CN1669220A - 数字滤波器的设计方法、数字滤波器设计用程序、数字滤波器 - Google Patents

数字滤波器的设计方法、数字滤波器设计用程序、数字滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明的数字滤波器的设计方法，是通过将以预定的基本的数值列为滤波器系数的基本单元滤波器、制成中心频率Fc有共同通带的高通单元滤波器H15和低通单元滤波器L13，并将它们进行级联连接以设计带通滤波器，通过这样可以不需要通过多种单元滤波器组合的特性值彼此之间的相抵以抽出所需频带，仅通过高通单元滤波器H15和低通单元滤波器L13的级联连接，便可将相互重叠的部分作为带通滤波器的通带抽取出。

Description

数字滤波器的设计方法、数字滤波器设计用程序、数字滤波器
技术领域
本发明涉及数字滤波器的设计方法、数字滤波器设计用程序、数字滤波器；特别是涉及具备多个由延迟器构成的带抽头的延迟线，将各抽头信号分别变为数倍之后进行加算并输出的FIR滤波器的设计法。
背景技术
在通讯、测量、语音/图像信号处理、医疗、地震学等各种领域中所提供的各种电子机器中，通常在内部施行某种数字信号处理。在数字信号处理的最重要的基本操作中，有从混合有各种信号或噪音的输入信号中，仅取出所需频带信号的滤波处理。因此，执行数字信号处理的电子机器大多采用数字滤波器。
作为数字滤波器大多采用IIR((Infinite Impulse Response：无限长脉冲响应)滤波器、或FIR(Finite Impulse Response：有限长脉冲响应)滤波器。其中，FIR滤波器是具备多个由延迟器构成的带抽头的延迟线，并将各抽头的信号分别变为数倍之后，进行加算并输出的滤波器，其具有下述优点。第1，因为FIR滤波器的转移函数的极点仅在z平面的原点才有，因此通常电路处于稳定状态。第2，可实现完全正确的直线相位特性。
若将滤波器按照通带与阻带的配置分类，主要可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器四种。IIR滤波器或FIR滤波器中基本为低通滤波器，其他高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器则通过从低通滤波器执行频率转换等的处理而导出。
以前，当设计基本低通滤波器时，以采样频率和截止频率的比率为基础，通过执行采用窗函数或切比雪夫近似法等的卷积运算等，来求取对应FIR滤波器的各抽头的系数。然后，通过使用所求得的滤波器系数、进行模拟，边确认频率特性，边适当修正系数值，以获得所需特性的低通滤波器。
再者，在设计高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等其他滤波器时，首先依照上述顺序，设计多个基本低通滤波器。然后，通过组合这些低通滤波器以执行频率变换等操作，来设计具有所需频率特性的FIR滤波器。
但是，上述现有的滤波器设计法，必须由熟练的技术者花费时间和工夫进行设计，从而带来不能很容易地设计所需特性的FIR滤波器这一问题。
另外，即便假设能设计出接近所需特性的FIR滤波器，但所设计的滤波器的抽头数将颇为庞大，而且其系数值将成为非常复杂的随机值。因此，带来为了实现该抽头数和系数值而需要大规模电路结构(加法器、乘法器)这一问题。此外，在实际使用所设计的FIR滤波器时，也会使该运算量变得非常多，而产生处理负荷加重的问题。
在此本案申请人正是借鉴这类问题，曾考虑可容易地设计具有所需频率特性的FIR数字滤波器，且可以较小电路规模高精度地实现所需频率特性的滤波器设计法，并提出了专利申请(特愿2001-400673号公报)。
本发明是更进一步改良该已提出的申请的内容的发明，其目的在于能更高精度地实现所需频率特性，且可更简易地设计出具有此种频率特性的FIR数字滤波器。
发明内容
为了解决上述课题，在本发明中，通过以基本单元滤波器为基础作成相互有共同的通带的一个以上的单元滤波器，并将上述1个以上的单元滤波器进行级联连接来进行数字滤波器的设计，其中基本单元滤波器是通过由预定的基本的数值列所构成滤波器系数，将多个由延迟器构成的带抽头的延迟线的各抽头的信号分别变为数倍之后，再将这些的乘算结果进行加算并输出而构成的。
上述基本单元滤波器的滤波器系数是由如绝对值为1，1，8，8，1，1的比率的数值列、或1，0，9，16，9，0，1的比率的数值列所构成。
