Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (4). Filtry cyfrowe DSP typu FIR

Adam Sobczyk

Kursy

19 marca 2025

W czwartej części cyklu zaprezentowano koncepcję zastąpienia amplifiltrów analogowych za pomocą stosunkowo prostych filtrów cyfrowych typu FIR (o skończonej odpowiedzi impulsowej). Motywacją do wprowadzenia rozwiązań z dziedziny DSP (cyfrowego przetwarzania sygnałów) były przede wszystkim: chęć ujednolicenia platformy sprzętowej dla wszystkich omawianych filtrów, stabilność i powtarzalność uzyskiwanych parametrów filtrów oraz względna łatwość ich programowej implementacji. Omawiane dalej projekty filtrów cyfrowych zostały zaimplementowane z użyciem ekonomicznej platformy STM32 Nucleo-32 (moduł NUCLEO-STM32L432KC), a ich charakterystyki obliczone symulacyjnie zostały także przebadane pomiarowo. Wnioski z tych badań wyznaczyły jasne kierunki dalszych działań rozwojowych w domenie DSP.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część

1. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (1). Filtry bierne m.cz. 2. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (2). Filtry aktywne m.cz. typu Sallen–Key 3. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (3). Amplifiltry wąskopasmowe 4. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (4). Filtry cyfrowe DSP typu FIR 5. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (5). Filtry cyfrowe DSP typu IIR

Jak wspomniano powyżej, idea zastąpienia amplifiltrów analogowych za pomocą względnie nieskomplikowanych filtrów cyfrowych typu FIR (ang. Finite Impulse Response, czyli filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej, zwanych także filtrami transwersalnymi) zrodziła się przede wszystkim w oparciu o wnioski z wcześniejszych części tego cyklu publikacji. W szczególności satysfakcjonująca implementacja filtrów analogowych o dość wyśrubowanych parametrach wymagały zastosowania elementów RC o dużej dokładności (więc i małej tolerancji), a stabilność i powtarzalność uzyskiwanych parametrów wymagała także znacznej staranności implementacji fizycznej układu. Szczególnie wyraźnie zagadnienia te dotyczyły filtrów wąskopasmowych o znacznej dobroci (typu „peak” oraz „notch”). O ile skuteczna implementacja rozwiązań z dziedziny DSP (ang. Digital Signal Processing, czyli cyfrowego przetwarzania sygnałów) także stawia przed konstruktorem liczne wymagania i obostrzenia, o tyle jednak kusząca jest względna łatwość ich programowej implementacji na jednolitej, powtarzalnej platformie sprzętowej w przypadku wszystkich omawianych filtrów. Dodatkową zachętą okazała się możliwość skorzystania w tym celu z popularnego, łatwo dostępnego (i to w przystępnej cenie), niewielkiego modułu NUCLEO-STM32L432KC produkcji firmy ST Microelectronics w postaci PCB o rozmiarze Arduino Nano. Wstępna analiza właściwości przedmiotowego modułu z mikrokontrolerem STM32L432KC wykazała potencjalną przydatność do realizacji podstawowych technik DSP w zastosowaniach z dziedziny m.cz., czyli głównie audio. Zaważyła o tym przede wszystkim dostępność na jego pokładzie dostatecznie szybkich bloków peryferyjnych: wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) oraz dwóch przetworników cyfrowo-analogowych (DAC), a także wsparcie sprzętowe dla instrukcji obliczeniowych DSP, dostępne standardowo w MCU z rdzeniem ARM Cortex-M4.