CN100555863C

CN100555863C - 利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法和装置

Info

Publication number: CN100555863C
Application number: CNB2007101114739A
Authority: CN
Inventors: 曾祥希
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Intelligent IoT Technology Co Ltd
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-06-25
Also published as: CN101136622A

Abstract

本发明公开了一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法，该方法将需要进行带通滤波的信号作为两路输入信号，对每路输入信号进行低通滤波以及对信号时延和增益的调整，并将处理后的两路信号进行信号抵消。本发明还同时公开了一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，本发明通过采用两个不同截止频率的级联积分梳状滤波器实现一个带通滤波器，能够在满足小资源占用量，小时延的要求的前提下，具有良好的滤波特性。

Description

利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法和装置

技术领域

本发明涉及数字滤波器技术，特别是涉及一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法和装置。

背景技术

数字滤波的作用是滤除信号中某一部分频率分量，信号经过滤波处理，就相当于信号频谱与滤波器的频率响应相乘的结果。从时域来看，就是输入信号与滤波器的冲激响应作卷积和。在数字通信系统中，为了实现对信号的解调，就需要对信号进行数字滤波，减小噪声和干扰对信号的影响。其中，在零中频系统的应用领域，由于基带信号采样频率相对于信号有效带宽要高很多，一般需要增加级联积分梳状滤波器(CIC，Cascade Integrator-comb Filter)滤波器作为抗混叠滤波器，对信号进行降采样处理；然后再用一级有限冲击响应(FIR，Finite Impulse Response)滤波器滤除有效信号频带外的高频和低频信号。FIR滤波器和CIC滤波器的结构分别如图1、图2所示，FIR滤波器由一系列移位寄存器、乘法器和一个加法器构成，而CIC滤波器由一级或多级积分器或梳状滤波器组成。

但是，这种CIC滤波器加上FIR滤波器进行滤波的组合方式在射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)系统中的应用有其局限性，这是由RFID系统的特点所决定的。RFID系统对其RFID阅读器收到标签的信号，做出回应的时间要求很严格，要求系统时延小。同时，标签到RFID阅读器的反向信号由于有前向载波信号的干扰，在基带上表现为一个很强的低频干扰，因此，要求滤波器对低频的抑制较强，同时也需要对高频信号的滤除，所以就需要用到带通滤波器。为了利用FIR滤波器来实现一个对低频信号具有较强抑制作用的带通滤波器，就要求FIR滤波器的阶数较多。但是，随着FIR滤波器阶数的增多，其占用的资源会增多，而且滤波器的时延会很大，这种情况对RFID阅读器及时返回信号给标签很不利。

同样地，在其他需要快速反应和好的滤波器特性的带通滤波应用领域，传统的FIR滤波器也很难满足要求，因为FIR滤波器难以同时满足时延小和滤波器特性好的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法，能够解决现有技术中带通滤波功能占用资源较多，处理时延大的问题，达到了降低资源使用，减少信号处理过程中的时延的效果。

本发明的另一目的在于提供一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，能够解决FIR滤波器的结构复杂、需要大量乘法器、时延大的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法，该方法包括：将需要进行带通滤波的信号作为两路输入信号，对每路输入信号进行低通滤波以及对信号时延和增益的调整，并将处理后的两路信号进行信号抵消。

其中，对每路信号进行低通滤波以及对信号时延和增益的调整为：先对输入信号进行低通滤波，再对经过低通滤波的信号进行时延和增益的调整。或者，先对输入信号进行时延和增益的调整，再对经过时延和增益调整的信号进行低通滤波。

该方法中，两路信号分别由第一级联积分梳状滤波器和第二级联积分梳状滤波器进行低通滤波，其中，第一级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的上限或下限，相应的，第二级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的下限或上限。

其中，两路信号调整后的增益和时延相等。

一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，该装置包括第一路输入信号处理单元、第二路输入信号处理单元和信号抵消单元；第一路输入信号处理单元包括第一级联积分梳状滤波器和第一时延和增益调整单元，第二路输入信号处理单元包括第二级联积分梳状滤波器和第二时延和增益调整单元；其中，第一、第二级联积分梳状滤波器，用于对输入信号进行低通滤波；第一、第二时延和增益调整单元，用于调整信号的增益和时延；信号抵消单元，用于对两路经过处理的信号进行信号抵消。

