CN1210632A - 抽取方法和抽取滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提供CIC抽取滤波器的传递函数的一种抽取方法和一种抽取滤波器。按系数M实现级数为N的抽取,据此,在抽取滤波器的主支路(100)中利用M分支FIR滤波器(20)顺次进行N次FIR滤波,用抽取装置(21)按系数M进行抽取,并用装置(22)进行N－1次梳状滤波。利用副支路(101,102,104)和附加支路(103,105,106,107)来考虑被处理的抽样周期M之前的那些抽样周期M的影响。

Description

抽取方法和抽取滤波器
本发明涉及一种抽取(decimation)方法，其传递函数基本上相当于CIC抽取滤波器的传递函数，其中包含数字抽样值的信号按系数M被抽取。
本发明还涉及一种抽取滤波器，其传递函数基本上相当于CIC抽取滤波器的传递函数，它被安排按系数M抽取包含数字抽样值的信号。
数字信号处理包括多种应用，其中抽样应当是可变的。在抽取中，抽样周期增加，则抽样频率减小。这使得可减少每单位时间内处理或存储在存储器中的数据点的数目。
例如在无线电系统的接收机中，采用高抽样频率对通带信号进行模/数转换。A/D转换后，该通带信号的频率减小到通带的量级，但抽样频率仍然较高。利用抽取滤波器可减少过分抽样，还改善了信噪比。
例如，CIC抽取滤波器(级联的积分器-梳状型)是一种常规的抽取滤波器，它按一个高系数减少信号的抽样。这种CIC滤波器包括一些串联的积分器，一个抽取部分和一些顺次的梳状滤波器。这种滤波器例如可采用加法器/减法器结构来实现，因此它可用于高频。有关这一方案更详细的描述参见E.B.Hogenauer所著的“An Economical Class of DigitalFilters for Decimation and Interpolation”。
与使用积分器的抽取滤波器有关的一个问题是输入数据的长期期望值必须为零，即该数据不得含有任何DC偏差。输入数据中即使有一个较小的偏差也会导致积分器过载及抽取滤波器中的操作错误。为了避免DC偏差，采用双补码算法或类似方法，包括利用简单的位交换对正负数进行互相推断。这一问题还可通过增加抽取滤波器的字长得以减轻，但不能排除该问题。
本发明的目的是提供抽取滤波方法和一种抽取滤波器，实现CIC抽取滤波器的传递函数，然而即使当输入数据的期望值偏离零，也不会造成过载。
这可用前言中所述的方法实现。这种方法，其特征在于至少对被抽取的信号进行主处理，这一主处理包括以下步骤，顺次进行N次M分支(M-tap)FIR滤波，按系数M抽取，并对该信号进行N-1次梳状滤波。
本发明的抽取滤波器，其特征在于它至少包括一条主支路，该主支路包括按系数M抽取的抽取装置，在主支路的抽取装置之前的N个顺次的M分支FIR滤波器，以及在抽取装置的主支路之后的N-1个顺次的由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体。
本发明的抽取滤波器，其特征还在于它至少包括一条主支路，该主支路包括抽取装置，在主支路的按系数M抽取的抽取装置之前的N个M分支FIR滤波器；以及如果M分支FIR滤波器个数N多于一个，则抽取滤波器被安排考虑在输入抽样周期M之前的N-1个抽样周期M，因此，除了主支路外，抽取滤波器还包括选择装置；存储器；移位装置；加法器/减法器装置和控制装置；N-1条副支路，其分叉点操作上接在主支路的抽取装置之前的每两个FIR滤波器之间，其另一端操作上接到选择装置上，这些副支路包括用于按系数M抽取进入该副支路的信号的抽取装置；用于将抽取的信号延时一个M抽样周期的延时装置；附加支路，它包括用于将该信号延时一个抽样周期M的延时装置，附加支路的分叉点操作上接在副支路或附加支路中的每个延时装置之后，其另一端操作上接到选择装置上；抽取滤波器的选择装置被安排同时从主支路，副支路或附加支路选择某一信号，用于在移位装置中进行算术移位操作；抽取滤波器的移位装置被安排对主支路，副支路或附加支路的每一信号进行必要的算术移位；抽取滤波器的加法器/减法器装置被安排计算与梳状滤波相应的这些信号的差值，并将每一副支路或附加支路的信号与得到的结果相加；抽取滤波器的存储器被安排存储为每一主支路，副支路或附加支路的信号提供的结果以及这些结果的和；抽取滤波器的控制装置被安排控制抽取滤波器的操作，以便抽取滤波器基本上提供CIC抽取滤波器的传递函数。
