CN101253691A - 具有任意整数抽取值和单位增益缩放的级联积分梳状滤波器 - Google Patents

具有任意整数抽取值和单位增益缩放的级联积分梳状滤波器 Download PDF

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Abstract

我们披露了一种具有任意整数抽取速率的CIC数字滤波器。所述滤波器具有连接到其输入的位移器(110)。所述位移器(110)接收位移控制输入，其中将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分。在输入和位移器(110)之间连接有乘法器(100)。在其他实施例中，乘法器(100)可以连接在输入和位移器(110)之间。顺序连接的积分器(130)的功能连接到位移器(110)或乘法器(100)；抽取功能从积分器(130)功能接收输入；顺序连接的微分器(150)功能从微分器功能接收输入。所述抽取功能具有等于一个整数的可选速率，所述一个整数为在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数。所述乘法器(100)用于计算每一输入数据采样与校正因数的乘积；将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分，从而校正对于非2的幂的抽取值的CIC滤波器的增益。

Description

具有任意整数抽取值和单位增益缩放的级联积分梳状滤波器
技术领域
本发明涉及需要使用级联积分梳状(CIC)滤波器的数字信号处理应用。这种滤波器通常与过采样模数转换器(ADC)一起使用，以将ADC的采样速率减小到应用所需的采样速率，并减小ADC采样处理所产生的混叠效应。
背景技术
当前所采用的CIC滤波器通常用于数字下变频器应用，这是因为与使用抽取或传统平均技术的替代性的有限脉冲响应滤波器相比，CIC滤波器支持更有效率的硬件实现。如果受2的幂的抽取值的约束，则可以不使用乘法或除法操作来实现CIC，但必须使用极大比特宽度的加法器和累加器，因为在当前的数字滤波应用中通常需要很大的抽取值或插值。
现有方法的问题在于可选的输出采样速率的粒度。例如，假设CIC滤波器具有从8到16384(23-214)的2的幂的抽取值。随后，如果输入采样速率是例如16MHz，则可用的离散输出采样速率是2MHz、1MHz、500KHz、...3.91KHz、1.95KHz和0.98KHz。由于CIC的输出采样速率通常输入到数字滤波器，并最小化这些随后的滤波器所需的抽头的数量，因此人们非常期望改善R个值的粒度。例如，具有250KHz的明显截止频率的FIR滤波器使用2的幂的抽取将需要1MHz的采样速率并需要507个抽头来获得具有小于1dB的波纹的80dB的衰减。如果整数个R值可用，则可以将采样速率设置在516KHz(R＝31)，滤波器仅需要235个抽头，以改善滤波器延迟和处理吞吐量和功率需求。
发明内容
我们披露了一种支持任意整数抽取速率的CIC数字滤波器。所述滤波器具有连接到其输入端的位移器。所述位移器接收位移控制输入，其中将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分。在输入端和位移器之间连接有乘法器。在其他实施例中，乘法器可以连接在输入端和位移器之间。
至少有4个顺序连接的积分器功能部件连接到位移器(或在另一种情况下为乘法器)；抽取功能部件从积分器功能部件接收输入；至少4个顺序连接的微分器功能部件从抽取功能部件接收输入。所述抽取功能部件具有等于一个整数的可选速率，所述一个整数为在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数。所述乘法器用于计算每一输入数据采样与校正因数的乘积；将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分，从而对于非2的幂的抽取值，校正CIC滤波器的增益。
我们还披露了一种实现多通道CIC滤波器的方法，所述多通道CIC滤波器用于从多个数据流中过滤输入数据采样；所述多通道CIC滤波器具有输入端、输出端、位移器、位移控制器、乘法器、解复用器以及多个通道。每一通道具有一个或多个积分器功能部件、抽取功能部件以及一个或多个微分器功能部件。所述方法包括：接收复用数据采样的输入流；将每一数据采样向左位移，位移量等于以CIC滤波器增益为真数并且以2为底的对数的整数部分；将每一经上述位移的数据采样和以CIC滤波器增益为真数并且以2为底的对数的小数部分相乘。将所述复用数据流解复用为两个或更多个数据流。对于每一数据流，所述方法包括：对所述经位移的和经相乘的数据采样进行至少一次积分；以预定抽取速率对所述数据采样进行抽取；对所述经抽取的数据采样进行至少一次微分；在输出所述数据采样前将所述经微分的数据采样取整为预定数量的位。
