字信号处理中滤波器的设计与使用方法。
一、滤波器概述滤波器是数字信号处理中的重要组成部分，它通过改变信号的频谱来实现信号的特定处理目标。
常见的滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
低通滤波器（Low-pass Filter）用于去除高频噪声并保留低频成分，适用于信号平滑处理。
高通滤波器（High-pass Filter）则相反，保留高频成分并去除低频部分，常用于去除直流偏移和低频噪声。
带通滤波器（Band-pass Filter）通过保留一定范围的频率成分来滤除其他频率的信号，常用于信号频带选择和精确查找特定频率。
带阻滤波器（Band-stop Filter）则是保留某一范围的频率成分并去除其他频率，常用于消除干扰信号或特定频率的噪声。
二、滤波器设计方法滤波器的设计目标是根据具体需求确定滤波器类型，并设计出相应的滤波器参数。
下面将介绍两种常见的设计方法。
1. IIR滤波器设计无限脉冲响应（IIR）滤波器根据系统的差分方程来设计，具有较为复杂的频率响应。
常见的IIR滤波器设计方法包括巴特沃斯（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebyshev）滤波器和椭圆（Elliptic）滤波器。
（1）巴特沃斯滤波器是一种常见的IIR滤波器，具有近似的平坦频率响应和宽的过渡带宽度。
滤波器的设计包括选择滤波器阶数、截止频率和滤波器类型等参数。
（2）切比雪夫滤波器是一种IIR滤波器，除了具有平坦的频率响应外，还可实现更陡峭的过渡带。
切比雪夫滤波器的设计包括选择滤波器阶数、截止频率、过渡带宽度和纹波等参数。
（3）椭圆滤波器是一种IIR滤波器，具有最陡峭的过渡带和最小的滤波器阶数。
椭圆滤波器的设计包括选择滤波器阶数、截止频率、过渡带宽度、纹波和阻带衰减等参数。
用于音频功放的数字上采样滤波器设
ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００３－３１１４.２０２２.０６.０２０引用格式:程凯ꎬ曹晓东ꎬ闵令辉.用于音频功放的数字上采样滤波器设计[Ｊ].无线电通信技术ꎬ２０２２ꎬ４８(６):１１０５－１１１０.[ＣＨＥＮＧＫａｉꎬＣＡＯＸｉａｏｄｏｎｇꎬＭＩＮＬｉｎｇｈｕｉ.ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＵｐｓａｍｐｌｉｎｇＦｉｌｔｅｒｆｏｒＡｕｄｉｏＡｍｐｌｉｆｉｅｒ[Ｊ].ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈ￣ｎｏｌｏｇｙꎬ２０２２ꎬ４８(６):１１０５－１１１０.]用于音频功放的数字上采样滤波器设计程㊀凯１ꎬ曹晓东２ꎬ闵令辉３(１.聊城大学物理科学与信息工程学院ꎬ山东聊城２５２０００ꎻ２.中国科学院半导体研究所ꎬ北京１０００８３ꎻ３.聊城大学山东省光通信科学与技术重点实验室ꎬ山东聊城２５２０００)摘㊀要:设计了一种用于音频功放的数字上采样滤波器ꎬ通过可配置的多级插值系统将多种采样率(４４.１ｋＨｚ㊁４８.０ｋＨｚ㊁８８.２ｋＨｚ㊁９６.０ｋＨｚ㊁１７６.４ｋＨ㊁１９２ｋＨｚ)的音频信号采样频率提高到６.１４４/５.６４４８ＭＨｚꎬ解决了目前功放芯片只能兼容某种单一采样频率信号的问题ꎬ极大提高了音频功放的性能和音频功放芯片的灵活性ꎮ通过对半带滤波器算法结构研究ꎬ依据半带滤波器的特点ꎬ在不损失性能的前提下改进滤波器结构ꎬ使半带滤波器的资源消耗减少３/４ꎮ最终经Ｍａｔｌａｂ和Ｍｏｄｅｌｉｓｍ仿真验证分析ꎬ上采样率器带内纹波损失低于０.０３ｄＢꎬ各级滤波器阻带衰减－８０ｄＢ左右ꎬ滤波器最大群延时为２.０５２ｍｓꎬ输出波形光滑ꎬ满足实际使用需求ꎮ关键词:上采样ꎻ半带滤波器ꎻ音频功放ꎻ可配置的多级插值系统中图分类号:ＴＮ７１３＋.７㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):文章编号:１００３－３１１４(２０２２)０６－１１０５－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＵｐｓａｍｐｌｉｎｇＦｉｌｔｅｒｆｏｒＡｕｄｉｏＡｍｐｌｉｆｉｅｒＣＨＥＮＧＫａｉ１ꎬＣＡＯＸｉａｏｄｏｎｇ２ꎬＭＩＮＬｉｎｇｈｕｉ３(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＬｉａｏｃｈｅｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＬｉａｏｃｈｅｎｇ２５２０００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００８３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＬｉａｏｃｈｅｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＬｉａｏｃｈｅｎｇ２５２０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｄｉｇｉｔａｌｕｐｓａｍｐｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒｆｏｒａｕｄｉｏｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａｕｄｉｏｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅｓ(４４.１ｋＨｚꎬ４８ｋＨｚꎬ８８.２ｋＨｚꎬ９６ｋＨｚꎬ１７６.４ｋＨｚａｎｄ１９２ｋＨｚ)ｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ６.１４４/５.６４４８ＭＨｚｔｈｒｏｕｇｈａｃｏｎｆｉｇｕ￣ｒａｂｌｅｍｕｌｔｉ￣ｌｅｖｅｌｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｗｈｉｃｈｓｏｌｖｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｈｉｐｃａｎｏｎｌｙｂｅｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｗｉｔｈａｓｉｎｇｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌａｎｄｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅａｕｄｉｏｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒａｎｄｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅａｕｄｉｏｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｈｉｐ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒꎬａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒꎬｔｈｅｆｉｌｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｏｕｔｌｏｓｓｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｓｏｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ３/４.ＦｉｎａｌｌｙꎬｔｈｒｏｕｇｈＭａｔｌａｂａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｒｉｐｐｌｅｌｏｓｓｉｎｔｈｅｂａｎｄｏｆｔｈｅｕｐｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０.０３ｄＢꎬｔｈｅｓｔｏｐｂａｎｄａｔｔｅｎｕａ￣ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｓａｔａｌｌｌｅｖｅｌｓｉｓａｂｏｕｔ－８０ｄＢꎬｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｇｒｏｕｐｄｅｌａｙｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｉｓ２.