本发明的这种方法具有一些显著的优点。它可避免抽取滤波器的DC偏差造成的过载情况，从而该滤波器在所有情形中将更可靠地工作。再者可自由选择抽取中所采用的算法。
下面将参照附图更详细地描述本发明，其中
图1是一个说明FIR滤波器的原理框图，
图2是一个说明第二级的抽取滤波器的原理框图，
图3是一个说明第三级的抽取滤波器的原理框图，
图4是一个说明第四级的抽取滤波器的原理框图，
图5是一个说明第四级的抽取滤波器的原理框图，和
图6是一个说明抽取滤波器的一般操作过程的原理框图。
本发明的方案可应用于无线电系统的接收机，用以减小接收信号的抽样频率并减少数据点数；然而，本发明并不仅仅局限于这一应用。现有技术的CIC抽取滤波器(包含积分器和梳状滤波器)的传递函数H(z)，其z变换形式可表示如下：
H(z)=[(1-z-M)/(1-z-1)]N,                         (1)
式中，z为变量，M为抽取系数，N为级数(积分器数和梳状滤波级数)。在本发明的方案中，所提供的CIC抽取滤波器的传递函数不采用积分器。
首先，可以看到根据本发明的抽取滤波器的辅助部件的结构和功能很简洁。图1说明了FIR滤波器的原理框图，该滤波器包括延时装置10，分支11，即中间抽样，和一个加法器12。本发明的M分支FIR滤波器的分支11最好是单一的，即分支11不被加权。那么，输入信号x(t)在每个延时装置10被延时，并在加法器12中将这些延时信号加在一起。FIR滤波器最简单的形式是移位寄存器，它的每个寄存器单元的内容按分支系数加权相加。在时域中FIR滤波器的输出y(t)可用如下公式表示 y ( t ) = Σ k = 0 M - 1 h ( k ) × ( t - kΔt ) , - - - - ( 2 )
式中，h(k)是分支系数，Δt是延时，x是变量。
其次，在梳状滤波器中，信号馈入延时部件，以一个已知量值来延时该信号，此后，将原始信号加上或减去在延时部件中延时的信号。当从原始信号减去延时信号时，零点将出现在频率f和其倍数2f,3f等点上。零点得以减轻混叠造成的问题。按系数M抽取的抽取装置是一个转换开关或类似器件，它对每一第M个样值进行抽样。
下面，将更详细地描述本发明的抽取滤波器的结构和功能。本发明的基本思想是用M分支FIR滤波器取代现有技术中按系数M抽取的CIC抽取滤波器中所用的积分器，它的分支最好被加权以便它们具有相同的值。这些分支最好是单一的。第一级的抽取滤波器最好可用一个M分支FIR滤波器和按系数M抽取的抽取装置来实现。
图2说明了第二级的抽取滤波器。在两个FIR滤波器20之间的分叉点126处，有一条从主支路100分支出的副支路101，主支路执行抽取滤波器的主处理，它包括两个FIR滤波器20，抽取装置21和一个由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体22，以便在抽取滤波中可适当考虑前述的包含M个抽样值的抽样周期M。副支路也包括抽取装置21，延时装置23和一个FIR滤波器20。由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体22包括延时装置23，一个减法器24和一个加法器25。
图3说明了本发明的第三级的抽取滤波器。主支路100包括三个FIR滤波器20，抽取装置21和两个由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体22。有两条副支路完成第一附加处理(抽取，延时和FIR滤波器)。当然，副支路101与图2中所示的副支路相似。副支路102从分叉点124处分支出来，它包括抽取装置21，延时装置23和两个FIR滤波器20。另外，在两个FIR滤波器20之间的分叉点125处，从副支路102分支出附加支路103。根据第二附加处理，这一附加支路利用延时装置23和FIR滤波器20进行延时和FIR滤波。换言之，该结构其特征在于有一条从两个FIR滤波器20之间分支出的新支路(副支路或附加支路)，该支路至少包括一个延时装置23和FIR滤波器。副支路还包括抽取装置21，以便在每一条从主支路分支出来的支路中执行抽取。