另外，上述1个以上的单元滤波器包含如具有大致相同的中心频率的高通单元滤波器和低通单元滤波器。
本发明的其他方式是通过在上述各抽头之间插入数个时钟量的延迟，以使上述单元滤波器的通带的带宽变狭窄。
本发明的其他方式中，当以YF表示上述单元滤波器时，通过将上述单元滤波器级联连接以使
a*YFi-b*YFj的关系成立，从而扩大上述单元滤波器的通带的带宽；其中，对YF的乘算表示上述单元滤波器的级联连接，a、b、i、j是表示上述单元滤波器的级联连接数的系数，a＞b、i＜j。
本发明的其他方式中通过以基本单元滤波器为基础作成有较宽的通带的单元滤波器，设计高通滤波器和低通滤波器使在上述单元滤波器的通带中它们的各通带相互重复，并将上述单元滤波器、上述高通滤波器及上述低通滤波器进行级联连接，来设计以各通带的重叠的部分为通带的带通滤波器，其中的基本单元滤波器是通过由预定的基本的数值列所构成滤波器系数，将多个由延迟器构成的带抽头的延迟线的各抽头的信号分别变为数倍之后，再将这些的乘算结果进行加算并输出而构成的。
本发明的其他方式中，通过对上述高通滤波器与上述低通滤波器的任一方或双方，进行权利要求范围第3项和权利要求范围第4项的任一方或双方的操作，以微调整上述带通滤波器的通带。
本发明的其他方式中，通过将采用上述设计方法而生成的滤波器列分配在1个以上的模块中，并将对应各模块的最终生成系数的1个以上的滤波器进行级联连接来设计数字滤波器。
如上所述，本发明通过将由以预定的基本数值列为滤波器系数的基本单元滤波器所作成的1个以上的单元滤波器进行级联连接来设计数字滤波器。此外，由于采用设计高通滤波器和低通滤波器使在有较宽的通带的单元滤波器的该通带中它们的各通带相互重复，并级联连接上述单元滤波器、高通滤波器及低通滤波器来设计数字滤波器，因此基本上仅用单元滤波器的组合便可得到数字滤波器的复杂的滤波器系数，即使不是熟练技术者也能极简单地进行滤波器设计。
另外，依照本发明，所设计的数字滤波器仅要非常少量的抽头数，且对各抽头输出所需的滤波器系数的种类亦非常少便可，从而能使数字滤波器的结构极为简单化。因此，可大幅削减电路元件数(特别是乘法器)并缩小电路规模，而且还可以达到降低消耗功率、减轻计算负载等效果。此外，由于所设计的数字滤波器是以单元滤波器这一相同方式的反复而构成的极简单的构造，因此在集成化时可减少工序数，从而能容易地实现IC化。
再者，按照本发明的其他特征，通过将插入在各抽头间的延迟数量较多(插入在滤波器系数间的“0”的个数)的单元滤波器进行级联连接来设计数字滤波器，可以不需增加滤波器的级联段数，便可任意地使带宽变狭窄。
还有，按照本发明的其他特征，仅用级联连接单元滤波器以符合
a*YFi-b*YFj(a、b、i、i为系数，a＞b、i＜i)的关系，便可任意地扩大带宽。
再者，按照本发明的其他特征，设计高通滤波器和低通滤波器使在有较宽的通带的单元滤波器的该通带中它们的各通带相互重复，并对该高通滤波器与低通滤波器的任一方或双方施行将上述的使带宽变狭窄的操作或者扩大带宽的操作，则能简单地微调整带宽。
附图说明：
图1是显示采用本实施方式的滤波器设计法构成的最基本的四种基本单元滤波器F0～F3的电路结构及滤波器系数的数值列的图。
图2是显示低通单元滤波器L10的生成算法及电路结构的图。
图3是显示低通单元滤波器L11的生成算法及电路结构的图。
图4是显示低通单元滤波器L10、L11的频率-增益特性的图。
图5是显示低通单元滤波器(L10)m的频率-增益特性的图。
图6是显示高通单元滤波器H10的生成算法及电路结构的图。
图7是显示高通单元滤波器H10、H11的频率-增益特性的图。
图8是显示高通单元滤波器(H10)m的频率-增益特性的图。
图9是示意性地显示本实施方式的带通滤波器的设计方法的图。
图10是显示本实施方式的带通滤波器的具体的设计例的图。
图11是显示本实施方式的带通滤波器的具体的设计例的图。
图12是显示本实施方式的带通滤波器的电路结构例的图。
图13是显示图12所示的带通滤波器的频率-增益特性的图。
图14是示意性地显示使带宽变狭窄的单元的图。
图15是适宜性地显示扩大带宽的单元的图。
图16是显示调整了高通单元滤波器H18的带宽的结果的频率-增益特性的例子的图。
图17是示意性地显示微调整带宽的单元的图。
具体实施方式
首先，在说明本发明实施方式之前，对本案申请人已提出专利申请案的特愿2001-400673号(以下称“已提出的申请”)的概要，说明如下。该已提出的申请是使用以下所说明的四种基本单元滤波器F0、F1、F2、F3制作四种单元滤波器L1n、L2n、H1n、H2n，并可仅用这些的组合而设计出具有所需频率特性的FIR滤波器。
