CN102158197A

CN102158197A - 变频率信号的自适应低通数字滤波器和方法

Info

Publication number: CN102158197A
Application number: CN2010101216151A
Authority: CN
Inventors: 谭文毕; 宣黎鑫
Original assignee: BEIJING GUONENGZIJIN ELECTRICAL TECHNOCLOGY CO LTD
Current assignee: BEIJING GUONENGZIJIN ELECTRICAL TECHNOCLOGY CO LTD
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种变频率信号的自适应低通数字滤波器及对应的滤波方法，能够对频率变化的信号，进行变频率滤波和实时滤波。变频率信号的自适应低通数字滤波器包括：锁存器，用于对输入信号进行锁存；信号频谱分析器，用于对由锁存器锁存的输入信号进行频谱分析，得到输入信号的频谱分布；信号频率仲裁器，用于根据从信号频谱分析器接收到的频谱分布裁定所需要的信号频率；自适应滤波频率计算器，用于计算由信号频率仲裁器裁定出的信号频率的截止频率；和可变截止频率低通滤波器，用于接收由锁存器锁存的输入信号，并根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波，并输出滤波后的信号。

Description

变频率信号的自适应低通数字滤波器和方法

技术领域

本发明涉及数字滤波领域。更具体地，本发明涉及一种能够对变频率信号进行滤波的自适应低通数字滤波器及对应的滤波方法。

背景技术

滤波技术是信号处理的重要手段之一，一般分为模拟滤波技术和数字滤波技术。

模拟滤波技术主要是通过由模拟器件组成的滤波器对信号进行滤波处理，一般都是时不变系统。然而，模拟滤波技术不能解决信号时变、滤波频率时变的问题。

数字滤波器是现代计算机技术的产物，一般由数字乘法器、加法器和延时单元组成。数字滤波器用来对输入的离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。随着计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已经可以用计算机软件实现，也可以用大规模集成数字硬件实现。数字滤波器是一个离散时间系统，应用数字滤波器处理模拟信号时，必须先对输入的模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率必须满足抽样定理，即抽样信号大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即1/2抽样频率点呈镜像对称。数字滤波器具有高精度、高可靠性、便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。数字滤波器包括低通、高通、带通、带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。现在技术成熟、应用最广的是线性、时不变数字滤波器。

但是随着数字滤波技术的应用范围的扩大，线性时不变数字滤波器的局限性逐渐显现出来。在一些信号频率是时变的、滤波频率需要随信号频率变化而按一定规律变化、且需要实时滤波的场合，传统模拟滤波器和线性时不变数字滤波器已经难以满足使用的要求了。这就需要研究一种线性时变滤波技术，通过这种技术生产的滤波器能够对频率变化的信号，进行变频率和实时滤波。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种变频率信号的自适应低通数字滤波器及对应的滤波方法，能够对频率变化的信号，进行变频率滤波和实时滤波，从而实现线性时变的滤波技术。

根据本发明的一个方面，提供了一种变频率信号的自适应低通数字滤波器，包括：锁存器，用于对输入信号进行锁存；信号频谱分析器，用于对由锁存器锁存的输入信号进行频谱分析，得到输入信号的频谱分布；信号频率仲裁器，用于根据从信号频谱分析器接收到的频谱分布裁定所需要的信号频率；自适应滤波频率计算器，用于计算由信号频率仲裁器裁定出的信号频率的截止频率；和可变截止频率低通滤波器，用于接收由锁存器锁存的输入信号，并根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波，并输出滤波后的信号。

根据本发明的优选实施方式，在上述变频率信号的自适应低通数字滤波器中，可变截止频率低通滤波器可以包括：先进先出堆栈寄存器，用于接收由锁存器锁存的输入信号，并进行实时更新寄存；截止频率寄存器，用于寄存来自自适应滤波频率计算器的截止频率；堆栈长度计算器，用于根据截止频率寄存器中寄存的截止频率和该数字滤波器的时钟频率实时计算先进先出堆栈寄存器的长度，并向先进先出堆栈寄存器输出所计算的长度的数字信号，其中所述长度为截止频率与时钟频率之比；输出仲裁器，用于根据先进先出堆栈寄存器的长度和先进先出堆栈寄存器中寄存的数据判断输出信号的电平；和输出三态门，来自输出仲裁器的输出信号在使能信号的控制下经由输出三态门输出。

根据本发明的优选实施方式，在上述变频率信号的自适应低通数字滤波器，输出仲裁器判断输出信号的电平的规则可以包括：如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为0，则输出0电平；如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为1，则输出1电平；其它情况下输出的信号电平不变。

