專利名稱：一種一階數(shù)字低通濾波方法、濾波器及電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種一階數(shù)字低通濾波方法、濾波器及電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
在許多的嵌入式系統(tǒng)中(如小區(qū)安防系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等)，大量的現(xiàn)場物理信號(熱釋電、煙霧、煤氣等)需要被測量，這主要靠傳感器來完成。傳感器把物理量(熱釋電、煙霧、煤氣等)的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，并通過特定的電路傳遞給微處理器處理；這類系統(tǒng)都是運(yùn)行在一些開放的環(huán)境中，所以信號的輸出常常會疊加一些噪聲信號，還有就是、這些信號的變化都是很微弱的，通常都是在毫伏或者毫安級的范圍內(nèi)變化；因此要對傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波，并且這些信號變化的頻率都比較低，所以傳統(tǒng)的濾波方法都采用一階數(shù)字低通濾波法，如公式一所示Y (n) = (I -a) *X (n) +a*Y (n_ I)式中Y(n)-----濾波后的第n次采樣值；X (n)-----未經(jīng)濾波的第n次采樣值；Y (n-1)-----濾波后的第n-1次采樣值；a-----濾波系數(shù)，在[1，0]區(qū)間取值；公式一中的濾波系數(shù)a，表示濾波時(shí)間常數(shù)與采樣周期的比值，即為公式二
Tf
a= T + Tf式中Tf-----濾波時(shí)間常數(shù)；T-----采樣周期；當(dāng)采樣周期T遠(yuǎn)小于濾波時(shí)間常數(shù)Tf的時(shí)候，該算法等價(jià)與一階RC模擬濾波器，對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場合。其不足之處是對系統(tǒng)中的微處理器要求高，因?yàn)樘幚沓朔ㄟ\(yùn)算是很耗資源和時(shí)間的，所以微處理器會花大量的時(shí)間和資源來處理濾波算法；特別是在有FPGA和CPLD參與的系統(tǒng)中，如果用硬件實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，那代價(jià)是昂貴的。由此可見現(xiàn)有技術(shù)中存在一階數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算代價(jià)昂貴的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種一階數(shù)字低通濾波方法、濾波器及電子設(shè)備，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的，一階數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算代價(jià)昂貴的問題，該方法包括第一移位寄存器對第一采樣值向左移第一整數(shù)位，第一采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值之一；第二移位寄存器將第一移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作；
第一加法器把經(jīng)過各第二移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第一濾波系數(shù)確定第一加法器的個(gè)數(shù)和第二移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第二移位寄存器的移位位數(shù)；第三移位寄存器將第一加法器的相加結(jié)果，右移第一整數(shù)位；第二加法器根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值。進(jìn)一步，還包括第四移位寄存器對第二采樣值向左移第二整數(shù)位，第二采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值中的另一個(gè)；第五移位寄存器將第四移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作；第三加法器把每個(gè)經(jīng)過第五移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第二濾波系 數(shù)確定第三加法器的個(gè)數(shù)和第五移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第五移位寄存器的移位位數(shù)，第一濾波系數(shù)和第二濾波系數(shù)之和為I ;第六移位寄存器將第三加法器的相加結(jié)果，右移第二整數(shù)位；第二加法器根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值具體為第二加法器將第三移位寄存器右移的結(jié)果和第六移位寄存器右移的結(jié)果相加，得到本次濾波后的采樣值。進(jìn)一步，還包括第七移位寄存器對未經(jīng)濾波的之前b_l次到當(dāng)前第n次采樣值，向左移第三整數(shù)位，b的取值是2的整數(shù)次冪，n為正整數(shù)，且n大于b-1 ；第四加法器把第七移位寄存器的輸出，和第一寄存器中的存儲值相加；第一寄存器存儲第一加法器的輸出，且第一加法器相加b次后第一寄存器清零；第八移位寄存器將第一加法器相加b次后的輸出值，向右移b位得到第一米樣值。進(jìn)一步，還包括第九移位寄存器將第二加法器輸出右移第三整數(shù)位，得到本次濾波后的采樣值。進(jìn)一步，第一采樣值為未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種一階數(shù)字低通濾波器，包括第一移位寄存器，其對第一采樣值向左移第一整數(shù)位，第一采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值之一；第二移位寄存器，其將第一移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作；第一加法器，其把經(jīng)過各第二移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第一濾波系數(shù)確定第一加法器的個(gè)數(shù)和第二移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第二移位寄存器的移位位數(shù)；第三移位寄存器，其將第一加法器的相加結(jié)果，右移第一整數(shù)位；第二加法器，其根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值。