图1是显示上述四种基本单元滤波器F0～F3的图，(a)所示为电路结构，(b)所示为滤波器系数的数值列。如图1(a)所示，基本单元滤波器F0～F3中利用级联连接的五个D型触发器1-1～1-5将输入信号各顺次延迟1个时钟CK。然后，对从各D型触发器1-1～1-5的输入输出抽头所取出的信号，通过6个系数器2-1～2-6分别乘以、将滤波器系数乘16倍后的结果的整数值h1～h6，并将这些的乘算结果全部用5个加法器3-1～3-5进行加算。再在设置于最终段的加法器3-5的输出段中的乘法器4中，通过将加算输出变为1/16倍，从而将振幅复原并输出。
四种基本单元滤波器F0～F3的电路构造均如图1(a)所示，仅滤波器系数(系数器2-1～2-6的乘数值h1～h6)如图1(b)所示那样是不同的。由图1(b)中可知，基本单元滤波器F0～F3的滤波器系数是由仅用绝对值为“1”或“8”的极简单的数值列所构成，通过添加正或负的符号而使其排列不同。但是，不管哪一基本单元滤波器F0～F3的系数，均为对应中央附近的抽头的乘数值h3、h4是绝对值为“8”，对应其两侧的抽头的乘数值h1，h2，h5，h6是绝对值为“1”。
单元滤波器L1n、L2n、H1n、H2n是使用这些基本单元滤波器F0～F3生成的。另外，在表示单元滤波器的符号后所添加的“n”文字表示插入于各抽头间的延迟的时钟数，即，表示插入于各滤波器系数之间的“0”的个数(详细情况后边讲述)。
图2是显示低通单元滤波器L10的图，(a)所示为该低通单元滤波器L10的生成方法，(b)所示为电路结构。如图2(a)所示，低通单元滤波器L10是通过对基本单元滤波器F0的滤波器系数执行1次移动平均运算而生成的。
电路结构如图2(b)所示，通过连接于基本单元滤波器(F0)11的后段的D型触发器12，将基本单元滤波器1 1的输出信号仅延迟1个时钟CK。然后，将通过D型触发器12接受延迟的前后的信号，利用加法器13进行加算，并通过使用乘法器14将该加算输出变成1/2倍，从而将振幅复原并输出。
图3是显示低通单元滤波器L11的图，(a)所示为该低通单元滤波器L11的生成方法，(b)所示为电路结构。低通单元滤波器L11的滤波器系数是通过在上述低通单元滤波器L10的各滤波器系数之间各插入1个“0”而生成的。即，低通单元滤波器L11的滤波器系数是如图3(a)所示，通过对基本单元滤波器F01的滤波器系数执行1次移动平均运算而生成的。
低通单元滤波器L11的电路构造如图3(b)所示，通过级联连接于基本单元滤波器(F01)21后段的二个D型触发器22-1、22-2，使基本单元滤波器21的输出信号各顺次延迟1个时钟CK。然后，将通过二个D型触发器22-1、22-2接受延迟的前后的信号，利用加法器23进行加算，并通过使用乘法器24将该加算输出变成1/2倍，从而将振幅复原并输出。
同样地，低通单元滤波器L1n(n＝2，3，…)的滤波器系数，是通过在低通单元滤波器L10的各滤波器系数之间各插入n个“0”而生成的。
图4是显示低通单元滤波器L10、L11的频率-增益特性图。在此将增益和频率利用“1”进行基准化。由图4可知，若将插入于滤波器系数间的“0”的个数设为n，则其频率-增益特性的频率轴(对应频率方向的周期)成为1/n。
下面，针对单元滤波器的级联连接进行说明。通过将低通单元滤波器进行级联连接，将各单元滤波器的系数彼此进行乘算、加算，而制作出新的滤波器系数。以下比如当低通单元滤波器L10的级联数设为m时，将其描述为(L10)m。
图5所示是低通单元滤波器L10，(L10)2，(L10)4，(L10)8的频率-增益特性图。在此图5中亦是将增益和频率利用“1”进行基准化。当低通单元滤波器L10仅1个的情况下，在振幅为0.5的位置的时钟是0.25。相对于此，若增多级联数m，则滤波器的通带宽度将变狭窄。譬如当m＝8时，振幅为0.5的位置的时钟成为0.125。
图6是显示高通单元滤波器H10的图，(a)所示为该高通单元滤波器H10的生成方法，(b)所示为电路构造。如图6(a)所示，高通单元滤波器H10的滤波器系数是通过使用基本单元滤波器F2、F3的滤波器系数、进行1次的移动平均运算而生成的。
