一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高精度數(shù)字濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置，更特別地，是采用具有高性能 和高靈活性的FPGA，通過多級濾波器組的設(shè)計，并加以復(fù)雜算法實現(xiàn)的適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo) 航的高精度數(shù)據(jù)采集。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 鑒于現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)具有設(shè)計靈活、 高集成度、高可靠性、硬件編程的特點，可通過VHDL硬件描述語言進行編程，其功能強大、 設(shè)計靈活、運算速度快，且實時性強，所以具備了高速處理數(shù)據(jù)的條件與優(yōu)勢。FPGA處理數(shù) 據(jù)的方式是基于硬件的并行處理方式，并且具有極大的靈活性，可以開發(fā)出對設(shè)計要求非 常具有針對性的硬件結(jié)構(gòu)。在FPGA上實現(xiàn)濾波處理是基于存儲、運算再存儲、再運算的模 式，這很好的迎合了FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即FPGA的存儲單元后跟可配置邏輯單元再加運算單 元的形式。對于數(shù)據(jù)存儲，F(xiàn)PGA內(nèi)部有著豐富的存儲單元。它既有小塊零散的分布式RAM 均勻分布在FPGA內(nèi)部，也有大塊的BRAM，這些豐富的存儲單元可以滿足大多數(shù)應(yīng)用。另外 FPGA內(nèi)部數(shù)量最多、最重要也是最豐富的查找表（LUT)資源，也可以靈活的配置成各種存 儲單元。對于數(shù)據(jù)運算，F(xiàn)PGA內(nèi)部有著豐富的查找表、多路選擇器、進位鏈、乘法器等資源 來完成各種簡單或復(fù)雜的運算。而且，F(xiàn)PGA的供應(yīng)商提供了大量的、高效的IP核可以用來 完成復(fù)雜的濾波器設(shè)計。
[0003] E_A模數(shù)轉(zhuǎn)換器調(diào)制器輸出的高速串行數(shù)據(jù)流需要通過一系列的濾波和抽取 才能得到導(dǎo)航計算機可用的加速度數(shù)據(jù)。隨著捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度不斷提高，要求ADC 不僅具有高采樣率，而且還具有高分辨率。由于受到單個ADC的模擬輸入帶寬的限制，這 種結(jié)構(gòu)難以對高速模擬信號直接進行量化。所以本發(fā)明采用多級混合濾波器組系統(tǒng)，能夠 得到高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換的同時，也完全消除了單個ADC模擬輸入帶寬不夠的瓶頸，從而 實現(xiàn)了高速和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，完全能夠滿足捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高速、高精度加速 度數(shù)據(jù)采集，通過多級濾波器組的設(shè)計，并加以復(fù)雜算法，采用了高靈活性的現(xiàn)場可編程門 陣列，利用其易編程的VHDL硬件描述語言，結(jié)合matlab軟件的強大仿真能力，實現(xiàn)對加速 度計數(shù)據(jù)的高精度、高性能的采集。
[0005] 2、技術(shù)方案：為達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明包括下列步驟：
[0006] 1)CIC濾波器的設(shè)計
[0007] 由于E_A調(diào)制器的階數(shù)為四階，因此選擇CIC濾波器的級數(shù)為五級。需要注意 的是它首先要實現(xiàn)所有的積分器，然后是抽取器最后是梳狀濾波器，這樣的結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省R 倍的延遲器件，也被稱作Hogenauer抽取濾波器。
[0008] 2)CIC濾波器位寬的確定
[0009] 為保證濾波器在正常運行時不會溢出，需要進行位寬的確定。CIC抽取濾波器的增 益為，其中R是抽取因子，N是CIC濾波器的級聯(lián)數(shù)目。當使用二進制補碼表示時，則輸出 比輸入增長位數(shù)是：
[0010] Bgrow=Nlog2R (1)
[0011] 在實現(xiàn)時，在CIC濾波器的所有級別上都是按照上式確定的位寬設(shè)計的，這樣保 證了輸出端不會溢出。
