CN105281707A - 一种动态可重构滤波器组低复杂度的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种动态可重构滤波器组的低复杂度实现方法。该方法依照以下操作步骤进行：设计预划分子带带宽的、阶数为划分子带数目整数倍的有限长单位脉冲响应FIR低通原型滤波器；通过将设计生成的低通原型滤波器系数进行抽取构造各分支子带滤波器；将信号进行一系列的单位延迟、抽取、子带滤波、离散傅里叶运算等分析部分的处理分离得到子带数目的基带信号；根据经分析滤波器组后得到的低频子带信号确定需重构的子带数目，对低通原型滤波器系数进行动态抽取、变换，构造综合滤波器组的各子带滤波器；得到基带的重构信号。本发明的设计方法有效降低了动态可重构滤波器组的复杂度，且其动态实现显著提高了系统的灵活性。

Description

一种动态可重构滤波器组低复杂度的实现方法

技术领域

本发明涉及的是多速率数字滤波器组领域，并提供了一种动态可重构滤波器组低复杂度实现方法，该方法可应用于软件无线电、数字通信系统、语音信号处理、图像处理以及电子侦察系统等相关领域中。

背景技术

当前滤波器组在多速率数字信号处理和数字通信系统中占据有非常重要的地位。滤波器组广泛应用于语音信号处理、视频信号处理、图像信号处理、数字通信、信道化接收等多种领域。

目前，随着滤波器组划分子带数目的增加对有限的硬件资源提出了较高的实现难度，这均要求滤波器组系统能够具有更高的灵活性和较低的复杂度。在相关文献中均有提出降低滤波器组设计复杂度的方法，如文献《FIR数字滤波器组的低复杂度实现方法及装置》中提出通过构造滤波器组的内核滤波器来降低复杂度，文献《分析滤波器组部分和分析滤波方法》中提出了优化改进滤波器组的方法等。本发明在较低复杂度实现滤波器组的基础上还实现了其对信号的动态可重构功能，通过动态重构的方式提高了重构滤波器组的灵活性，大大降低了实现系统的复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高的灵活性和较低的复杂度的方法设计实现滤波器组的动态可重构，通过检测分析滤波子带信号动态确定重构子带滤波器系数，实现系统的灵活性设计。

本发明提供了一种动态重构滤波器组的低复杂度实现方法，主要操作步骤是：

101.设计预划分子带带宽的、阶数为划分子带数目整数倍的有限长单位脉冲响应FIR低通原型滤波器；

102.通过将设计生成的低通原型滤波器系数进行抽取，构造各分支子带滤波器；

103.将信号进行一系列的单位延迟、抽取、子带滤波、离散傅里叶运算等分析部分的处理分离得到子带数目的基带信号；

104.根据经分析滤波器组后得到的低频子带信号确定需重构的子带数目，对低通原型滤波器系数进行动态抽取、变换，构造综合滤波器组的各子带滤波器；

105.对经分析部分分离出的子带数目的基带信号进行一系列的离散傅里叶运算、子带滤波、复因子调制、内插、单位延迟等综合部分的处理得到基带的重构信号；

其中，步骤101中具体操作如下：

所述低通原型滤波器h(n)的通带带宽为2π/M，级数基于以下公式：

N＝βM，

在此M为划分子带数目，n＝0,1,…,N-1，β为整数，

其中所述低通原型滤波器的优化是通过最小化整个可重构滤波器组实现时出现的混叠误差、幅度失真误差所构成的目标函数O_d(m)来实现的，

O_d(m)＝mO_α+(1-m)O_β

其中m为加权，O_α为混叠误差，O_β为幅度失真误差。

其中，步骤102中具体操作如下：

构造子带滤波器，各子带滤波器系数是对原型滤波器的抽取得到的，其中子带系数是基于以下公式：

h_l(n)＝h(Mn+l),

在此M为划分子带数目以及抽取倍数，l为子带序号索引，n为滤波器系数索引，而h_l(n)为属于子带序号索引l的滤波器的系数，其中l＝0,1,…M-1,n＝0,1,…N/M-1。

其中，步骤103中具体操作如下：

分离实信号得到基带信号的分析滤波器组部分，包括可实现延迟和抽取功能的移位寄存器装置(301)、子带滤波器组(302)、离散傅里叶DFT变换装置(303)，其中在离散傅里叶DFT变换装置的输出端，获得经分析滤波器组后的子带低频信号。

