基于PSoC 的嵌入式數字濾波技術

　　現代電表應用中還有一個重要的頻率響應整形電路，即補償 di/dt 類型電流感應器（如羅氏線圈或 Sentec Mobius）頻率響應所需的積分器。這種電路的低頻響應上升會加重前端本身的低頻模擬噪聲問題。這對標準的有源功率測量不構成問題，但客戶對擴大電流檢測動態范圍的需求越來越高，以便確保電力基礎設施的視在功率和有效耗散得到準確計算。在電流極低的情況下，積分器的噪聲組件會導致電流測量出現較高的誤差。

　　此外，由于增益不能無限上升，否則 DC 增益就會無限加大，因此積分器在傳統器件中會降低到較低的頻率，這就會產生對高精度應用而言非常明顯的相誤差問題。為了支持 di/dt 感應器的可選使用，我們設計了另一種 6 極點 IIR濾波器，用來限制低頻響應（根據前端設計的不同，集成噪聲性能提升了 9 ~ 15dB），同時還能在工作頻帶中提供理想積分器的振幅和相響應，實現比作為參照的“標準”計量芯片（圖 6 中的綠色跡線）更高的準確性。

　　上述所有信號處理工作都由數字濾波器塊在高品質 Δ-Σ 調制器提供的相關多路復用信號上自動實施，不需要處理器的干預。

　　圖 6：嵌入式 IIR 濾波的高準確度低噪聲積分器（藍色跡線）

　　通信濾波器和檢測器

　　IEC 61334-5 SFSK 電力線通信標準在計量應用中非常流行，它采用了 SFSK（Spread FSK）標準。該標準是從 FSK（頻率移動鍵控）發展而來的，其中標記頻率和空間頻率的距離比通常的數據速率要大得多。如果抵達信號被一對銳帶通濾波器拆分，只挑出標記或空間頻率分量，則數據調制就能從兩個通道之一中獨立提取出來。由于在濾波器頻率響應不重疊的情況下，單音調干擾源不能同時阻止兩個通道的解調制，因此這有助于提高抗干擾能力。基于相關器的傳統 FSK 解調器不能實現這么出色的抗干擾性。

　　圖 7 和圖 8 顯示了常見標記／空間頻率對情況下，一對設計用于數字濾波器塊的濾波器頻率響應。上述濾波器可方便地進行重新配置，隨時滿足不同頻率和帶寬要求。在實際實施方案中，濾波器從主 ADC之一獲得輸入，而在此之前需要通過圍繞 PGA（可編程增益放大器）構建 AGC 電路。

　　圖 7和圖 8：60/73kHz SFSK 的嵌入式分割濾波器；2x n=8 IIR，速度為 384ksps。

　　為了從濾波后的信號中提取數據，要對每個信號的絕對值進行校正（在數字濾波器塊中設置適當控制寄存器位即可實現）。

　　圖 9：極端過載條件下從兩個濾波器通道中檢測到的輸出

　　校正信號通過同樣運行在數字濾波器塊上的低通濾波器，并同跟蹤信號電平的閾值進行比較。在我們希望構建的 PSoC5 實施方案中，每個通道的 SNR 由通用數字塊邏輯加以估算，數據傳遞給標準內部UART，所有這些都無需 CPU 的一般干預。圖 9 顯示了交叉-- 2010/6/29 19:33:09-->

頻率為 66.5kHz 且存在 +30dB 干擾音時，在最終輸出處對調制信號檢測到的響應。兩個數據流均未受影響。

　　精確音頻均衡器（圖形均衡、段均衡和任意均衡）

　　PSoC3 和 PSoC5 數字濾波功能結合靈活的可編程通用數字塊，可為消費音頻產品和配件設計提供可擴展的靈活平臺。為了演示 PSoC3 的音頻濾波功能，我們設計了一款運行在數字濾波器塊上的立體聲十頻段圖形均衡器，其濾波器系數由 CPU 通過遠程應用提供的目標增益值即時計算得出。立體聲音頻編解碼器通過標準的I2S 接口連接到 PSoC3。該設計與通過單一本地晶體生成所有標準音頻主時鐘頻率的頻率合成系統共同實施在通用數字塊陣列上，其抖動較低，能夠滿足優質音頻回放的要求。該合成系統可同步于一般數字接口格式的成幀模式。

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　　圖 10和圖 11：PSoC3 中嵌入式濾波的觸摸控制頻率響應

　　在 44.1kHz 采樣率下，十頻段立體聲均衡器使用數字濾波器塊大約一半的可用資源。系數計算例程可從本地控制（如 CapSense 按鈕和滑條）以及通過遠程接口提供的控制協議動態地獲得更新信息。圖 10 給出了演示應用的屏幕截圖，該演示運行在一款著名音樂播放器上，它嵌入了控制均衡器所設置的算法，可確保系統頻率響應精確通過滑塊的“增益點”，并實時調節頻率響應。出于比較目的，圖 11 顯示了原始的濾波器模擬。這種超級精確的頻率響應控制簡化了“復雜的”喇叭外殼聲學設計，也有助于車內駕駛員子系統和公共廣播應用的設計工作。

　　在用戶偏好均衡完成之后，數字濾波器塊還能剩下足夠的資源來實施多頻段交叉濾波器組。輸出結果可通過多個 I2S 接口提供給外部 DAC 或數字放大器。我們可以通過驅動頻率響應實現非常精微的控制，確保對接裝置、微型立體聲設備和平板電視等的小型多路聲學設計能獲得優質效果。通過管理用戶界面、通信和電源的同一設備，高通道數分布式音響加強和消息系統也能受益于這種簡化的頻率響應調節技術。

　　結論

　　本文僅簡要介紹了嵌入式數字濾波技術。由于篇幅所限，我們沒有深入討論“立體聲增強”功能、數字麥克風的抽選濾波器以及設計人員已經開始在其中挖掘 PSoC3 和 PSoC5 強大信號處理功能的多種工業感應器調節和醫療應用領域。

　　嵌入強大的數字濾波引擎是 PSoC 設計理念的全新元素，它與業界領先的信號路徑靈活性、ADC 性能以及 PSoC3 和 PSoC5 的可編程邏輯塊多功能性完美結合。嵌入式數字濾波配合全新 PSoC Creator 設計范例可實現多種應用的轉型，并大幅降低系統成本，加快產品投放市場的速度