CN1114287C - 用预定的滤波器系数的数字滤波器和方法 - Google Patents

Abstract

适用于CDMA或其它突发模式通信装置的数字滤波器用滤波器系数的预组合，以减少滤波器复杂性和功率消耗。数字滤波器包括系数存贮电路，以存贮预组合的系数；选择电路，以响应输入信号，选择适当的预组合的系数；和，组合电路，以组合该适当的预组合的系数来产生滤波的信号。

Description

用预定的滤波器系数的数字滤波器和方法

本发明通常涉及通信装置。本发明更具体地，涉及用于通信装置的数字滤波器。

在当前通信装置中，数字滤波器由于它们的易于实现、高效的运行和良好的性能而被喜爱。这种滤波器能用框架元件如数字信号处理器(DSP)建立，用数字逻辑元件常规设计或用基于查表技术的只读存贮器(ROM)实现。许多功能可用这种数字滤波器实现。

数字滤波器的一个具体的应用是在通信装置中，如无线电话手机。滤波器被用于在无线电话滤波接收的和发射的信号。无线电话手机被用于通信系统中，如与一个或多个固定的基站无线电通信的蜂窝电话系统。通信根据预定义的协议，如时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)。

根据用于CDMA通信的EIA/TIA标准IS-95运行的无线电话手机必须在发射的同相和正交相位码片序列上执行基带滤波运行，以限制发射邻信道干扰和字符间干扰.这个标准要求测量的、采样的脉冲响应匹配规定的均方误差不大于3％的滤波器系数(48非零值)。另外，测量的频率响应必须在标准规定的限度内。这些限度包括：有至少40dB的阻带衰减和不大于3dB的通带波动。滤波器用4.9152MHz的时钟速率；系数间隔码片时间(0.20345μs)的1/4。导致的滤波器的存贮器长度是12码片间隔。

以前在开发提供这种性能的数字滤波器的偿试产生了在门数和功耗两方面都不可接受的解决方案。门数指用于滤波器中的逻辑门数，且是在设计集成电路中所需硅面积的测量值。类似的用较少门的设计生产较便宜。功耗也正比于门数。在消费品-如无线电话手机中最小化产品成本和功耗，且因此最大化电池供电的谈话时间和待机时间，极其重要。

在一个实施方案中，用通用的有乘法累加功能的DSP，这个滤波器的实现共需要每时钟周期24个乘法累加功能。在滤波器4.9152MHz的时钟速率，这个DSP需要118MIPS(每秒百万指令)。在无线电话手机中，在合理的成本和功率消耗水平，这种性能水平是不可达到的。

另一实施方案用基于映射12码片输入序列为8位输出字的查询表方法的ROM(只读存贮器)。根据IS-95标准，由于每个输入码片能有三个值(+1，-1，和0)，结果ROM尺寸是3¹²(531，441)8位的字。这种ROM的尺寸大于300,000等效门，对在无线电话手机中实现是太大了。

本发明的目的是提供一种数字滤波器及滤波方法，以减少门数和功率消耗水平实现描绘的滤波器。

本发明提供一种数字滤波器，用于滤波输入信号和产生滤波的信号，所述数字滤波器包括：

输入端，用于接收输入信号；

系数存贮电路，用于存贮一组预组合的系数；

选择电路，耦合到所述输入端和所述系数存贮电路，以响应所述输入信号，从所述一组预组合的系数中选择适当的预组合的系数；和

组合电路，耦合到所述选择电路，以组合所述适当的预组合的系数来产生所述滤波的信号。

本发明提供一种根据预定的滤波器系数滤波数字信号的方法，其中所述方法包括步骤：

存贮预组合的系数，所述预组合的系数从所述预定的滤波器系数形成；

接收对应于所述数字信号的输入流；

响应所述输入流，选择一组预组合的系数；和

组合所述一组预组合的系数，以产生滤波的信号.