其中，第一、第二级联积分梳状滤波器接收需要进行带通滤波的信号，并将经过低通滤波的信号输出至第一、第二时延和增益调整单元的输入，第一、第二时延和增益调整单元的输出与信号抵消单元的输入相连。或者，第一、第二时延和增益调整单元接收需要进行带通滤波的信号，并将经过增益和时延调整的信号输出至第一、第二级联积分梳状滤波器，第一、第二级联积分梳状滤波器的输出与信号抵消单元的输入相连。

该装置中，第一级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的上限或下限，相应的，第二级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的下限或上限。

其中，第一路输入信号处理单元和第二路信号输入处理单元的输出信号的时延和增益相等。

本发明采用两个不同截止频率的CIC滤波器实现一个带通滤波器，具有以下优点：

(1)结构简单、需要的存储量小。由于实现CIC滤波器不需要乘法器，而且利用CIC滤波器的积分环节减少了中间过程的存储量，因此减少了滤波器的资源占用量。

(2)本发明的方法和装置由于避免了使用高阶FIR滤波器而时延较小，适用于时延要求比较严格的应用环境，如RFID系统等。

附图说明

图1为现有技术中FIR滤波器的结构图；

图2为现有技术中CIC滤波器的结构图；

图3为本发明利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法流程示意图；

图4为本发明中CIC1的冲击响应曲线；

图5为本发明中CIC1的频率响应曲线；

图6为本发明中CIC2的冲击响应曲线；

图7为本发明中CIC2的频率响应曲线；

图8为本发明中CIC1和CIC2信号抵消后等效的带通滤波器的冲击响应曲线；

图9为本发明中CIC1和CIC2信号抵消后等效的带通滤波器的频率响应曲线；

图10为本发明中一个输波形图；

图11为本发明中对图10的输入波形进行滤波处理后的输出波形图；

图12为本发明利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明的核心思想是：采用两个CIC滤波器对同一信号进行处理，具体就是，将需要进行带通滤波的信号作为两路输入信号，对每路输入信号进行低通滤波以及对信号时延和增益的调整，并将处理后的两路信号进行信号抵消。

其中，每一路需进行带通滤波的信号先通过低通滤波还是先对信号进行时延、增益的调整可以任意选择，可以先经过低通滤波，再对其进行时延、增益的调整；也可以先调整时延、增益，然后再通过低通滤波。

作为本发明的一个实施例，选择对信号先进行低通滤波，然后再进行时延、增益的调整。

如图3所示，本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法的实施例包括以下步骤：

步骤101：将需要进行带通滤波的信号输入第一CIC滤波器CIC1进行低通滤波，CIC1的截止频率为所要求带通滤波的通频带的上限或下限。

为了能够分析本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法中各个步骤所实现的效果，在以下各步骤中，均将本发明的具体实现效果与FIR滤波器进行比较，证明两者效果等同。

对于CIC滤波器和FIR滤波器的等效关系，由图1可知，输入信号序列x(n)至FIR滤波器，则得到FIR滤波器的差分表达式为

y (n) = Σ_{i = 0}^{N - 1} h (i) x (n - i),

其中h(i)为滤波器的冲激响应，N为滤波器阶数。上式的z变换后的FIR滤波器z域传递函数为：

H (z) = Σ_{i = 0}^{N - 1} h (i) z^{- i} .

由图2可知，CIC滤波器前半部分是一个或多个积分器，后半部分是一个或多个梳状滤波器，设CIC滤波器分别有N个积分器和N个梳状滤波器，则其传递函数为：

H (z) = {[Σ_{k = 0}^{RM - 1} z^{- k}]}^{N},

其中R为CIC滤波器的降采样率，而M是梳状滤波的时延单元个数。

展开CIC滤波器的传递函数，与FIR滤波器的传递函数对比，可知对于一个CIC滤波器，如果它的级联级数为N，降采样率为R，梳状滤波器的时延单元数量为M个，它就等效于一个FIR滤波器，该FIR滤波器的系数h(i)由如下方式确定：将有R*M个1的数组，进行N次卷积，例如R*M为3，N为2时，相当于数组(1，1，1)，一次卷积后变成(1，2，3，2，1)，两次卷积变成(1，3，6，7，6，3，1)，这个卷积结果作为FIR的系数就等效于该CIC滤波器。

