CN1249567A

CN1249567A - 数字短时脉冲波形干扰滤波器

Info

Publication number: CN1249567A
Application number: CN99118378A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·埃沃勒斯特·约翰森
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2000-04-05
Also published as: JP2000090069A; AU4586399A; KR20000022768A; CA2278908A1; BR9903895A; EP0984556A2; EP0984556A3

Abstract

一个短时脉冲波形干扰滤波器处理奇数N个潜在地掺杂的采样数据值的重叠时间序列,以确定在每个时间间隔t_i出现的每组N个值的排序顺序的中间值。将这个中间值作为当前组N个输入值(例如,对于时间间隔t_i)的输出值。在下一个时间间隔t_i+1中,舍弃前N个样本中的最旧的,并将一个新样本增加到该组中。对于每个时间间隔重复这个过程。

Description

数字短时脉冲波形干扰滤波器

本发明一般地涉及滤波器领域。更具体地，本发明一方面涉及处理数据抽样的滤波器。更具体地，本发明还涉及用于去除在数字数据抽样中的短时脉冲波形干扰(glitch)、尖峰脉冲、信号漏失或其他短期异态的电路和方法。

许多电子电路、数据总线、接口和传输介质受到由无关的内部和外部因素、例如相邻信号源、开关感应瞬变等强加的噪声和失真的影响。这种无关强加常常以信号振幅在电路或介质的某点急剧上升或下降的形式出现，其中上升或下降是与所需信号无关的。因为这种干扰或噪声的频率、极性、持续时间和几何形状都不同，所以已知有多个名字。例如，当这些干扰信号是短持续时间并且(通常)是非周期的时，常常将其称为“短时脉冲波形干扰”或“信号漏失”，此后将这些都简称为“短时脉冲波形干扰”。

已经设计出许多用于对付信号短时脉冲波形干扰的尝试的解决办法，每种方法都在不同程度上适合于某个范围的信号或工作条件。一些构造为内部或外部补偿电路、带有或没有部分固件或软件支持的解决办法被证明相对来说更好一些。在其他情况下，解决办法是以与通用或专用处理器一起使用的可执行软件(程序)的形式运用的。还没有一般可应用的技术在硬件和软件实施中都证明是有用的。

根据下面描述的本发明的例示性的用于以连续时间间隔t_i，i＝1，2，…采样的信号的短时脉冲波形干扰滤波器实施例，克服了现有技术的限制，并产生了技术效果。

在一方面，在图示的实施例中，本发明处理奇数N个采样数据值的重叠时间序列，以确定每个时间间隔t_i出现的每组N个值的排序顺序的中间值。这个中间值被作为当前组N个输入值(即，时间间隔t_i)的输出值。在后面的时间间隔t_i+1中，舍弃前N个采样中最旧的，并将一个新的样本加在这组中。对于每个时间间隔重复这个过程。

在图示的硬件实施例中，一个电路、例如半导体芯片电路(例如，现场可编程逻辑阵列，FPLA)采用上述技术来消除否则要被处理的信号中出现的短时脉冲波形干扰。依据本发明的一个例示性软件实施例，处理器执行软件例程或计算机程序来同样地估计和消除加在所需信号上的短时脉冲波形干扰。

通过参考下面的详细说明和附图，将更加全面地理解本发明的例示性实施例的上述总结性描述。

图1显示了一个典型的掺杂有短时脉冲波形干扰的所需信号。

图2显示了依据本发明的原理消除了短时脉冲波形干扰的图1的所需信号。

图3显示了可以主要采用硬件或采用硬件与软件相结合来实施的系统的例示性实施例的概观。

图4显示了本发明的实施例的例示性硬件实施。

图5是本发明的例示性软件实施的流程图。

图1显示了一个典型的带有短时脉冲波形干扰的信号，例如音频信号，该信号否则应适合于重现或其他正常处理。在音频信号的情况下，收听者会将这种短时脉冲波形干扰听成讨厌的爆裂声或劈啪声。图2显示了应用本发明的原理和技术采用了许多可能的实施例中的一个消除了短时脉冲波形干扰后的图1的信号。