根据本发明的优选实施方式，在上述变频率信号的自适应低通数字滤波器，可变截止频率低通滤波器可以包括使能输入端，使能输入端根据输入的使能信号禁止或允许可变截止频率低通滤波器输出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种采用上述变频率信号的自适应低通数字滤波器对输入信号进行滤波的方法，该方法包括步骤：由锁存器对输入信号进行锁存；由信号频谱分析器对由锁存器锁存的输入信号进行频谱分析，得到输入信号的频谱分布；由信号频率仲裁器根据从信号频谱分析器接收到的频谱分布裁定所需要的信号频率；由自适应滤波频率计算器计算由信号频率仲裁器裁定出的信号频率的截止频率；以及由可变截止频率低通滤波器接收由锁存器锁存的输入信号，并根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波，并输出滤波后的信号。

根据本发明的优选实施方式，在上述方法中，由可变截止频率低通滤波器根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波的步骤可以包括：由先进先出堆栈寄存器接收由锁存器锁存的输入信号，并进行实时更新寄存；由截止频率寄存器寄存来自自适应滤波频率计算器的截止频率；由堆栈长度计算器根据截止频率寄存器中寄存的截止频率和该数字滤波器的时钟频率实时计算先进先出堆栈寄存器的长度，并向先进先出堆栈寄存器输出所计算的长度的数字信号，其中所述长度为截止频率与时钟频率之比；以及由输出仲裁器根据先进先出堆栈寄存器的长度和先进先出堆栈寄存器中寄存的数据判断输出信号的电平。

根据本发明的优选实施方式，在上述方法中，其中判断输出信号的电平的步骤可以包括：如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为0，则输出0电平；如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为1，则输出1电平；其它情况下输出的信号电平不变。

根据本发明的优选实施方式，上述方法还可以包括在使能信号的控制下使从输出仲裁器输出的信号经由输出三态门输出的步骤。

附图说明

通过以下结合附图对发明实施例的详细描述，本发明的上述特征和优点将变得更加明显，其中：

图1为根据本发明实施例的变频率信号的自适应低通数字滤波器的框图；和

图2为根据本发明实施例的变频率信号的自适应低通数字滤波器中的可变截止频率低通滤波器的框图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。

图1示出了根据本发明实施例的变频率信号的自适应低通数字滤波器的主要组成部分。如图所示，本发明实施例的变频率信号的自适应低通数字滤波器包括锁存器1、信号频谱分析器2、信号频率仲裁器3、自适应滤波频率计算器4和可变截止频率低通滤波器5。

在进行信号滤波时，输入信号首先由锁存器1进行锁存，输入信号可以是时变的或变频率信号。随后，锁存的信号输入信号频谱分析器2进行频谱分析，经过分析后得到信号的频谱分布。然后，将频谱分布数据输入信号频率仲裁器3，由信号频谱仲裁器3按照预先给定的规则进行判断，裁定所需要的信号频率，一般可取交流信号的最低频作为信号频率，当然，根据具体应用也可以采用其它规则。接着将所裁定的信号频率输出到自适应滤波频率计算器4，由其计算出所裁定的信号频率的截止频率。然后将计算出的截止频率数据输出到可变截止频率低通滤波器5，可变截止频率低通滤波器5同时还接收了由锁存器锁存的输入信号。可变截止频率低通滤波器5按照自适应滤波频率计算器4送来的截止频率数据对输入信号进行滤波，滤波后的信号就可以输出了，由此实现对输入信号的实时、变频率滤波。

根据本发明的实施例，可变截止频率低通滤波器5可以包括使能输入端，其根据输入的使能信号使系统在不需要滤波器工作时能够将输出禁止，或者使系统在需要滤波器工作时能够允许输出。