如果本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法需要获得的通频带频率为(h1，h2)，则可以设置CIC1低通滤波器的截止频率为h1或h2，并进一步确定CIC1的R、M和N参数，确定方法为一般的CIC低通滤波器设计方法。

作为本发明的一个实施例，CIC1的R、M和N分别取4、2和5，按照上面的等效关系，该CIC滤波器等效于一个系数为：[15 15 35 70 126 210 330 490690 926 1190 1470 1750 2010 2226 2380 2460 2460 2380 2226 2010 1750 14701190 926 690 490 330 210 126 70 35 15 51]的FIR滤波器，其冲击响应曲线和频率响应曲线分别如图4和图5所示。

由于FIR滤波器的每一个系数对应一个乘法器，可以看出，只有5个积分器和5个梳状滤波器的CIC1等效于一个35阶的对称系数FIR滤波器，如果采用转置结构实现此FIR，需要使用拥有18个乘法器和35个移位寄存器和35个加法器的FIR滤波器，节省了大量的资源。

步骤102：将需要进行带通滤波的信号输入第二CIC滤波器CIC2，进行低通滤波，CIC2的截止频率为所要求带通滤波的通频带的下限或上限，选取上限还是下限与步骤101中CIC1所选上限或下限相反。

与步骤101一样，需要进行带通滤波的信号也进入第二CIC滤波器，进行低通滤波。为了实现带通滤波，CIC2和CIC1的截止频率是不一样的。

如果本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法需要获得的通频带频率为(h1，h2)，那么，当步骤101中CIC1截止频率为h1时，设置CIC2的截止频率为h2；当步骤101中CIC1截止频率为h2时，设置CIC2的截止频率为h1，并进一步确定CIC2的R、M和N参数，确定方法为一般的CIC低通滤波器设计方法。

CIC2和CIC1之间截止频率的差值就是所需实现带通滤波的范围，本发明的实施例中，选择CIC2的参数R、M和N分别取4、8和3。由上面介绍的等效关系，CIC2所等效的FIR滤波器系数为：[1 3 6 10 15 21 28 36 45 55 66 78 91105 120 136 153 171 190 210 231 253 276 300 325 351 378 406 435 465 496 528558 586 612 636 658 678 696 712 726 738 748 756 762 766 768 768 766 762 756748 738 726 712 696 678 658 636 612 586 558 528 496 465 435 406 378 351 325300 276 253 231 210 190 171 153 136 120 105 91 78 66 55 45 36 28 21 15 10 6 31]，其冲击响应曲线和频率响应曲线分别如图6和图7所示。

由于FIR滤波器的每一个系数对应一个乘法器，可以看出，只有3个积分器和3个梳状滤波器的CIC2等效于一个47个乘法器和93个移位寄存器和93个加法器组成的FIR滤波器，节省了大量的资源。

步骤103：将经过步骤101低通滤波处理后的信号进行时延和增益的调整。

为使经过CIC1和CIC2低通滤波后的信号能够相互抵消，需要将经过步骤101和步骤102低通滤波处理后的信号进行时延和增益的调整，使得这两路信号能够时延和增益一致。

步骤104：将经过步骤102低通滤波处理后的信号进行时延和增益的调整。

同样的，为使经过CIC1和CIC2低通滤波后的信号能够相互抵消，需要将经过步骤101和步骤102低通滤波处理后的信号进行时延和增益的调整，使得这两路信号能够时延和增益一致。

步骤103和步骤104中所述的调整具体实现是这样：

假设CIC滤波器的增益为G＝(RM)^N，其中，G为滤波器的直流增益，R、M、N分别为降采样率、梳状滤波器的时延单元数量、级联级数。

如果步骤101中CIC1的增益为G1，而步骤102中CIC2的增益为G2，在步骤103中增加的增益为B1，步骤104中增加的增益为B2，则只需要满足关系式：B1×G1＝B2×G2即可。本发明可以调整B1＝G2/G1，也可以调整B2＝G1/G2，还可以选择B1和B2为其它值，只要满足上述关系式即可。