本发明的优点是：降低滤波器的复杂程度和功率消耗。

附图简要说明：

图1是通信装置的运行框图；

图2是用于图1的通信装置中的有限冲激响应数字滤波器的运行框图；

图3是到图2的有限冲激响应数字滤波器的示例的输入码片序列；

图4是用于图2中的有限冲激响应数字滤波器的选择器的运行框图；和

图5是描绘用于图2的有限冲激响应数字滤波器的一实施方案的滤波器多路逻辑表；和

图6描绘根据本发明的实施方案的两个滤波器的脉冲响应。

现参照图1，它示出通信装置100的运行框图。通信装置100可在任何合适的系统中运行，但将具体描绘为运行在关联于根据EIA/TIA临时标准IS-95的CDMA通信系统中。在这种系统中，通信装置100被实现为配置与一个或多个远端基站射频(RF)通信的移动站或无线电话手机。通信根据IS-95协议。通信装置100包括天线102，接收机部分104，发射机部分106，控制器107和用户接口122。

接收机部分104包括射频前端109，模数转换器108，瑞克(RAKE)接收机110，和解码器120。瑞克接收机110包括：第一解调器分支112，第二解调器分支114，第三解调器分支116，和合并器118。天线102发送和接收RF信号到和自基站(未示出)。在天线102接收的RF信号由射频前端109滤波和变频(下变)到中频(IF)信号。在模数转换器108中，IF信号从模拟信号被转换为数字数据或其它处理。

在瑞克接收机110中，来自瑞克接收机110的每个解调器分支或指的输出字符由组合器118组合，它形成接收的信号。组合器118向解码器120提供接收的信号。解码器120可是维特比解码器或另一类卷积解码器或其它任何合适的解码器。解码器120恢复在RF信号上发送的数据，并输出数据到控制器107。

控制器107格式化数据成为可识别声音或信息，以由用户接口122使用。控制器107被电耦合到通信装置100的其它部件，以接收控制信息和提供控制信号。控制连线未在图1中示出，以免使图过于复杂。控制器107典型地包括微处理器和存贮器。用户接口122传递接收到的信息或声音到用户。典型地，用户接口122包括显示器、袖珍键盘、扬声器和麦克风。

当从通信装置100到远端基站传输射频信号时，用户接口122发送用户输入数据到控制器107。控制器107格式化从用户接口122获得的发射信息，并传送到发射机部分106，以转换为调制的RF信号。

发射机部分106包括编码器126，有限冲激响应(FIR)数字滤波器128，数模转换器或DAC130，第一模拟滤波器132，第二模拟滤波器134，正交调制器136和时钟发生器138。编码器126编码从控制器接收的发射信息，包括分解信息为同相数据和正交相位数据，并向数字滤波器128提供发射信息。在优选的实施方案中，发射信息包括对应于同相数据的输入码片序列和对应于正交相位数据的输入码片序列。输入码片序列包括码片或采样，它们取标为+1和-1的值。

编码器126向数字滤波器128的使能输入端127提供使能信号以控制数字滤波器128的运行。在优选的实施方案中，使能信号包括一序列使能信号值。每个使能信号值对应于同相码片和正交相位码片。当使能信号有第一值时，如逻辑1，数字滤波器128运行，以滤波输入码片序列。当使能信号有第二值时，如逻辑0，数字滤波器128在滤波这些序列之前，指定0值给同相和正交相位输入码片。数字滤波器128以将在下文描绘的方法滤波从编码器126接收的发射信息作为输入信号，并提供结果给DAC130作为滤波的信号。

时钟发生器138向数字滤波器128的滤波器的时钟输入端129提供时钟信号。这些时钟信号包括优选1.2288MHz的码片时钟，和用于数字滤波器128的滤波器时钟。在优选的实施方案中，滤波器时钟以码片时钟的倍数提供，如4倍或8倍码片时钟速率。

控制器107向数字滤波器128的输入端131提供采样号或索引1。输入码片序列优选由因子N过采样，N优选4。即每个输入码片被采样N次。采样号1指示N个采样中的哪个被提供给数字滤波器128。

DAC130从数字形态转换滤波的信号到模拟形态，并向第一模拟滤波器132和第二模拟滤波器134提供模拟滤波的信号。DAC130向第一模拟滤波器132提供同相模拟信息，并向第二模拟滤波器134提供正交相位模拟信息。模拟滤波后，同相和正交相位信号被提供给正交调制器调制、功率放大和上变到合适的RF信号频率。RF信号被传送到天线102并被发射。

