一种用于高精度MEMS地震检波器的抽取滤波器优化设计

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基于MEMS数字检波器的新一代高精度数字地震数据采集系统可为深层油气的勘探开发提供关键技术支撑。MEMS数字检波器具有显著的优势,支撑单点高密度、三分量地震采集系统的发展,其优异的微弱信号检测能力使其能够胜任高精度勘探任务,成为地震检波器的发展趋势。  作为MEMS检波器核心技术部件之一,抽取滤波芯片是对前端伺服电路ASIC调制所产生的高速低位数据流进行数字滤波处理转换为低速高位数据流,使系统完成高精度的模/数(A/D)转换。经过抽取滤波芯片,输出是24-bit,512Hz,1024Hz或更高频率的干净数据。本文针对我国自主研发的24位MEMS数字检波器,开发出了适用的抽取滤波算法,并优化设计了抽取滤波器整体构架和各级参数,最后给出了“经济型”和“高性能型”两种方案供实际生产选取。结果表明该设计方案能够满足MEMS地震计的高精度要求,同时降低了系统成本和功耗。  文章开展主要工作如下:  1、MEMS地震检波器的背景综述和发展前景调研。通过对工业化抽取滤波器芯片调研和具体算法公式的推导,归纳总结了应用于MEMS地震检波器的抽取滤波器评价标准;  2、开发了抽取滤波器的算法,对抽取倍数分配和各级参数设定进行了优化设计,并利用模拟退火算法对其中FIR滤波器系数进行全局寻优,最后对系统进行了仿真验证。确定系统由以下3部分构成:①多级SINC抽取滤波器;多倍数降采样和抗高频量化噪声混叠,通过不同级数旁路实现0.25ms,0.5ms,1ms,2ms,4ms多速率输出;②多阻带FIR滤波器:在保证通阻带特性的前提下进一步降采样;③等波纹FIR滤波器:完成系统精细滤波。  3、通过改进编码方式、多相分解结构、分布式算法,移位加等方法对抽取滤波器硬件实现进行了进一步优化,降低了功耗估计。  研究工作结果表明:①本文设计的抽取滤波器能够满足检波器多速率输出要求、其动态范围、信噪比(量化噪声)、阻带衰减、通带波纹等性能均达标;②利用模拟退火算法适合对FIR滤波器进行优化设计,普通FIR滤波器、多阻带FIR滤波器和通带补偿滤波器都可以利用此方法对滤波器系数进行全局寻优。本文利用此方法得到的同阶数FIR滤波器性能优于CS5376芯片FIR滤波器;③本文设计的滤波器硬件构架有效降低了功耗估计。
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