０５２ｍｓꎬａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｉｓｓｍｏｏｔｈꎬｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｕｐｓａｍｐｌｉｎｇꎻｈａｌｆ￣ｂａｎｄｆｉｌｔｅｒꎻａｕｄｉｏａｍｐｌｉｆｉｅꎻｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ收稿日期:２０２２－０７－１９０ 引言近年来ꎬ随着音频电子行业的不断发展ꎬ人们对音频功放芯片的性能㊁灵活性㊁资源消耗等问题愈加看重ꎮ音频功放芯片的性能和输入信号的采样频率密切相关ꎬ输入信号的采样频率越高ꎬ音频功放芯片的整体性能就越好ꎬ因此音频功放芯片都会对输入的音频信号进行上采样处理以提高音频功放性能[１]ꎮ目前已有很多学者对音频功放芯片中的上采样滤波器进行研究ꎬ上采样滤波器的性能已经达到非常高的水平[２]ꎮ但由于上采样滤波器设计过程的局限性ꎬ使得设计的上采样滤波器仅能实现对单一采样率信号的处理ꎬ这极大降低了音频功放的灵活性ꎮ针对此问题ꎬ为了提高音频功放芯片的性能和灵活性ꎬ本文设计了一种可配置的多级插值系统ꎬ根据输入信号采样率Ｆｓ配置多级插值系统ꎬ使其完成对不同采样频率的音频信号的上采样处理ꎬ从而使得音频功放芯片可以兼容不同采样频率的音频信号ꎬ大大提高了音频功放芯片的灵活性ꎮ本文通过对半带滤波器算法进行研究ꎬ对半带滤波器结构进行改进ꎬ使得半带滤波器在功能不变的前提下资源消耗量降低３/４ꎮ１㊀上采样滤波器原理如图１所示ꎬ上采样滤波器的工作分为内插和滤波两部分ꎬ其中Ｆｂ为信号宽带ꎬＦｓ为采样频率ꎬＬ为插值倍数ꎮ将音频信号的采样频率Ｆｓ提高到ＬＦｓꎬ这个过程被称为内插ꎮ内插的方法有很多ꎬ最简单的整数倍零值内插ꎬ是在两个相邻的采样点之间等间隔地插入Ｌ－１个零值ꎬＬ为整数ꎮ信号经过零值内插之后ꎬ信号的频谱在０~２π的范围内会产生重复波形ꎬ这个波形被称为镜像ꎬ后级需要级联低通滤波器在保证信号通过的同时滤除插值产生的镜像频谱ꎬ这个过程被称为滤波ꎮ采样率为Ｆｓ的信号经过插值滤波之后ꎬ可以得到采样率为ＬＦｓ的音频信号[３]ꎮ经过整数倍零值内插之后的信号表达式为:ｙ(ｎ)＝ｘｎＬ()ｎ＝０ꎬｎ＝ʃＬꎬｎ＝ʃ２Ｌꎬ㊀㊀０ꎬ㊀㊀㊀其他{ꎮ(１)对ｙ(ｎ)进行离散傅里叶变换可得:Ｙ(ｅｊω)＝ðɕｍ＝－ɕｙ(ｎ)ｅ－ｊｍωｙ＝ðɕｍ＝－ɕｘｎＬ()ｅｊｎωｙꎮ(２)信号经过插值后ꎬ信号的频率周期变为原来的１/Ｌ倍ꎬ其中多余的Ｌ－１个周期被称为镜像频谱ꎬ因此后级需要级联一个低通滤波器来滤除由于插值产生的镜像频谱ꎬ令Ｈ(ｅｊωｙ)＝ＣꎬωｙɤπＬ０ꎬ㊀其他{ꎬ(３)式中ꎬＣ为常数ꎬ是定标因子ꎮＨ(ｅｊωｙ)用来截取Ｙ(ｅｊω)的一个周期ꎬ相当于滤除镜像频谱ꎬ经过滤波器之后的信号频谱为:Ｙ(ｅｊωｙ)＝Ｈ(ｅｊωｙ)Ｘ(ｅｊωｘ)＝ＡＸ(ｅｊＬωｙ)ꎬωｙɤπＬꎮ(４)信号经过滤波器输出的初值ｙ(０)＝ＡＬＸ(０)ꎬ当Ａ＝Ｌ时ꎬ序列初值相等ꎮ图１㊀上采样滤波器原理图Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｕｐｓａｍｐｌｉｎｇｆｉｌｔｅｒ２㊀可配置多级插值系统根据实际需求ꎬ本文设计需要将采样频率为４４.１/４８ｋＨｚ㊁８８.２/９６ｋＨｚ㊁１７６.４/１９２ｋＨｚ的音频信号采样率提高到６.１４４/５.６４４８ＭＨｚꎮ需要对输入音频信号进行最多１２８倍的插值ꎬ插值倍数较高ꎬ采用一次性多倍插值的方法ꎬ会导致后面紧跟的低通滤波器的过渡带较窄ꎬ使得后级低通滤波器的阶数很高ꎬ造成大规模的资源消耗ꎬ难以实现ꎮ本文采用可配置的多级插值系统ꎬ通过三级半带滤波器和三级ＣＩＣ梳状滤波器级联的方式ꎬ将多种采样频率(４４.１ｋＨｚ㊁４８ｋＨｚ㊁９６ｋＨｚ㊁８８.２ｋＨｚ㊁１９２ｋＨｚ㊁１７６.４ｋＨｚ)的音频信号采样率提高到６.１４４/５.６４４８ＭＨｚꎮ系统结构如图２所示ꎬ可配置的多级插值系统跟据输入信号采样频率的不同分为多种工作模式ꎬ当音频信号的采样频率为４４.１/４８ｋＨｚ时ꎬ信号通过第一级半带滤波器㊁第二级半带滤波器㊁第三级半带滤波器和ＣＩＣ梳状滤波器ꎬ其中每级半带滤波器实现两倍上采样ꎬＣＩＣ梳状滤波器则实现１６倍上采样ꎬ共实现对输入音频信号的１２８倍上采样ꎬ使信号采样频率达到６.１４４/５.６４４８ＭＨｚꎮ当输入信号采样频为８８.２/９６ｋＨｚ时ꎬ输入信号经过第二级半带滤波器㊁第三级半带滤波器和ＣＩＣ梳状滤波器完成对输入音频信号的６４倍上采样ꎮ当输入信号采样频率为１７６.４/１９６ｋＨｚ时ꎬ输入信号仅经过第三级半带滤波器和ＣＩＣ梳状滤波器实现对输入音频信号的３２倍上采样ꎮ多级插值系统中每级半带滤波器都有两组不同的系数来针对两种不同采样频率的音频信号ꎬ每级半带滤波器的两组系数数目相同ꎮ半带滤波器系数通过查找表的的方式由Ｆｓ决定ꎬ当输入信号采样频率为４４.