对应本发明的实施例，CIC1的增益为8⁵，CIC2的增益为32³，可以看到这两个增益是相等的，为了简单起见，本实施例直接取B1＝B2＝1。

CIC滤波器等效于一个拥有R×M×N-N+1个抽头的FIR滤波器，其时延为D＝(R×M×N-N)/2+N×(R+1)个时钟周期。

如果步骤101中CIC1的时延为D1，而步骤102中CIC2的时延为D2，在步骤103中增加的时延为C1，步骤104中增加的时延为C2，则只需要满足关系式：C1+D1＝C2+D2即可。本发明可以调整C1＝D2-D1，也可以调整C2＝D1-D2，还可以选择C1和C2为其它值，只要满足上述关系式即可。

对应本发明的实施例，CIC1的时延为42.5个时钟周期，CIC2的时延为61.5个时钟周期，这里为了简单起见，本实施例直接取C1＝19，C2＝0。

步骤105：对经过步骤103、104时延、增益补偿后的信号，进行抵消，得到带通滤波后的信号。

本发明的方法对信号进行处理，相当于将信号通过一个带通滤波器，该带通滤波器的冲击响应等于将步骤101中CIC1的冲击响应与步骤102中CIC2的冲击响应相减。由于在步骤103、104中分别调整了两个CIC滤波器的时延，使CIC1和CIC2各自的等效FIR滤波系数的中点对齐，满足线性相位的条件，因此，信号经过步骤103、104的处理后，所有频率和相位保持相同，不会产生被处理信号的相位失真。

对应于本发明的实施例，信号经过步骤103和104所提供的频率和时延补偿，然后经过抵消环节的处理，相当于经过一个FIR带通滤波器的滤波，该FIR带通滤波器的系数为：[-1-3-6-10-15-21-28-36-45-55-66-78-91-105-120-136-153-171-190-210-231-253-276-300-325-351-378-406-435-464-491-513-523-516-486-426-328-188-6 214 464 732 1002 1254 1464 1614 16921692 1614 1464 1254 1002 732 464 214-6-188-328-426-486-516-523-513-491-464-435-406-378-351-325-300-276-253-231-210-190-171-153-136-120-105-91-78-66-55-45-36-28-21-15-10-6-3-1]。

可以看出，该FIR滤波器结构非常复杂，需要用到大量的乘法器和存储单元。该滤波器的冲击响应如图8所示，频率相应曲线如图9所示，从图8、图9中可以看出，经过本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法的处理，能够提供一个具有较好滤波器特性的带通滤波器。

如果采用传统的CIC滤波器加上FIR滤波器的方式进行滤波，要达到上述实施例的效果，首先须经过CIC滤波器进行降采样滤波，如果CIC滤波器为本实施例中步骤101中采用的CIC1，则还需要经过一个64阶的FIR滤波器进行滤波，才能达到相近的带通滤波效果，由于FIR的时钟为4倍降采样后的时钟，所以该FIR滤波器会增加时延为4×32＝128个时钟周期，而本发明的实施例仅仅比CIC1多增加19个时钟周期的时延，从这些分析可以看出，采用本发明的实施例，能够减少109个时钟周期的时延。

对于本发明的实施例，假设输入的信号波形如图10所示，经过本发明中利用CIC滤波器实现带通滤波的方法处理，可得到的输出波形如图11所示，由图10和图11可见，本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法，具有良好的滤波特性，较好地抑制了信号的低频成分和高频成分。

为实现本发明利用CIC滤波器实现带通滤波的方法，本发明还提供了一种利用CIC滤波器实现带通滤波的装置，如图12所示，该装置包括第一路输入信号处理单元7、第二路输入信号处理单元8和信号抵消单元，第一路输入信号处理单元7包括第一CIC滤波器1和第一时延和增益调整单元3，第二路输入信号处理单元8包括第二CIC滤波器2和第二时延和增益调整单元4。

其中，第一CIC滤波器1，用于对输入信号进行低通滤波，其截至频率为所要求带通滤波的通频带的上限或下限。

第二CIC滤波器2，用于对输入信号进行低通滤波，其截至频率与第一CIC滤波器1所确定的上限或下限相反。也就是说，当第一CIC滤波器1的截至频率为所要求带通滤波器的上限时，选择第二CIC滤波器2的截至频率为所要求带通滤波的通频带的下限；当第一CIC滤波器1的截至频率为所要求带通滤波器的下限时，选择第二CIC滤波器2的截至频率为所要求带通滤波的通频带的上限。