更具体地，图1显示了振幅、极性和叠加在正弦波上的位置都不同的多个短期尖峰脉冲或短时脉冲波形干扰。其他用来去除这些短时脉冲波形干扰的标准技术、例如例示性的7抽头有限脉冲响应(FIR)数字滤波器一般效果不是很好。也就是说，虽然特定短时脉冲波形干扰的振幅可以减小，一般不能将它们去除，并且它们的几何形状(例如，它们的宽度)实际上可能会增大。相反，图2显示了图1的应用本发明的方案有效地去除了所有短时脉冲波形干扰的正弦波。

图3显示了以各种详细的实施例执行本发明的各个方面的一般系统的方框图。所示的是一个采样器301，用来接收输入导线300上的输入信号、例如图1所示的模拟信号。在适当的情况下，导线300上的输入信号可能已经被采样，在这种情况下，采样器301仅仅使这些输入信号通过，或以不同的速率采样-这可以由本领域普通技术人员来确定，以适应特定的环境。无论导线300上的输入信号是样本还是名义上的连续信号，都以脉冲幅度的异常变化反映出任何额外短时脉冲波形干扰的存在。一般来说，将采样器301的采样速率选择为足够高，以便能基本上以一个或多个样本捕捉到所有短时脉冲波形干扰影响的振幅值。采样器电路301的输出是一个反映任何存在的短时脉冲波形干扰的样本序列。出于参考的目的，将采样速率取为1/t，其中t是采样周期；因此，在t的每个倍数、即在t_i，i＝1，2，…产生一个样本。

量化器302从采样器301接收采样输出，并产生每个采样值的多比特表示。在一个例示性情况下，将样本变换成8比特数字值，但在特定情况下也可以采用其他特定的样本间隔。为每个t_i产生一个这样的样本。

N样本延迟电路303接收每个样本值的数字表示，并保持最新的N个样本。在一个例示性情况下，N＝7，延迟电路303保持七个最新的样本。在每t秒间隔之后，舍弃最旧的样本值，并接收下一个新样本值，由延迟电路303暂时保存。在典型的实施例中可以将延迟电路303实施为一个多位移位寄存器、一个带有可寻址指针的标准的多位存储器、一个循环缓冲器、或多种其他特定电路实现中的任何一个。

较佳地，使存储在延迟电路303中的所有N个值在当前的t秒时间间隔内可由分拣器304得到。分拣器304执行的首要功能是将展示给它的当前的N个值以值增大(或减小)顺序排序。由于最好将N选择为奇数(例如，7)，则当前时间间隔的N个值的顺序列表中的中间样本值容易地被中间点选择器305所识别和选择。中间点选择器305的输出是短时脉冲波形干扰滤波器输出。将由分拣器304分拣的排序时间样本存储在选择器305所知的一组寄存器或以物理或逻辑位置表示的存储单元中证明是很方便的，所以实际的选择仅仅是对可预测的存储单元的读出操作。

图4是图3系统的分拣器和相关单元的特定的例示性硬件实施例。更具体地，图4中所示是图3的N个样本延迟单元303的表示，显示为样本存储器405。可以看到，对于例示值N＝7，样本存储器405如图所示将样本1至7存储在各个存储寄存器中。如上所述，样本存储器的内容在每次t_i改变时改变，样本j在时间间隔的每次改变变为(j+l)，其中j＝1，2，…，6。在将新样本1增加到样本存储器405的顶部时舍弃样本7。如上所述，样本存储器405的实际硬件实现可以采取移位寄存器、带有可复置指针的随机存取存储器或其他任何适于实现(逻辑移位的)N个样本值的存储器的形式。为了便于参考，将每个样本值1-7说成是存储在各个寄存器中。时间样本序列的最后七个总保持在样本存储器405内。

七个寄存的八进制四输入(4到1)多路复用器(多路复用器A到G)在图4中显示为410。为了便于参考，将多路复用器A说成是“高于”多路复用器B，将多路复用器G说成是“低于”多路复用器F，等等。这些多路复用器接收存储在样本存储器405的各个寄存器中的样本值作为输入。另外，对于每个多路复用器可能的输入包括：相邻较高的多路复用器的输出(多路复用器A没有)，相邻较低的多路复用器的输出(多路复用器G没有)，以及从多路复用器的输出反馈回的当前值。控制输入435和440由多路复用器从比较逻辑模块420和425接收，与本领域普通技术人员所公知的标准时钟和定时控制一起由多路复用器接收。

