高斯滤波器在实时系统中的快速实现

2006-05-07 15:50:03来源: 电子技术应用

    摘 要: 详细讨论了高斯滤波器在单片机系统中的快速实现方法,并给出了对于MCS-51系列单片机的具体实现程序,介绍的方法在实时控制、信号检测与处理方面有很大的实用价值。

    关键词: 滤波器 快速实现 单片机 实时系统

    滤波器在信号处理、信号检测、通信领域有非常重要的应用,在实时系统中,对滤波器的性能和处理速度有非常严格的要求,特别是快速实时系统中,处理速度至关重要。目前,为满足快速处理的需要,用DSP技术是理想的选择。但是,目前在实时控制系统中,大多是用单片机实现的,它不仅完成信号的采样,还需完成信号的处理和控制等功能,如果单片机系统本身可以完成信号的快速处理任务,将非常方便,我们在一个用MCS-51单片机组成的强噪声背景下的通信系统中,实现了高斯滤波器的快速实现,满足了系统的需要。

    1 算法原理

    高斯滤波器是一个低通滤波器,其方程,可以证明,高斯滤波器可用均值滤波器多次逼近,一般情况下,大于或等于三次逼近就可近似于高斯滤波器,所以,在设计高斯滤波器时,可以用设计均值滤波器逼近代替高斯滤波器。

   

    式中n为当前采样点序号,N为窗口宽度,显然均值滤波器实际上可由一次加法运算,一次减法运算和一次除法运算完成,而与窗口的宽度无关,若取窗口宽度  ,则除法运算可用移位来取代。

   (1)式中,两边同乘N可变为:

   

    即为了避免除法运算,我们可先采用累加机来代替均值,运算结果,再除以No上述滤波器结构可用图1表示。

    2 均值滤波器的MCS-51快速实现方法

    对于稳定信号,上述计算非常简单,它只需窗口在固定存储器上滑动即可,对于实时信号,存储器的内容是随时更新,相当于信号经过一个固定滤波器。

    设采样信号循环存储在RAM addrl到addrn的存储空间中,如图2所示。

    显然,最新采样值只需取代最早存放在RAM中的数据即可,而2式中的累加和实际上就是原累加和加上最新采样值,减去最早采样值。我们用一个数据指针指向当前存放数据的存储单元,为方便编程,把下一个单元的内容作为最早采样值,如图2中n+1时刻的f(1),这样窗口宽度为n+1。

    设Ro为当前数据指针, 存放累加和,当前采样值在A中,则89C51的汇编实现程序为:

   

    设窗口宽度为  ,上述累加和只需右移k位即为均值。

    显然,上述算法不管窗口大小如何,其速度都一样快,所以,本算法对宽窗口滤波更为有效。

    上面程序如采用89系列单片机,用24MHz晶振,只需几个μs,如需速度更快,改用16位单片机,累加和在一个寄存器中,还可减少加法和减法的时间。

    作者用上述方法在照明线数据通信系统中,对二值信号进行实时处理,由于窗口宽度小于256,累加和中只用一个字节,所以,处理时间只需5μs,令人非常满意。

    本文讨论了高斯滤波器在单片机系统中的快速实现。这种方法,特别适用于实时数据采集、处理、控制系统中的滤波。实践表明,这种方法具有很高的实用价值,值得推广。

 

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/dsp/200605/2805.html
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