附图说明
图1示出了现有技术的4级CIC滤波器，其能够对应于2的整数幂的至多16368(214)个抽取值进行可编程抽取；
图2示出了任意整数个至多131072个抽取值的CIC滤波器；
图3示出了接收复用数据流并具有多个输出通道的CIC滤波器的替代性实施例；
图4示出了输入到示例性CIC滤波器中的各个级或从其输出的波形表示。
具体实施方式
图1示出了现有技术的4级CIC滤波器，其允许至多16368(214)个可编程抽取。管线开始处的位移寄存器用于设置位移值，其对于滤波器的可编程抽取值(R)保持单位增益。这就将抽取值限制在了2的整数幂，导致了1、2、4、8、...16、384这14个离散的抽取设定值。抽取器输出R个输入之一以执行下采样功能。加法器和寄存器的大小适于累积极大量的数字，但可以在每一级截去一些位，以删除那些不影响输出精度的位。
图2示出了根据本发明优选实施例的具有至多131072个抽取的整数值的CIC滤波器。通过在CIC的输入端的位移寄存器之前增加乘法器(100)，以在位移寄存器(110)中调整2的幂的调整结果之间的值的增益来实现这种能力。为了对特定的整数值R执行编程，在4级CIC滤波器的每个以下的等式中，位移器(110)和乘法器(100)中的增益值必须等于CIC滤波器的动态范围的降低：
Figure S2006800319716D00031
其中，RMAX是设计在系统中的最大抽取速率。
这可以通过对增益的整数部分进行位移操作并对增益的小数部分进行乘法操作来实现在数字硬件中。需要注意的是，对于2的幂的抽取值，仅需要位移器。
因此，用作位移器(110)中左位移的位移控制值(115)是2的log2 (CIC增益)的整数部分次幂，而用于乘法器(100)的校正系数(105)是2的log2 (CIC增益)的小数部分次幂。
例如，在4级滤波器中期望的抽取值为R＝36(并非2的幂)，这将会导致位移控制值为47，而乘法器校正值为1.24859(在示例中，所有的数字均为16位的2的补码格式)。尽管会导致硬件复杂度增加，但等同的乘法器可以使用浮点算法。积分器和微分器部分(130和150)通常由这种寄存器(140)和加法器(160)构成，其具有如图所示的适当的反馈或前馈。在图2中标记有“REG”的框是在CIC寄存器中使用的用于保存中间结果的常规寄存器(140)，其输出被截短，如图所示。微分器部分(150)之后的取整器(170)将结果取整为输出采样所期望的位宽。读取器将查看是否需要在阻止带中进行更大的衰减，附加的积分器和微分器可以添加到刚刚描述的CIC滤波器上。还需要注意的是，输入位宽可以是任意值。寄存器和加法器的大小必须适于期望的最大输入精度。例如，可以输入12位而输出具有至少256的抽取值的16位的精度，这是因为CIC是平均滤波器，其会“平均滤出”标准噪声。
可以通过共享乘法器和位移器来实现多通道系统，所述多通道系统具有例如来自N个输入通道以及随后输出结果至N个CIC通道的ADC复用转换。相同的乘法器和位移器可用于提供所需的任何附加的增益校正以及模数转换处理，所需的增益校正是放大不准确的结果。图3示出了具有输出的多通道的替代性实施例，其中，在单一乘法器(100)中，复用输入的输入通道(200)乘以校正因数，和上面一样在单一位移器(230)中位移了位移校正因数，并由解复用器(210)解复用为分开的数据通道。
图2中的CIC滤波器的积分器部分(130)的时钟是输入数据的速率。微分器部分(150)的时钟是输入数据速率除以R的速率，即抽取速率。因此CIC滤波器以R来下变频输入信号采样速率和带宽。
对混合信号CMOS集成电路的实验显示，这个解决方案的CMOS实现方案仅比输入数据的单一通道的2的幂的解决方案大13％。但是，在具有例如来自N个输入通道以及随后输出结果至N个CIC通道的单一ADC复用转换的多通道系统中，可以共享乘法器和位移器，并降低成本，如图3所示。图4示出了36个R值的CIC的Matlab仿真。图4A示出了示例性滤波器的积分器波形，而图4B示出了微分器(CIC)的波形。这表明，在CIC之前通过乘法和位移因数进行放大导致了输出处的单位增益，例如，12位的输入余弦波形在输出处产生了4096的动态范围，于是信号如实再现。
因此，本发明所述的技术显示，可以按需选择任何的整数抽取值以适合高达硬件设计极限的应用。增加的乘法器提供了R的最大值-log2R个另外的离散抽取值。本设计提高了13％的性能或附加硬件增加的成本较小。

