一种数字化可配置声信号滤波装置及滤波方法与流程

本发明属于声信号处理技术领域，具体涉及一种数字化可配置声信号滤波装置及滤波方法。

背景技术：

在水声信号处理领域、语音信号处理领域和声发射信号处理领域，噪声干扰都会严重影响信号处理的效果，某些情况下甚至导致无法采集到有效信号，因此声信号滤波器在声信号处理领域必不可少。声信号的频率范围分布在1khz～2.5mhz范围内，这需要声信号处理设备需要针对此范围内的有用信号进行分析，同时对有用信号之外的噪声和干扰进行滤波，从而提高分析性能。

现有的解决方法是针对某个目标信号设计专门的带通滤波器，在保留有用信号的同时，滤除带外干扰。这种声信号处理方案导致声信号处理设备的模拟前端需根据某一种声信号类型专门设计滤波器，不能适应千变万化的声信号类型，造成声信号处理设备不具有通用性。

国内有些文章和专利进行了可配置滤波器的尝试，但大多是通过调整电位器输出的电阻值的变化来调整滤波器参数，从而实现对滤波器的配置，这种调整方式大都是手动或机械调整，而且调整范围经常不满足声信号发生设备产生信号的多样性处理需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种数字化可配置声信号滤波装置，该装置能够实现1khz～2.5mhz范围内带通滤波器中心频率和滤波带宽的数字化可配置，即可通过cpu和控制逻辑实现对声信号的可配置滤波。本发明的另一目的是提供一种数字化可配置声信号滤波方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种数字化可配置声信号滤波装置，包括由两个二阶可配置巴特沃斯高通滤波器组成的四阶可配置巴特沃斯高通滤波器、由两个二阶可配置巴特沃斯低通滤波器组成的四阶可配置巴特沃斯低通滤波器以及一个对四个二阶巴特沃斯滤波器进行控制的控制逻辑；声信号先经过所述四阶可配置巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，再经过所述四阶可配置巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，最终实现声信号的带通滤波。

进一步的，所述二阶可配置巴特沃斯高通滤波器包括放大器、两个可编程电阻阵列和两个可编程电容阵列；所述放大器、所述两个可编程电阻阵列和所述两个可编程电容阵列组成二阶sallen-key高通滤波器。

进一步的，所述二阶可配置巴特沃斯低通滤波器包括放大器、两个可编程电阻阵列和两个可编程电容阵列；所述放大器、所述两个可编程电阻阵列和所述两个可编程电容阵列组成二阶sallen-key低通滤波器。

进一步的，所述可编程电阻阵列采用三个99阶数字电位器串联组成高精度数字电位器阵列，其覆盖范围为10ω～100kω，分辨率为10ω。

进一步的，所述可编程电容阵列为10路开关和10路电容组成的电容阵列，通过开关的开路和闭合实现10路电容的并联组成电容阵列，总电容的覆盖范围和分辨率取决于10路电容的大小和开关是否闭合。

进一步的，所述控制逻辑指通过cpu或fpga的gpio口实现对两个所述二阶可配置巴特沃斯高通滤波器和两个所述二阶可配置巴特沃斯低通滤波器的参数配置。

本发明还提供一种数字化可配置声信号滤波方法，包括：

控制逻辑通过cpu或fpga的gpio口实现对两个二阶可配置巴特沃斯高通滤波器和两个二阶可配置巴特沃斯低通滤波器的参数配置；

声信号先经过所述四阶可配置巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，再经过所述四阶可配置巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，最终实现声信号的带通滤波。

进一步的，所述方法，具体步骤如下：

s101）cpu根据声信号的中心频率和带宽产生四个巴特沃斯滤波器的八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列的参数；

s102）cpu和控制逻辑通过gpio接口向八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列下发控制参数；

s103）八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列接收控制参数，并对控制参数进行译码，根据译码器的输出对每个电容阵列和电阻阵列的开关进行控制；

s104）八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列在各自译码器控制下形成一个四阶巴特沃斯高通滤波器和一个四阶巴特沃斯低通滤波器；

s105）外部输入的声信号先经过四阶巴特沃斯高通滤波器再经过四阶巴特沃斯低通滤波器实现带通滤波。

有益效果：本发明提出使用完全数字化的滤波器控制方案，能够全部通过计算机指令完成滤波器参数配置。同时本发明提出可编程电阻阵列和可编程电容阵列技术方案，大大扩展了高通滤波器和低通滤波器的工作范围。

附图说明

图1是本发明数字化可配置声信号滤波装置的总体结构示意图；

图2是本发明可编程电阻阵列的原理示意图；

图3是本发明可编程电容阵列的原理示意图。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的数字化可配置声信号滤波装置包括由两个二阶可配置巴特沃斯高通滤波器组成的四阶可配置巴特沃斯高通滤波器、由两个二阶可配置巴特沃斯低通滤波器组成的四阶可配置巴特沃斯低通滤波器以及一个对四个二阶巴特沃斯滤波器进行控制的控制逻辑。声信号先经过所述四阶可配置巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，再经过所述四阶可配置巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，最终实现声信号的带通滤波。