根据本发明的实施例，其中可变截止频率低通滤波器5可以采用图2所示的结构。

如图2所示，可变截止频率低通滤波器5包括截止频率寄存器51、堆栈长度计算器52、先进先出堆栈寄存器53、输出仲裁器54和输出三态门55。在这种结构的可变截止频率低通滤波器中，由锁存器1锁存的输入信号由先进先出堆栈寄存器53进行实时更新寄存。截止频率寄存器51寄存来自自适应滤波频率计算器4的截止频率，然后将截止频率数据输出到堆栈长度计算器52。堆栈长度计算器52根据截止频率fc和该滤波器系统的时钟频率fs实时计算先进先出堆栈寄存器53的长度l，其中l＝fc/fs，并向先进先出堆栈寄存器53输出所计算的长度的数字信号。输出仲裁器54根据先进先出堆栈寄存器53的长度和其中寄存的数据(即寄存的输入信号)判断输出信号的电平。一般而言，如果先进先出堆栈寄存器53里的数字全为0，则输出0电平；如果先进先出堆栈寄存器53里的数字全为1，则输出1电平；其它情况下输出的信号电平不变。根据需要，也可以采用其它方式确定输出信号的电平。从输出仲裁器54输出的信号在使能信号的控制下经由输出三态门55输出，这样就实现了可变频率低通滤波。

本发明的变频率信号的自适应低通数字滤波器可以在FPGA、CPLD等大规模集成电路芯片上通过VHDL、VerilogHDL编程实现。

虽然已经参照较佳实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精髓或范围的前提下，可在形式和细节上进行改变。

Claims

1.一种变频率信号的自适应低通数字滤波器，包括：

锁存器，用于对输入信号进行锁存；

信号频谱分析器，用于对由锁存器锁存的输入信号进行频谱分析，得到输入信号的频谱分布；

信号频率仲裁器，用于根据从信号频谱分析器接收到的频谱分布裁定所需要的信号频率；

自适应滤波频率计算器，用于计算由信号频率仲裁器裁定出的信号频率的截止频率；和

可变截止频率低通滤波器，用于接收由锁存器锁存的输入信号，并根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波，并输出滤波后的信号。

2.根据权利要求1所述的变频率信号的自适应低通数字滤波器，其中可变截止频率低通滤波器包括：

先进先出堆栈寄存器，用于接收由锁存器锁存的输入信号，并进行实时更新寄存；

截止频率寄存器，用于寄存来自自适应滤波频率计算器的截止频率；

堆栈长度计算器，用于根据截止频率寄存器中寄存的截止频率和该数字滤波器的时钟频率实时计算先进先出堆栈寄存器的长度，并向先进先出堆栈寄存器输出所计算的长度的数字信号，其中所述长度为截止频率与时钟频率之比；

输出仲裁器，用于根据先进先出堆栈寄存器的长度和先进先出堆栈寄存器中寄存的数据判断输出信号的电平；和

输出三态门，来自输出仲裁器的输出信号在使能信号的控制下经由输出三态门输出。

3.根据权利要求2所述的变频率信号的自适应低通数字滤波器，其中输出仲裁器判断输出信号的电平的规则包括：如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为0，则输出0电平；如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为1，则输出1电平；其它情况下输出的信号电平不变。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的变频率信号的自适应低通数字滤波器，其中可变截止频率低通滤波器还包括使能输入端，使能输入端根据输入的使能信号禁止或允许可变截止频率低通滤波器输出。

5.一种采用上述任一项权利要求所述的变频率信号的自适应低通数字滤波器对输入信号进行滤波的方法，该方法包括步骤：

由锁存器对输入信号进行锁存；

由信号频谱分析器对由锁存器锁存的输入信号进行频谱分析，得到输入信号的频谱分布；

由信号频率仲裁器根据从信号频谱分析器接收到的频谱分布裁定所需要的信号频率；

由自适应滤波频率计算器计算由信号频率仲裁器裁定出的信号频率的截止频率；以及

由可变截止频率低通滤波器接收由锁存器锁存的输入信号，并根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波，并输出滤波后的信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中由可变截止频率低通滤波器根据自适应滤波频率计算器送来的截止频率对输入信号进行滤波的步骤包括：

由先进先出堆栈寄存器接收由锁存器锁存的输入信号，并进行实时更新寄存；

由截止频率寄存器寄存来自自适应滤波频率计算器的截止频率；

由堆栈长度计算器根据截止频率寄存器中寄存的截止频率和该数字滤波器的时钟频率实时计算先进先出堆栈寄存器的长度，并向先进先出堆栈寄存器输出所计算的长度的数字信号，其中所述长度为截止频率与时钟频率之比；以及

由输出仲裁器根据先进先出堆栈寄存器的长度和先进先出堆栈寄存器中寄存的数据判断输出信号的电平。

7.根据权利要求6所述的方法，其中判断输出信号的电平的步骤包括：如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为0，则输出0电平；如果先进先出堆栈寄存器里的数字全为1，则输出1电平；其它情况下输出的信号电平不变。

8.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括在使能信号的控制下使从输出仲裁器输出的信号经由输出三态门输出的步骤。