基于FPGA的超聲波信號處理研究

摘要：為了降低超聲波流量檢測過程中噪聲對檢測精度的影響，采用FPGA器件構(gòu)建了FIR濾波器，并提出一種新穎的查表法替代濾波器中的乘法運(yùn)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，該濾波器設(shè)計(jì)方法顯著降低了FPGA的片內(nèi)硬件開銷，提高了濾波器的運(yùn)算速度，并具有良好的降噪效果。
關(guān)鍵詞：超聲波；信號；FPGA；FIR濾波器

0 引言
在超聲流量檢測過程中，由于環(huán)境噪聲使得流量檢測的精度收到了嚴(yán)重的影響。目前多采用軟件濾波的方法，對采集回來的聲波信號進(jìn)行數(shù)字處理，以提高檢測的精度。此類方法對硬件處理器的運(yùn)算能力要求較高，而且會影響檢測的實(shí)時性。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PGA的容量和處理速度已有了飛躍性的提高。特別是在數(shù)字信號處理方面，其性能已經(jīng)超過了某些專用的信號處理芯片。本文在的超聲波流量檢測信號采樣處理電路中，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了聲波信號的高速緩存和FIR濾波器，不僅達(dá)到了預(yù)期的消噪效果，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度和集成度。下面將介紹FIR濾波器的具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 數(shù)字濾波原理與設(shè)計(jì)
FIR數(shù)字濾波器的特性可以用它的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)或差分方程來描述。一般地，線性是不變離散系統(tǒng)的差分方程，可表示為：


式中：zr，pk分別為H(z)的M個零點(diǎn)和N個極點(diǎn)，它們由系統(tǒng)的形式和各系統(tǒng)參數(shù)ak，br所決定。FIR濾波器都是非遞歸形式的濾波器。

此系統(tǒng)的輸出只與輸入x(n)，x(n-1)，…有關(guān)，而與系統(tǒng)過去的輸出y(n-1)，y(n-2)，…無關(guān)，此即非遞歸濾波器。
濾波器設(shè)計(jì)采用Matlab中的FDA Tool計(jì)算帶通濾波器系數(shù)。濾波器采用Kaiser窗函數(shù)設(shè)計(jì)，采樣頻率為40 MHz，窗上下截止頻率分別為3 MHz和7 MHz。由此得到的濾波器系數(shù)為：