图2示出用于图1的无线电话通信装置100的数字滤波器200的框图。数字滤波器200被配置用于滤波输入信号并产生滤波的信号。数字滤波器200包括接收输入信号的输入端202，接收使能信号的使能输入端203，和时钟输入端205。数字滤波器200还包括第一移位寄存器204，第二移位寄存器206，第三移位寄存器208，多路器210，选择电路212，组合电路214和系数存贮电路216。在优选的实施方案中，在输入端202接收的输入信号是包括同相输入采样或码片和正交相位输入采样或码片的输入流。

数学地描绘，数字滤波器200实现下列方程： $\left(1\right)---y\left(i\right)=\underset{k=0}{\overset{47}{\mathrm{\Σ}}}b(i-k)\×h\left(k\right)$ 这里b(i)是输入码片序列，h(k)是第k个滤波器系数和y(i)是滤波器输出序列。k个滤波器系数是48个预定的有1/4的码片抽头间隔的非零值，如IS-95规范所特定。

图3描绘到数字滤波器200的示例的输入码片序列300。输入码片序列b(i)能取值+1，-1，或0。码片速率是1.2288MHz。因为抽头问隔是码片周期的1/4，输入码片序列由N＝4的因子过采样，，意味着每个输入码片包括1个有值的输入采样和N-1＝3个0值的采样。有值的输入采样能有预定值数之一，具体地，值+1，-1，或0之一。因此，在图3中，输入码片序列300包括跟着3个0值采样，采样304、采样306和采样308的第一有值的采样302。输入码片序列300还包括跟着3个0值采样，采样312、采样314和采样316的第二有值的采样310。在通信装置100(图1)中实现的滤波器接收两个这种输入码片序列，一为同相数据，一为正交相位数据。

对同相(I)信道和正交相位(Q)信道，由上述方程(1)定义的滤波器的平滑实现将需要48个乘法器加4 8-输入加法器。根据本发明，为减少滤波器的复杂性和减少元件成本和功率消耗，为实现这个滤波器作出了设计减化。

第一，许多滤波器硬件是在I信道和Q信道之间时分。这以必须运行滤波器在两倍时钟速率、或八倍码片速率、或9.8304MHz的代价减少实现滤波器需要的逻辑门的数目和关联的功率消耗。

第二，因为输入码片序列b(i)只能取值+1，-1，或0，滤波器系数是与、与非或设为0。其结果，根据本发明，用于形成乘法器的逻辑门被从滤波器中省略。

第三，因为输入序列被因子4过采样，在每个采样瞬间，将只有12个非零期间。对每个新输入码片b_i，四输出采样将被产生： $\left(2\right)---y\left(l\right)=\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\×h(l+4i)$ 其中I=0，1，2，3…代表在码片间的采样号。结果是，代替48-输入加法器，需要12-输入加法器。

最后，根据本发明，输入系数对被预组合。预组合允许加法器由多路器和一些简单的组合逻辑取代。例如，考虑由于两个非零的输入的输出。输出Y_o将是常量，它是两个滤波器系数的和、差、与非或非差之一：(3)    y₀＝b₀h(0)+b₁h(4)

     ＝h(0)+h(4)         如果     b₀，b₁＝+1，+1

     ＝h(0)-h(4)         如果     b₀，b₁＝+1，-1

     ＝-[h(0)+h(4)]      如果     b₀，b₁＝-1，-1

     ＝-[h(0)-h(4)]      如果     b₀，b₁＝-1，+1

对其它输出作类似的简化。预组合的系数可被存贮在存贮器或建立为到适当的逻辑电平的硬线连接，进一步减少了所需的门数。这些简化的结果是：求和Y(1)的12-输入加法器能被6-输入加法器加一些多路逻辑取代。因为有常数输入的多路器比全加器需要较少的门，以这种方法预组合系数导致门数和所需的硅面积的减少。