电路结构如图6(b)所示，输入信号通过二个基本单元滤波器(F2)41、(F3)42，其中之一的基本单元滤波器42的输出信号通过连接于其后段的D型触发器43而仅延迟1个时钟CK。然后，将基本单元滤波器41的输出信号，与经D型触发器43而延迟了1个时钟的基本单元滤波器42的输出信号，利用加法器44进行加算，并通过用乘法器45将该加算输出变为1/2倍，从而将振幅复原并输出。
与上述低通单元滤波器L1n的情况相同，高通单元滤波器H1n(n≥1)的滤波器系数，是通过在高通单元滤波器H10的各滤波器系数之间各插入n个“0”而生成的。此外，通过将m个高通单元滤波器H1n进行级联连接，可以作成新的滤波器系数。高通单元滤波器(H1n)m的频率-增益特性可以得到：级联数m越多则通带宽度越窄，即便在高频区域中也极其深度直线下落的特性。
图7是显示高通单元滤波器H10、H11的频率-增益特性的图。在此图7中亦是将增益与频率利用“1”进行基准化。由此图7可知，在高通单元滤波器H1n的情况下也同样是：若在滤波器系数间插入n个“0”，则此频率-增益特性的频率轴(对应频率方向的周期)将成为1/n。
再者，图8是显示高通单元滤波器H10，(H10)2，(H10)4，(H10)8的频率-增益特性的图。在此图8中亦是将增益与频率利用“1”进行基准化。当高通单元滤波器H10仅1个的情况下，在振幅为0.5的位置的时钟是0.25。相对于此，若增多级联数m，则滤波器的通带宽度将变狭窄。譬如当m＝8时，振幅为0.5的位置的时钟成为0.375。
以上为已提出的申请的基本内容。下面，针对本实施方式的滤波器设计法进行说明。在此针对、通过将上述低通单元滤波器L1n与高通单元滤波器H1n进行组合，设计以所需频带为通带的带通滤波器的例子进行说明。
当可自由决定带通滤波器的中心频率Fc、或信号采样频率Fs中的任一者时，通过将频率抽样的条件最佳化，可使滤波器的结构更加简单化。现在设定带通滤波器的中心频率Fc、与信号采样频率Fs间的关系为：
Fs＝Fc*(4+2k)    (k＝0，1，2，…)
这种情况下，当Fc＝450KHz时，Fs＝1.8MHz、2.7MHz、3.6MHz、…。在此种设定的情况下，仅利用将高通单元滤波器H1(5+3k)与低通单元滤波器L1(3+2k)进行级联连接，便能设计带通滤波器。这些高通单元滤波器H1(5+3k)、低通单元滤波器L1(3+2k)，均具有中心频率Fc为450KHz的通带。
譬如当k＝0(Fs＝4Fc)时，通过将高通单元滤波器H15与低通单元滤波器L13进行级联连接，便能设计带通滤波器。此外，当k＝1(Fs＝6Fc)时，通过将高通单元滤波器H18与低通单元滤波器L15进行级联连接，便能设计带通滤波器。
图9是示意性地显示上述带通滤波器的设计方法的图，(a)所示为k＝0的情况，(b)所示为k＝1的情况。譬如在图9(a)中，若将高通单元滤波器H15与低通单元滤波器L13进行级联连接，便可将各通带①、②中仅相互重叠部分作为通带③取出。
在图9(b)中也一样，若将高通单元滤波器H18与低通单元滤波器L15进行级联连接，便可将各通带①、②中仅相互重叠部分作为通带③取出。k＞0的情况时，由于在所求得的带通滤波器的中心频率Fc之外也产生通带，因此利用低通滤波器(LPF1)④将其抽取出。
利用高通单元滤波器(H1n)m或低通单元滤波器(L1n)m的级联连接的段数(m的数值)，可以调整带通滤波器的带宽。在图9(b)所示例子中，带通单元滤波器H18与低通单元滤波器L15二者均设定为m＝1，当将二者均设定为m＝8时的频率特性，如图10与图11所示。
图10是将高通单元滤波器(H18)8和低通单元滤波器(L15)8的频率特性进行重叠来显示的，通过将这些滤波器进行级联连接，便可仅取出重叠的部分。此外，图11所示为利用LPF1或LPF2进行的通带抽取，通过对如图10所示取出的三个带通施加LPFI或LPF2，可以仅取出二端的通带。
下面，显示实际的电路例。标的规格设定为中心频率Fc＝450KHz、-3dB带宽＝100KHz，-80dB带宽＝200KHz。图12是显示实现该标的规格的带通滤波器的电路例的图。
带通的衰减量依赖于级联连接的滤波器的个数。在图12所示电路中，为确保80dB以上的衰减量，在8个高通单元滤波器H18和8个低通单元滤波器L15的后段，还级联连接有4个低通单元滤波器L111。在此之后所连接的低通单元滤波器(L10)2、L11、L12、D型触发器D9、D6、及多个乘加算器构成LPF1。另外，D9、D6各意味9个时钟、6个时钟的延迟。