Claims (31)

1、一种用于对输入数据采样进行过滤的CIC数字滤波器，包括：
至少一个积分器功能部件；
一个抽取功能部件，从所述积分器功能部件接收输入；
至少一个微分器功能部件，从所述抽取功能部件接收输入；
一个乘法器，连接在输入端和所述积分器功能部件之间；
一个位移器，连接到所述乘法器的输出端；
所述乘法器用于计算每一个输入数据采样与校正因数的乘积，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述CIC滤波器的增益。
2、如权利要求1所述的CIC滤波器，其中，将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分。
3、如权利要求1所述的CIC滤波器，还包括：
所述位移器接收位移控制输入；
将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分。
4、如权利要求1所述的CIC滤波器，包括：
4个顺序连接的积分器功能部件和4个顺序连接的微分器功能部件。
5、如权利要求1所述的CIC滤波器，其中，所述抽取功能部件按照从1到131072的任意抽取速率而工作。
6、一种用于对输入数据采样进行过滤的CIC数字滤波器；所述滤波器具有用于数据采样的输入端；所述滤波器包括：
连接到所述输入端的位移器；所述位移器接收位移控制输入；将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分；
连接在所述输入端和所述位移器之间的乘法器；
连接到所述位移器的至少4个顺序连接的积分器功能部件；
从所述积分器功能部件接收输入的抽取功能部件；
从所述抽取功能部件接收输入的至少4个顺序连接的微分器功能部件；所述抽取功能部件具有的可选速率是在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数；
所述乘法器用于计算每一个输入数据采样与校正因数的乘积；将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述CIC滤波器的增益。
7、一种实现CIC滤波器的方法，所述滤波器具有输入端、输出端、位移器、位移控制器、乘法器、一个或多个积分器功能部件、抽取功能部件以及一个或多个微分器功能部件，所述方法包括：
接收数据采样的输入流；
将每一个数据采样向左位移，位移量等于所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分；
将每一个经过上述位移的数据采样和所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分相乘；
对所述经过位移的和经过相乘的数据采样进行至少一次积分；
以预定抽取速率对所述数据采样进行抽取；
对所述抽取的数据采样进行至少一次微分；
在输出所述数据采样前，将所述经过微分的数据采样取整为预定数量的位。
8、如权利要求7所述的方法，其中，对所述数据采样进行多次积分。
9、如权利要求7所述的方法，其中，对所述数据采样进行多次微分。
10、如权利要求7所述的方法，其中，所述抽取速率为在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数。
11、用于执行CIC数字滤波器功能的集成电路；所述集成电路包括：
至少一个积分器；
抽取器，所述抽取器从所述积分器接收输入；
至少一个微分器，所述微分器从所述抽取器接收输入；
连接到输入端的乘法器；
连接在所述乘法器的输出端和所述积分器的输入端之间的位移器；
所述乘法器用于计算每一个输入数据采样与校正因数的乘积，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述CIC滤波器的增益。
12、如权利要求11所述的集成电路，其中，将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分。
13、如权利要求11所述的集成电路，还包括：
所述位移器接收位移控制输入；
将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分。
14、如权利要求11所述的集成电路，包括：
4个顺序连接的积分器和4个顺序连接的微分器。
15、如权利要求11所述的集成电路，其中，所述抽取器按照从1到预定最大抽取值的任意抽取速率而工作。
16、一种集成电路，用于执行对输入数据采样进行过滤的CIC数字滤波器功能，包括：
位移器；所述位移器连接到输入端；所述位移器接收位移控制输入；将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的整数部分；
连接到所述位移器的乘法器；
连接到所述乘法器的至少4个顺序连接的积分器；
从所述积分器接收输入的抽取器；
从所述抽取器接收输入的至少4个顺序连接的微分器；所述抽取器具有的可选速率是在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数；
所述乘法器用于计算每一个输入数据采样与校正因数的乘积；将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述CIC滤波器的增益。