例示性地，在输入新数据之后的第一个时钟，多路复用器选择线方便地选择样本值锁存进多路复用器寄存器。在接着的七个时钟周期，比较逻辑模块评价交替多对寄存值的振幅。在一个例示性序列中，比较逻辑模块420和425首先比较在多路复用器A&B、C&D以及E&F存储的值。在下一个时钟周期，比较多路复用器B&C、D&E以及F&G。在每次比较之后，如果较大的正值高于较大的负值，则来自比较逻辑模块420和425的选择线命令多路复用器保持它们的当前值。然而，如果较大的正值低于较大的负值，则比较逻辑命令两个多路复用器交换它们的值。在七个比较周期之后，多路复用器寄存器将分拣值保持为，将最大正值保存在多路复用器A中，将最大负值保存在多路复用器G中。多路复用器D的值则为作为输出提供的中间值，即图3中的中间点或中间选择器305的选择隐含在指定多路复用器D寄存器作为输出中。比较逻辑以及有关的时钟和定时的细节随特定的逻辑构件和/或实施工具而改变，这些都是本领域普通技术人员公知的。应该理解，在进行对N个样本分拣列表(对于N为奇整数的情况)的中间样本的选择时，如果证明方便的话，“高”和“低”位置指示器可以一致地颠倒。

在一个例示性硬件实施例中，可以采用应用与FPGA相联系的标准的开发工具构造的标准ATMEL现场可编程门阵列(FPGA)方便地实现图4电路的单元和操作序列。

例示性软件实施例

分拣滤波器的软件方案允许从一个磁盘文件或实施图3的N样本延迟301的功能的实时延迟单元读出输入数据。然后将计算出的滤波值写入磁盘或其他存储器，以供后续使用或检查。本发明的软件方案一般允许容易地修改所保持的用于处理的样本的个数N。这使得用户能够观察到对于特定数据集改变这个参数的所产生的效果。

如同本领域所公知的，可以采用多种算法用于对当前组N个样本值进行分拣。此外，非常适合于本发明的硬件实施的特定算法对于一些软件实施例是不适合的。然而，虽然分拣及相关算法在细节上可能不同，但在各个实施例中采用这些算法的结果是大致相同的。

在软件实施例中，N样本延迟单元(或循环缓冲器)有利地类似于上述硬件实施。在一个软件实施例中，一个对循环缓冲器阵列(cbuf)的索引在每次反复时增1，当它达到N时绕回(清零)。在这个环境下，并在一个新值覆盖循环缓冲器中的旧值之前，将旧值暂时保持在一个分拣缓冲器阵列(等效于寄存多路复用器)中并对其进行搜索。在分拣缓冲器中只有保存这个旧值的存储单元被更新。由于在每次更新之后在分拣缓冲器中只有新值是不按顺序的，因此只需要一遍分拣过程就可实现完全的分拣。如果每次在分拣之前将整个循环缓冲器的内容复制到分拣缓冲器中，则分拣过程需要七遍分拣，于是花费的时间长得多。

应该明白，虽然在一些硬件方案中难以实现有利的单遍分拣，但这些硬件实施例提供了在软件实施例中不易实现的效率。因此，例如，FPGA和其他硬件实施能够并行执行多个比较和交换，而这些操作对于软件实施例常常证明是困难的或不可能的。

