一种用于过采样-DAC和D类音频功率放大器的插值滤波器设计
摘 要： 本文提出了一种用于过采样 - DAC和D类音频功率放大器的插值滤波器的设计方法,利用此方法设计出了一个4倍的插值滤波器。
关键词：插值滤波器;多级滤波;无限冲击响应(IIR);全通滤波器;过采样
引言
作为 - DAC的重要组成部分,当滤波器输出数据到数字 - DAC时,数字插值滤波器会产生更多的取样点使调制器的输出数据更加平滑,插值滤波器的使用也降低了 - DAC的复杂度。严格的插值滤波器,是先经过零值内插,然后低通滤波得到的,其最后输出是一低通滤波器,如何有效地实现这一滤波过程将是插值滤波器设计的重点。
传统的插值滤波器采用有限冲击响应(FIR)滤波器,它具有良好的线性相位,但设计需要的阶数高,代价大。因此,本文提出了采用无限冲击响应(IIR)滤波器进行设计的思想,用matlab信号处理工具箱构造出滤波器的数学模型,用verilog HDL语言对这种拓扑结构进行描述,并用XilinxISE软件进行仿真和分析。
图1 插值滤波器完整结构图
图2 IIR滤波器的结构图以及操作码功能
(a) 输入信号波形 (b) 输出信号波形
图3 系统输入/输出波形比较
实现策略
滤波器的选取
本文采用IIR滤波器进行设计,相比FIR滤波器,IIR滤波器可以用更少的阶数达到低通滤波器的设计指标,计算量更小,但它不能像FIR一样可以精确地获得线性相位响应,内插信号的波形的包络不能完全保持,为了达到线性相位的要求,本文级联了一个全通滤波器作为补偿滤波器来调整系统的相频响应。
多级滤波
分级插值滤波可以显著地降低运算量,这样就减少了运算速率;而且采用分级插值滤波可以降低每个滤波器的要求,允许每一级归一化的过渡带比较宽;简化滤波器设计问题;分级也降低了系统中的存储量;实现滤波器时可减少有限字长效应;多级结构中某一级产生的舍入噪声会部分地被下一级滤除。基于这些优点,分级插值滤波是一种相当高效的优化方法。本文采用二倍插值滤波器级联来实现高倍插值。
结构设计
该滤波器分成两级实现,将信号逐步从44.1KHz升到176.4KHz的采样频率,每一级的插值为2,两级均为IIR滤波器,采用椭圆型设计,根据两个椭圆滤波器的相位延迟,级联一个全通滤波器对其相位进行纠正。全通滤波器工作在44.1KHz,第一级插值滤波器工作在88.2KHz,只有第二级插值滤波器工作在176.4KHz,相比改进前要求系统全工作在176.4KHz,运算速率明显减小,这对于后期的硬件实现非常有利。
低通滤波器的设计
插值滤波器中各级滤波器技术指标为(在本设计中K=2):
(1) 各级滤波器的通带误差容限都等于系统总的误差容限的1/K,各级滤波器的阻带误差容限都等于系统总的阻带误差容限.
(2) 各级滤波器的通带上限边缘频率都等于系统的通带上限边缘频率.
(3) 最后一级滤波器的阻带下限边缘频率等于系统总的阻带下限边缘频率.
(4)第i(i=1,2,,K-1)级的阻带下限边缘频率需满足fsi=Fi-fp, Fi为该级滤波器的抽样频率,fp为系统的通带上限边缘频率。
