基于FPGA的超声波信号处理研究

摘要：为了降低超声波流量检测过程中噪声对检测精度的影响，采用FPGA器件构建了FIR滤波器，并提出一种新颖的查表法替代滤波器中的乘法运算。试验结果表明，该滤波器设计方法显著降低了FPGA的片内硬件开销，提高了滤波器的运算速度，并具有良好的降噪效果。
关键词：超声波；信号；FPGA；FIR滤波器

0 引言
在超声流量检测过程中，由于环境噪声使得流量检测的精度收到了严重的影响。目前多采用软件滤波的方法，对采集回来的声波信号进行数字处理，以提高检测的精度。此类方法对硬件处理器的运算能力要求较高，而且会影响检测的实时性。随着微电子技术的不断进步，FPGA的容量和处理速度已有了飞跃性的提高。特别是在数字信号处理方面，其性能已经超过了某些专用的信号处理芯片。本文在的超声波流量检测信号采样处理电路中，采用FPGA实现了声波信号的高速缓存和FIR滤波器，不仅达到了预期的消噪效果，而且提高了系统运行速度和集成度。下面将介绍FIR滤波器的具体实现过程。

1 数字滤波原理与设计
FIR数字滤波器的特性可以用它的系统转移函数或差分方程来描述。一般地，线性是不变离散系统的差分方程，可表示为：


式中：zr，pk分别为H(z)的M个零点和N个极点，它们由系统的形式和各系统参数ak，br所决定。FIR滤波器都是非递归形式的滤波器。

此系统的输出只与输入x(n)，x(n-1)，…有关，而与系统过去的输出y(n-1)，y(n-2)，…无关，此即非递归滤波器。
滤波器设计采用Matlab中的FDA Tool计算带通滤波器系数。滤波器采用Kaiser窗函数设计，采样频率为40 MHz，窗上下截止频率分别为3 MHz和7 MHz。由此得到的滤波器系数为：