CN117439576A - 可配置陷波点的滤波器模块以及信号处理方法和电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及可配置陷波点的滤波器模块,包括输入单元,配置为获取滤波配置参数和第一信号,其中,滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;滤波单元,配置为基于滤波系数对第一信号执行滤波处理,其中,滤波系数与滤波配置参数相关联;以及增益补偿单元,配置为对经滤波后的第一信号执行增益处理,以生成第二信号,其中,第二信号的幅值与第一信号相匹配,陷波参数对应于第二信号的陷波频率。本申请中的技术方案具备较高的灵活性与便利性。本申请还提供了一种信号处理电路和信号处理方法。
Description
技术领域
本申请涉及一种滤波器模块以及方法,特别地涉及一种可配置陷波点的滤波器模块以及信号处理方法和电路。
背景技术
通常,滤波器(譬如,FIR滤波器)在设计时会根据大部分的应用场景确定相关参数,进而在针对上述大部分的场景时,滤波器往往会在性能、成本方面进行妥协,导致某些场景下无法得到最优的滤波性能。此外,除了固定参数的滤波器外,还有自适应滤波器,不过其设计复杂,运算量大,在收敛速率慢等方面也存在一些缺点。
因此,亟需一种成本较低且适用性较强的滤波器。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本申请提出了通过更新滤波系数来实现对不同信号的滤波的滤波装置以及方法。
本申请一方面提出了一种滤波器模块,其包括:输入单元,配置为获取滤波配置参数和第一信号,其中,所述滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;滤波单元,配置为基于滤波系数对所述第一信号执行滤波处理,其中,所述滤波系数与所述滤波配置参数相关联;以及增益补偿单元,配置为对经滤波后的第一信号执行增益处理,以生成第二信号,其中,所述第二信号的幅值与所述第一信号相匹配,所述陷波参数对应于所述第二信号的陷波频率。
在一种实施例中,所述滤波器模块还包括:系数调整单元,配置为基于所述滤波配置参数生成所述滤波系数,并将所述滤波系数提供至所述滤波单元与所述增益补偿单元。
在一种实施例中,所述陷波参数对应于单个陷波频率,所述滤波系数基于所述采样参数和所述陷波参数而确定。
在一种实施例中,所述滤波配置参数还包括滤波阶数,所述滤波单元基于所述滤波阶数对所述第一信号执行所述滤波处理,以实现与所述陷波频率相关的周期性陷波,其中,所述滤波系数为(1m,0m-1……10),m为所述滤波阶数,并且m是大于等于2的偶数。
在一种实施例中,所述增益补偿单元基于与所述滤波系数相关联的增益来执行所述增益处理。
在一种实施例中,所述滤波器模块还包括:增益计算单元,其基于所述滤波系数确定所述增益处理中的增益值,并将所述增益值提供至所述增益补偿单元。
本申请第二方面公开了一种信号处理方法,其包括:获取滤波配置参数和第一信号,其中,所述滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;基于所述滤波配置参数生成滤波系数,并基于所述滤波系数对所述第一信号进行滤波处理;以及对经滤波后的第一信号进行增益处理,以生成第二信号,其中,所述第二信号的幅值与所述第一信号相匹配,所述陷波参数对应于所述第二信号的陷波频率。
在一种实施例中,所述陷波参数对应于单个陷波频率,所述滤波系数基于所述采样参数和所述陷波参数而确定。
在一种实施例中,所述滤波配置参数还包括滤波阶数,基于所述滤波阶数对所述第一信号执行所述滤波处理,以实现与所述陷波频率相关的周期性陷波,其中,所述滤波系数为(1m,0m-1……10),m为所述滤波阶数,并且m是大于等于2的偶数。
本申请第三方面公开了一种滤波器模块,其包括:输入单元,配置为获取滤波配置参数和第一信号,其中,所述滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;滤波单元,其包括滤波器阵列,所述滤波器阵列配置为响应于与所述滤波配置参数相关联的控制信号,使能相应的滤波器,以对所述第一信号进行滤波处理;以及增益补偿单元,配置为对经滤波后的信号进行增益处理,以生成第二信号,其中,所述第二信号的幅值与所述第一信号相匹配,所述陷波参数对应于所述第二信号的陷波频率。