17、一种多通道CIC数字滤波器，用于从复用数据流中对输入数据采样进行过滤，包括：
连接到所述输入的乘法器；
连接到所述乘法器的位移器；
连接到所述位移器的解复用器，用于将所述复用数据流解复用为两个或更多个数据流；
其中，将每一个经解复用的数据流输入到下列各部件：
至少一个积分器功能部件；
从所述积分器功能部件接收输入的抽取功能部件；
从所述抽取功能部件接收输入的至少一个微分器功能部件；
所述乘法器和位移器用于计算所述输入数据采样与校正因数的乘积，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述多通道CIC滤波器的增益。
18、如权利要求17所述的多通道CIC滤波器，其中，将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分。
19、如权利要求17所述的多通道CIC滤波器，还包括：
接收位移控制输入的所述位移器；
将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分。
20、如权利要求17所述的多通道CIC滤波器，其中，每一个通道都包括4个顺序连接的积分器功能部件和4个顺序连接的微分器功能部件。
21、如权利要求17所述的CIC滤波器，其中，所述抽取器按照从1到131072的任意抽取速率而工作。
22、一种用于实现多通道CIC滤波器的方法，所述多通道CIC滤波器用于从多个数据流中对输入数据采样进行过滤；所述多通道CIC滤波器具有输入端、输出端、位移器、位移控制器、乘法器、解复用器以及多个通道；每一个通道都具有一个或多个积分器功能部件、抽取功能部件以及一个或多个微分器功能部件，所述方法包括：
接收复用数据采样的输入流；
将每一个数据采样向左位移，位移量等于所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分；
将每一个经上述位移的数据采样和所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分相乘；
将所述复用数据流解复用为两个或更多个数据流；
对于每一个数据流：
对所述经位移的和经相乘的数据采样进行至少一次积分；
以预定抽取速率对所述数据采样进行抽取；
对所述经抽取的数据采样进行至少一次微分；
在输出所述数据采样前，将所述经微分的数据采样取整为预定数量的位。
23、如权利要求22所述的方法，其中，对每一个数据采样进行多次积分。
24、如权利要求22所述的方法，其中，对每一个数据采样进行多次微分。
25、如权利要求22所述的方法，其中，所述抽取速率为在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数。
26、一种集成电路，用于对数据采样的复用流执行多通道CIC数字滤波器功能；所述集成电路包括：
连接到所述输入的乘法器；
连接到所述乘法器的位移器；
连接到所述位移器的解复用器，用于将所述复用数据流解复用为两个或更多个通道，每一个通道都包括一个经解复用的数据流；
其中，每一个通道还包括：
至少一个积分器；
抽取器，所述抽取器从所述积分器接收输入；
从所述抽取器接收输入的至少一个微分器；
所述乘法器和位移器用于计算每一个输入数据采样与校正因数的乘积，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述CIC滤波器的增益。
27、如权利要求26所述的集成电路，其中，将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分。
28、如权利要求26所述的集成电路，还包括：
接收位移控制输入的所述位移器；
将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分。
29、如权利要求26所述的集成电路，其中，每一个通道都包括4个顺序连接的积分器和4个顺序连接的微分器。
30、如权利要求26所述的集成电路，其中，每一个抽取器都按照从1到预定最大抽取值的任意抽取速率而工作。
31、一种集成电路，用于对数据采样的复用流执行多通道CIC数字滤波器功能；所述集成电路包括：
连接到所述输入的乘法器；所述乘法器用于计算每一个输入数据采样与校正因数的乘积；将所述校正因数预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的小数部分，从而对于非2的幂的抽取值，校正所述CIC滤波器的增益；
连接到所述乘法器的位移器；所述位移器接收位移控制输入；将所述位移控制输入预先计算为等于2的乘幂，该幂的指数是所述CIC滤波器增益的以2为底的对数的整数部分；
连接到所述位移器的解复用器，用于将所述复用数据流解复用为两个或更多个通道；其中每一个通道都包括一个经解复用的数据流；
其中，每一个通道还包括：
至少4个顺序连接的积分器；
从所述积分器接收输入的抽取器；
从所述抽取器接收输入的至少4个顺序连接的微分器；所述抽取器具有的可选速率为在1和等于预定最大抽取值的数字之间的任意整数。
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