第一时延和增益调整单元3，与第一CIC滤波器1相配合，用于调整信号的增益和时延。

第一时延和增益调整单元3与第一CIC滤波器1之间的顺序可以互换，既可以第一CIC滤波器1在前，第一时延和增益调整单元3在后；也可以第一时延和增益调整单元3在前，第一CIC滤波器1在后。作为本发明的一个实施例中，第一CIC滤波器1在前，第一时延和增益调整单元3在后。

第二时延和增益调整单元4，与第二CIC滤波器2相配合，用于调整信号的增益和时延。

第二时延和增益调整单元4与第二CIC滤波器2之间的顺序可以互换，既可以第二CIC滤波器2在前，第二时延和增益调整单元4在后，也可以第二时延和增益调整单元4在前，第二CIC滤波器2在后。作为本发明的实施例中，第二CIC滤波器2在前，第二时延和增益调整单元4在后。

信号抵消单元5，以第一路输入信号处理单元7的输出信号，和第二路输入信号处理单元7的输出信号为输入，用于对这两路信号进行抵消操作。

第一路输入信号处理单元7和第二路信号输入处理单元8的输出信号的时延和增益相等。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的保护范围。本领域内技术人员应该能够联想到，选择不同参数的级联积分梳状滤波器，对积分梳状滤波器输出的信号的增益和时延采用不同的调整，信号先经过滤波或是先经过时延、增益的调整，都应该属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的方法，其特征在于，该方法包括：

将需要进行带通滤波的信号作为两路输入信号分别输入截止频率不同的两个级联积分梳状滤波器，由所述两个级联积分梳状滤波器分别对每路输入信号进行低通滤波，以及由两个时延和增益调整单元分别对每路信号进行时延和增益的调整，并将处理后的两路信号进行信号抵消。

2、根据权利要求1所述的实现带通滤波的方法，其特征在于，所述进行低通滤波以及对信号时延和增益的调整为：先对输入信号进行低通滤波，再对经过低通滤波的信号进行时延和增益的调整。

3、根据权利要求1所述的实现带通滤波的方法，其特征在于，所述进行低通滤波以及对信号时延和增益的调整为：先对输入信号进行时延和增益的调整，再对经过时延和增益调整的信号进行低通滤波。

4、根据权利要求1至3任一项所述的实现带通滤波的方法，其特征在于，两路信号分别由第一级联积分梳状滤波器和第二级联积分梳状滤波器进行低通滤波；

所述第一级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的上限或下限，相应的，所述第二级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的下限或上限。

5、根据权利要求1至3任一项所述的实现带通滤波的方法，其特征在于，两路信号调整后的增益和时延相等。

6、一种利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，其特征在于，该装置包括第一路输入信号处理单元、第二路输入信号处理单元和信号抵消单元；

第一路输入信号处理单元包括第一级联积分梳状滤波器和第一时延和增益调整单元，第二路输入信号处理单元包括第二级联积分梳状滤波器和第二时延和增益调整单元；其中，

所述第一级联积分梳状滤波器与所述第一时延和增益调整单元串联，所述第二级联积分梳状滤波器与所述第二时延和增益调整单元串联；

第一、第二级联积分梳状滤波器的截止频率不同，用于对输入信号进行低通滤波；

第一、第二时延和增益调整单元，用于调整信号的增益和时延；

信号抵消单元，用于对两路经过处理的信号进行信号抵消。

7、根据权利要求6所述的利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，其特征在于，所述第一、第二级联积分梳状滤波器接收需要进行带通滤波的信号，并将经过低通滤波的信号输出至第一、第二时延和增益调整单元的输入，所述第一、第二时延和增益调整单元的输出与信号抵消单元的输入相连。

8、根据权利要求6所述的利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，其特征在于，所述第一、第二时延和增益调整单元接收需要进行带通滤波的信号，并将经过增益和时延调整的信号输出至第一、第二级联积分梳状滤波器，所述第一、第二级联积分梳状滤波器的输出与信号抵消单元的输入相连。

9、根据权利要求6所述的利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，其特征在于，所述第一级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的上限或下限，相应的，所述第二级联积分梳状滤波器的截止频率为所要求带通滤波的通频带的下限或上限。

10、根据权利要求6所述的利用级联积分梳状滤波器实现带通滤波的装置，其特征在于，所述第一路输入信号处理单元和第二路信号输入处理单元的输出信号的时延和增益相等。