图4说明了本发明的第四级的抽取滤波器。在此，主支路100包括四个FIR滤波器20，抽取装置21和三个由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体22。三条副支路101,102,103从主支路100的每两个FIR滤波器20之间的分叉点120,124,126处分支出来。每一副支路包括抽取装置21，延时装置23和一至三个FIR滤波器20。附加支路103,105,106,107从副支路101,102,103的每两个FIR滤波器之间的分叉点121,122,123,125处分支出来。每一附加支路包括延时装置23和一至三个FIR滤波器20。
在图2至图4的基础上，可以推断出本发明方案中第N级的抽取滤波器的结构。该抽取滤波器包括一条主支路100，这一主支路包括抽取装置21，在按系数M抽取的抽取装置21之前的N个顺次的M分支FIR滤波器20，和在抽取装置之后的N-1个顺次的由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体22。如果M分支FIR滤波器个数N多于一个，那么在本发明的抽取滤波器中，在第一附加处理中要考虑输入抽样周期M之前的N-1个抽样周期M。因此抽取滤波器的主支路包括N-1条副支路，其分叉点120,124,126操作上接在主支路100中的每两个FIR滤波器20之间，而其另一端操作上接到与第一梳状滤波器有关的加法器25上。副支路包括，用于按系数M抽取进入副支路的抽样周期M的抽取装置21，用于将抽取的抽样周期延时一个抽样周期M的延时装置23，和一些顺次的FIR滤波器，其个数与位于分叉点和主支路的抽取装置之间的FIR滤波器20的个数相符。
除了副支路102,104之外，抽取滤波器的结构包括附加支路103,105,106，其分叉点121,122,123,125操作上接在位于副支路101,102,104中或附加支路103,105,106中的每两个顺次的FIR滤波器20之间，而其另一端操作上根据在形成一条附加支路中所涉及的分叉点数P，接到主支路100的抽取装置21之后的与梳状滤波器有关的第P{P∈[1,…,N-1]个加法器25上。例如，附加支路107包括三个分叉点120,121,123，因而附加支路接到与梳状滤波器有关的第三个加法器25上。附加支路103,105,106(在此为第二附加处理选择信号)包括，用于将进入到该支路的抽样周期延时一个抽样周期M的延时装置23，和一些顺次的FIR滤波器20，其个数与副支路101,102,104或附加支路103,105,106的分叉点和与梳状滤波器有关的加法器25之间的FIR滤波器的个数相符。
图5说明了本发明的一种实施方式，其中附加支路103,105,106的FIR滤波器20，由用于执行一个与它们的功能相符的操作的装置来取代。这种操作例如是乘法操作。一个M分支FIR滤波器以M乘该信号，两个顺次的M分支FIR滤波器以M(M+1)/2乘该信号，三个或三个以上的M分支FIR滤波器以一个组合数乘该信号，这一组合数用FIR滤波器个数NR(FIR)和分支个数M表示如下： ( NR ( FIR ) + M - 1 M - 1 ) = [ NR ( FIR ) + M - 1 ] ! ( M - 1 ) ! NR ( FIR ) ! , … … … ( 3 )
式中，!代表阶乘运算。被延时装置23分开的FIR滤波器以MNR(FIR)乘该信号。就图5而言，假定抽取滤波器的级数为4，分支数为M=32。因此，副支路101的抽取和延时的信号乘以32并在与第一梳状滤波器有关的加法器25中进行相加。副支路102的信号依次乘以32*(32+1)=528。当系数为多个2的多次方时，信号的乘操作最好可用被处理的比特串的算术移位来实现，而如果分支数是一个2的多次方，即M=2k,k∈[1,2,3,…]，这种操作也可实现。例如，用多个2的多次方的和来表示副支路102的系数528，即528=512+16。另外，由于使用副支路107，用虚线表示的附加支路106以及相应的加法和乘法操作被与第二梳状滤波器有关的加法器25中的系数32768所取代。再者，附加支路105的系数16896被系数1024所取代以便在与第二梳状滤波器有关的加法器25中得到正确的结果。