再参照图2，第一移位寄存器204被耦合到输入端202，以接收同相输入采样，形成同相采样存贮电路，以存贮同相输入采样。类似地，第二移位寄存器206被耦合到该输入端，以接收正交相位输入采样，形成正交相位采样存贮电路，以存贮正交相位输入采样。第三移位寄存器208形成耦合到使能输入端203的使能信号存贮电路，以存贮使能信号采样。每个移位寄存器由在时钟输入端205接收的时钟信号定时。因此在存贮在第三移位寄存器208中的使能信号采样和存贮在第一移位寄存器204中的同相输入采样和存贮在第二移位寄存器206中的正交相位输入采样之间有时间对应。

响应在I/Q输入端211接收的控制信号，多路器210选择地耦合第一移位寄存器204和第二移位寄存器206之一到选择电路212。控制信号由控制器107(图1)或其它任何合适的源提供。以这种方法，选择电路212和组合电路214由同相采样存贮电路和正交相位采样存贮电路共享，以产生滤波的信号。这种同相和正交相位信道之间的硬件共享显著地减少实现数字滤波器200所需的门数和硅面积和关联的电流漏。

系数存贮电路216存贮一组预组合的系数。在优选的实施方案中，预组合的系数从由IS-95CDMA规范定义的滤波器系数形成。然而，根据其它滤波器设计要求，预组合的系数能从其它预定义的系数合适地形成。预组合的系数以如下描绘的方法从滤波器系数形成。在优选的实施方案中，系数存贮电路216被配置以存贮滤波器系数及预组合的系数。系数存贮电路216可以任何合适的方法，包括在存贮器中，存贮预组合的系数(和滤波器系数)。在优选的实施方案中，系数存贮电路包括到提供存贮的预组合的系数的适当的逻辑电平的硬线连接。硬线系数最小化系数存贮电路216所需的门数和硅面积。

选择电路212通过第一移位寄存器204、第二移位寄存器206、多路器210和系数存贮电路216被耦合到输入端202，以响应在输入端202接收的输入信号，从这组预组合的系数选择适当的预组合的系数。输入采样被存贮为在第一移位寄存器204中的同相输入采样和在第二移位寄存器206中的正交相位输入采样。选择电路212包括一组选择器，如选择器220、选择器222、和选择器224。每个选择器有耦合到输入端202的选择输入端，以接收一个或多个输入采样。到选择器的输入值从由多路器210从存贮的输入值选择。选择器的结构和运行将在下文中联系图4描绘。在优选的实施方案中，选择电路212包括6个选择器。如图2所指出的，每个选择器接收作为输入的两bi值和两使能值。选择电路212从系数存贮电路216选择一群或预定数的预组合的系数。

参照图4，选择器400包括多路器402，运算框404和逻辑框406。逻辑框406接收作为输入的一个或多个从输入端提供给选择器400的输入采样。在优选的实施方案中，每个输入采样b_2i和b_2i+1是两位输入，包括输入采样值b_2i和关联的使能信号值。逻辑框406接收输入采样b_2i和b_2i+1和采样号1。响应输入采样，逻辑框406向多路器402提供控制信号。逻辑框406可包括完成这个功能所需的任何适当的电路。

多路器402的输入端被耦合到系数存贮电路216(图2)。响应控制信号，多路器402选择在输入端之一的预组合系数，如图4所示，并向多路器402的输出端408提供选择的预组合系数。在优选的实施方案中，系数存贮电路216存贮滤波器系数及预组合的系数。在这种实施方案中，多路器402选择滤波器系数或预组合的系数，并提供它到输出端408。如上所述，在优选的实施方案中，预组合的系数和滤波器系数是在多路器402的输入端被硬线连接。

也如所述，输入信号优选由因子N过采样，以便每个输入采样包括有值的输入采样和N-1个0值输入采样。N优选4，但可是任何值。在图4中，1被提供给逻辑框406且作为过采样值的索引或采样号。因此，响应从第一移位寄存器204和第二移位寄存器206(图2)接收的存贮的输入采样和采样号1，包括选择器400的选择电路212选择适当的预组合的系数。采样号1是指示N-1个0值采样的影响的时间参考。