由此图12可知，依照本实施方式的滤波器设计方法，可以用由大致相同的单元滤波器的重复所构成的极简单的结构，便能获得所需特性的带通滤波器。另外，各单元滤波器的内部结构如上所述，整体所需要的抽头数为144个抽头，是非常少的数量。另外，对各抽头输出所需的滤波器系数仅-1/16、1/16、-8/16，8/16四种，尤其是由于-8/16＝-1/2、8/16＝1/2，因此能使运算电路更为简洁化。
图13是显示如图12所示所构成的带通滤波器的频率-增益特性的图，(a)显示整体的频率特性，并以对数标度表示增益。另外，(b)和(c)是放大显示通带的部分的图，(b)是以对数标度表示增益，(c)是以直线标度表示增益。
由图13(a)可知，如图12所示所构成的带通滤波器可以实现80dB上的衰减量。但是，-3dB带宽约为63KHz，-80dB带宽约为145KHz，并未符合所要求规格。在图12的电路中，虽设定k＝1(Fs＝6Fc)，但当需要更大的带宽时，可以设定k≥2从而增大采样频率Fs。
下面，针对用于调整带通使其变狭窄的装置进行说明。采用图5及图8，如上述那样可以为将带宽变狭窄而增加滤波器的级联段数，但这是有限度的。在此针对能更有效地使带宽变狭窄的方法进行说明。图14是示意性地显示此方法的图。
图14(a)与图9(b)相同。当想获得比其更狭窄的带宽的时，如图14(b)所示，取代带通单元滤波器H18而改为采用高通单元滤波器H114。高通单元滤波器H114与高通单元滤波器H18一样，具有中心频率Fc为450KHz的通带，而其带宽却成为高通单元滤波器H18的9/15＝3/5。
因此，通过采用此高通单元滤波器H114，便可在不增加滤波器的级联段数的前提下，有效的将带宽变狭窄。此外，由于高通单元滤波器H114乃仅增加了插入各滤波器系数间的“0”的个数，因此作为系数而实际取出的抽头数完全没有增加，并且电路规模亦未变大。另外，在此针对使用高通单元滤波器H114的例子进行了说明，但只要是在中心频率Fc＝450KHz具有通带的单元滤波器的话，同样可以采用。
下面，针对用于调整带宽使其变宽的装置进行说明。图15是用于说明含倾斜的带宽的调整手法的频率-增益特性图。该图15中也是将增益利用“1”进行基准化。在此，将调整前的单元滤波器的频率特性以YF表示。如上所述，若将2个①中所示的单元滤波器YF级联连接，则倾斜变急剧且带宽变狭窄(-6dB的时钟位置移往低频侧)(②)。
然后，以增益中心值(＝0.5)为轴，反转②中所示的单元滤波器YF2的频率-增益特性(③)。这是通过配合延迟从基准增益值“1”的单元脉冲(相当于中心值为1，其他全为0的滤波器系数)中减去单元滤波器YF2的滤波器系数而求得的(1-YF2)。在此，将其称为反转单元滤波器。
另外，级联连接二个③中所示的反转单元滤波器。通过此所获得的频率-增益特性的倾斜将更为急剧，且带宽亦将变得更为狭窄(-6dB的时钟位置移往高频侧)(④)。在此，虽将级联连接的反转单元滤波器的个数与②的情况一样、设定为2个，但是通过设定为比此更多的数量，可使移往高频侧的移动量大于先前的移往低频侧的移动量。
最后，以增益中心轴(＝0.5)为轴，反转④中所示的频率-增益特性(⑤)。这是通过配合延迟从基准增益值“1”的单元脉冲中减去④的滤波器系数而求得的(1-(1-YF2)2)。若将原始数据①的频率特性与调整后数据⑤的频率特性进行比较的话，可以看到调整后数据⑤的频率特性与原始数据①相比倾斜更为急剧，而且带宽变得更宽。
若将调整后数据⑤的式子展开，则成为以下那样。
1-(1-YF2)2
＝1-1+2YF2-YF4
＝2YF2-YF4    …(式1)
该式1是分别级联连接二个①的单元滤波器和③的反转单元滤波器的情况下所获得的式子，但是级联连接的段数并不仅限于此。其中，为了扩大带宽，最好设定③的级联段数多于①的级联段数。
此情况下，上述的式1可一般化为下述式2。
a*YFi-b*YFj    …(式2)
其中，a、b为系数(a＞b)，i＜j，*表示级联连接。图16所示为采用高通单元滤波器H18为调整前的原始数据、调整此带宽的结果的例子。在此将调整后的滤波器设定为：
2*(H18)5-(H18)9。
通过该调整，-3dB的带宽成为约100KHz，-50dB的带宽则成为约200KHz。
下面，针对用于微调整带宽的频率的单元进行说明。图17是用于说明频率的微调整方法的频率-增益特性图。在该图17中亦是将增益利用“1”进行基准化。
如图17所示，设计高通单元滤波器(HPF)和低通单元滤波器(LPF)，使在高通单元滤波器H18的较宽的通带中它们的通带相互重叠。通过将这些各滤波器H18、HPF、LPF进行级联连接，可以得到以各通带的重叠的部分(斜线部分)为通带的带通滤波器。