進(jìn)一步,還包括第四移位寄存器，其對第二采樣值向左移第二整數(shù)位，第二采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值中的另一個(gè)；第五移位寄存器，其將第四移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作；第三加法器，其把每個(gè)經(jīng)過第五移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第二濾波系數(shù)確定第三加法器的個(gè)數(shù)和第五移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第五移位寄存器的移位位數(shù)，第一濾波系數(shù)和第二濾波系數(shù)之和為I;第六移位寄存器，其將第三加法器的相加結(jié)果，右移第二整數(shù)位；第二加法器，其將第三移位寄存器右移的結(jié)果和第六移位寄存器右移的結(jié)果相力口，得到本次濾波后的采樣值。進(jìn)一步,還包括第七移位寄存器，其對未經(jīng)濾波的之前b_l次到當(dāng)前第n次采樣值，向左移第三整數(shù)位，b的取值是2的整數(shù)次冪，n為正整數(shù)，且n大于b-1 ；
第四加法器，其把第七移位寄存器的輸出，和第一寄存器中的存儲值相加；第一寄存器，其存儲第一加法器的輸出，且第一加法器相加b次后清零；第八移位寄存器，其將第一加法器相加b次后的輸出值，向右移b位得到第一米樣值。進(jìn)一步，還包括第九移位寄存器，其將第二加法器輸出右移第三整數(shù)位，得到本次濾波后的采樣值。進(jìn)一步，第一采樣值為未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種電子設(shè)備，本體上包括前述的一階數(shù)字低通濾波器。由于將乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成移位運(yùn)算，可以減少實(shí)現(xiàn)代價(jià)。


圖I表示本發(fā)明的一階數(shù)字低通濾波器電路原理圖；圖2表示本發(fā)明的取平均值的一階數(shù)字低通濾波器電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖I是高精度一階低通數(shù)字濾波器的電路圖，元件104、元件107是本算法的核心部分，它們的功能是分別實(shí)現(xiàn)(l_a)*X(n)以及a*Y (n-1)，把乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為移位加法運(yùn)算，X(n)可以是未經(jīng)濾波的當(dāng)前第n次采樣值，其實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)原來是a可表示為二進(jìn)制數(shù)，對于二進(jìn)制數(shù)，其基數(shù)是2，它只有兩個(gè)數(shù)字符號，即0和I。計(jì)算規(guī)律是“逢二進(jìn)一”或“借一當(dāng)二”。例如二進(jìn)制數(shù)(101. 01) 2 (101. 01)任何一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N 2都可以用多項(xiàng)式來表示42=^2^+^21"2+...+(^21+^ °+^ -1+^ -2+…+d_m*2-m等號左邊為并列表示法，等號右邊為多項(xiàng)式表示法，顯然這兩種表示法表示的數(shù)是等價(jià)的。在右邊多項(xiàng)式表示法中，1、0、1、0、1被稱為系數(shù)項(xiàng)，而Z2、〗1、〗'〗'〗—2等被稱為該位的“權(quán)”。式中任何一位數(shù)值的大小都可以用該位的系數(shù)項(xiàng)Cli和權(quán)值21的積來確定，其中，下標(biāo)n表示整數(shù)部分的位數(shù),下標(biāo)m表示小數(shù)部分的位數(shù)，d是O、I中的某一個(gè)數(shù),即di G(0，1)。由上面的推導(dǎo)可以把乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為移位加法運(yùn)算，對于每一個(gè)特定實(shí)例來說a是固定的，因此轉(zhuǎn)化為移位加法后，加法器的數(shù)目也是固定的，因?yàn)閍在[1，0]區(qū)間取值，因此可以先放大1024倍，即X(n)左移10位，最后運(yùn)算的結(jié)果右移10即可，下面以(I-a)為0. 4為例進(jìn)行說明，(I-a)先放大1024倍等于409. 6取整得到409，二進(jìn)制表示為110011001。根據(jù) X(n) *N2=X(n) *dn_1*2n_1+X(n) *dn_2*2n-2+... +X(n) *d1*21+X(n) *d0*20+X(n) *(!<*2_1+X (n) *d_2*2-2+…+X (n) *d_m*2-mX(n)* (110011001) 2=X (n) *1*28+X (n) *1*27+X (n) *0*26+X (n) *0*25+X (n) *1*24+X (n) *1*23+X (n) *0*22+X (n) *0*2:+X (n) *1*2°=X (n) 8+X (n) 7+X (n) 4+X (n) 3+X (n)〈〈I…其中(X(n)〈〈8)就是把X(n)左移8位，(X(n)〈〈7)就是把X(n)左移7位，(X(n)〈〈4)就是把X(n)左移4位，(X(n)〈〈3)就是把X(n)左移3位，(X(n)〈〈l)就是把X(n)左移I位，依次類推(X(n)〈〈k)就是把X(n)左移k位，k為正整數(shù)。最后運(yùn)算的結(jié)果右移10位后，即把乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為移位加法運(yùn)算。