将一个例示性分拣算法写成一个可调用的例程的形式：

median_value＝sort_filter(j)；

其中，j是当前样本。软件有利地包括一个例程sort_filter()，以及两个其他例程-sort_top_down()和sort_bottom_up()。附录A中显示的程序打开磁盘文件A：\data_file.txt和A：\sim_out.txt，从data_file.txt中读取j的下一个值，将这个值传送给sort_filter()，然后将返回值写到输出文件A：\sim_out.txt中。

sort_filter()例程在附录B中给出。从附录B可以看出，对最初几个#定义进行声明，以便于更好地理解代码，即，SAMPLE_SIZE定义为7。接下来声明两个阵列cbuf[]和sbuf[]，分别为循环缓冲器和分拣缓冲器。它们的大小为保存SAMPLE_SIZE个值。将这些阵列和对这些阵列的索引-cndx和sndx-声明为静态变量，因此在从sort_filter的一次调用到下一次时保持这些值。例程首先将循环缓冲器索引变量cndx递增，使其指到下一个阵列存储单元。当索引达到SAMPLE_SIZE时绕回到0。接着，将该存储单元的旧值保存在old_value中，然后新样本覆盖旧样本。

软件然后搜索分拣缓冲器，寻找old_value的第一次出现。当找到该值时，将其用新值代替，搜索循环以break语句退出。

最后，例程调用sort_top_down()和sort_bottom_up()。sort_top_down首先将第一阵列值与第二阵列值进行比较，如果需要，将它们进行交换，将较大值放入第一存储单元。然后例程比较第二值和第三值，以此类推，对阵列进行下去。sort_top_down将新样本沿阵列向下移动，以将其正确地放置。同样，如果需要，sort_bottom_up也可以将新样本沿阵列向上移动，以将其正确地放置。在这两个都调用了之后，将新样本正确地放置，以返回sbuf[MEDIAN_VALUE]语句返回中间值。

下面将参考图5的流程图进一步说明上述例示性软件实施例的方面(在附录B中提供的列表)。

C语言定义SAMPLE_SIZE 保持的数据样本的个数。例示的是一个奇整数

值，例如在实例列表中用的是7。SBUF_TOP 等效于数0。这允许更易读的代码，因为分拣缓

冲器阵列的顶部可以由sbuf[SBUF_TOP]代表。SBUF_BOTM 等效于SAMPLE_SIZE-1。这允许更易读的代

码，因为分拣缓冲器阵列的底部可以由

sbuf[SBUF_BOTM]代表。MEDIAN_VALUE 等效于(SAMPLE_SIZE-1)/2。如果

SAMPLE_SIZE为7，则MEDIAN_VALUE为3。

这是存储阵列中在每次迭代之后作为滤波值输出

的位置。

声明的变量cbuf[cndx] 循环缓冲器。保存最后[SAMPLE_SIZE]个样本的数

据阵列。当输入新样本时，最旧的样本被覆盖。将阵

列的索引命名为cndx。对于每个新样本，cndx递增

1.cndx范围从0到SAMPLE_SIZE，然后返回0。new_sample 在每次调用滤波器例程时通过滤波器例程的最新的数

据样本。oldest_value 在循环缓冲器中由new_sample覆盖的“最旧”的数据

值。sbuf[sndx] 分拣缓冲器。与循环缓冲器保存相同的保持样本的数

据阵列，除了这个阵列是以升序从负到正排列的。该

阵列的索引是sndx。

子例程sort_top_down() 将分拣缓冲器sbuf[]从上向下分拣的子例程。

将较大的正值向下移到他们正确的位置。sort_bottom_up() 将分拣缓冲器sbuf[]从下向上分拣的子例程。

将较大的负值向上移到他们正确的位置。

在图5的流程图中执行的步骤的概要

1.指向循环缓冲器中的下一个存储单元。(步骤501，502)：

++cndx；

cndx％＝SAMPLE_SIZE

2.对最旧值进行复制，然后以new_sample取代(步骤505-508)：

oldest_value＝cbuf[cndx]；

cbuf[cndx]＝new_sample；

3.找到分拣缓冲器中存储oldest_value的存储单元。用new_sample取代：(步骤505-508)

for(sndx＝SBUF_TOP)，sndx＜＝SBUF_BOT；sndx++{

       If(sbuf[sndx]＝＝oldest_value){

           sbuf[sndx]＝new_sample；
				
				<dp n="d8"/>
           break；

           }

         }

4.将分拣缓冲器重新分拣：

sort_top_down()； (步骤509和520-526)

sort_bottom_up()； (步骤510和530-536)

