CN1422089A - 使用查找表的块内插滤波器结构 - Google Patents

Abstract

基于查找表(LUT)的本发明使得能够在一个需要高速处理的地方进行低速滤波。尤其是，这种具有块结构的查找表结构有利于低速滤波和降低存储器使用率。由本发明提出的这种滤波器结构与那些传统的结构具有相同的性能，并且以低速率和低能量作为取代而对以前需要以高速率处理的一个内插过程进行滤波。而且，与传统的基于查找表(LUT)的滤波器相比，本发明提供一种降低了存储需求的新的滤波器结构。总之，本发明提供了一种新的滤波器结构，这种结构能够提供一种实现在一个无线通信系统中发送终端内的作为高速处理器的低复杂性和低功耗内插滤波器的新的滤波器结构。

Description

使用查找表的块内插滤波器结构

技术领域

本申请要求在2001年9月7日向韩国工业产权局提出的指定序列号为2001-54978的名称为“使用查找表的块内插滤波器结构”的申请的优先权，该申请的内容在此并入作为参考。

本发明涉及内插滤波器。具体上，本发明涉及一个用于无线通信系统的发送终端的内插滤波器。

背景技术

对于像CDMA-2000(码分多址2000)，W-CDMA(宽带码分多址)，或SDR(软件定义无线电)无线通讯系统来说，低复杂性和低功率是非常重要的因素。现在有如此多的对于这些方面的研究正在积极进行是不足为奇的。在其它方面，用于这样的系统的发送终端的脉冲整形内插滤波器降低了码元之间的干扰，并且为频域提供了合适的整形。事实上，在用于像IS-95(工业标准-95)，CDMA-2000，W-CDMA等移动通信系统的标准集中，尤其要求采用一个FIR(远红外)滤波器作为脉冲整形内插滤波器。最近，在对于开发有低速度、低计算量和低功率的内插进行了进一步的研究之后，一种基于查找表(LUT)的结构已经被提出。

由Hogenauer提出的一种通常使用的远红外(FIR)横向滤波器需要过量的倍增和高速滤波。这就是为什么要引入一个基于ROM(只读存储器)的查找表(LUT)滤波器，或者一个利用滤波系数的对称性而具有1/2大小的LUT和存储需求的新滤波器。这种滤波器有多相分解的结构。尤其是，这种远红外(FIR)滤波器包括对应于内插率的多个多相子滤波器，其中每个子滤波器执行一个与并行处理和内插率成比率的低速率并行滤波。然而不幸的是，当这种基于只读存储器(ROM)的查找表(LUT)滤波器被实际采用的时侯，它将占用整个滤波器容量的90％，因此存储需求是非常高的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种使用查找表(LUT)的块内插滤波器结构，也就是说，为了解决在传统的FIR横向滤波器中的高速率滤波时钟和在基于多相滤波器结构的查找表(LUT)的高存储要求的问题，提供一种使用块结构的新的基于查找表(LUT)的滤波器，它能够进行低速率滤波和降低存储需求。

基于LUT的本发明使得能够进行低速滤波，对此过去通常需要执行高速率处理。除了这种LUT结构，块结构也使通过一个并行处理进行低速滤波和降低存储器的使用成为可能。尤其，按照本发明的滤波器结构的优点在于它不仅能提供等效的性能，而且进行对内插处理的低速率和低功率滤波，这在以往是以一个非常高的速率并且消耗大量功率而执行的。因此，本发明主要的一个目标是建立一种新的滤波器结构，这种结构能够实现在无线通信系统发送终端的作为高速处理器的低复杂性和低功率内插滤波器。

为了达到上述目的，本发明提供了一种具有M内插率的N-分接头块内插滤波器，包括一个N/M大小的输入缓冲器；N/M个查找表(LUT)子滤波器，该滤波器具有与内插率M相同的滤波系数，并且通过对输入数据流进行索引而输出一个预先存储的滤波结果；M个加法器，用于对每个滤波结果进行矢量相加；M个并行到串行缓冲器，用于缓冲从M个加法器输出的结果。

附图说明

通过以下结合附图的说明及附加的权利要求，本发明的上述和其它目的以及特征将变得更加明显。应该理解这些附图仅仅描述了本发明的典型实施例，因此不应当认为是对本发明范围的限制，本发明将结合附图通过附加的特征和细节加以描述，其中：