元件104的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟I、移位寄存器110對X(n)向左移10位，即把(l_a)放大1024倍。根據(jù)(1-a)可確定加法器的個(gè)數(shù)和移位寄存器的個(gè)數(shù)。當(dāng)然移位寄存器110對X(n)向左移10位只是示例，左移8位、11位等整數(shù)位均可。步驟2、移位寄存器113將移位寄存器110左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作。以(1-a)為0.4為例，共5個(gè)移位寄存器113分別左移8位、7位、4位、3位、I位。步驟3、加法器112把經(jīng)過各移位寄存器113移位后的數(shù)據(jù)相加。其中根據(jù)濾波系數(shù)(1-a)為0. 4確定加法器112的個(gè)數(shù)為4和移位寄存器113的個(gè)數(shù)為5，以及確定各移位寄存器113的移位位數(shù)。步驟4、移位寄存器111將加法器112的相加結(jié)果，右移10位。把每個(gè)經(jīng)過移位后的數(shù)據(jù)相加，再把相加的結(jié)果右移10位就完成了整個(gè)移位加法運(yùn)算。之后，加法器106根據(jù)移位寄存器111右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值。類似的方法可以在元件107中實(shí)現(xiàn)，元件107的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟11、移位寄存器114對Y (n-1)向左移10位，即把a(bǔ)放大1024倍，確定加法器的個(gè)數(shù)和移位寄存器的個(gè)數(shù)。步驟12、移位寄存器115將移位寄存器114左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作。步驟13、加法器117把經(jīng)過各移位寄存器115移位后的數(shù)據(jù)相加。步驟14、移位寄存器116將加法器117的相加結(jié)果，右移10位。結(jié)合之前的描述，加法器106將移位寄存器116右移的結(jié)果和移位寄存器111右移的結(jié)果相加，得到本次濾波后的采樣值。元件107是和元件104功能類似，元件109是一個(gè)存儲器，存放上一次濾波的采樣值Y (n-1)，存儲器109和元件107—起實(shí)現(xiàn)把a(bǔ)*Y (n-1)的操作，把乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為移位運(yùn)算，加法器106是一階數(shù)字濾波算法中的加法器，它實(shí)現(xiàn)把未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值乘以(1-a)和濾波后的之前一次采樣值乘以a相加的操作，移位寄存器108它實(shí)現(xiàn)將加法器106右移m位的操作，左邊補(bǔ)零，目的是把不影響精度的低m位去掉，最后從移位寄存器108出來的數(shù)據(jù)就是本次濾波后的采樣值。
如圖2，當(dāng)然被測信號經(jīng)采樣后可以先送到移位寄存器101，移位寄存器101的作用是把采樣的原始信號即未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值，左移d位低位補(bǔ)零，低d位就是擴(kuò)展的小數(shù)位，這樣做的目的有兩個(gè)避免微弱的采樣信號被后面的移位運(yùn)算截取掉；讓每次采樣信號的的小數(shù)部分都參與后面的運(yùn)算，提高了處理精度。例如，移位寄存器101對未經(jīng)濾波的之前b-1次到當(dāng)前第n次采樣值，向左移8位，b的取值是2的整數(shù)次冪如4，n為正整數(shù)，且n大于b-1。加法器把第七移位寄存器的輸出，和第一寄存器中的存儲值相加被測信號經(jīng)移位寄存器101移位擴(kuò)展后，通過加法器103就和寄存器102的值相力口，加法器103再把相加的結(jié)果存到寄存器102里，因此寄存器102的值就是前面幾次信號相累加的結(jié)果，寄存器102和加法器103兩個(gè)元件就是實(shí)現(xiàn)把前面b次采樣數(shù)據(jù)累加，寄存器102位寬的選擇應(yīng)是b次累加不溢出，b的取值是2的整數(shù)次冪，相加b次后把102清零。移位寄存器105實(shí)現(xiàn)的功能是把數(shù)據(jù)右移b位，寄存器102的數(shù)據(jù)經(jīng)過移位寄存器105，就是把累加的結(jié)果除以b就是向右移b位，因?yàn)閎的取值是2的整數(shù)次冪，移位·寄存器105就實(shí)現(xiàn)了求平均的功能，把b次的采樣值累加求和取平均值作為當(dāng)前的采樣值X(n)，目的是能周期性干擾，平滑度高。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種電子設(shè)備，本體上包括如前述的一階數(shù)字低通濾波器。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種一階數(shù)字低通濾波方法，其特征在于，包括 第一移位寄存器對第一采樣值向左移第一整數(shù)位，第一采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值之一； 第二移位寄存器將第一移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作； 第一加法器把經(jīng)過各第二移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第一濾波系數(shù)確定第一加法器的個(gè)數(shù)和第二移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第二移位寄存器的移位位數(shù)；第三移位寄存器將第一加法器的相加結(jié)果，右移第一整數(shù)位； 第二加法器根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 第四移位寄存器對第二采樣值向左移第二整數(shù)位，第二采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值中的另一個(gè)； 第五移位寄存器將第四移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作； 