其中，步骤104中具体操作如下：

所述的实信号在经分析滤波器组后得到的低频子带信号，可经过对其检测分析实现动态重构，包括检测判定装置(201)及动态控制移位寄存器(202)。

其中，步骤105中具体操作如下：

并行FFT变换装置(401)，复调制因子模块(402)，子带滤波器组(403)、插值器(404)、移位寄存及加法器装置(405)，其中经过移位寄存及加法器装置(405)后，获得经过整个动态重构滤波器组系统后的低频输入信号。

本发明设计的动态重构滤波器组低复杂度方法具有如下的优点：与传统滤波器组结构相比，此结构在很大程度上降低了复杂度，减小了运算量，提高了运算效率，节约利用了有限的硬件资源，而且具有较好的灵活性，能够根据情况实现动态重构。

附图说明

图1本发明动态可重构滤波器组低复杂度实现方法流程图；

图2本发明实现滤波器组动态重构的方法框图；

图3本发明分析滤波部分的实现框图；

图4本发明综合滤波部分的实现框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1是本发明动态可重构滤波器组低复杂度实现方法流程图，所述方法包括：

101.设计预划分子带带宽的、阶数为划分子带数目整数倍的有限长单位脉冲响应FIR低通原型滤波器；

详细的实施说明如下：

设计低通原型滤波器h(n)的通带带宽为2π/M，级数基于以下公式：

N＝βM，

在此M为划分子带数目，n＝0,1,…,N-1，β为整数，

按照图3，经过分析滤波后，DFT变换装置(303)的输出子带低频信号由以下公式给出：

$Ak\left(z\right)=1/M\underset{l=0}{\overset{M-1}{\Σ}}X\left(z^{1/M}{W_M}^{-k}{W_M}^{-l}\right)H\left(z^{1/M}{W_M}^{-l}\right)$

其中，W_M ^k＝e^j2πk/M为输入信号的调制因子，A_k(z)为k索引下的子带输出，H(z)为原型滤波器h(n)对应的z变换，k为子带输出号索引，k＝0,1,…M-1

按照图4，经过综合滤波后，移位寄存器及加法器(405)的输出信号由以下公式给出：

$Y\left(z\right)=1/M\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\underset{l=0}{\overset{M-1}{\Σ}}X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}{W_M}^{-l}\right)H\left(z^{N/M}{W_M}^{-l}{W_M}^{-k}\right)F\left({Z_{W_N}}^{-k}\right)$

其中，H(z)为原型滤波器h(n)对应的z变换，F(z)为原型滤波器f(n)对应的z变换，k₁为综合子带的起始序号索引。

其中所述低通原型滤波器的优化是通过优化减小原型滤波器阻带衰减不理想引入的混叠误差 $O_{\∂}=O\{1/M\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\underset{l=0}{\overset{M-1}{\Σ}}H\left(z^{N/M}{W_M}^{-l}{W_M}^{-k}\right)F\left({Z_{W_N}}^{-k}\right)\}$ 和幅度失真误差O_β构成的目标函数O_d(m)来实现的，其中O_d(m)为

O_d(m)＝mO_α+(1-m)O_β

其中m为加权，O_α为混叠误差，O_β为幅度失真误差。

102.通过将设计生成的低通原型滤波器系数进行抽取，构造各分支子带滤波器；

详细的实施说明如下：

构造子带滤波器，各子带滤波器系数是对原型滤波器的抽取得到的，其中子带系数是基于以下公式：

h_l(n)＝h(Mn+l),

其中M为划分子带数目以及抽取倍数，l为子带序号索引，n为滤波器系数索引，h_l(n)为属于子带序号索引l的滤波器的系数，l＝0,1,…M-1,n＝0,1,…N/M-1。

103.将信号进行一系列的单位延迟、抽取、子带滤波、离散傅里叶运算等分析部分的处理分离得到子带数目的基带信号；

详细的实施说明如下：

分离实信号得到基带信号的分析滤波器组部分，包括可实现延迟和抽取功能的移位寄存器(401)、子带滤波器组(402)、离散傅里叶变换装置(403)，其中在离散傅里叶变换装置的输出端，获得经分析滤波器组后的子带低频信号。

按照图3，经过分析滤波后，DFT变换装置(303)的输出子带低频信号由以下公式给出：

$A_k\left(z\right)=1/M\underset{l=0}{\overset{M-1}{\Σ}}X\left(z^{1/M}{W_M}^{-k}{W_M}^{-l}\right)H\left(z^{1/M}{W_M}^{-l}\right)$

其中，W_M ^k＝e^j2πk/M为输入信号的调制因子，A_k(z)为k索引下的子带输出，H(z)为原型滤波器h(n)对应的z变换，k为子带输出号索引，k＝0,1,…M-1