如图1所示，可编程电容阵列1和2、可编程电阻阵列3和4与放大器5组成第一路二阶sallen-key高通滤波器；可编程电容阵列6和7、可编程电阻阵列8和9与放大器10组成第二路二阶sallen-key高通滤波器；第一路二阶sallen-key高通滤波器和第二路二阶sallen-key高通滤波器串联组成可配置四阶高通滤波器。可编程电阻阵列11和12、可编程电容阵列13和14与放大器15组成第一路二阶sallen-key低通滤波器；可编程电阻阵列16和17、可编程电容阵列18和19与放大器20组成第二路二阶sallen-key低通滤波器；第一路二阶sallen-key低通滤波器和第二路二阶sallen-key低通滤波器串联组成可配置四阶低通滤波器。控制逻辑21指通过cpu或fpga的gpio口实现对两个二阶可配置巴特沃斯高通滤波器和两个二阶可配置巴特沃斯低通滤波器的参数配置。

具体的，如图1所示，可编程电容阵列2两端分别可编程电阻阵列3、4的一端相连接，可编程电容阵列2和可编程电阻阵列4的连接端一起接到放大器5的正极，可编程电阻阵列4的另一端接地，可编程电容阵列2和可编程电阻阵列3的连接端与可编程电容阵列1的一端相连接，可编程电容阵列1的另一端供电信号输入，可编程电阻阵列3另一端接到放大器5的负极，从而构成第一路二阶sallen-key高通滤波器。同样地，可编程电容阵列7两端分别可编程电阻阵列8、9的一端相连接，可编程电容阵列7和可编程电阻阵列9的连接端一起接到放大器10的正极，可编程电阻阵列9的另一端接地，可编程电容阵列7和可编程电阻阵列8的连接端与可编程电容阵列6的一端相连接，可编程电容阵列6的另一端与放大器5的输出端连接，可编程电阻阵列8另一端接到放大器10的负极，从而构成第二路二阶sallen-key高通滤波器。

具体的，如图1所示，可编程电阻阵列12两端分别可编程电容阵列13、14的一端相连接，可编程电阻阵列12和可编程电容阵列14的连接端一起接到放大器15的正极，可编程电容阵列14的另一端接地，可编程电阻阵列12和可编程电容阵列13的连接端与可编程电阻阵列11的一端相连接，可编程电阻阵列11的另一端供放大器10的输出端连接，可编程电容阵列13另一端接到放大器15的负极，从而构成第一路二阶sallen-key低通滤波器。同样地，可编程电阻阵列17两端分别可编程电容阵列18、19的一端相连接，可编程电阻阵列17和可编程电容阵列19的连接端一起接到放大器20的正极，可编程电容阵列19的另一端接地，可编程电阻阵列17和可编程电容阵列18的连接端与可编程电阻阵列16的一端相连接，可编程电阻阵列16的另一端与放大器15的输出端连接，可编程电容阵列18另一端接到放大器20的负极，从而构成第二路二阶sallen-key低通滤波器。

如图2所示，本发明的可编程电阻阵列由三个数字电位器24、27、30串联而成，三个数字电位器24、27、30阶数均为99阶；数字电位器24最大阻值为1kω，数字电位器27最大阻值为10kω，数字电位器30最大阻值为100kω。控制接口22通过译码器23实现对数字电位器24的控制；控制接口25通过译码器26实现对数字电位器27的控制；控制接口28通过译码器29实现对数字电位器30的控制。三个数字电位器242730串联而成的可编程电阻阵列可等效为分辨率10ω覆盖范围10ω～100kω的可配置电阻。

如图3所示，本发明的可编程电容阵列由译码器31、阵列开关32和电容阵列33组成，译码器31通过控制接口34接收控制参数，并根据参数控制阵列开关32的10路开关的打开和关闭，10路开关与电阻阵列33的10路电容相对应。可编程电容阵列可等效为1～10路电容的并联，10路电容的容量由设计参数确定。例如可假设10路电容的容量均为1nf，则可编程电容阵列最大等效电容总容量为1.023uf，最小等效电容容量为1nf，分辨率为1nf。

一种数字化可配置声信号滤波装置，具体工作步骤如下：

s101）cpu根据声信号的中心频率和带宽产生四个巴特沃斯滤波器的八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列的参数；

s102）cpu和控制逻辑通过gpio接口向八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列下发控制参数；

s103）八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列接收控制参数，并对控制参数进行译码，根据译码器的输出对每个电容阵列和电阻阵列的开关进行控制；

s104）八个可编程电容阵列和八个可编程电阻阵列在各自译码器控制下形成一个四阶巴特沃斯高通滤波器和一个四阶巴特沃斯低通滤波器；

s105）外部输入的声信号先经过四阶巴特沃斯高通滤波器再经过四阶巴特沃斯低通滤波器实现带通滤波。

综上所述，本发明提出使用完全数字化的滤波器控制方案、可编程电阻阵列和可编程电容阵列技术方案，实现对1khz～2.5mhz频率范围内声信号的全数字化可配置滤波。