１ｋＨｚ时ꎬ半带滤波器系数为Ａ组系数ꎮ当输入信号采样率为４８ｋＨｚ时ꎬ信号采样率为Ｂ组系数ꎮ通过这种方式使两个滤波器共用同一资源实现对两种不同采样频率的音频信号的上变频处理ꎬ大大提高了资源利用率和上采样滤波器的灵活性ꎮ图２㊀多级插值系统结构图Ｆｉｇ.２㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｍｕｌｔｉ￣ｌｅｖｅｌｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ３㊀半带滤波器设计３.１㊀参数设计由于高精度语音信号处理对系统线性度的要求极高ꎬ因此上采样滤波器设计优先选用ＦＩＲ滤波器ꎬＦＩＲ相比于其他类型的滤波器有着线性度高的优点ꎮ半带滤波器是一种特殊的ＦＩＲ滤波器ꎬ具有通带纹波和阻带纹波相同ꎬ通带截止频率和阻带截止频率关于π/２对称的特性ꎬ中心点系数为０.５ꎬ其他所有系数关于中心点系数对称ꎬ且有一半的系数为０[４]ꎮ这使得半带滤波器运算速度比相同阶数的其他ＦＩＲ滤波器都要快ꎬ且资源消耗更少ꎬ因此在多速率数字信号处理中得到了广泛的应用ꎮ由图２可知ꎬ第一级半带滤波器需完成将信号采样率从４４.１/４８ｋＨｚ到８８.２/９６ｋＨｚ的采样率转换ꎮ由于音频信号频率为０~２０ｋＨｚꎬ经两种采样率得到信号的镜像频谱分别处于２４.１~４４.１ｋＨｚ和２８~４８ｋＨｚ之间ꎬ因此为了保留原信号的同时滤除镜像频谱ꎬ两个半带滤波器的过渡带应分别处于２０~２４.１ｋＨｚ和２０~２８ｋＨｚ之间ꎮ同理ꎬ第二级两个半带滤波器的过渡带应分别为６８.２~８８.２ｋＨｚ和７６~９６ｋＨｚꎬ第三级两个半带滤波器的过渡带应分别为１５６.４~１７６.４ｋＨｚ和１７２~１９２ｋＨｚꎮ本设计需要ＳＮＲ精度损失小于０.０５ｄＢꎬ因此各级上采样滤波器设计就需要满足带外衰减为－７０ｄＢ左右ꎮ此外ꎬ各级滤波器设计时带内纹波损失也要小于要求的语音信号ＳＮＲ精度损失ꎮ由前文可知ꎬ第一级半带滤波器的过渡带较窄ꎬ如果三级滤波器带内纹波损失相同ꎬ第一级半带滤波器就需要非常高的阶数实现ꎬ造成大规模的资源浪费ꎮ因此在滤波器设计过程中对第一级半带滤波器的带内纹波损失的要求可以适当放松以减小第一级半带滤波器阶数ꎮ需要注意的是ꎬ在每级的半带滤波器设计过程中ꎬ需要在保证滤波器指标都达到项目要求的情况下两个滤波器的阶数须相同ꎮ根据上述要求ꎬ针对两种不同采样频率的信号设计出的滤波器参数如表１所示ꎮ表１为Ａ组输入信号采样率为４４.１/８８.２/１７６.４ｋＨｚ时ꎬ各级半带滤波器参数ꎮ表２为Ｂ组输入信号采样率为４８/９６/１９２ｋＨｚ时ꎬ各级半带滤波器Ｂ组参数ꎮ第一级半带滤波器系数量化位宽为２２ｂｉｔꎬ第二级半带滤波器系数量化位宽为１６ｂｉｔꎬ第三级半带滤波器系数量化位宽为１４ｂｉｔ[５－６]ꎮ对系数量化之后各级半带滤波器幅频响应如图３~图５所示ꎮ表１㊀Ａ组半带滤波器参数Ｔａｂ.１㊀ＧｒｏｕｐＡｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ滤波器名称通带/ｋＨｚ阻带衰减/ｄＢ带内纹波/ｄＢ阶数ＨＦＢ１０~２０－７００.０３０８２ＨＦＢ２０~２０－８００.００１１４ＨＦＢ３０~２０－７００.００２６表２㊀Ｂ组半带滤波器参数表Ｔａｂ.２㊀ＧｒｏｕｐＢｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ滤波器名称通带/ｋＨｚ阻带衰减/ｄＢ带内纹波/ｄＢ阶数ＨＦＢ１０~２１－８６０.００４０８２ＨＦＢ２０~２０－９００.０００４１４ＨＦＢ３０~２０－７５０.０００１６图３㊀ＨＦＢ１幅频响应Ｆｉｇ.３㊀ＨＦＢ１ａｍｐｌｉｔｕｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ图４㊀ＨＦＢ２幅频响应Ｆｉｇ.４㊀ＨＦＢ２ａｍｐｌｉｔｕｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ图５㊀ＨＦＢ３幅频响应Ｆｉｇ.５㊀ＨＦＢ３ａｍｐｌｉｔｕｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ３.２㊀结构优化半带低通滤波器基于零值内插来提高两倍采样率的原型结构由重采样器和半带滤波器Ｈ(Ｚ)组成ꎬ如图６所示ꎮ图６㊀半带滤波器原型结构图Ｆｉｇ.