一种使用MATLAB计算AIC3104内部滤波器参数的方法

摘要

本发明涉及一种AIC3104内部滤波器的设计方法，该方法使用MATLAB软件辅助完成IIR滤波器设计，并通过MATLAB软件完成复杂多元多次方程组的求解，最终转化为AIC3104的内部滤波器配置寄存器系数；本发明相比传统的AIC3104内部滤波器设计方法，不受TI提供的滤波器设计软件功能限制，可将两个2阶IIR滤波器看作一个4阶IIR滤波器进行设计，只需描述需求的幅频响应即可完成计算，省去通过2阶IIR滤波器去拼凑4阶IIR滤波器的复杂操作，减少尝试次数，提高滤波器设计效率。

说明书

技术领域

本发明涉及通信及数字信号处理技术领域，特别涉及一种使用MATLAB计算AIC3104内部滤波器参数的方法。

背景技术

AIC3104是德州仪器公司(TI)推出的一款高性能的立体声音频codec芯片，内置耳机输出放大器，支持Mic和Line-in两种输入方式，且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC3104的模数转换和数模转换部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样。AIC3104内部集成数字无限长脉冲响应(IIR)滤波器，其参数可由用户灵活配置，且AIC3104工作功耗较低。由于具有上述优点，使得AIC3104是一款非常理想的音频模拟I/O器件

AIC3104数模转换的数字处理模块是一个4阶数字IIR滤波器，这个4阶IIR滤波器是由两个2阶IIR滤波器串联构成的，每个2阶IIR滤波器有5个参数单独可配，所以4阶IIR滤波器共有10个参数需要配置，参数繁多且调整困难。

传统的AIC3104的内部滤波器参数是通过TI提供的2阶IIR滤波器设计工具得到的，而TI提供的滤波器设计工具功能较为简单，每个2阶滤波器需要单独设置，且只能在有限的几个模式中选择，如带通滤波器，低通滤波器等。滤波器设计算法种类较少，如巴特沃斯滤波器，贝塞尔滤波器等，设计方法不够灵活。无法直接通过4阶IIR滤波器的幅频响应计算两个2阶滤波器的系数。

为了解决AIC3104的内部滤波器设计过程复杂，实现复杂幅频响应特性困难的问题，需要设计一种针对AIC3104芯片的滤波器参数计算方法，根据制定的幅频响应计算4阶IIR滤波器的系数，并转化为AIC3104内部两个2阶IIR滤波器的系数，从而简化AIC3104滤波器设计过程。

发明内容

本发明是通过这样的技术方案实现的：一种使用MATLAB计算AIC3104内部滤波器参数的方法，其特征在于，所述方法包括如下次序步骤：

（a）首先根据需求的幅频响应建立数组；

将滤波器的频率归一化至0到1的范围，选取若干点建立频点数组f，并根据需求的幅频响应，选取对应点的滤波器增益建立幅频响应数组m；

（b）然后使用MATLAB信号处理工具箱中提供的滤波器设计函数yulewalk计算出一组4阶IIR滤波器系数；

设置yulewalk函数滤波器阶数为4，输入频点数组f和幅频响应数组m，即获得4阶IIR滤波器系数数组[b，a]；

（c）随后根据AIC3104提供的两个2阶IIR滤波器系数构建方程组，并通过MATLAB符号数学工具箱中提供的函数solve解方程组；

将AIC3104提供的两个2阶IIR滤波器频率响应公式系数归一化，并根据频率相应公式等价的关系建立方程组：

式中N0，N1，N2，N3，N4，N5，D1，D2，D4，D5为AIC3104的数字IIR滤波器配置寄存器要输入的参数，为IIR滤波器系数数组b中的元素，为IIR滤波器系数数组a中的元素；

