一種用于光盤伺服控制系統的通用濾波器的設計

1　引　言
　　通常，DVD／CD盤片在高速旋轉時，由于表面翹曲、不圓度或者外界干擾等因素的存在，使讀數光束焦深范圍（簡稱讀數光點）對目標信跡的跟蹤掃描出現誤差。對此，CD、DVD機中設置了伺服控制系統，以實現讀數光點對目標信跡的動態跟蹤。該系統以PID（比例微積分）閉環控制理論為基礎，采用數字濾波的方式實現。該伺服控制系統的實現原理如圖1所示。

　　圖1中，Gc（z）為控制濾波器，G（s）為光盤讀寫系統的傳遞函數，R（s）為預期輸出響應，C（s）為實際輸出響應。整個閉環控制系統實現的核心是濾波器，它通過改善誤差（FE）信號的幅相頻特性來實現控制方案。這里，由于濾波器類型和階數與G（s）密切相關，為了保證伺服控制系統的通用性，必然要設計一種通用可配置的濾波器，這正是本文所要討論的重點。
2　系統設計
2．1　設計原理
數字濾波器可以用式（1）的差分方程來表示：

其中，x（n）為輸入序列，y（n）為輸出序列，ak、bk為各自的系數。其對應的系統函數為：

當ak不都為0時，就是遞歸結構的IIR濾波器；當ak都為0時，就是非遞歸結構的FIR濾波器。
2．2　設計方法
　　由于傳統的濾波器設計都與濾波器的類型密切相關，不同的類型采用不同的乘加網絡結構實現，因此，無法滿足通用的要求。但從濾波器的原始差分表達式（如式（1）所示）可知，FIR和IIR的區別僅在于ak是否為零，兩者都進行累加乘積計算，這一特點決定了可以采用編程來配置濾波器的類型和階數，再用狀態機控制累計乘積的方式實現濾波器，從而達到階數、類型都可配置的目的。
　　由上述分析可知，所有的x（k）、y（k）、ak、bk均要由存儲器送向運算單元進行計算。若采用以運算單元為中心的馮諾依曼結構，依次從存儲器中取數據的做法，則必然會使速度受到很大影響。因此，我們借用Harvard結構將指令和數據分開編址、存取的做法，將x（k）、y（k）和ak、bk分別存放在不同的存儲器中，單獨編址，加快數據處理速度。同時，考慮到x（k）、y（k）可能同時對存儲器讀寫，將讀、寫數據總線分開，進一步提高性能。圖2就是采用類Harvard結構設計的濾波器的結構圖。
　　圖2中共包含一條指令流，三條數據流。指令流用于配置濾波器的和實現濾波器的讀寫控制；數據流的D―BUS1用于Y（n）的寫回，D―BUS2用于X（n）、Y（n）的讀出，Coef―BUS用于濾波器系數的寫回和讀出。因為系數存儲單元和X（k）、Y（k）存儲單元都采用雙端口SRAM，所以，可同時進行讀、寫操作。

　　運算單元采用算術累加器（MAC）實現。MAC由乘法器和加法器組成，其中，乘法器因為速度的限制，通常采用基于查找表（LUT）的并行分布算法（DA）實現，但該算法占用硬件資源較多，對實現的濾波器的階數有一定限制，在本電路中不宜采用。在綜合考慮面積和速度兩方面因素后，最終選用Booth乘法器實現。整個電路的硬件結構圖如圖3所示。

　　其控制邏輯中的配置寄存器（32bits）設計如表1所示。