６㊀Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒ半带滤波器Ｈ(Ｚ)可表示为:Ｈ(Ｚ)＝ð２Ｎｎ＝０ｈ(ｎ)Ｚ－ｎꎬ(５)式中ꎬＨ(Ｚ)可分解为半带滤波器的两相结构ꎬ将半带滤波器分为奇支路和偶支路ꎬ如图７所示ꎮ图７㊀半带滤波器两相结构图Ｆｉｇ.７㊀ＴｗｏｐｈａｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒＨ(Ｚ)＝ðＮｎ＝０ｈ(２ｎ)Ｚ－２ｎ＋Ｚ－１ðＮ－１ｎ＝０ｈ(２ｎ＋１)Ｚ－２ｎꎮ(６)由于半带滤波器所有系数关于中心点对称ꎬ中心点系数为０.５ꎬ因此半带滤波器以中心点系数０.５为中心进行折叠ꎬ使相同的滤波器系数共用一个乘法器资源ꎬ使乘法器资源数量减小一半[７－８]ꎮ由于半带滤波器所有的偶数项系数全为０ꎬ不需要乘法运算ꎬ只需要简单的延迟ꎬ因此奇偶两条支路可以共用一路延迟单元ꎬ减少一半的寄存器资源ꎬ重采样器可以等效为２Ｆｓ的转换开关放置于滤波器输出端来控制信号的输出ꎮ需要注意的是ꎬ由于半带滤波器进行了两倍的零值内插ꎬ离散序列存在两倍的振幅因子损失ꎬ因此最终滤波器的输出需要乘以２以弥补振幅因子的损失ꎮ最终半带滤波器结构如图８所示ꎬ通过这种方式使半带滤波器的资源消耗量减小图８㊀ＨＦＢ３结构图Ｆｉｇ.８㊀ＨＦＢ３ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ４㊀ＣＩＣ梳状滤波器设计ＣＩＣ梳状滤波器由积分器和梳状滤波器组成ꎬ由于积分器和梳状滤波器仅由寄存器㊁加法器㊁减法器组成ꎬ没有一般ＦＩＲ滤波器所需的大量乘法运算ꎬ工作效率非常高ꎬ因此经常用于插值滤波器后级来处理高采样率的信号ꎬ在多速率数字信号处理中有着极其重要的地位[９]ꎮ单级ＣＩＣ梳状滤波器的传递函数为:Ｈ(Ｚ)＝１－ＺＲＭ１－Ｚ－１ꎬ(７)式中ꎬＲ为插值或抽取倍数ꎬＭ为差分延迟ꎮ单级ＣＩＣ梳状滤波器的频率响应为:㊀㊀Ｈ(ｅｊω)＝Ｈ１(ｅｊω) Ｈ２(ｅｊω)＝ｓｉｎ(ＲＭω)ｓｉｎω２()＝ＲＭ ＳａωＲＭ２() Ｓａ－１ω２()ꎮ(８)当ω＝０时ꎬＣＩＣ梳状滤波器的幅度值为ＲＭꎬＣＩＣ梳状滤波器的主瓣处于０~２π/ＲＭꎬ当ＲＭ远大于１时ꎬ第一旁瓣电平位于Ａ１＝３π/ＲＭꎬ主瓣电平和第一旁瓣电平的差值为:Ａｓ＝２０ｌｇ(ＲＭ/Ａ１)＝２０ｌｇ(３π/２)＝１３.４６ｄＢꎮ(９)这表示单级ＣＩＣ梳状滤波器的旁瓣抑制能力很差ꎬ不足以满足要求[１０]ꎮ为了提高滤波器旁瓣抑制能力ꎬ本文采用三级ＣＩＣ梳状滤波器级联的方式实现对音频信号的１６倍上采样ꎬ三级ＣＩＣ梳状滤波器级联的传递函数为:Ｈ(Ｚ)＝１－Ｚ－ＲＭ１－Ｚ－１æèçöø÷３ꎮ(１０)此时的主瓣与旁瓣电平差值为:Ａｓ３＝２０ｌｇ(ＲＭ/Ａ１)３＝３ˑ１３.４６ｄＢꎮ(１１)三级ＣＩＣ梳状滤波器级联将主瓣电平和旁瓣电平差值提高到４０.３８ｄＢꎬ极大地提高了ＣＩＣ梳状滤波器的旁瓣抑制能力ꎬ基本能够满足要求ꎮＣＩＣ器构成ꎮ值得注意的是ꎬ当ＣＩＣ滤波器用于增采样时ꎬ梳状滤波器部分需放置在输入端来处理低速率信号ꎬ插值器放置在中间ꎬ积分器放置在输出端处理高速率信号[１１]ꎮ三级ＣＩＣ梳状滤波器结构如图９所示ꎮ图９㊀ＣＩＣ梳状滤波器结构图Ｆｉｇ.９㊀ＣＩＣｃｏｍｂｆｉｌｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ㊀㊀由图９可知ꎬ输入端为三级积分器ꎬ积分器通过累加器实现ꎬ为了避免信号由于累加超出最大量程进而导致信号失真的问题ꎬ需要对累加器的信号位宽做出调整[１２]ꎮ累加器的信号位宽需满足ｑ＿ｎｕｍ＝ｑ＿ｂｉｔｓ＿ｉｎ＋ＣＩＣ＿ｏｒｄｅｒˑｌｂＲꎬ(１２)式中ꎬｑ＿ｂｉｔｓ＿ｉｎ为ＣＩＣ梳状滤波器的信号输入位宽ꎬＣＩＣ＿ｏｒｄｅｒ为ＣＩＣ滤波器级数ꎬＲ为插值倍数ꎮＣＩＣ梳状滤波器中间部分为插值器ꎬ插值器部分对通过积分器的信号进行１６倍的零值内插以提高信号１６倍的采样率ꎮ插值器部分通过对两个相邻采样点之间等间隔地插入１５个零值ꎬ完成插值过程ꎮ输出端为梳状滤波器ꎬ由减法器和寄存器构成[１３]ꎮ由于信号在插值器部分进行了１６倍的零值内插ꎬ导致信号有１６倍的振幅因子损失ꎬ因此ＣＩＣ梳状滤波器最终的输出结果需乘以１６以弥补１６倍振幅因子损失ꎮ５㊀仿真结果分析本文基于Ｍａｔｌａｂ和Ｍｏｄｅｌｉｓｍ对总体滤波器进行仿真验证ꎬ仿真结果表明ꎬ当采样频率为４４.１ｋＨｚ时ꎬ上采样滤波器的阻带衰减为－７５ｄＢꎬ带内纹波损失低于０.０２ｄＢꎬ系统群延时为２.０５２ｍｓꎬ低于人耳所能感知到的范围ꎮ当采样频率为４８ｋＨｚ时ꎬ上采样滤波器的阻带衰减为－８５ｄＢꎬ带内纹波损失低于０.０１ｄＢꎬ系统群延时为１.