本申请第四方面公开了一种信号处理电路,其包括:接口电路,用于接收滤波配置参数和第一信号;滤波电路,其与所述接口电路通信连接,并且包括至少一个如前述的滤波器模块,以基于所述滤波配置参数对所述第一信号进行滤波。
在一种实施例中,所述信号处理电路还包括存储电路,用于存储预设角度的余弦值。
本申请中的技术方案可以应用级联结构中,譬如,经典的CIC+FIR级联,或者是CIC+FIR+IIR级联等,当CIC滤波器的降采样因子变化时,FIR滤波可以动态变化系数以达到稳定的滤波效果。另外,本申请中的技术方案不需要求解高次方程,极大地提升了应用的灵活性与便利性。
附图说明
下面,将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明,其中:
图1为依据本申请的第一实施例的滤波器模块架构图;
图2为依据本申请的第二实施例的滤波器模块架构图;
图3为依据本申请的第三实施例的滤波器模块架构图;
图4为依据本申请的第四实施例的滤波器模块架构图;
图5为依据本申请的第五实施例的信号处理电路架构图;
图6为依据本申请实施例的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在以下的详细描述中,可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中,相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述,使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解,还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线,仅仅是为了便于说明,其表示至少连线两端的单元是相互通信的,并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。另外,两个单元之间线条的数目旨在表示该两个单元之间通信至少所涉及的信号数或至少具备的输出端,并非用于限定该两个单元之间只能如图中所示的信号来进行通信。
下文主要以FIR滤波器为例进行说明,但是,并不能认为本申请例只能应用于FIR滤波器,本申请中的构思同样可以应用于其他形式的滤波器。
本申请提及的设计数字陷波滤波器的方法为零极点配置法,通过在Z平面内配置零极点,影响特定频率下的幅值响应,即陷波。该方法设计过程不需要求解高次方程,这给后续的实际应用带来了很大的便利性。
图1为依据本申请的第一实施例的滤波器模块架构图。
如图1所示,滤波器模块100包括输入单元101、滤波单元102以及增益补偿单元103。具体而言,输入单元101用于接收滤波配置参数P和第一信号X(n),即待滤波的信号。滤波配置参数P可以包括采样参数fs(采样频率)和陷波参数fn(陷波频率)。滤波单元102获取滤波配置参数P,并且根据滤波配置参数进行配置。当滤波单元102收到第一信号X(n),其将根据与滤波配置参数相关联的滤波系数对第一信号X(n)进行滤波处理,并将滤波后的信号提供至增益补偿单元103。
增益补偿单元103基于滤波配置参数P和滤波器的增益来生成第二信号Y(n),从而使得经过第二信号Y(n)的幅值与第一信号X(n)相匹配,经过补偿后也不会出现大的增益误差。可以理解的,这里的“相匹配”是可以根据应用场景来调整。具体地,当对第一信号X(n)进行滤波时,其将产生经滤波的信号y(n),此时的y(n)的幅值往往会小于X(n),因此,增益补偿单元103将对信号y(n)施加增益,将信号y(n)放大为第二信号Y(n)。可以理解的,第二信号Y(n)的幅值可以根据需求进行调整,比如,第二信号Y(n)的幅值可以被调整为小于、等于或是大于第一信号X(n)。
在一种实施例中,增益补偿单元103还能够以特定的格式和/或协议将第二信号Y(n)传输至外接装置。
在本实施例中,滤波处理可以是对第一信号进行陷波处理,从而将第一信号中的陷波频率信号滤除,其中,陷波参数对应于第二信号的陷波频率。下面以二阶FIR滤波器为例,该滤波器的传递函数的形式为:
H(z) = z 2 +b 1 z+1 (1)
式(1)中,z为复数变量,一对共轭零点为e ±jω ,当z = e jω =e j2πfnT 时(陷波点对应的零点角度w,即陷波中心频率)。可以理解的,滤波系数中的系数包括1和B(比如,上述的b1),其中,B与采样参数和陷波参数相关联。