图1a表示普通块内插滤波器结构；

图1b表示与图1a中除去上抽样器相等的结构；

图2表示根据本发明第一实施例的基于查找表(LUT)的块内插滤波器；

图3表示根据本发明第二实施例的使用普通的查找表(LUT)的块内插滤波器；

图4表示根据本发明的内插滤波器结构的其中子滤波器的输入m为1的块内插滤波器；

图5表示根据本发明的内插滤波器结构的其中子滤波器的输入m为2的块内插滤波器；

图6表示根据本发明的内插滤波器结构的其中子滤波器的输入m为3的块内插滤波器；

图7表示根据本发明的内插滤波器结构的其中子滤波器的输入m为6的块内插滤波器。

具体实施方式

现在参照附图描述本发明的一个优选实施例。下面的描述中，即使在不同的附图中，同一附图标记指代相同的部分。在说明书中描述的内容重点放在有助于全面理解本发明的内容。因此，众所周知的功能和结构将不做详细的描述，因为它们会以不必要的细节混淆本发明。

图1a描述了一种普通的块内插滤波器结构，图1b描述了一种与图1a中除去上抽样器后相等的结构。

尤其，在内插率1∶M(有限脉冲响应)的内插滤波器中，输入x(k)和输出y(k)之间的关系可以用下面的公式来表达。

[数学公式1] $y\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}h(k-i)u\left(i\right)=h\left(k\right)*u\left(k\right)$

在这里，假如滤波器的输出，y＝[y₀，y₁，...]^T是矩阵的形式，那么公式2被导出。

[数学公式2]

矩阵H能被进一步分成子矩阵，例如，M×M子矩阵。还有，矢量x和矢量y能被分成M×1个子矢量。因此，关于把输入/输出分成多个块的块内插滤波可以通过公式3，一个子矩阵块和一个矢量表示。

[数学公式3] $\left[\begin{array}{c}{y}_0\\ y_1\\ y_2\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_0& 0& 0& \\ H_1& H_0& 0& \\ H_2& H_1& 0& ...\\ & \underset{.}{\overset{.}{.}}& & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ X_1\\ X_2\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\end{array}\right]$

这里，H₁，x₁和y₁各自代表：

[数学公式4]

x_l＝[x_lM  0  …  0]^T

   y_l＝[y_lM y_lM+1 … y_(l+1)M-1]^T

l＝0，1，…，L-1

图1a中描述了基于H_l和x₁的块内插滤波器结构。对于图1a，↑M表示一个M次上抽样并且输出[x_lM 0…0]，其中对于输入x_lM，M-1个0被填补。单箭头表示单独抽样值的输入与输出，双箭头表示单位矢量的输入和输出。S-to-P表示串行到并行以及单独抽样值的矢量变换，P-to-S表示并行到串行。Z^-1表示一个抽样延迟，一系列Z^-1被输入到一个缓冲存储器，例如移位寄存器。L代表子滤波器的数量，并且它通过比率N/M得到。

在块x_l中，由于除了第一个元素外的所有元素都取值为零，因此矩阵H_l和矢量x_l能被在公式5中所定义的矢量h_l和标量值x_lm替换。

[数学公式5]

${\tilde{x}}_l={\left[\begin{array}{cccc}{x}_l& x_l& \·\·\·& x_l\end{array}\right]}^T$

在这里，块输入被转换为一个样值x_lM，所以它能被表示成不使用上抽样器的图1b所示的那样。这就是为什么内插滤波器的滤波不加速而保持像现在这样的输入率的原因。当一个N-分接头滤波器用于1∶M内插时，其滤波率为输入率的M倍。但是，使用一个块结构，就以N/M的低滤波率执行每个子滤波，因此它有低功耗。

(1)根据本发明第一实施例的滤波器的直接形式结构

本发明提供了一种使用查找表(LUT)的块滤波器结构。具体上，图2提供了根据本发明的第一实施例的一个基于查找表(LUT)的块内插滤波器，这种滤波器的内插比为1∶4(即，内插率为4)，并且具有48个分接头。下面，M表示内插率，N表示滤波器分接头数。

在图2中描述的块滤波器包括：一个N/M大小的输入缓冲器10，该缓冲器具有1∶M内插比并且被输入并行数据；用于滤波的查找表(LUT)20；加法器30，用于将每个滤波结果相加；和一个与一个输出有相同的块大小M的缓冲器40。输入过程通常以并行方式执行，但是在滤波过程之后的所有计算以矢量形式进行。因为输入信号是一个二进制比特流，所以每个子滤波器(即每个LUT 20)的输出值不是零(0)就是非零(除了零之外的任何值)。因此每个子滤波器的查找表(LUT)的大小是2。并且，对于一个样值输入，每个子滤波器输出M×1矢量，并通过将每个子滤波器的结果相加得到一个矢量和，并通过一个并行到串行转换缓冲器40输出这个总和。换句话说，所提出的滤波器的直接形式结构，假设其滤波系数是N，执行N/M大小输入缓冲器、N/M子滤波器LUT和NW的存储量的矢量相加。这里，LUT的大小表示输入端口的数量，W表示输出数据的宽度。