运算框404被耦合到多路器402，以响应在运算框404的输入端410接收的控制信号，选择地非、规零或传过在多路器402的输出端408提供的未变的预组合的系数(或滤波器系数)。在优选的实施方案中，每个输入采样b_2i和b_2i+1是两位输入，包括用于输入采样值b_2i或b_2i+1的一位和用于关联的使能信号值的一位。当在使能输入端203接收的使能信号有预定的不使能值时，运算框404提供零值。对于定时进入第一移位寄存器204和第二移位寄存器206的每个输入采样或码片，对应的使能采样被定时进入第三移位寄存器208。因此，选择器提供滤波器系数、滤波器系数的非、预组合的系数、预组合的系数的非和零值之一到组合电路。当输入信号包括有值+1，-1和0的三值输入采样时，这个实施方案和使能信号被使用。

在另一实施方案中，输入信号包括有值+1和-1的二值输入采样。运算框提供预组合的系数、预组合的系数的非之一到组合电路214(图2)。由于预组合的系数是两滤波器系数的和、差、与非、差非，提供运算框404减少必须被存贮在系数存贮电路216的值的数目。仅和和差必须被存贮，且由运算框404进行非。运算框404可包括任何实现所描绘的功能需要的电路。

图5描绘用于数字滤波器200的两实施方案的滤波器多路逻辑。在优选的实施方案中，这里描绘为“方案A”，数字滤波器200提供全部发送滤波器功能，包括适当的突发脉冲序列模式性能。在发射机部分106(图1)斜升和斜降期间，一串零值将被输入到滤波器。结果是，必需输出各个滤波器系数。因此，在这个优选的实施方案中，各个滤波器系数被存贮在系数存贮电路216中。响应输入采样，选择器提供滤波器系数、滤波器系数的非、预组合的系数、预组合的系数的非和零值之一。因为根据IS-95CDMA标准的运行实际是突发的，对用于根据该CDMA标准的运行的通信装置如通信装置100的滤波器，这个实施方案被优选。这个实施方案必需的滤波器多路逻辑被示于图5的标为“方案A”的表的列中。

在另一实施方案中，以降低突发脉冲序列模式性能的代价，提供根据本发明的数字滤波器的另外的尺寸减少。这个实施方案必须的滤波器多路逻辑被示于图5的标为“方案B”的表的列中。如这里所描绘，这个实施方案只用和、差和零常数。不用各个滤波器系数，因此，不需要被存贮在系数存贮电路216中。

虽然这个实施方案有如优选的实施方案‘方案A’同样稳定状态性能，相对于方案A的瞬态响应，方案B的瞬态响应略微变坏。图6描绘根据本发明的两滤波器实施方案的脉冲响应.第一脉冲响应602描绘理想脉冲响应，它是根据方案A的滤波器的优选实施方案提供的脉冲响应。第二脉冲响应604描绘变坏的脉冲响应，它由根据方案B的另一实施方案的滤波器提供的脉冲响应.第二脉冲响应604展示略微的瞬态误差。这个瞬态误差由描绘于图5的表中的多路逻辑最小化，且由根据本发明在通信装置100(图1)中数字滤波器128之后的模拟滤波器132、134减少。这个另一实施方案适合于用不是时分复用的或能允许略微变坏的斜升和斜降性能的数字滤波器的系统。

再参照图4，来自每个选择器400的每个多路器402组合在一起形成一组多路器，每个多路器选择一个预定数的预组合的系数，如六个预组合的系数，每个多路器有耦合到系数存贮电路216的硬线连接的输入端，和耦合到同相采样存贮电路和正交相位采样存贮电路的选择器输入端，以接收存贮的同相输入采样和存贮的正交相位输入采样。来自每个选择器400的每个运算框404组合形成一组运算框，响应存贮的同相输入采样和存贮的正交相位输入采样，每个运算框耦合到各个多路器以选择地非一个预组合的系数。

组合电路214被耦合到选择电路212，以组合适当的预组合的系数来在滤波器输出端230产生滤波的信号。组合电路214优选6-输入加法器，但可是适合于组合一组预组合的系数到产生的滤波的信号的任何电路。

