Аппаратный цифровой фильтр скользящего среднего

Аннотация

Реализация потоковой фильтрации цифровых сигналов требует вычисления свертки сигнала с импульсной характеристикой фильтра в реальном времени. Это подразумевает применение сигнальных процессоров или программируемых логических матриц. Пусть сигналы поступают от различных датчиков, пройдя через аналого-цифровой преобразователь. Как правило, это низкочастотные сигналы с аддитивным гауссовым шумом, частота дискретизации которых невысока (менее 200 кГц). Их фильтрация не предъявляет высоких требований к вычислительной системе (по производительности и/или большому числу каналов обработки). По этой причине универсальные высокопроизводительные системы малоэффективны и сильно избыточны с точки зрения показателей стоимости, трудоемки в разработке и уровне энергопотребления. Следовательно, фильтр реализуют на простых и дешевых моделях микроконтроллеров, архитектура которых создана для решения задач управления. В результате решение получается неэффективным с точки зрения затрачиваемых тактов на каждый отсчет обрабатываемого сигнала. Для потоковой обработки цифровых сигналов с датчиков, осуществляющих непрерывное измерение физической величины, хорошо подходят скользящие усредняющие фильтры небольшого порядка (до 16). Благодаря этому не требуются умножитель и большой объем памяти. Для реализации таких фильтров предлагается разработка простого и дешевого аппаратного узла, который может решить задачу эффективно. В качестве прототипа на основе типовых дискретных элементов рассмотрена аппаратная реализация скользящего усредняющего фильтра. В заключение результат экстраполируется на интегральную технологию. Ожидается, что скорость обработки сигнала превысит нескольких миллионов выборок в секунду.