《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的超聲波信號處理研究[圖]
摘要: 針對超聲波信號中的噪聲采用基于FPGA的FIR濾波,提高了硬件電路的集成度,并取得了良好的消噪效果。在硬件實(shí)現(xiàn)過程中采用查表方法替代濾波過程中的乘法運(yùn)算,節(jié)省了占用的片內(nèi)資源,提高了處理速度。同時由于采用了并行硬件算法,其處理速度遠(yuǎn)高于CPU或DSP上的程序處理速度。
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0 引言

在超聲流量檢測過程中,由于環(huán)境噪聲使得流量檢測的精度收到了嚴(yán)重的影響。目前多采用軟件濾波的方法,對采集回來的聲波信號進(jìn)行數(shù)字處理,以提高檢測的精度。此類方法對硬件處理器的運(yùn)算能力要求較高,而且會影響檢測的實(shí)時性。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,FPGA的容量和處理速度已有了飛躍性的提高。特別是在數(shù)字信號處理方面,其性能已經(jīng)超過了某些專用的信號處理芯片。本文在的超聲波流量檢測信號采樣處理電路中,采用FPGA實(shí)現(xiàn)了聲波信號的高速緩存和FIR濾波器,不僅達(dá)到了預(yù)期的消噪效果,而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度和集成度。下面將介紹FIR濾波器的具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 數(shù)字濾波原理與設(shè)計

FIR數(shù)字濾波器的特性可以用它的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)或差分方程來描述。一般地,線性是不變離散系統(tǒng)的差分方程,可表示為:

基于FPGA的超聲波信號處理研究
     基于FPGA的超聲波信號處理研究

式中:zr,pk分別為H(z)的M個零點(diǎn)和N個極點(diǎn),它們由系統(tǒng)的形式和各系統(tǒng)參數(shù)ak,br所決定。FIR濾波器都是非遞歸形式的濾波器。

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此系統(tǒng)的輸出只與輸入x(n),x(n-1),…有關(guān),而與系統(tǒng)過去的輸出y(n-1),y(n-2),…無關(guān),此即非遞歸濾波器。

濾波器設(shè)計采用Matlab中的FDA Tool計算帶通濾波器系數(shù)。濾波器采用Kaiser窗函數(shù)設(shè)計,采樣頻率為40MHz,窗上下截止頻率分別為3MHz和7MHz。由此得到的濾波器系數(shù)為:

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2 FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)

由式(4)可知,F(xiàn)IR濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是卷積運(yùn)算,也就是做乘加運(yùn)算。例如,一個M階的FIR濾波器的輸出是輸入樣本的M個依次值的加權(quán)和,加權(quán)系數(shù)就是此濾波器的單位沖激響應(yīng)值。對于上節(jié)設(shè)計的10階線性FIR濾波器,可以得到:

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這樣,10階FIR濾波器的結(jié)構(gòu)可以描述為:輸入樣本x(n)經(jīng)過10階移位寄存器延遲后得到10個具有不同延遲的抽頭,將對稱的抽頭值相加后再與相應(yīng)的權(quán)系數(shù)相乘,5個乘積相加就得到濾波器的輸出值。濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于FPGA的超聲波信號處理研究

濾波器抽頭與權(quán)系數(shù)之間存在著乘法運(yùn)算,在硬件實(shí)現(xiàn)中乘法運(yùn)算是相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)算,不僅占用大量硬件資源,而且運(yùn)算速度較慢。為了提高運(yùn)算速度,在此利用FPGA邏輯單元(LE)中的查找表實(shí)現(xiàn)替代乘法運(yùn)算的查表運(yùn)算。為了說明方便,在此以4階濾波器為例,數(shù)據(jù)為2位的二進(jìn)制整形。設(shè)a(1)=01,a(2)=11,h(1)=10,h(2)=01,權(quán)系數(shù)與抽頭之間的乘加運(yùn)算如圖2所示。

基于FPGA的超聲波信號處理研究

圖2中,P1(n)為抽頭低位與權(quán)系數(shù)的乘積結(jié)果,P2(n)為抽頭高位與權(quán)系數(shù)的乘積結(jié)果,在此稱之為單位積。常規(guī)的計算順序是先將P1(n)和P2(n)的對應(yīng)項在垂直方向上移位相加,所得結(jié)果再進(jìn)行水平方向上相加。但是從圖中可以看出,先將P1(n)和P2(n)在水平方向上相加,然后再進(jìn)行垂直方向上移位相加,所得的結(jié)果是一樣的。第二種順序中,P1(n)和P2(n)是h(n)和a(n)的某個比特位的乘積,而對于設(shè)計好的FIR濾波器h(n)是固定的,這樣就可以通過a(n)某比特位的組合來查表求出P1(n)或P2(n),并在水平方向上實(shí)現(xiàn)求和。如表1所示,a1(n)表示a(n)的低位組合,單位積P1表示相應(yīng)的權(quán)系數(shù)和。

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對于a(n)的高位組合,單位積P2可以建立同樣的組合表。將P1和P2移位相加,即可得到濾波器的輸出結(jié)果。在此例中采用的是2位二進(jìn)制的權(quán)系數(shù)和輸入樣本,對于高精度的權(quán)系數(shù)和輸入樣本,只不過是增加更多的單位積P3,P4,…等等。

實(shí)際操作過程中,基于FPGA的FIR濾波器通過三步完成,第一步將輸入信號x(n)進(jìn)行移位延遲,形成n階抽頭,再將相互對稱的抽頭相加得到濾波器抽頭;第二步在FPGA中構(gòu)造ROM,按前一步產(chǎn)生的濾波器抽頭進(jìn)行查表運(yùn)算;最后將所有位的查表運(yùn)算結(jié)果移位相加得到濾波器輸出y(n)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Altera公司的FPGA器件EPF10K30實(shí)現(xiàn)10階的帶通FIR濾波器進(jìn)行試驗(yàn)。A/D采樣頻率為40MHz,精度為12位,聲波中心頻率為5M-Hz。A/D采樣得到的原始聲波信號如圖3所示。經(jīng)過FIR濾波器處理后的聲波信號如圖4所示。

基于FPGA的超聲波信號處理研究

試驗(yàn)結(jié)果表明,采用FPGA實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器有效地消弱了噪聲干擾,在保證實(shí)時性的基礎(chǔ)上,為后期處理提供了可靠的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

針對超聲波信號中的噪聲采用基于FPGA的FIR濾波,提高了硬件電路的集成度,并取得了良好的消噪效果。在硬件實(shí)現(xiàn)過程中采用查表方法替代濾波過程中的乘法運(yùn)算,節(jié)省了占用的片內(nèi)資源,提高了處理速度。同時由于采用了并行硬件算法,其處理速度遠(yuǎn)高于CPU或DSP上的程序處理速度。

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