5.输出滤波值：

Return sbuf[MEDIAN_VALUE]； (步骤515)。

所有落入本发明的范围内的其他短时脉冲波形干扰滤波方法和用于实现这种方法的相关系统对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。因此，虽然这里描述了特定的分拣方法和功能，应该理解，也可以使用其他分拣方法来根据样本值对输入样本序列进行排序，选择出一个或多个输出值。虽然系统和方法参数的特定值、例如N＝7用于说明，但这种值对于本发明的所有实施例来说不是基本的。在适当的情况下，用户可以调整N的值来适应特定数据或系统特性或约束。

虽然本发明的一些例示性实施例预期使用FPGA，对于本领域普通技术人员来说，显然，在适当的情况下，可以将特定用途集成电路(ASIC)的部分或全部设计为实现本发明的实施例的部分或所有单元。同样，没有特定的计算机、程序设计语言、存储器配置或外围设备(或外围配置)对于本发明是必要的。

虽然在处理音频信号方面部分地显示了上述例示性实施例，但本发明并不限于此。于是，当对于部件速度、采样速率等进行本领域普通技术人员所熟悉的调整时，可以适应对很大范围的连续掺杂信号的处理。

虽然已经在处理N个最新样本的基础上进行了前面的描述，其中N为奇整数，但在适当的情况下，N可以是不同于奇整数的其他数。因此，例如，如果N较大，则选择位于样本值的分拣列表的中间的两个或多个样本值中的一个是足够的。或者，可以应用一些容易导出的多个中间值的函数(例如，数字平均)。此外，可以根据存储样本的实际值来调整选择。

虽然上面在增加一单个新样本和舍弃最旧的单个前一样本方面描述了在每个时间间隔对存储样本的更新，在适当的情况下，在适当调整的时间间隔，可以增加不止一个样本，并舍弃相同个数的最旧样本。

附录A调用sort_filter的主例程

include＜stdio.h＞
int sort_filter(int new_sample)
int j，median_value；
FILE*fptr，*foptr；
main(void){

    FILE*fptr，*foptr；

    fptr＝fopen(“a：\datafile.txt”，“r”)；

    foptr＝fopen(“a：\sim_out.txt”，“w”)；

    while(fscanf(fptr，“％d”，&amp;i)！＝EOF){

           median_value＝sort_fiter(i)；

           fprintf(foptr，“％d\n”，median_value)；

           }

    }

附录B

#define    SAMPLE_SIZE 7/*SAMPLE_SIZE是存储样本的个数*/
#define    SBUF_TOP    0/*阵列顶部的索引。sbuf[SBUF_TOP].*/
#define    SBUF_BOTM  (SAMPLE_SIZE-1)     /*这里，＝6.*/
#define    MEDIAN_VALUE(SAMPLE_SIZE/2)   /*这里，＝3.(整
static int cbuf[SAMPLE_SIZE]；  /*声明循环和分拣缓冲器*/
static Int cbuf[SAMPLE_SIZE]；
static unsigned char cndx；/*声明循环和分拣缓冲器的索引*/
Static unsigned char sndx；
int sort_filter(int new_sample)；

    int oldest_value；
/*复制最旧值，并以新值取代*/

    ++cndx；                  /*将循环缓冲器索引递增*/

    cndx％+SAMPLE_SIZE；      /*在等于SAMPLE_SIZE时设置为零*/

    oldest_yalue＝cbuf[cndx]；/*将最旧值保持在“oldest_value.”中*/

    cbuf[cndx＝new_sample；   /*用新值改写循环缓冲器*/
/*用新值取代分拣缓冲器中的最旧值的第一次出现*/

    for(sndx＝SBUF_TOP；SNDX＜＝SBUF_BOTM；sndx++){

           if(sbuf[sndx]＝oldest_value){ /*找到！*/

                   sbuf[sndx＝new sample；/*用新值改写旧值*/
				
				<dp n="d12"/>
                 break；    /*退出循环-完成*/

                 }

              }

/*因为分拣缓冲器除了新样本都已经分拣，一次从上到下的分拣和另一次从下到上的分拣就足够了。

  another sort bottom to top is sufficient.*/

       sort_top_down()；

       sort_bottom_up()；

       return sbuf[MEDIAN_VALUE]；  /*返回sbuf[3]中的值*/
/*＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝→ SORT TOP DOWN
 ←＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝*/ 
sort_top_down(){