此时，通过对高通单元滤波器HPF和低通单元滤波器LPF的任一方或者双方，施行如图5及图8或图14所示那样的使通带变狭窄的操作或者如图15及图16所示那样的扩大通带的操作，可以任意微调整带通滤波器的带宽。
图17(a)所示是通过对低通单元滤波器LPF施行扩大通带的操作，使仅带通滤波器的单侧移往高频侧的例子。另外，图17(b)所示是通过对高通单元滤波器HPF施行扩大通带的操作，并对低通单元滤波器LPF施行使通带变窄的的操作，从而在不改变带宽的情况下，使带通滤波器的两侧移往低频侧的例子。
用于实现上述所说明的本实施的数字滤波器的设计方法的装置，可以利用硬体构造、DSP、软体等任意方式达成。比如利用软体实现的情况下，本实施方式的滤波器设计装置，实际上可以由计算机的CPU或MPU、RAM、ROM等构成，通过储存于RAM、ROM或硬盘等中的程序动作来实现。
因此，可以通过将使电脑产生动作以执行上述本实施方式的功能的程序记录于如CD-ROM之类的记录媒体中，并将其读入计算机中来实现。作为记录上述程序的记录媒体，除CD-ROM之外，还可采用软盘、硬盘、磁带、光盘、光磁盘、DVD、不易失存储卡等。另外，还可利用国际互联网将上述程序下载至计算机中来实现。
换句话说，将与各种单元滤波器L1n，H1n等相关的滤波器系数作为信息，预先储存于RAM或ROM等存储器中，若用户指示与单元滤波器L1n，H1n等相关的任意的组合，则CPU可以使用储存于上述存储器中的滤波器系数的信息，运算并求取对应所指示的组合的滤波器系数。
还可以例如预先将各种单元滤波器L1n、H1n符号化(对应各图符、滤波器系数作为信息储存)，通过用户在显示器画面上任意组合配置这些图符，CPU便可以自动地运算并求取对应该排列的滤波器系数。此外，如将所求取到的滤波器系数自动地施行FFT转换，并以频率-增益特性图来显示其结果，则能确认所设计的滤波器特性，从而更轻易地进行滤波器设计。
另外，并不局限于通过计算机执行被供给的程序来实现上述实施方式的功能，在由该程序和计算机中运行的OS(操作系统)或其他应用软体等共同实现上述实施方式的功能的情况下，或者通过计算机的机能扩充板或机能扩充单元来执行被供给程序的处理的全部(或部分)以实现上述实施方式的功能的情况下，所涉及的程序也都包含在本发明的实施方式中。
如上述详细说明，由于本实施方式中通过使用1个以上的单元滤波器，并将其进行级联连接以设计具有所需频率特性的FIR滤波器，其中单元滤波器以预定的基本数值列为滤波器系数的基本单元滤波器为基础，因此大体上可以仅用单元滤波器的组合便能生成带通滤波器的复杂的滤波器系数。因此，滤波器设计法单纯且易掌握，即便不是熟练的技术者也可以极简单的进行滤波器设计。
另外，采用本实施方式所设计的滤波器电路中，所需抽头数仅要非常少数便可，并且由于对各抽头输出所需要的滤波器系数仅有-1/16、1/16、-8/16、8/16四种，从而可将滤波器电路的结构变得极为简单。因此，可大幅削减电路元件数(特别是乘法器)并缩小滤波器电路的规模，而且还可以达到降低消耗功率、减轻运算负载等效果。
还有，采用本实施方式所设计的滤波器电路，由于是由大体相同的方式的反复而构成的极简单的构造，因此在集成化时能减少工序数，从而有容易实现IC化这一优点。另外，在特性方面上可大幅改善截止特性，并能得到相位特性为直线的优越的滤波器特性。
此外，在本实施方式中，当可自由决定带通滤波器的中心频率Fc或信号采样频率Fs的任一者时，仅通过将高通单元滤波器H1(5+3k)与低通单元滤波器L1(3+2k)进行级联连接，便可设计带通滤波器。利用此，可以不需要通过多种单元滤波器组合的特性值彼此之间的相抵以抽出所需频带，便可极简单地进行带通滤波器的设计，并能使滤波器构造更为简单化。
在此情况下，通过将滤波器的中心频率Fc相同且插入在滤波器系数间的“0”的个数较多(k值较大)的单元滤波器进行级联连接来设计带通滤波器，可以不需增加滤波器的级联段数和抽头数，便可有效率地使带宽变狭窄。换句话说，不需扩大滤波器的电路规模，便可简单地使带宽变狭窄。
再者，在本实施方式中，仅将单元滤波器进行级联连接以满足：
a*(H1n)i-b*(H1n)j或
a*(L1n)i-b*(L1n)j
(a、b、i、j为系数，a＞b、i＜j)的关系，便可任意扩大带宽。