图6说明了本发明的第N级的抽取滤波器。当抽取系数M大时，这种实施方式尤其好。从而，抽取滤波器的输出中的抽样值将比抽取滤波器的输入中的抽样值少M倍，据此，与M个抽样值相应的一个时间段将留来执行与级联的梳状滤波器有关的算术移位操作，加法操作和减法操作。本发明的第N级的抽取滤波器的主支路100，它按系数M进行抽取，包括N个M分支FIR滤波器20和抽取装置21。与上述例子相似，这种抽取滤波器也包括不含乘法操作或移位操作的副分支和附加分支。该抽取滤波器还包括选择装置61，一个存储器62，寄存器63，移位装置64，加法器/减法器装置和控制装置66。选择装置61，最好是复用器，依次从每一主支路，副支路或附加支路中选择一个信号给寄存器63，该寄存器起到存储暂时结果的存储器的作用。信号从寄存器63输出后，进入移位装置64，在该装置中对被处理的信号的比特串进行必要的算术移位。该算术移位相当于有关图2至4中所述的不同支路中所进行的乘/移位操作。此后，在装置65中对被处理的信号进行梳状滤波，据此，将该信号减去经上述处理后被存入存储器62中的延时信号。另一种实施方式是在装置65中将副支路或附加支路的信号与已处理过并存储在存储器62中的信号相加。存储器62(最好是RAM)输出的信号最好存入暂存器63中，然后在装置65中进行加或减操作。从装置65得到的结果被送到存储器62，只要该结果是单一抽取处理的一部分。在对某一抽取处理进行了所有必要的操作后，装置65的输出被送至最末级的寄存器63，从这里将抽取结果转入其他处理。控制装置66对抽取滤波器的操作进行控制和定时。例如，控制装置66向存储器发出有关包含在来自装置65的信号中的数据被存入的存储位置信息和有关包含在发向装置65的信号中的数据被取出的存储位置信息。
尽管以上利用附图中所举的例子叙述了本发明，显然本发明并不局限于此，而可在随后的权利要求书中所揭示的本发明设计思想范围内，以不同方式进行变形。

Claims (13)

1．一种抽取方法，其传递函数基本上相当于CIC抽取滤波器的传递函数，其中包含数字抽样值的信号按系数M被抽取，其特征在于至少对被抽取的信号进行主处理，这一主处理包括以下步骤，顺次进行N次M分支FIR滤波，按系数M抽取，并对该信号进行N-1次梳状滤波。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于如果在主处理中顺次进行M分支FIR滤波多于一次{N＞1}，则对在每两个顺次的FIR滤波R和R+1{R+1≤N}之间的信号进行第一附加处理，第一附加处理包括以下步骤
按系数M抽取；
将抽取的信号延时一个抽样周期M；
对被抽取和延时的信号进行N-R次FIR滤波；和
将FIR滤波信号与第一梳状滤波信号相加。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于如果对在第一附加处理中被抽取和延时的信号进行FIR滤波多于一次{N-R＞1}，则至少要进行一次第二附加处理，为此从在第一附加处理中或从前一个第二附加处理中选择每两个顺次的FIR滤波之间的信号，第二附加处理包括以下步骤
将该信号延时一个抽样周期M；
对被延时的信号进行与选择后在第一附加处理中或在前一个第二附加处理中同样多次的FIR滤波；和
将该信号与第P{P≤N-1}个梳状滤波信号相加，P为抽样周期M延时的次数。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于在M分支FIR滤波中某一个基本上被用作分支系数。
5．如权利要求3所述的方法，其特征在于将抽取系数M用一个2的多次方来表示。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于在第一和第二附加处理中用这样一种方式对一个信号进行FIR滤波，在这种方式中，将该信号乘以一个预先定义的2的多次方和/或将该信号乘以多个预先定义的2的多次方并将相乘后形成的信号相加。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于乘操作是通过信号的一个逻辑移位或通过信号的多个逻辑移位并将这些逻辑移位后的信号加在一起来实现。
8．一种抽取滤波器，其传递函数基本上相当于CIC抽取滤波器的传递函数，它被安排按系数M抽取包含数字抽样值的信号，其特征在于该抽取滤波器至少包括一条主支路(100)，该主支路包括按系数M抽取的抽取装置(21)，在主支路(100)的抽取装置(21)之前的N个顺次的M分支FIR滤波器(20)，以及在主支路(100)的抽取装置之后的N-1个顺次的由一个梳状滤波器和一个加法器组成的组合体(22)。