    int temp；

    for(sndx＝SBUF_TOP；SNDX＜(SBUF_BOTM)；sndx++){/*从顶部向下分拣*/

    if(sbuf[sndx]＜sbuf[sndx+1]){

            temp＝sbuf[sndx+1]；

            sbuf[sndx+1]＝sbuf[sndx]；

            sbuf[sndx]＝temp；

            }

    }
return(0)；
}
/*＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝→ 从下向顶部分拣
←＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝*/
				
				<dp n="d13"/>
sort_bottom_up(){

    int temp；

    for(sndx＝SBUF_BOTM；sndx＞SBUF_TOP；sndx--){/*从底部向上分拣*/

            if(sbuf[sndx]＜sbuf[sndx-1]){

                    temp＝sbuf[sndx]；

                    sbuf[sndx]＝sbuf[sndx-1]；

                    sbuf[sndx-1]＝temp；

                    }

             }

    return(0)；

             }

Claims

1.一种用于处理输入数字信号序列的方法，每个所述输入数字信号具有一个数字值，所述输入数字信号的至少一些所述值掺杂有短时脉冲波形干扰，所述方法包括下列步骤：

将一组N个当前输入数字信号存储在一组N个有序存储单元中，

根据其相应的数字值分拣所述组N个当前输入数字信号，形成所述N个当前信号的一个分拣列表，以及

从所述分拣列表中选择中间值作为输出值。

2.如权利要求1所述的方法，其中，N是一个奇整数。

3.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：

从所述组删去最旧的M个输入数字信号，

将M个新输入数字信号增加到所述组，从而产生一个更新组的N个当前输入数字信号，以及

重复权利要求1的所述步骤，以产生一个输出值。

4.如权利要求3所述的方法，其中，M＝1，所述输入数字信号以周期t秒周期地出现，对于连续的t秒时间间隔重复地完成所述更新。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述分拣步骤通过执行所述存储的输入数字信号的一序列成对地比较来完成。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述有序存储单元以较高和较低关系排序，当信号彼此具有一预定关系时，所述成对比较导致存储单元内容的交换。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述预定关系为在被比较的一对存储单元的较低单元中出现较大正值。

8.如权利要求4所述的方法，其中，对于每个间隔，通过从前一间隔保持剩余存储的数据信号的有序关系、并以单遍分拣以所述增加的输入数据信号分拣所述剩余数据信号来执行所述更新。

9.一种用于处理输入数字信号序列的系统，每个所述输入数字信号具有一个数字值，所述输入数字信号的至少一些所述值掺杂有短时脉冲波形干扰，所述系统包括：

将一组N个当前输入数字信号存储在一组N个有序存储单元中的装置，

根据其相应的数字值分拣所述组N个当前输入数字信号，形成所述N个当前信号的一个分拣列表的装置，以及

从所述分拣列表中选择中间值作为输出值的装置。

10.如权利要求9所述的系统，其中，N是一个奇整数。

11.如权利要求10所述的系统，所述输入数字信号以周期t秒周期地出现，所述系统还包括

从所述组删去最旧的M个输入数字信号的装置，

将M个新输入数字信号增加到所述组存储数字信号、从而产生一个更新组的N个当前输入数字信号、用于在后续的t秒时间间隔内处理的装置。

12.如权利要求11所述的系统，其中，M＝1。

13.如权利要求9所述的系统，其中，所述分拣装置包括执行所述存储的输入数字信号的一序列成对比较的装置。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述有序存储单元以较高和较低关系排序，所述执行所述成对比较的装置包括当所述存储单元中的信号彼此具有一预定关系时执行存储单元内容的交换的装置。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述执行所述内容交换的装置包括当发现被比较的一对存储单元中的较低单元中存储着比被比较的所述对存储单元中的较高单元中存储的值更大的值时执行所述内容交换的装置。