[0012] 3)FIR二抽一補償濾波器的設(shè)計
[0013] 為了在CIC濾波器和補償濾波級聯(lián)后的通帶內(nèi)獲得平坦的幅頻曲線，則CIC補償 濾波器通帶的幅頻響應(yīng)應(yīng)該為式（2)的倒數(shù)，此時取f為抽樣后頻率f=f/R，則此時幅頻 響應(yīng)如式（3)。
[0016] 在實現(xiàn)時，使用了matlab中的'fir2'函數(shù)，調(diào)用其"b=fir2 (n,f,m) "格式，產(chǎn) 生CIC補償濾波器。
[0017] 4)FIR四抽一濾波器的設(shè)計
[0018] 首先由性能指標和濾波器類型確定H(k)的模，使其滿足|H(k)I= |H(N-k)I和 H(N/2) =0,然后根據(jù)濾波器的類型及頻率采樣法的特點確定H(k)的相角0 (k)，使其滿足 0 (k) = - 0 (N-k)。最后由|H(k)I和0 (k)構(gòu)造出H(k)，再經(jīng)過逆變換求出沖擊響應(yīng)。 四、
【附圖說明】
[0019] 圖1為濾波器組整體結(jié)構(gòu)；
[0020] 圖2為不同長度單級CIC濾波器的頻譜特性；
[0021] 圖3為不同級聯(lián)數(shù)的10階CIC濾波器頻譜特性；
[0022] 圖4為CIC補償濾波器幅頻響應(yīng)曲線；
[0023] 圖5為FIR4抽1頻率響應(yīng)曲線；
[0024] 圖6為濾波器組級聯(lián)得到的頻率響應(yīng)；
[0025] 圖7為抽取前后頻譜對比；
[0026] 圖8為采用不同量化位數(shù)濾波器的頻率響應(yīng)。 五、
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明是基于FPGA的數(shù)據(jù)采集裝置，主要是E_A模數(shù)轉(zhuǎn)換器調(diào)制器輸出的高速 串行數(shù)據(jù)流需要通過一系列的濾波和抽取得到導(dǎo)航計算機可用的加速度數(shù)據(jù)。下面將結(jié)合 附圖對本發(fā)明的實現(xiàn)做進一步的詳細說明。
[0028] 如圖1所示，E-A調(diào)制器輸出SkHz數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過抽樣率為10的CIC濾波器， 該濾波器為第一級，其結(jié)構(gòu)簡單實現(xiàn)的降采樣率較大但在通帶內(nèi)衰減較為嚴重，因此采用 CIC補償濾波器用來作為CIC濾波器的后級濾波器，并實現(xiàn)2倍的抽取。這級濾波器的幅頻 響應(yīng)是CIC濾波器幅頻響應(yīng)的倒數(shù)，因此其級聯(lián)后的通帶很平坦，達到補償?shù)哪康摹?br>[0029]LCIC濾波器的特性 [0030] 梳狀濾波器可以表示為：
[0031] H(Z)=I-Zr (4)
[0032] 其中R表示濾波器的階數(shù)，和抽取倍數(shù)相同。圖2顯示了當R不同時，單級CIC濾 波器的頻譜特性。由其頻譜特性可以看出，無論R的大小如何，頻譜特性的第一旁瓣幅值相 對主瓣的差值幾乎固定，且很小。
[0033] 對于N階CIC濾波器級聯(lián)其幅頻響應(yīng)為：
[0035] 圖3給出了當R為10,N為1、2、3和5時的幅頻響應(yīng)圖。隨著級聯(lián)階數(shù)的提高，通 帶邊緣衰減越快，需要對其進行補償。
[0036] 2.FIR補償濾波器特性
[0037] 根據(jù)前一級CIC濾波器的幅頻特性，可以得出CIC補償濾波器通帶的幅頻響應(yīng) 是：
[0039] 圖4是CIC補償濾波器的幅頻特性曲線，設(shè)計階數(shù)為80階，通帶截止頻率設(shè)置在 IOOHz頻率處。可以看出其在通帶有明顯的提升用來補償CIC濾波器在通帶邊緣的衰減。
[0040] 3.FIR濾波器特性
[0041] 觀察實際設(shè)計效果來確定濾波器是否最優(yōu)，通過調(diào)整參數(shù)使補償濾波器和CIC濾 波器級聯(lián)后的頻率響應(yīng)達到最佳，最后得出，濾波器需要142階，-3dB頻率約為45. 5Hz，濾 波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖5所示。右上角是其在通帶的局部放大曲線。
[0042] 4?濾波器組級聯(lián)特性
[0043] 圖6是濾波器組級聯(lián)得到的頻率響應(yīng)，其通帶紋波為0. 0078dB，通帶_3dB頻率為 48Hz，阻帶衰減優(yōu)于150dB，過渡帶為35Hz，遠小于單片ADC自帶濾波器0. 6kHz過渡帶。
[0044] 5.信號抽取前后頻譜分析
[0045] 較高采樣率給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來了不必要的壓力，為此需要降低數(shù)字信號的頻 率，即對信號進行抽取。圖7是對原序列進行4倍抽取前后信號頻譜示意圖，以及在抽取前 的低通濾波器避免了頻譜的混疊。
