单片机数字信号滤波技术实践

引言

单片机的数字信号滤波技术在许多嵌入式系统中起着至关重要的作用。滤波器的设计可以用于去除噪声、平滑传感器信号、提高信号质量等。本文将介绍单片机数字信号滤波的基本概念和常见的滤波器设计方法。

数字信号滤波的基本概念

数字信号滤波是通过对采样信号进行运算，以实现滤除不需要的频率成分或增强需要的频率成分的处理过程。滤波器将输入信号的频谱进行变换，以改变信号在不同频率上的幅度和相位。

常见的数字滤波器可以分为IIR滤波器（Infinite Impulse Response）和FIR滤波器（Finite Impulse Response）。IIR滤波器使用了反馈回路，可以实现更高的滤波效果，但也会引入延迟和不稳定性。而FIR滤波器则没有反馈回路，更加稳定，但计算复杂度较高。

低通滤波器设计

低通滤波器是用于去除高频成分的滤波器，只允许低频信号通过。可以通过设计一个具有适当截止频率的低通滤波器来平滑信号。下面是一个基于FIR滤波器的低通滤波器设计实例：

#include <stdio.h>

#define N_COEFFICIENTS 10

float coefficients[N_COEFFICIENTS] = {0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.1};

float filter(float input)
{
    static float delayLine[N_COEFFICIENTS];
    float output = 0;

    for (int i = N_COEFFICIENTS - 1; i > 0; i--)
    {
        delayLine[i] = delayLine[i - 1];
        output += coefficients[i] * delayLine[i];
    }

    delayLine[0] = input;
    output += coefficients[0] * delayLine[0];

    return output;
}

int main()
{
    float inputSignal[] = {1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0, 32.0};
    int inputSize = sizeof(inputSignal) / sizeof(float);

    for (int i = 0; i < inputSize; i++)
    {
        printf("Input: %f, Output: %f\n", inputSignal[i], filter(inputSignal[i]));
    }

    return 0;
}

该实例中，我们使用了一个简单的移动平均滤波器。该滤波器使用10个系数来平均输入信号的近期值。通过调整这些系数的值，可以实现不同的低通滤波效果。

高通滤波器设计

高通滤波器是用于去除低频成分的滤波器，只允许高频信号通过。高通滤波器可以用于去除慢变化的信号，只保留快速变化的信号。下面是一个基于FIR滤波器的高通滤波器设计实例：

#include <stdio.h>

#define N_COEFFICIENTS 10

float coefficients[N_COEFFICIENTS] = {-0.1, -0.1, -0.1, -0.1, 1.0, -0.1, -0.1, -0.1, -0.1, -0.1};

float filter(float input)
{
    static float delayLine[N_COEFFICIENTS];
    float output = 0;

    for (int i = N_COEFFICIENTS - 1; i > 0; i--)
    {
        delayLine[i] = delayLine[i - 1];
        output += coefficients[i] * delayLine[i];
    }

    delayLine[0] = input;
    output += coefficients[0] * delayLine[0];

    return output;
}

int main()
{
    float inputSignal[] = {1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0, 32.0};
    int inputSize = sizeof(inputSignal) / sizeof(float);

    for (int i = 0; i < inputSize; i++)
    {
        printf("Input: %f, Output: %f\n", inputSignal[i], filter(inputSignal[i]));
    }

    return 0;
}

该实例中，我们使用了一个简单的差分滤波器。该滤波器将输入信号与其前一个样本之差进行计算，从而实现高通滤波的效果。

结论

在单片机系统中，数字信号滤波是一个重要的技术，可以用于去除噪声、平滑传感器信号等。通过合理设计和实现滤波器，可以有效地提高信号质量和系统性能。在实践中，我们可以根据具体应用需求选择合适的滤波器类型和参数来实现预期的滤波效果。

本文来自极简博客，作者：时光旅者，转载请注明原文链接：单片机数字信号滤波技术实践