如上所述，本发明提供适用于突发脉冲序列模式通信应用的数字滤波器和方法。数字滤波器提供比以前的实施方案显著地减少的门数和功率消耗水平。这些优点由预组合滤波器系数以省略数字加法器电路和用较小尺寸的与简单多路器相连的加法器来提供。这些优点还由同相和正交相位信道之间共享滤波器硬件提供。通过投资于输入数据采样的方面，滤波器电路的复杂性被进一步减少。例如，因为输入码片序列被限于值+1、-1和0，乘法器由较简单的加法器和多路器代替.还因为输入序列被由因子4过采样，硬件从设计中被省略，以仅包括滤波器非零的部分。

虽然本发明的具体实施方案被示出和描绘，可作出改进。固在所附的权利要求希望覆盖所有这些不超出本发明的真实精神和范围的变化和改进。

Claims (11)

1、数字滤波器，用于滤波输入信号和产生滤波的信号，所述数字滤波器包括：

输入端，用于接收输入信号；

系数存贮电路，用于存贮一组预组合的系数；

选择电路，耦合到所述输入端和所述系数存贮电路，以响应所述输入信号，从所述一组预组合的系数中选择适当的预组合的系数；和

组合电路，耦合到所述选择电路，以组合所述适当的预组合的系数来产生所述滤波的信号。

2、如权利要求1所述的数字滤波器，其中所述输入信号包括有预定数的值的一值的输入采样，且其中所述选择电路包括一组选择器，每个选择器有耦合到所述输入端的选择器输入端，以接收一个或多个输入采样，每个选择器包括响应所述一个或多个输入采样选择预组合的系数的多路器。

3、如权利要求2所述的数字滤波器，其中每个选择器还包括耦合到所述多路器的运算框，以响应所述一个或多个输入采样选择地非所述预组合的系数，所述运算框向所述组合电路提供所述预组合的系数和所述预组合的系数的非之一。

4、如权利要求3所述的数字滤波器，其中所述输入信号由因子N过采样，所述输入采样的每个包括1个有值的输入采样和N-1个零值的采样，且其中所述数字滤波器还包括输入采样存贮电路，以仅存贮有值的输入采样作为存贮的输入采样，且其中响应所述存贮的输入采样和指示所述N-1个零值的采样的影响的时间参考，所述选择电路选择所述适当的预组合的系数。

5、如权利要求3所述的数字滤波器，其中所述数字滤波器还包括使能输入端，以接收使能信号，且其中每个选择器还包括使能输入端，以接收所述使能信号，所述运算框向所述组合电路提供所述预组合的系数、所述预组合的系数的非和零值之一。

6、如权利要求5所述的数字滤波器，其中所述系数存贮电路被配置以存贮滤波器系数，从所述滤波器系数形成的所述一组预组合的系数，且其中响应所述一个或多个输入采样，每个选择器提供滤波器系数、滤波器系数的非、预组合的系数、预组合的系数的非和零值之一。

7、如权利要求1所述的数字滤波器，其中所述输入信号包括同相输入采样和正交相位输入采样，且其中所述数字滤波器还包括：

同相采样存贮电路，耦合在所述输入端和所述选择电路之间，以存贮同相输入采样；和

正交相位采样存贮电路，耦合在所述输入端和所述选择电路之间，以存贮正交相位输入采样。

8、如权利要求7所述的数字滤波器，其中所述选择电路和所述组合电路由所述同相采样存贮电路和所述正交相位采样存贮电路共享，以产生滤波的信号。

9、如权利要求1所述的数字滤波器，其中所述系数存贮电路包括到适当的逻辑电平的硬线连接。

10、根据预定的滤波器系数滤波数字信号的方法，其中所述方法包括步骤：

存贮预组合的系数，所述预组合的系数从所述预定的滤波器系数形成；

接收对应于所述数字信号的输入流；

响应所述输入流，选择一组预组合的系数；和

组合所述一组预组合的系数，以产生滤波的信号。

11、如权利要求10所述的滤波数字信号的方法，其中所述接收输入流的步骤包括接收一序列输入数据采样，且其中所述方法还包括步骤：

存贮所述预定的滤波器系数；

接收一序列输入使能采样，所述输入使能采样的每个对应于输入数据采样；其中所述选择步骤包括步骤：

当输入使能采样有对应于第一值的值时，提供预组合的系数和预定的滤波器系数之一；和

当输入使能采样有对应于第二值的值时，提供零值。

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