将此方程组通过MATLAB符号语言描述，并通过solve函数解此多元多次方程组，并挑选一组实数解用于计算；

（d）最终将方程组的解转化为AIC3104可配置的参数，从而完成AIC3104的4阶IIR滤波器设计过程。

将solve函数得出的实数解乘32768并归整，参考AIC3104数组手册分解为各个寄存器参数，从而完成AIC3104的4阶IIR滤波器设计过程。

本发明的有益效果： AIC3104内部滤波器的设计方法，使用MATLAB软件辅助完成IIR滤波器设计，并通过MATLAB软件完成复杂多元多次方程组的求解，最终转化为AIC3104的内部滤波器配置寄存器系数。本发明相比传统的AIC3104内部滤波器设计方法，不受TI提供的滤波器设计软件功能限制，可将两个2阶IIR滤波器看作一个4阶IIR滤波器进行设计，只需描述需求的幅频响应即可完成计算，省去通过2阶IIR滤波器去拼凑4阶IIR滤波器的复杂操作，减少尝试次数，提高滤波器设计效率， 适用范围广，具有推广价值。

附图说明

图1 滤波器设计方法框图。

具体实施方案

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述：

如图1所示，根据MATLAB的IIR滤波器设计函数yulewalk的参数说明，由两个等长数组来描述需求的幅频响应，分别是频点数组f和幅频响应数组m，频点数组需要将频率归一化到0到1的范围，其中1代表采样频率的一半，即奈奎斯特频率。幅度响应数组m中的元素表示在频点数组f中的每个频率所对应的幅频响应。yulewalk的函数调用如下：

[b，a]=yulewalk(n，f，m)

其中[b，a]为滤波器设计函数返回的IIR滤波器系数数组，由此系数构成的IIR滤波器的幅频响应是在最小二乘递归算法下最能逼近需求幅频响应的滤波器。

n为要设计滤波器的阶数，因此n=4，滤波器的幅频响应通过频点数组f和幅频响应数组m描述。

用滤波器系数数组[b，a]表示IIR滤波器频率响应公式为：

                                     （1）

式中为IIR滤波器系数数组b中的元素，为IIR滤波器系数数组a中的元素。

AIC3104的4阶IIR滤波器是由两个2阶IIR滤波器串联而成的，频率响应公式为：

           （2）

式中N0，N1，N2，N3，N4，N5，D1，D2，D4，D5为AIC3104的数字IIR滤波器配置寄存器要输入的参数。

 

因此，需要根据yulewalk函数计算得到的滤波器系数[b，a]，计算两个2阶IIR滤波器的配置参数。

由于AIC3104的两个串联2阶IIR滤波器频率响应公式（1）和yulewalk函数给出的4阶IIR滤波器频率响应公式（2）等价，所以本方法选择解方程的方法去计算AIC3104的数字IIR滤波器参数值。

为了简化计算，将AIC3104的4阶IIR滤波器频率响应公式的底部系数从32768归一化到1，然后将AIC3104的4阶IIR滤波器频率响应公式展开，构建方程组，得到如下多元多次方程组：

公式（1）、（2）中的分子部分可组成的方程组如下：

                                                    （3）

公式（1）、（2）中的分母部分可组成的方程组如下：

                                                                （4）

公式（2）中的分子上的未知数为N0，N1，N2，N3，N4，N5，共6个，而yulewalk函数给出的4阶IIR滤波器的系数b参数只有5个元素，所以该方程组个数小于未知数个数，有无穷多个解，所以在此加入额外限制条件，即

                                                                                                      （5）

公式（2）中的分母部分的方程组中未知数为D1，D2，D4，D5，共4个，而yulewalk函数给出的4阶IIR滤波器的系数a参数元素a(1)始终为1，所以此参数不参与方程组计算。

将这两个方程组利用MATLAB提供的solve函数解方程之后，即可分别得到分子和分母方程组的解。solve函数给出了多个方程组的解，其中一些是复数解，一些是实数解，挑选其中的一组实数解，并乘32768归整即可得到AIC3104的4阶IIR滤波器的各个寄存器参数。至此完成了AIC3104的4阶IIR滤波器参数快速计算。

以上流程仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。