上式中b 1 = -2cos(2πf n T),其中,T为采样周期,T =1/f s 。当b 1 确定后,滤波器模块100将以H(z)对信号进行滤波。
可以理解的,为了减少计算量,可以提前计算好一些角度的余弦值,并存储至存储器(未示出)中,以供滤波单元102读取。对于滤波单元102已经确定的传递函数阶数,滤波单元102基于由输入单元101接收到采样参数fs和陷波参数fn,便可以实现陷波。
图2为依据本申请的第二实施例的滤波器模块架构图。
相较于图1中的实施例,图2中的滤波器模块200包括输入单元201、系数调整单元202、滤波单元203以及增益补偿单元204,其中,输入单元201用于获取滤波配置参数,譬如,采样参数fs和陷波频率fn。系数调整单元202根据所接收到的滤波配置参数确定滤波系数,并将该滤波系数提供至滤波单元203。然后,滤波单元203将基于该滤波系数对第一信号X (n)进行滤波,并输出滤波信号y(n)。增益补偿单元204将根据滤波系数确定需要对滤波信号y(n)的放大程度(即,增益值),并输出经放大后的第二信号Y(n)。
下面以滤波单元203是四阶FIR滤波器为例进行阐述,其中,四阶FIR滤波器传递函数形式为:
H(z) = ( z 2 +b 1 z+1)( z 2 +b 2 z+1) = z 4 +(b 1 + b 2 )z 3 +2z 2 +(b 1 + b 2 )z+1 (2)
其中,z为复数变量,式中,b 1 = -2cos(2πf 1 T),b2 = -2cos(2πf 2 T)。
在S域,该四阶FIR滤波器有两对共轭零点,当该两对共轭零点关于虚轴对称时,其传递函数可以化简为:
H (z) = z 4 + b 1 z 2 +1 (3)
此时,式中b 1 =-2cos(4f n T),其中,T为采样周期,T =1/f s 。
因此,系数调整单元202在接收到采样参数fs和陷波参数fn后,便可以确定该四阶FIR滤波器的系数为(1, 0, b1, 0, 1),然后将该系数提供至滤波单元203,从而使得滤波单元203将以传递函数H(z)对信号进行滤波。
可以理解的,滤波器模块200也可以适用于更多阶的FIR滤波器,譬如,2N阶FIR滤波器,其中,N≥1。
第一信号在经过陷波器后,频率为fn的信号的幅值将显著减小(即陷波深度),并非必须为零。可以理解的,第一信号包括至少两种以上的频率成分。该陷波深度可以通过计算滤波单元在特定频率附近的增益损失来得到,同样,通过配置传递函数,还可以根据应用场景调整陷波的滤波单元203的陷波宽度,在此不做赘述。
在本实施例中,FIR滤波器的阶数均设计为偶数阶,系数为偶对称,这样做的好处是让滤波器具备更广的适用性,以适应不同的应用场景。
图3为依据本申请的第三实施例的滤波器模块架构图。
相较于图2,本实施例中的滤波器模块300可以实现周期性分布的陷波频率。输入单元301用于接收滤波配置参数,譬如,采样参数为fs、陷波点fn以及滤波阶数m,其中,fs= 2mfn,m≥2。这里的滤波单元303的传递函数可以表示为:
H (z) = z m + 1 (4)
由式(4)可知,滤波单元系数为(1m,0m-1……10),即只有0和1,滤波器模块300可以实现周期陷波点(fn,2fn,3fn,...,2mfn)。本实施例不需要进行复杂的计算也可以实现周期性的陷波,同时滤波器增益也容易确定,只需移位即可实现增益校准。
当系数调整单元302收到的滤波阶数m为2时,滤波系数为(1, 0, 1)。当系数调整单元302收到的滤波阶数m为4时,系数调整单元302确定此时的滤波系数为(1,0, 0, 0,1)。系数调整单元302将该滤波系数提供至滤波单元303,以使得滤波单元303能够以更新后的滤波系数进行滤波,以生成y(n)。增益补偿单元304将根据滤波系数确定需要对滤波信号y(n)的放大程度,并输出经放大后的第二信号Y(n)。
相比图2中的实施例,本实施例在设计高阶FIR滤波器时计算量更小,速度更快。
图4为依据本申请的第四实施例的滤波器模块的架构图。
如图所示,滤波器模块400包括输入单元401、滤波单元402以及增益补偿单元403,其中,滤波单元402中的传递函数H可以根据输入单元401所收到的滤波配置参数来确定。可以理解的,滤波单元402可以基于滤波配置参数确定自身的传递函数,或者,由其他单元来指定调用合适的传递函数。表1示出了滤波配置参数的不同情形。
表1 滤波配置参数的不同情形
