滤波器的功能是消除讯号中不需要的讯号（例如随机噪声）、或撷取出讯号中有用的部份（像取出特定频率范围内的讯号）。要在电路中设计、仿真、配置一个低通滤波器（low-pass filter），必须知道这低通滤波器的频率响应范围。但下一步呢？

本文介绍一种方法，能在数分钟内设计与仿真出各种滤波器。在本文中将使用两个图形用户界面的软件包进行设计、仿真，并在最后完成滤波器的设计，包括dsPIC DSC Filter Design软件，以及dsPICworks 数据分析与设计软件。

步骤1：找出需求

假设要用一个模拟至数字转换器，对12kHz的输入讯号进行取样，且已知道还需要一个数字滤波器，把输入讯号超过3300 Hz的频率部份过滤去除。为完成这项工作，需启动dsPIC DSC Filter Design软件，这款软件的工具栏显示出各种展开滤波器设计流程的方法，如果设计者希望使用无限脉冲响应（IIR）滤波器，仅须点选「IIR」图标，再执行对话框中的步骤，如(图一)所示。

《图一 使用无限脉冲响应（IIR）滤波器》

在图一中，「输入滤波器规格对话框（Filter Specification Input）」中显示设计者希望滤波器执行的功能，标示着「截止频带涟波（dB, stopband ripple）」的文本框，让设计者指定要对截止频带的讯号设定多少衰减幅度。输入的通过频带与截止频带（passband and stopband）频率，就界定出转移频带的范围；若设计者不知道在指定这些频率时如何确定奈奎斯特标准（Nyquist criteria），这个工具会显示一个对话框帮助了解。

步骤2：评估滤波器选择方案

当设计者执行图一所示的对话框后，滤波器设计软件会评估滤波器需求，并根据同级模拟IIR滤波器提供滤波器阶数的预估值。由于IIR滤波器有五种类型，因此软件会根据通过频带（passband）与截止频带（stopband）的涟波特性，针对五种类型的IIR滤波器，列出滤波器的预估阶数，如(图二)所示。工具会根据设计者在步骤1指定的需求，自动选择最理想的数字滤波器方案。

最适合的滤波器通常是阶数最小者，因为滤波器的阶数和DSP中滤波器的运行时间成正比。在几种情况中，像是封闭回路的控制系统，可略过自动选择的建议，直接选择巴特沃斯滤波器（Butterworth filter），因为设计者希望在通过频带与截止频带上都得到平坦反应（换言之，就是没有涟波）。在本文的范例中，则使用工具提供的默认选项─在通过频带与截止频带上显示等涟波特性（equiripple characteristics）的椭圆滤波器。

《图二 低通滤波器选择窗口》

步骤3：检验设计出的滤波器

点选(图二)中的「Next」按钮后，软件会显示各种图形，如(图三)所示。设计者可使用图形来检验软件产生的滤波器是否符合要求。当略过图二中的默认设定时，这项功能特别实用。接下来，必须建立一个滤波器系数档案（*.flt），作为仿真滤波器之用。图三显示的选单选项用来储存滤波器的系数档案。滤波器系数档案含有16个系数，用来建置八阶椭圆IIR滤波器。这些特别安排的系数，让8阶滤波器建置成四个层迭的2阶滤波器（业界通称为「双四元组」）。

《图三 各种图形的显示》

步骤4：仿真滤波器

既然已储存滤波器系数，接下来该输入数据来测试滤波器、检查滤波器的运作是否符合要求。对此使用dsPICworks数据分析与设计软件。这个软件能产生或汇入波型、对波型执行各种算法与DSP作业，如过滤、快速傅立叶变换（Fast Fouier Transform）等，并导出Windows WAV或ASCII文本文件。范例中将产生一个讯号，在100Hz与4300Hz有两个正弦组件。(图四)的左上方显示时域讯号；图四的左下方则显示讯号的频率组件。输入讯号以步骤1至3的设定，在滤波器中进行处理。图四的对话框让用户指定一个输入波型档案、滤波器系数档案、以及输出波型档案的名称；图四的右上方显示经过过滤后的输出讯号；图四的右下方显示过滤后输出讯号的频率组件。设计者可放心假设滤波器的执行成效和实际嵌入型16位处理器的处理结果一样，因为dsPICworks软件平台会以16-bit定点格式（Fixed-Point）的方式进行运算。

《图四 讯号输出》

步骤5：尝试各种选项降低系数的大小

若设计者不满意滤波器的设计，可重复执行步骤1至4，输入各种滤波选项，包括FIR滤波器。记得在步骤1中选择IIR滤波器。通常IIR滤波器提供较明显的反应，却没有使用太多数据存储器。例如，建置一个8阶滤波器，大约64字节就已足够；而FIR滤波器则恰恰相反，一个FIR滤波器提供与IIR滤波器相同的反应，需要耗用350字节的数据存储器，但在需要线性相位反应（linear-phase response）时，FIR滤波器的应用却相当关键。但若把滤波器系数摆放在程序内存，就可减少一半的消耗量。

步骤6：在嵌入型系统中执行滤波器

dsPIC Filter Design软件有一个程序代码产生器选项，能建立一个原始档，储存滤波器各项系数。此外，包含C语言呼叫的IIR与FIR滤波函数的原始档能置入设计者的开发环境。除了这些档案外，还需要一个C语言编译程序、In-circuit除错器、以及一个研发板，在芯片上执行设计出的滤波器功能。

转移至数字滤波器的工作，已持续不断地简化。市面上有许多免费与低成本的PC版开发工具，让设计者能在数分钟内设计与仿真滤波器，以及产生程序代码。此外，它们能仿真微处理器的16位操作。现今的数字讯号控制器都具备模拟与系统整合功能，并能在转移至数字滤波器时，提供极具吸引力的方案。

---作者为Microchip数字讯号控制器部门资深应用工程师---