另外，通过采用此种扩大带宽的操作和上述使带宽变狭窄的操作，便可简单地微调整带宽。通过此，可以更高精度的实现所需频率特性，并能更简单地设计具有此种频率特性的FIR数字滤波器。
还有，在上述实施方式中，作为基本单元滤波器的例子虽然例示了L0～L3，但并不仅限于此。换句话说，也可以设定基本单元滤波器的滤波器系数为绝对值是与采用“1”和“8”的数值的图1(b)不同的数值列。再有，在上述实施方式中，作为单元滤波器的例子虽然例示了L1n、H1n两种，但并不仅限于此。
此外，在上述实施方式中，作为基本单元滤波器的滤波器系数，采用的是由绝对值为1，1，8，8，1，1的比率所构成的数值列，但是亦可采用将其进行一次移动平均而得到的、由绝对值为1，0，9，16，9，0，1的比率所构成的数值列。
另外，在上述实施方式中，虽主要对设计带通滤波器的例子进行了说明，但也可以利用相同的方法，设计出高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器等。以下，简单地说明设计这些各滤波器时的方法。
<制作带通滤波器的情况>
①将高通单元滤波器H11进行级联连接(限于Fs＝4*Fc)。
②使用高通单元滤波器HPF和低通单元滤波器LPF。
③制作通带互相重叠的高通滤波器和低通滤波器。
(亦可为相互重叠的带通滤波器)
<制作高通滤波器的情况>
①将高通单元滤波器H10进行级联连接。
②制作(H10)m1*(H11)m2。
<制作低通滤波器的情况>
①将低通单元滤波器L10进行级联连接。
②制作(L10)m1*(L11)m2。
<制作带阻滤波器的情况>
①以增益的中心值为轴，反转带通滤波器的频率-增益特性。具体地说，从基准增益值“1”减去带通滤波器的系数的最大值，并反转其他系数的极性。这是通过配合延迟从基准增益值“1”的单元脉冲中除去带通滤波器的滤波器系数而求得的。
此外，也可以通过将采用上述设计方法所生成的滤波器列分配在1个以上的模块中，并将对应各模块的最终生成系数的1个以上的滤波器进行级联来设计数字滤波器。
此外，上述实施方式都只不过是实施本发明的具体化的一个例子而已，并不能用其来限定性地解释本发明的技术范围。换句话说，本发明在不脱逸其精神、或主要特征的前提下，可以各种形式实施。
产业上可利用性
本发明可用于能更高精度实现所需频率特性，并能更简单地设计出具有此种频率特性的FIR数字滤波器方面。

Claims (22)

1.一种数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过以基本单元滤波器为基础作成相互有共同的通带的一个以上的单元滤波器，并将上述1个以上的单元滤波器进行级联连接来进行数字滤波器的设计，其中基本单元滤波器是通过由预定的基本的数值列所构成滤波器系数，将带多个由延迟器构成的抽头的延迟线的各抽头的信号分别变为数倍之后，再将这些的乘算结果进行加算并输出而构成的。
2.根据权利要求1所述的数字滤波器的设计方法，其特征在于，所述1个以上单元滤波器包含：具有大致相同的中心频率的高通单元滤波器和低通单元滤波器。
3.根据权利要求1所述的数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过在所述各抽头之间插入数个时钟量的延迟，以使所述单元滤波器的通带的带宽变狭窄。
4.根据权利要求1所述的数字滤波器的设计方法，其特征在于，当将上述单元滤波器依YF表示的情况时，通过将上述单元滤波器级联以使
a*YFi-b*YFj的关系成立，以扩大上述单元滤波器的通带的带宽；其中，对YF的乘算表示上述单元滤波器的级联连接，a、b、i、j是表示上述单元滤波器的级联连接数的系数，a＞b、i＜j。
5.根据权利要求1所述的数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过设计高通滤波器和低通滤波器使在有较宽的通带的单元滤波器的该通带中它们的各通带相互重复，并将上述单元滤波器、上述高通滤波器、及上述低通滤波器进行级联连接，以设计以各通带的重叠部分为通带的带通滤波器。
6.一种数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过以基本单元滤波器为基础作成有较宽的通带的单元滤波器，且设计高通滤波器和低通滤波器使在有较宽的通带的单元滤波器的该通带中它们的各通带相互重复，并将上述单元滤波器、上述高通滤波器、及上述低通滤波器进行级联连接，以设计以各通带的重叠部分为通带的带通滤波器，其中基本单元滤波器是通过由预定的基本的数值列所构成滤波器系数，将带多个由延迟器构成的抽头的延迟线的各抽头的信号分别变为数倍之后，再将这些的乘算结果进行加算并输出而构成的。