采样参数 | 滤波阶数 | 陷波参数 | 传递函数 | |
1 | fs | / | fn | H1 |
3 | fs | m | fn | H2 |
表1并非旨在限制滤波单元402仅能以两个形式的滤波传递函数进行滤波,滤波单元402可以实现的滤波类型和数量均可以调整。本领域技术人员可以理解的,针对不同的产品形式以及应用场景,滤波单元402的实现方式可以做相应变化。
例如,滤波单元402可以是一个可调用的电路模块(IP模块),该IP模块可以根据不同的传递函数来处理信号。通过控制指令调用该IP模块,并利用该IP模块与参与后续的滤波计算。
在另一实施例中,滤波单元402还可以包括两个不同形式的滤波器IP模块,譬如,滤波器4021-4022。该些滤波器被配置为响应于与滤波配置参数相关联的控制信号,选择性地使能相应的滤波器,并通过被使能的滤波器对信号进行滤波处理。例如,滤波器4021适用于单个陷波频率的滤波处理(即,传递函数为H1);滤波器4022用于周期性陷波频率的滤波处理(即,传递函数为H2)。虽然图4中用两个框图来示出滤波器4021-4022,但本领域技术人员应该理解的是,该些滤波器可以是由一个IP模块或是多个IP模块来实现。
可以理解的,当上述三个参数中的至少一个发生变化时,滤波单元402将获取不同的滤波系数来选择执行后续的滤波,使得滤波单元402能够适应不同场景下的陷波需求。
图5为依据本申请的第五实施例的信号处理电路的架构图。
如图所示,信号处理电路500包括接口电路501、滤波电路502以及存储电路503,其中,接口电路501用于接收滤波配置参数和信号X(n),这里的信号X(n)可以是电压、电流、电容等模拟信号转换成的数字信号,也可以是血压、血氧、体温等生理信号转换成的数字信号,或是音频信号、其他通讯信号等等,在此不做限制。滤波电路502与接口电路501通信连接,并且包括如前述任一实施例中的滤波器模块。滤波电路502基于滤波配置参数对信号X (n)进行滤波。
在一实施例中,存储电路503用于存储一些常用角度的余弦值,和/或常用的滤波系数,进而提升信号处理电路500的工作速度。
针对上述实施例,本申请还提出了一种信号处理方法。图6为依据本申请实施例的信号处理方法的流程图。具体流程如下:
步骤S601:通过输入单元获取滤波配置参数和第一信号,其中,滤波配置参数包括采样参数和陷波参数。
步骤S602:基于滤波配置参数生成滤波系数,并通过滤波单元基于滤波系数对第一信号进行FIR滤波处理,进而减小或消除第一信号中与陷波参数对应的部分。
步骤S603:对经滤波后的第一信号进行增益处理,以生成第二信号,其中,第二信号的幅值与第一信号相匹配。
在一个实施例中,陷波参数对应于单个陷波频率。对于FIR滤波处理,滤波系数由采样参数和陷波参数来决定。
在一个实施例中,陷波参数对应于周期性分布的陷波频率,并且,陷波频率的数量是滤波阶数的两倍,其中,滤波阶数为偶数阶且大于等于2。
本申请提及的任意陷波的装置、模块、单元均可在数字信号处理器(DigitalSignal Processor,DSP)、可编程逻辑门阵列 (Field Programmable Gate Array,FPGA)或模数转换器(Analog Digital Converter,ADC)芯片上实现。特别是在直流应用的高精度ADC场景下,该方法可以极大便于滤除特定的干扰噪声,经过补偿后也不会出现大的增益误差。
本申请中的技术方案还可以应用级联结构中,譬如,经典的CIC+FIR级联,或者是CIC+FIR+IIR级联等(可以理解的,此处仅做示例,不限于此),当CIC滤波器的降采样因子变化时,FIR滤波可以动态变化滤波系数以达到稳定的滤波效果。
上述实施例仅供说明本申请之用,而并非是对本申请的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本申请范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此,所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。
Claims (12)
1.一种可配置陷波点的滤波器模块,其特征在于,包括:
输入单元,配置为获取滤波配置参数和第一信号,其中,所述滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;
滤波单元,配置为基于滤波系数对所述第一信号执行滤波处理,其中,所述滤波系数与所述滤波配置参数相关联;以及