(2)根据本发明第二实施例的利用系数对称性的改进的滤波器结构

线性相位FIR滤波器的系数对称性通过共享LUT，能够减少几乎一半LUT的大小和存储需求。下面，表1表示块滤波器的滤波系数的对称性。

[表1]

在N个分接头的滤波器中，子滤波器的系数

与 是一对，具有相等的值。子滤波器

和 也是相等的。图3表示根据本发明第二实施例有共享查找表(LUT)的块内插滤波器。在图3中表示的该滤波器结构包括一个N/M大小的输入缓冲器110，一个2×1的多路复用器120，一个N/2M大小的LUT 130，一个加法器140和一个输出缓冲器150。因为该输入处理被分成两组并且以一个确定的时间间隔利用同样的LUT被滤波，因此使用系数对称性的滤波器的存储空间利用被降低到NW/2，这是第一实施例中直接形式滤波器的存储空间利用的一半。另一方面，由于输入处理被分成两组，滤波时钟也因此是直接形式的两倍。

(3)根据滤波器结构的一般化的最佳滤波器

本发明的滤波器结构可以通过在二进制输入数据流的基础上进行滤波而重新构建成如图4到图7表示的那样。同时，子滤波器的输入带宽m，以及被查找表(LUT)子滤波之后的加法操作的频率是由子滤波器的组数决定的。

图4表示一个本发明的内插滤波器结构，其中，子滤波器的输入m是1；图5也表示一个本发明的内插滤波器结构，其中，子滤波器的输入m是2；图6表示一个本发明的内插滤波器结构，其中，子滤波器的输入m是3；图7表示一个本发明的内插滤波器结构，其中子滤波器的输入m是6；其中G表示重新构建的组。图4-7表示的本发明可以用于N≠1和/或M≠4的情况下。图4中的LUT是通过修改归纳上述块结构后得出的，并且由基于二进制输入数据流的滤波的结果的滤波系数组成。相反，在图5中描写的输入缓冲器被分组或配对，也就是说，在图4中的子滤波器在图5中被分成对，并且每个子滤波器的总和由于重新构成的组输入的增加而提高了子滤波器的LUT大小和存储需求。同样，如图6和图7所示，通过在两种情况中删除加法操作，可以重新构建滤波器的结构。如表2所示，对于一个基于直接形式的全LUT以及一个由于共享LUT而产生的半LUT，根据所提出的滤波器结构的LUT的大小，存储容量和加法器被分别表示为上述滤波器分接头的数量N，内插率M，子滤波器的宽度m。因此，LUT的大小或输入端口的数量成比例地增加到2m，子滤波器的数量也是如此。另一方面，存储容量需求与LUT的大小，输出字的长度和块的大小成比例地增加。并且加法器是子滤波器的数量与块大小的相乘。这样的一般化结果使得能够根据LUT的大小，存储器利用和计算量来选择最佳滤波器。

[表2]

	LUT大小	存储器容量	加法器
				全LUT	(2m-1)(N/Mm)	(2m-1)(N/m)W	(N/mM-1)M
半LUT	(2m-1)(N/2Mm)	(2m-1)(N/2m)W	(N/2mM-1)M

一个基本的内插滤波器首先利用上抽样器内插一个的输入样值0，并滤除该值，输出等于内插率的样值。另外，LUT滤波器对输入数据流进行索引以输出预存储的滤波结果。就调制解调器发送终端的内插滤波器来说，该滤波操作在二进制输入上执行。这就是由本发明第一实施例所提出的直接形式怎样包括N/M个子滤波器，其中假设整体滤波系数是N，内插率是M。而且，输入滤波器由一个过渡缓冲器构成，用于缓存N/M个样值。每当输入一个样值，缓冲器的最先的样值就被丢弃，并且该样值在缓冲器中的功能是作为输出每个LUT值的开关。拥有块结构的LUT的子滤波器的滤波输出与滤波系数有相等的值。另外，内插使得能够对于一个样值输入输出M个样值。以这种方式，每个滤波输出的M个样值被相加并且其和被输出。这样的并行处理的值随后被转换为一个滤波输出，或者一个串行格式，并包括所述滤波输出。在具有直接形式的一半存储需求的共享LUT结构中，由于每对N/M滤波器与那些直接形式的滤波器有相等的值，因此输入缓冲器被分成两组，并且轮流对通过多路复用器输入到N/2M个子滤波器中的样值上进行滤波处理。也就是说，通过两次访问LUT，即对于一个样值输入的一个子滤波器而获得结果。然而，该结构还包括通过分组子滤波器在LUT中的加法操作。因此根据组数决定子滤波器的输入m的值，该组数对应于子滤波器数量的约数。更进一步，LUT的容量、存储利用率和加法器也由此被决定。换句话说，通过将分成两组的输入缓冲器中的位串增加到子滤波器的输入m，滤波器输出值通过在LUT里的索引而被输出。