第三加法器把每個(gè)經(jīng)過第五移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第二濾波系數(shù)確定第三加法器的個(gè)數(shù)和第五移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第五移位寄存器的移位位數(shù)，第一濾波系數(shù)和第二濾波系數(shù)之和為I ; 第六移位寄存器將第三加法器的相加結(jié)果，右移第二整數(shù)位； 第二加法器根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值具體為第二加法器將第三移位寄存器右移的結(jié)果和第六移位寄存器右移的結(jié)果相加，得到本次濾波后的采樣值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括 第七移位寄存器對未經(jīng)濾波的之前b-1次到當(dāng)前第n次采樣值，向左移第三整數(shù)位，b的取值是2的整數(shù)次冪，n為正整數(shù)，且n大于b-1 ； 第四加法器把第七移位寄存器的輸出，和第一寄存器中的存儲值相加； 第一寄存器存儲第一加法器的輸出，且第一加法器相加b次后第一寄存器清零； 第八移位寄存器將第一加法器相加b次后的輸出值，向右移b位得到第一米樣值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 第九移位寄存器將第二加法器輸出右移第三整數(shù)位，得到本次濾波后的采樣值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，第一采樣值為未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值。
6.一種一階數(shù)字低通濾波器，其特征在于，包括 第一移位寄存器，其對第一采樣值向左移第一整數(shù)位，第一采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值之一； 第二移位寄存器，其將第一移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作； 第一加法器，其把經(jīng)過各第二移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第一濾波系數(shù)確定第一加法器的個(gè)數(shù)和第二移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第二移位寄存器的移位位數(shù)； 第三移位寄存器，其將第一加法器的相加結(jié)果，右移第一整數(shù)位； 第二加法器，其根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的濾波器，其特征在于，還包括 第四移位寄存器，其對第二采樣值向左移第二整數(shù)位，第二采樣值為根據(jù)未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值得到的采樣值和濾波后的之前一次采樣值中的另一個(gè)； 第五移位寄存器，其將第四移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作； 第三加法器，其把每個(gè)經(jīng)過第五移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第二濾波系數(shù)確定第三加法器的個(gè)數(shù)和第五移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第五移位寄存器的移位位數(shù)，第一濾波系數(shù)和第二濾波系數(shù)之和為I; 第六移位寄存器，其將第三加法器的相加結(jié)果，右移第二整數(shù)位； 第二加法器，其將第三移位寄存器右移的結(jié)果和第六移位寄存器右移的結(jié)果相加，得到本次濾波后的采樣值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的濾波器，其特征在于，還包括 第七移位寄存器，其對未經(jīng)濾波的之前b-1次到當(dāng)前第n次采樣值，向左移第三整數(shù)位，b的取值是2的整數(shù)次冪，n為正整數(shù)，且n大于b-1 ； 第四加法器，其把第七移位寄存器的輸出，和第一寄存器中的存儲值相加； 第一寄存器，其存儲第一加法器的輸出，且第一加法器相加b次后清零； 第八移位寄存器，其將第一加法器相加b次后的輸出值，向右移b位得到第一米樣值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的濾波器，其特征在于，還包括 第九移位寄存器，其將第二加法器輸出右移第三整數(shù)位，得到本次濾波后的采樣值。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的濾波器，其特征在于，第一采樣值為未經(jīng)濾波的當(dāng)前采樣值。
11.一種電子設(shè)備,其特征在于,本體上包括如權(quán)利要求5至10任一權(quán)利要求所述的一階數(shù)字低通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種一階數(shù)字低通濾波方法、濾波器及電子設(shè)備，屬于數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括第一移位寄存器對第一采樣值向左移第一整數(shù)位，第二移位寄存器將第一移位寄存器左移的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)位數(shù)的移位操作，第一加法器把經(jīng)過各第二移位寄存器移位后的數(shù)據(jù)相加，其中根據(jù)第一濾波系數(shù)確定第一加法器的個(gè)數(shù)和第二移位寄存器的個(gè)數(shù)，以及確定各第二移位寄存器的移位位數(shù)，第三移位寄存器將第一加法器的相加結(jié)果，右移第一整數(shù)位，第二加法器根據(jù)第三移位寄存器右移的結(jié)果，得到本次濾波后的采樣值，由于將乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成移位運(yùn)算，可以減少實(shí)現(xiàn)代價(jià)。
文檔編號H03H17/02GK102710237SQ201210196928
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者王建輝, 郭忠華 申請人:成都啟臣微電子有限公司