增益补偿单元,配置为对经滤波后的第一信号执行增益处理,以生成第二信号,其中,所述第二信号的幅值与所述第一信号相匹配,所述陷波参数对应于所述第二信号的陷波频率。
2.根据权利要求1所述的滤波器模块,其特征在于,所述滤波器模块还包括:
系数调整单元,配置为基于所述滤波配置参数生成所述滤波系数,并将所述滤波系数提供至所述滤波单元与所述增益补偿单元。
3.根据权利要求2所述的滤波器模块,其特征在于,所述陷波参数对应于单个陷波频率,所述滤波系数基于所述采样参数和所述陷波参数而确定。
4.根据权利要求3所述的滤波器模块,其特征在于,所述滤波配置参数还包括滤波阶数,所述滤波单元基于所述滤波阶数对所述第一信号执行所述滤波处理,以实现与所述陷波频率相关的周期性陷波,其中,所述滤波系数为(1m,0m-1……10),m为所述滤波阶数,并且m是大于等于2的偶数。
5.根据权利要求2所述的滤波器模块,其特征在于,所述增益补偿单元基于与所述滤波系数相关联的增益来执行所述增益处理。
6.根据权利要求5所述的滤波器模块,其特征在于,还包括:
增益计算单元,其基于所述滤波系数确定所述增益处理中的增益值,并将所述增益值提供至所述增益补偿单元。
7.一种信号处理方法,其特征在于,包括:
获取滤波配置参数和第一信号,其中,所述滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;
基于所述滤波配置参数生成滤波系数,并基于所述滤波系数对所述第一信号进行滤波处理;以及
对经滤波后的第一信号进行增益处理,以生成第二信号,其中,所述第二信号的幅值与所述第一信号相匹配,所述陷波参数对应于所述第二信号的陷波频率。
8.根据权利要求7所述的信号处理方法,其特征在于,所述陷波参数对应于单个陷波频率,所述滤波系数基于所述采样参数和所述陷波参数而确定。
9.根据权利要求7所述的信号处理方法,其特征在于,所述滤波配置参数还包括滤波阶数,基于所述滤波阶数对所述第一信号执行所述滤波处理,以实现与所述陷波频率相关的周期性陷波,其中,所述滤波系数为(1m,0m-1……10),m为所述滤波阶数,并且m是大于等于2的偶数。
10.一种可配置陷波点的滤波器模块,其特征在于,包括:
输入单元,配置为获取滤波配置参数和第一信号,其中,所述滤波配置参数包括采样参数和陷波参数;
滤波单元,其包括滤波器阵列,所述滤波器阵列配置为响应于与所述滤波配置参数相关联的控制信号,使能相应的滤波器,以对所述第一信号进行滤波处理;以及增益补偿单元,配置为对经滤波后的信号进行增益处理,以生成第二信号,其中,所述第二信号的幅值与所述第一信号相匹配,所述陷波参数对应于所述第二信号的陷波频率。
11.一种信号处理电路,其特征在于,包括:
接口电路,用于接收滤波配置参数和第一信号;
滤波电路,其与所述接口电路通信连接,并且包括至少一个如权利要求1至6中任一项所述的滤波器模块,以基于所述滤波配置参数对所述第一信号进行滤波。
12.根据权利要求11所述的信号处理电路,其特征在于,还包括存储电路,用于存储预设角度的余弦值。
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CN202311609850.7A Pending CN117439576A (zh) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | 可配置陷波点的滤波器模块以及信号处理方法和电路 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2023
- 2023-11-29 CN CN202311609850.7A patent/CN117439576A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117728838A (zh) * | 2024-02-08 | 2024-03-19 | 深圳市山海半导体科技有限公司 | 用于adc失调误差的模数转换装置与校准方法 |
CN117728838B (zh) * | 2024-02-08 | 2024-05-28 | 深圳市山海半导体科技有限公司 | 用于adc失调误差的模数转换装置与校准方法 |
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