104.根据经分析滤波器组后得到的低频子带信号确定需重构的子带数目，对低通原型滤波器系数进行动态抽取、变换，构造综合滤波器组的各子带滤波器；

详细的实施说明如下：

按照图4，经过综合滤波后，移位寄存器及加法器(405)的输出信号由以下公式给出：

$Y\left(z\right)=1/M\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\underset{l=0}{\overset{M-1}{\Σ}}X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}{W_M}^{-l}\right)H\left(z^{N/M}{W_M}^{-l}{W_M}^{-k}\right)F\left({Z_{W_N}}^{-k}\right)$

其中，H(z)为原型滤波器h(n)对应的z变换，F(z)为原型滤波器f(n)对应的z变换，k₁为综合子带的起始序号索引

将上式转化为矩阵形式关系如下：

$Y\left(z\right)=T\left[\begin{array}{c}X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}\right)\\ X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}{W_M}^{-1}\right)\\ .\\ .\\ .\\ X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}{W_M}^{-(M-1)}\right)\end{array}\right]$

设计的原型滤波器通过优化使其满足条件T＝[10…0]，

移位寄存器及加法器(405)的输出信号转化为：

$Y\left(z\right)=\frac{1}{M}X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}\right),$

即整个系统完成的仅是对输入信号X(z)的尺度变换和频谱搬移，实现了重构。

按照图2，检测判定装置(201)给出需要综合的子带数目N，当N≠2的整次幂时，取大于N的最接近的2的整次幂数，以用快速变换FFT提高系统运算的效率。利用N动态控制制移位寄存器(202)装置即可得到动态综合滤波各子带滤波器系数。

105.对经分析部分分离出的子带数目的基带信号进行一系列的离散傅里叶运算、子带滤波、复因子调制、内插、单位延迟等综合部分的处理得到基带的重构信号；

详细的实施说明如下：

并行FFT变换装置(401)，复调制因子模块(402)，子带滤波器组(403)、插值器(404)、移位寄存及加法器装置(405)，其中经过移位寄存及加法器装置(405)后，获得经过整个动态重构滤波器组后的低频输入信号。

按照图4，经过综合滤波后，移位寄存器及加法器(405)的输出信号由以下公式给出：

$Y\left(z\right)=\frac{1}{M}X\left(z^{N/M}{W_M}^{-k1}\right),$

即整个系统完成的仅是对输入信号X(z)的尺度变换和频谱搬移，实现了重构。

Claims (3)

1.一种动态可重构滤波器组低复杂度的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

101：预划分子带带宽的的有限长单位脉冲响应FIR低通原型滤波器，阶数为划分子带数目整数倍；

102：将生成的低通原型滤波器系数进行抽取构造各分支子带滤波器；

103：将信号进行单位延迟、抽取、子带滤波、离散傅里叶运算得到子带数目的基带信号；

104：根据分析滤波器组后得到的低频子带信号确定需重构的子带数目，对低通原型滤波器系数进行动态抽取、变换，构造综合滤波器组的各子带滤波器；

105：对分析部分分离出的子带数目的基带信号进行离散傅里叶运算、子带滤波、复因子调制、内插、单位延迟处理得到基带的重构信号。

2.根据权利要求1所述的动态可重构滤波器组低复杂度的实现方法，其特征在于，分析滤波器组部分，其中所述子带数目为M，对有限长单位脉冲响应FIR低通原型滤波器，其特征在于，包括：

所述低通原型滤波器h(n)的通带带宽为2π/M，阶数基于以下公式：

N＝βM，

其中n＝0,1,…,N-1和β为整数，

所述低通原型滤波器的优化是通过最小化整个可重构滤波器组实现时出现的混叠误差、幅度失真误差所构成的目标函数O_d(m)来实现的，

O_d(m)＝mO_α+(1-m)O_β，

其中m为加权，O_α为混叠误差，O_β为幅度失真误差。

3.根据权利要求1所述的动态可重构滤波器组低复杂度的实现方法，其特征在于，所述的构造各分支子带滤波器是M个子带滤波器通过抽取器对低通原型滤波器的系数进行M倍抽取，利用M组抽取得到系数构造，其中子带系数是基于以下公式：

h_l(n)＝h(Mn+l)，

其中l为子带序号索引，n为滤波器系数索引，h_l(n)为属于子带序号索引l的滤波器的系数，其中l＝0,1,…M-1,n＝0,1,…N/M-1。