[0046] 6?濾波器系數(shù)的量化分析
[0047] 數(shù)字濾波器在使用硬件實現(xiàn)時，濾波器系數(shù)都是有限字長的，因此實際實現(xiàn)的濾 波器會存在一些誤差。本發(fā)明中通過仿真試驗來確定最終的濾波器系數(shù)長度，并分析濾波 器系數(shù)的量化對系統(tǒng)設(shè)計中定性的影響和相應(yīng)的解決辦法。如圖8所示，采用142階等紋 波FIR濾波器，它的通帶邊緣為0. 2 ，阻帶邊緣為0. 3 ，阻帶衰減為160dB。把這些系數(shù) 分別用32位和16位表示，然后使用matlab進行分析得到的結(jié)果。
【主權(quán)項】
1. 一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高精度加速度數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波器，其特征在于，它包 括抽樣梳狀濾波器、FIR二抽一補償濾波器、和FIR四抽一濾波器； 所述抽樣梳狀濾波器是采用由Hogenauer提出的一種高效的降采樣濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 的，用于實現(xiàn)高倍率的降頻； 所述FIR二抽一補償濾波器是通過matlab中的'fir2'函數(shù)產(chǎn)生，該函數(shù)可以設(shè)計多 通帶任意響應(yīng)曲線相位FIR濾波器，該濾波器主要用于補償前級CIC濾波器在通帶邊緣的 衰減并實現(xiàn)二倍的抽??； 所述FIR四抽一濾波器采用Parks-McClellan算法來計算最優(yōu)濾波器的系數(shù)，該濾波 器采用通帶紋波低，過度帶窄，阻帶衰減大，濾波器階數(shù)高的濾波器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高精度加速度數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波 器，其特征在于，抽樣梳狀濾波器由積分器和梳狀濾波器級聯(lián)而成，從而增大單級的CIC濾 波器的阻帶衰減。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高精度加速度數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字濾 波器，其特征在于，通過CIC濾波器和FIR二抽一補償濾波器級聯(lián)后的通帶內(nèi)能夠獲得平坦 的幅頻曲線。4. 一種基于權(quán)利要求1所述的一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高精度加速度數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù) 字濾波器，其特征在于，F(xiàn)IR四抽一濾波器采用Parks-McClellan算法來計算最優(yōu)濾波器的 系數(shù)。
【專利摘要】一種適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的高精度加速度數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波器，涉及數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。它包括抽樣梳狀濾波器、FIR二抽一補償濾波器、和FIR四抽一濾波器；所述抽樣梳狀濾波器是采用由Hogenauer提出的一種高效的降采樣濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，用于實現(xiàn)高倍率的降頻；所述FIR二抽一補償濾波器是通過matlab中的‘fir2’函數(shù)產(chǎn)生，該函數(shù)可以設(shè)計多通帶任意響應(yīng)曲線相位FIR濾波器，該濾波器主要用于補償前級CIC濾波器在通帶邊緣的衰減并實現(xiàn)二倍的抽??；所述FIR四抽一濾波器采用Parks-McClellan算法來計算最優(yōu)濾波器的系數(shù)，該濾波器采用通帶紋波低，過度帶窄，阻帶衰減大，濾波器階數(shù)高的濾波器。適用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣要求。
【IPC分類】G01C21/16
【公開號】CN105066990
【申請?zhí)枴緾N201510394059
【發(fā)明人】高偉, 王國臣, 張卓, 夏秀瑋, 盧寶峰
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月7日