9．如权利要求8所述的抽取滤波器，其特征在于如果M分支FIR滤波器(20)个数多于一个，则抽取滤波器被安排考虑输入抽样周期M之前的N-1个抽样周期M，因此，除了主支路(100)之外，抽取滤波器还包括
N-1条副支路(101,102,104)，其分叉点(120,124,126)操作上接在主支路(100)的抽取装置(21)之前的每两个FIR滤波器(20)之间，而其另一端操作上接到与第一梳状滤波器有关的加法器(25)上，这些副支路包括
用于按系数M抽取进入该副支路的信号的抽取装置(21)；
用于将抽取的信号延时一个抽样周期M的延时装置(23)；
一些顺次的FIR滤波器(20)或完成等同操作的装置，其个数与分叉点(120,124,126)和主支路(100)中的抽取装置(21)之间的FIR滤波器的个数相符。
10．如权利要求9所述的抽取滤波器，其特征在于除了主支路(100)和副支路(101,102,104)之外，抽取滤波器还包括附加支路(103,105,106,107)，其分叉点(121,122,123,125)操作上接在副支路(101,102,104)中或附加支路(103,105,106,107)中的每两个顺次的FIR滤波器(20)之间或完成等同操作的装置之间，而其另一端操作上根据在形成一条附加支路中所涉及的分叉点(120-125)数P，接到主支路的抽取装置(21)之后的与梳状滤波器有关的第P{P∈[1,…,N-1]个加法器(25)上，附加支路(103,105,106,107)包括
用于将进入到该附加支路(103,105,106,107)的抽样周期延时一个抽样周期M的延时装置(23)；
一些顺次的FIR滤波器(20)或完成等同操作的装置，其个数与分叉点(121-125)和副支路(101,102,104)中或分支出的附加支路(103,105,106,107)中的与梳状滤波器有关的加法器(25)之间的FIR滤波器的个数相符。
11．一种抽取滤波器，其传递函数基本上相当于CIC滤波器的传递函数，它被安排按系数M抽取包含数字抽样值的信号，其特征在于该抽取装置至少包括一条主支路(100)，该主支路包括抽取装置(21)，在主支路(100)的按系数M抽取的抽取装置(21)之前的N个顺次的M分支FIR滤波器(20)；和
如果在主支路(100)中的M分支FIR滤波器(20)的个数N多于一个，则抽取滤波器被安排考虑输入抽样周期M之前的N-1个抽样周期M，因此除了主支路(100)之外，该抽取滤波器还包括
选择装置(61)；
存储器(61)；
移位装置(64)
加法器/减法器装置(65)和
控制装置(66)；
N-1条副支路(101-108)，其分叉点(120,124,126)操作上接在主支路(100)的抽取装置(21)之前的每两个FIR滤波器(20)之间，而它们的另一端操作上接到选择装置(61)上，这些副支路(101-108)包括
用于按系数M抽取进入副支路(101-108)的信号的抽取装置(21)；
用于将抽取的信号延时一个抽样周期M的延时装置(23)；
附加支路(109)，它包括用于将该信号延时一个抽样周期M的延时装置(23)，附加支路的分叉点(130)操作上接在副支路(101-108)或附加支路(109)中的每个延时装置(23)之后，而它们的另一端操作上接到选择装置(61)上；和
抽取滤波器的选择装置(61)被安排同时从主支路(100)，副支路(101-108)或附加支路(109)选择某一信号，用于在移位装置(64)中进行算术移位操作；
移位装置(64)被安排对主支路(100)，副支路(101-108)或附加支路(109)的每一信号进行必要的算术移位；
抽取滤波器的加法器/减法器装置(65)被安排计算根据梳状滤波和相加每一副支路(101-108)或附加支路的信号与所提供的结果而计算这些信号的差值；
抽取滤波器的存储器(62)被安排存储每一主支路(100)，副支路(101-108)或附加支路(109)的信号提供的结果以及这些结果的和；
抽取滤波器的控制装置(66)被安排控制抽取滤波器的操作，以便抽取滤波器基本上提供CIC滤波器的传递函数。
12．如权利要求10或11所述的抽取滤波器，其特征在于在M分支FIR滤波中其分支系数基本上是单一的。
13．如权利要求10或11所述的抽取滤波器，其特征在于其抽取系数是一个2的多次方。
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