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RA6T2IIR滤波器加速器应用指南[1]IIR滤波器简介（上）

原创 瑞萨MCU小百科 2023-04-26 12:00
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简介

本系列文章简要介绍了数字滤波器及其设计注意事项。内容涵盖MCK-RA6T2上IIR滤波器加速器 (IIRFA) 外设的配置和操作。本应用笔记的补充应用示例演示了滤波器设计、系数提取、外设配置和操作，以及使用带通滤波器从已知信号中去除噪声的输出验证。


利用本应用笔记，您可以为在MCK-RA6T2上运行的应用有效地设计和实现IIR滤波器。


目标器件

RA6T2


所需资源

要编译和运行IIRFA应用示例，需要具备以下资源：


开发工具和软件


• e2 studio 集成开发环境 (IDE)，版本2022-01 (22.1.0) 或更高版本

• RA产品家族灵活配置软件包 (FSP) 版本3.6.0或更高版本

• J-Link RTT Viewer版本7.64b或更高版本


FSP和e2 studio捆绑在一个可下载平台安装程序中，可从瑞萨网站获得：

https://www.renesas.cn/cn/zh/software-tool/flexible-software-package-fsp

• MATLAB R2014b或更高版本

https://ww2.mathworks.cn/products/matlab.html

  DSP系统工具箱

https://ww2.mathworks.cn/products/dsp-system.html


硬件


• RA6T2

https://www.renesas.cn/cn/zh/products/microcontrollers-microprocessors/ra-cortex-m-mcus/ra6t2-240mhz-arm-cortex-m33-trustzone-high-real-time-engine-motor-control

• USB-C转USB-A电缆

• 运行Windows 10的主机PC


前提条件和目标受众

本应用笔记的读者应具备一定的瑞萨e2 studio IDE和RA产品家族灵活配置软件包 (FSP) 使用经验。在执行本应用笔记中的操作步骤之前，先按照《FSP用户手册》中的步骤操作，以编译和运行Blinky项目。这样可以帮助您熟悉e2 studio和FSP，并确认所用电路板的调试连接能否正常运行。此外，您还应具备一些与IIR滤波相关的DSP主题的理论背景。


目标受众为想要利用RA6T2 MCU上的IIRFA模块开发应用的用户。


目录

  1. IIR滤波器简介

  2. 配置IIRFA

  3. 滤波器设计方法

  4. 运行示例项目

  5. 后续步骤

  6. 参考资料


1. IIR滤波器简介（上）


本节简要介绍数字滤波的背景知识，重点介绍使用IIR滤波器实现的理论含义。如果您已熟悉数字滤波，可以查看本系列文章的第2节。


注：

您应对数字滤波相关的DSP理论有基本了解。

本节讨论MATLAB中为IIR滤波器设计提供的设计选项之间的主要区别。目标是让您获得足够的知识，以帮助您根据自己的滤波需求选择最佳选项。如果您想更深入地探讨DSP理论，请参看后文第1.5节阅读更多内容。


1.1 IIR和FIR滤波器的定义


数字滤波器是离散时间系统，它对采样信号执行算法运算，以减弱或增强输入信号的特定方面。数字滤波器作用于输入的相位和频率响应，以允许信号的某些频率通过输出端，同时阻止（即衰减）不需要的频率。


在时域中，数字滤波器对输入信号中动态变化的响应通过系统的脉冲响应来表征。在频域中，滤波器的响应通过系统的传送函数来表征。


脉冲响应始终是一个由一个序列描述的无限长信号，它可以包含零值和非零值。脉冲响应的非零值通常称为抽头。基于脉冲响应可以实现的滤波器有两种情况：


无限脉冲响应 (IIR) 滤波器

无限脉冲响应 (IIR) 滤波器在脉冲响应中包含无限数量的抽头。系统的模拟传送函数包含一个反馈分量。


有限脉冲响应 (FIR) 滤波器

有限脉冲响应 (FIR) 滤波器在脉冲响应中包含有限数量的抽头。


1.2 IIR滤波器的优点和缺点


在处理滤波问题时，务必要考虑两种类型滤波器之间的利弊，以设计出满足目标要求的系统。本节仅对使用IIR滤波器的优点和缺点进行详细介绍。一般而言，IIR滤波器的优点即是FIR滤波器的缺点，反之亦然。


优点

IIR滤波器的一些主要优点包括：

• 与行为规范相当的FIR滤波器相比，计算成本更低

• 输入输出信号延迟更短

• 形式简洁


缺点

使用IIR滤波器的一些主要缺点包括：

• 系统稳定性得不到保障（但数值工具可通过选取极点和零点来缓解此问题，从而实现系统稳定）

• 系统的相位响应更难控制

• 设计滤波器是一个复杂的数学过程（但利用诸如MATLAB这样强大的滤波器设计工具可以简化设计过程）

• 对数值精度敏感（请参阅后文的第2.2节来深入探讨）


未完待续


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