7.根据权利要求5所述的数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过对上述高通滤波器和上述低通滤波器中任一个或双方施行下述操作中任一个或双方，以微调整上述带通滤波器的通带；所述操作为：
通过在上述各抽头间插入多个时钟量的延迟，以将上述单元滤波器的通带的带宽变狭窄的处理；以及
通过将上述单元滤波器进行级联连接以使a*YFi-b*YFj(其中，对上述单元滤波器YF的乘算表示上述单元滤波器的级联连接，a、b、i、j是表示上述单元滤波器的级联连接数的系数，a＞b、i＜j)的关系成立，以扩大上述单元滤波器的通带的带宽的处理。
8.根据权利要求6所述的数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过对上述高通滤波器和上述低通滤波器中任一个或双方施行下述操作中任一个或双方，以微调整上述带通滤波器的通带；所述操作为：
通过在上述各抽头间插入多个时钟量的延迟，以将上述单元滤波器的通带的带宽变狭窄的操作；以及
通过将上述单元滤波器进行级联连接以使a*YFi-b*YFj(其中，对上述单元滤波器YF的乘算表示上述单元滤波器的级联连接，a、b、i、j是表示上述单元滤波器的级联连接数的系数，a＞b、i＜j)的关系成立，以扩大上述单元滤波器的通带的带宽的操作。
9.根据权利要求1所述的数字滤波器的设计方法，其中，上述基本单元滤波器的滤波器系数由绝对值为1，1，8，8，1，1的比率的数值列、或者1，0，9，16，9，0，1的比率的数值列所构成。
10.根据权利要求1所述的数字滤波器的设计方法，其中，上述基本单元滤波器的滤波器系数由绝对值为1，1，8，8，1，1的比率的数值列、或者1，0，9，16，9，0，1的比率的数值列所构成。
11.一种数字滤波器设计用程序，用于使计算机执行与权利要求范围的第1项中所记载的数字滤波器的设计方法相关的处理顺序。
12.一种数字滤波器设计用程序，用于使计算机执行与权利要求范围的第6项中所记载的数字滤波器的设计方法相关的处理顺序。
13.一种数字滤波器，其特征在于，采用权利要求范围的第1项中记载的数字滤波器的设计方法而设计。
14.一种数字滤波器，其特征在于，采用权利要求范围的第6项中记载的数字滤波器的设计方法而设计。
15.一种数字滤波器，其特征在于，具有多个带由延迟器构成的抽头的延迟线，通过权利要求范围的第1项中记载的滤波器设计法而求得的滤波器系数，将各抽头的信号分别变为数倍后，再加算并输出。
16.一种数字滤波器，其特征在于，具有多个带由延迟器构成的抽头的延迟线，通过权利要求范围的第6项中记载的滤波器设计法而求得的滤波器系数，将各抽头的信号分别变为数倍后，再加算并输出。
17.一种数字滤波器，是将根据以预定的基本的数值列为滤波器系数的基本单元滤波器所制成的、有相互共通的通带的1个以上的单元滤波器进行级联连接构成的。
18.一种数字滤波器，是将根据以预定的基本的数值列为滤波器系数的基本单元滤波器所制成、有较宽的通带的单元滤波器，与所制成的使在上述单元滤波器的通带中各通带相互重复的高通滤波器和低通滤波器进行级联而构成的。
19.一种数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过将使用权利要求范围的第1项中记载的设计方法而生成的滤波器列分配在1个以上的模块中，并将对应各模块的最终生成系数的1个以上的滤波器进行级联连接，来进行数字滤波器的设计。
20.一种数字滤波器的设计方法，其特征在于，通过将使用权利要求范围的第6项中记载的设计方法而生成的滤波器列分配在1个以上的模块中，并将对应各模块的最终生成系数的1个以上的滤波器进行级联连接，来进行数字滤波器的设计。
21.一种数字滤波器，是通过将使用权利要求范围的第1项中记载的设计方法而生成的滤波器列分配在1个以上的模块中，并将对应各模块的最终生成系数的1个以上的滤波器进行级联连接而构成的。
22.一种数字滤波器，是通过将使用权利要求范围的第6项中记载的设计方法而生成的滤波器列分配在1个以上的模块中，并将对应各模块的最终生成系数的1个以上的滤波器进行级联连接而构成的。
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