８８５０５ｍｓꎮ两组滤波器系数在共用同一资源的情况下都达到了很好的性能ꎮ通过Ｍａｔｌａｂ对三级半带滤波器输出信号进行傅里叶变换观察其频域特性ꎬ三级半带滤波器输出频谱图如图１０所示ꎬ采样率有效提高ꎬ镜像频谱分量得到了有效抑制ꎬ半带滤波器性能良好ꎮ通过Ｍｏｄｅｌｉｓｍ对总体上采样滤波器进行仿真验证如图１１所示ꎬ时域波形完好无损ꎬ采样率提高１２８倍ꎬ滤波器性能良好ꎮ图１０㊀三级半带滤波器输出频谱图Ｆｉｇ.１０㊀Ｏｕｔｐｕｔｓｐｅｃｔｒｕｍｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅ￣ｓｔａｇｅｈａｌｆｂａｎｄｆｉｌｔｅｒ图１１㊀输入与输出时域波形Ｆｉｇ.１１㊀Ｉｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｗａｖｅｆｏｒｍ６㊀结论本文针对音频功放芯片中的上采样滤波器兼容采样频率单一的问题ꎬ通过可配置多级插值系统结合查找表的方式ꎬ使两组滤波器系数复用同一资源ꎬ完成对多种采样率的音频信号的上变频处理ꎬ使上采样滤波器可以兼容多种不同采样频率的音频信号ꎬ大大提高了音频功放芯片的灵活性ꎮ并通过对半带滤波器算法进行研究ꎬ对其结构进行改进ꎬ使上采样滤波器中的半带滤波器资源消耗减少３/４ꎬ经仿真验证分析ꎬ上采样滤波器达到了高性能㊁低资源消耗的设计要求ꎮ参考文献[１]㊀ＳＣＨＩＮＫＥＬＤꎬＧＲＯＯＴＨＥＤＤＥＷꎬＭＯＳＴＥＲＴＦꎬｅｔａｌ.ＡＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＣｌａｓｓ￣ＤＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｕｄｉｏＡｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＬｏｗ￣ｌａｔｅｎｃｙＡＤＣｓｆｏｒＤｉｇｉｔｉｚｅｄＦｅｅｄｂａｃｋａｆｔｅｒｔｈｅＯｕｔｐｕｔＦｉｌｔｅｒ[Ｊ].ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄ￣ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓꎬ２０１７ꎬ５２(１２):３１８１－３１９３.[２]㊀梁帅ꎬ卫宝跃ꎬ刘昱ꎬ等.２４位低功耗音频Ｓｉｇｍａ￣Ｄｅｌｔａ数模转换器数字前端实现[Ｊ].微电子学与计算机ꎬ２０１５ꎬ３２(５):３６－４０.[３]㊀金剑ꎬ唐宁ꎬ匡志伟ꎬ等.ð￣әＤＡＣ中多级插值滤波器的研究与设计[Ｊ].电子器件ꎬ２００９ꎬ３２(５):９１６－９１９. [４]㊀荆宜青.数字上变频ＦＩＲ半带滤波器仿真与设计[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１７ꎬ３４(１１):１９０－１９４.[５]㊀杜勇.一种新的ＦＩＲ滤波器系数量化方法[Ｊ].电子技术应用ꎬ２０１９ꎬ４５(４):５２－５４.[６]㊀王文博.一种半带滤波器系数量化的优化方法[Ｊ].中国集成电路ꎬ２０２１ꎬ３０(８):３１－３５.[７]㊀叶巧文ꎬ林伟.基于折叠结构的半带滤波器的设计[Ｊ].电子器件ꎬ２０１０ꎬ３３(１):８５－８９.[８]㊀张繁.基于ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡＳＲＬ１６Ｅ实现最优Ｈａｌｆ￣ｂａｎｄ插值滤波器[Ｊ].通信技术ꎬ２０１９ꎬ５２(１２):３０７５－３０７９. [９]㊀史焕卿ꎬ邓春伟.积分梳状滤波器的ＦＰＧＡ实现[Ｊ].现代电子技术ꎬ２００８(１７):３１－３３.[１０]陈路俊ꎬ赵军.积分梳状滤波器(ＣＩＣ)的分析与设计[Ｊ].信息通信ꎬ２０１５(１):８０－８２.[１１]孙成.基于ＦＰＧＡ的多速率滤波器的设计与实现[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨理工大学ꎬ２０１８.[１２]高红梅.基于ＦＰＧＡ的ＣＩＣ滤波器设计[Ｊ].广东通信技术ꎬ２０１９ꎬ３９(１):２５－２８.[１３]王璞ꎬ张玉明ꎬ田野ꎬ等.基于ＦＰＧＡ的多级ＣＩＣ滤波器的设计与实现[Ｊ].云南大学学报(自然科学版)ꎬ２０１８ꎬ４０(４):６７６－６８１.作者简介:㊀㊀程㊀凯㊀硕士研究生ꎮ主要研究方向:数字集成电路设计ꎮ㊀㊀曹晓东㊀博士ꎬ研究员ꎮ主要研究方向:数模混合集成电路设计ꎮ㊀㊀闵令辉㊀硕士研究生ꎮ主要研究方向:数字集成电路设计ꎮ。
基于FPGA的高阶音频均衡滤波器设计