下面，如表3所示，过去最普通的结构之一的公知的横向结构的功能，多相结构的功能，多相II结构的功能以及表示在图4-6中的本发明的三个实施例被互相比较。(可以注意到多相结构(多相I)在“Proc.Intl.Symp.CircuitSys.，Vol.2，1998，pp.316-319”中有描述，改进的多相结构(多相II)在“Electronic Letters，Vol.35，Issue 18，pp.1504-05，Sept.’99”中有描述)。为了比较，在CDMA2000(扩展率1)中使用的48个分接头的1∶4内插滤波被执行。

[表3]

结构	LUT大小	存储器容量	加法器	滤波时钟
					横向	48	96W	12	4B
多相I	128	128W	12	B
					多相II	64	64W	6	2B
假设m＝1	6	24W	20	2B
					假设m＝2	9	48W	8	2B
假设m＝3	14	64W	4	2B

从实验中可以看出，当子滤波器的输入m被假设为1时(如图4所示)，横向滤波器结构显示在LUT大小上减小87.5％，在存储器容量需求上减少75.0％；多相I显示在LUT大小上减少95.3％并且在存储器容量需求上减少81.3％；多相II显示各自减少90.6％和81.3％。然而，加法器将被增加到20，与多相II相比，这几乎是最初加法器数量的3.3倍。

另一方面，当子滤波器输入m被假定为2时(如图5所示)，在其它传统的结构中最有效的结构之一的多相II显示在LUT大小上减少85.9％，在存储器容量需求上减少25％。

因此，当m被假定为3时(如图6所示)，多相II将变得非常有效，在相同存储容量需求下LUT的大小和加法器都被减少。而且，当m值被假定为2时，与加法器增加到2相比，相对以LUT大小的减少和存储容量需求的减少为主，所以它被证明是一个非常有效的结构。

虽然结合各种实施例对本发明进行了描述，但它们仅仅是用于说明。因此，按照前述的详细说明，各种替换方式，修改和变化对本领域的普通技术人员是明显的。前面的说明意欲覆盖具有所附的权利要求的精神和范围的所有这样的替换方式和变化。

Claims (5)

1.一种N个分接头的块内插滤波器，其内插率为M，包括：

一个N/M大小的输入缓冲器

具有等于内插率M的滤波系数的N/M个查找表子滤波器，用于通过对输入数据流上进行索引而输出一个预存的滤波结果；

M个加法器，用于对子滤波器输出的每个滤波结果进行矢量相加；以及

M个并行到串行缓冲器，用于缓存来自M个加法器的每个结果。

2.根据权利要求1的N个分接头的块内插滤波器，其特征在于输入缓冲器是一个用于缓存N/M个样值的过渡缓冲器。

3.一种内插率为M的N个分接头的块内插滤波器，包括

一个N/M大小的输入缓冲器；

一个2×1多路复用器，用于对输入缓冲器的输出进行多路复用；

N/2M个查找表子滤波器，该滤波器的滤波系数等于内插率M，用于通过对输入数据流进行索引而输出一个预存的滤波结果；

M个加法器，用于对子滤波器输出的每个滤波结果进行矢量相加；以及

M个并行到串行缓冲器，用于缓存来自M个加法器的每个结果。

4.根据权利要求4的N个分接头的块内插滤波器，其特征在于，对于通过多路复用器从输入缓冲器输入的每个样值，所述滤波结果是通过对N/2M个查找表子滤波器访问两次而输出的。

5.一种内插率为M的N个分接头的块内插滤波器，包括：

一个N/M大小的输入缓冲器；

一个2×1多路复用器，用于对输入缓冲器的输出进行多路复用；

至少一对查找表LUT子滤波器，用于接收来自多路复用器的m个输入，对输入数据流进行索引和输出一个包含预存的加法操作的滤波结果；

M个加法器，用于对子滤波器输出的每个滤波结果进行矢量相加；以及

M个并行到串行缓冲器，用于缓存来自M个加法器的每个结果。

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