输 入序 列 以及 滤 波 系数 分 别存 储 在 缓 存 阵 列 中 ， 在时 钟 同步 下 由控制 模块 通过生 成相 应 的读写 地址 及
使能 信号 ，使其 按 照一定 次序输 出到乘 累加模 块进 行 运 算 ，并输 出最 终 结 果 。系 数 可通 过 外 部 输 入 重 载 ，
Ｔａ ｈｊｎ ｉｎＺ ｉ ，Ｗａ ｇＭｉ ｕ ｎ ｎ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｌｃｒｎｃＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｓ ｈ ｏ ｅ ｔ ｉ ｎ ｉｅｒ ，ＸｉｉｎＵｎｖ ｒｉ ，Ｘｉ ｎ７ ７ ，Ｃ ｉａ ｏＥ ｏ ｎ ｄａ ｉｅｓ ｙ ｔ ’ ０ ａ １ １ ｈｎ ） ０
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ０ ４一ｒ ｅ ｉｉａ ｑ ｉｉｒｕ ｆｌ ｒ ｉ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｄ ｒａｉｅ ｎ ＥＰ１ ３ ｅｉｓ Ｐ ｓｒ ｃ １ ２ ｏ ｄ ｒ ｄｇｔｌｅ ｕｌ ｉｍ ｉｔ ｓ ｂ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｅ ｌｚ ｄ ｏ ｓ ｒｅ Ｆ ＧＡ ． ｗｈ ｃ Ｃ ｉｈ ｍａ ｅ ｕ ｌｕ ｅ ｏ ｅ Ｆ ｋ ｓｆ ｌ ｓ ｆｔ ＰＧＡ’ ｏ — ｈｐ ｒｓ ｕ ｃ ｙ ｓｃ ｆｃｎ ｉ ｏ ｐ ｃ ｈ Ｓ ｎ ｃ ｉ ｅ ｏ ｒｅ ｂ ａ ｒ ｉ ｇ ｔ ｉ ｉ ｍｅ ｆｒｓ ａ ｅ， ａ ｄ ｃ ｕ ｄ ａｓ ｅ ｌ ｅ ｔ ｅ ｅ ｕｌｂ ｉｍ ｎ ｏ ｌ ｌｏ ｒ ａｉ ｈ ｑ ｉ ｒｕ ｚ ｉ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓｏ ａ ｉｕ ｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ｐ ｎ ｅ ｎ ｕ ｃｉｎ ｆｔｅ ｓｍｐｉ ｅ ｉｉ ｌｅ ｕ ｌ ｒｕ ｆ ｔｒｂ ｅｏ ｄｎ ｏ ｈ ｒ ｃｅｉｔｃ ｆｖ ｒｏ ｓｆｅ ｕ ｎ ｙ ｒ ｓ ｏ ｓ ｓａ ｄ ｆｎ ｔｏ ｓｏ ｉ ｌ ｄ ｄｇ ｔ ｑ ｉｉｉ ｍ ｌｅ ｙ ｒｌａ ｉ ｇｅ — ｈ ｉ ｆ ａ ｂ ｉ ｅｆ ｉｎｓ， ａ ｄ ｔ ｕ ｈ ｕ ｐ ｓ ｆｄ ｓｇ ｉｇ ｔ ｅｆｌ ｒｉ ｔａｎ ｄ ｆｉ ｅ ｔ ｃ ｎ ｈ ｓｔ ｅｐ ｒ ｏ ｅ ｏ ｅ ｉｎｎ ｈ ｔ ｓａｔｉ ｅ ． ｉ ｅ Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｄｇｔｌｅ ｕ ｌ ｒｕ ｆｌ ｒ Ｆ ｙ ｒ ｉｉａ ｑ ｉｉｉ ｍ ｔ ； ＰＧＡ ； １ ０ ４一ｒ ｅ ； Ｆ Ｒ ｂ ｉ ｅ ２ ｏｄｒ Ｉ
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第19卷第3期上海电力学院学报V ol.19,N o.3 2003年9月Journal of Shanghai University of Electric Power Sept. 2003 文章编号:1006-4729(2003)03-0006-03
低失真低噪声音频低通滤波器的设计
收稿日期:2003-02-25
朱 武,张佳民,张玲芳
(上海电力学院信息与控制技术系,上海 200090)
摘 要:介绍了基于广义合成阻抗的低失真、低噪声音频、低通滤波器的设计方法,并给出了截止频率为40kH z线性相位低通滤波器的设计实例.
关键词:广义合成阻抗;线性相位;低通滤波器
中图分类号:TH7 文献标识码:A
引 言
在任何一个量化系统中,防混叠滤波器可以使被采样的信号从无限带宽变为有限带宽,并将不需要的信号从量化系统中消除,从而防止信号频率在采样频率附近发生混叠.在通常情况下,能很好完成这一功能的滤波器大都是很复杂的高阶滤波器.
随着转换系统的采样频率增加,过采样技术可以达到降低滤波器抑制频率衰减的技术要求.例如在数字音频系统中,一般可以采用4倍过采样技术,在A/D转换之前可以使用一个6阶防混叠滤波器;对D/A转换器来说,在DAC的后面要采用3阶滤波器,才能达到防混叠的技术要求.然而,要以低失真、低噪声实现这些3阶或6阶滤波器技术要求将是很困难的.
本文针对音频系统,采用GIC方法,设计出了高性能的低通滤波器.
1 广义阻抗变换滤波器的特点用广义阻抗变换的拓扑结构来设计滤波器,给设计者带来了很多方便,可以使设计者很容易地从无源滤波器的设计中实现有源滤波器的功能;广义阻抗变换滤波器具有非常好的低失真、低噪声的特性,且价格也较合理,与人们熟悉的反馈滤波器相比(例如Sallen&K ey滤波器拓扑结构),有更好的噪声和增益特性,非常适合在音频系统和DSP系统中应用;GIC滤波器有很好的线性相位特性,在音频系统中采用这种滤波器可以大大改善声音质量.
2 无源网络滤波器及其有源变换本设计是基于一个3阶线性相位低通无源T型滤波器,其拓扑结构如图1所示.这是一个截止频率ω=1r/s的归一化设计,它既不是Butterw orth响应,也不是Bessel响应,而是一个介于二者之间的滤波器
.
图1 3阶线性相位低通滤波器的拓扑结构
通过计算机模拟和经验分析,找到了线性相位和截止频率衰减等性能得到优化的元件值.将这个无源网络所有的元件乘以1/s因子,图1的无源网络就变为有源网络,所有的电感变成电阻,所有的电阻变成电容,所有的电容变成依赖频率的负阻抗(FDNR).这些负阻抗的特性阻抗为1/(s2C).电路中的负阻抗可以用广义合成阻抗(GIC)电路来实现.
这样L 1变成R 1,C 2变成1/(s 2C ),L 3变成R 3,R 4变成C 4.如图2所示
.
图2 3阶线性相位低通滤波器的有源变换
3 有源网络的实现及参数确定
图2中1/s 2C 是一个依赖频率的负阻抗,可以采用布鲁吞(Bruton )提出的广义合成阻抗(GIC )电路来实现.其电路如图3所示
.
图3 FDNR 的GIC 实现
其中,FDNR 的值为:
D =
R 12R 14C 13C 15
R 11
假设R 11=R 12=1,C 13=C 15=1,那么D 的值仅由R 14来决定.对于图2的FDNR 电路来说,R 14
=0.8746
Ω.整个3阶滤波器如图4所示.这种无源网络
的有源实现是针对截止频率ω=1r/s 的电路设计的.为了使滤波器具有我们所期望的截止频率,必须按照理想的截止频率和合理的元件值对各元件值进行修正.对于音频设计来说,截止频率为20kH z.但是,线性相位滤波器衰减较慢,在截止频率之前的通带内要引起1～2dB 的衰减;而通常的音频系统频率响应达到20kH z ,并且通带内的衰减要控制在0.1dB 以内.因此,在音频系统中,防混频滤波器的截止频率一般设为40kH z 才能达到
要求.若截止频率取40kH z ,电路中所有电容都要
除以频率标定因子2
πf c ,使1F 电容值变为3.98μF.由于大电容和小电阻给实际应用设计带来困难,因此,电路中的电阻要进行阻值变换.当电阻值变化时,电容值也要作相应的调整,这样才能保证滤波器的截止频率保持不变.
其方法为:首先,选定易于购买的小电容值,然后,将电路中的所有电阻乘以阻抗调整因子β,β值由下式确定:
β=当前电容值
选定电容值
图4 3阶线性相位LPF 的有源实现
按照上述方法,若理想电容取500pF ,则阻抗
因子为7960,电路中的各元件值变为如图5所示.这样,既保证了截止频率不变,又解决了大电容、小电阻等问题
.
图5 截止频率为40kH z 的3阶线性相位LPF
要想得到截止频率为40kH z 6阶线性相位低通滤波器也很容易,只要将图5所示的3阶低通滤波器经缓冲器隔离之后级联就可以实现,如图6所示.其频率特性如图7所示.
7
朱 武等:低失真低噪声音频低通滤波器的设计
图6 截止频率为40kH z 的6
阶线性相位低通滤波器
图7 频率特性曲线
从频率特性曲线可以看出滤波器通带增益平
坦,相位线性度较好,从而使语音信号通过滤波器后的失真很小,保证了语音信号的高质量.
4 结束语
基于广义合成阻抗方法的滤波器与传统的反
馈滤波器相比,不仅增益、线性相位和低噪声等性
能优良,而且使设计变得更加方便,减少了许多计算量.本文就音频系统应用中的低通滤波器的设计,给出了3阶和6阶低通滤波器的设计实例.实例方法可以推广应用到其他任意截止频率高阶低滤波器的设计中,这对于设计高性能低通滤波器是十分有益的.参考文献:
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A Low Distortion Low N oise Design for Low P ass Audio Filter
ZH U W u ,ZH ANGJia 2min ,ZH ANGLing 2fang
(Department o f Information and Control Technology ,Shanghai Univer sity o f Electric Power ,Shanghai 200090,China )
Abstract : The method of designing low pass audio filter with low distortion and low noise based on GIC is introduced in this paper.Furtherm ore ,a low pass filter with a cutoff frequency of 40kH z and linear 2phase is provided.
K ey w ords : GIC ;linear 2phase ;low pass filter
8上 海 电 力 学 院 学 报 2003年。