CN202059380U

CN202059380U - 一种数字抽取滤波器

Info

Publication number: CN202059380U
Application number: CN2011200400097U
Authority: CN
Inventors: 赵世赟
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: Shenzhen ZTE Microelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-02-16

Abstract

本实用新型公开了一种数字抽取滤波器，包括5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器级联。第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端为输入信号(X)。前一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出信号端与后一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端连接。具有本实用新型结构的数字抽取滤波器，与半带数字抽取滤波器相比，具有更高集成度和更低功耗。

Description

一种数字抽取滤波器

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计中数字滤波器技术领域，特别是具有高集成度低功耗特性的数字抽取滤波器。

背景技术

市场对便携式设备的巨大需求使集成电路的高集成度，低功耗设计成为业界和学术界的研究热点和难点。为了使Δ-∑模拟数字转换器(Δ-∑ADC)更广泛地应用于便携式设备中，其面积和功耗优化具有重要意义。在Δ-∑ADC中，数字抽取滤波器组对功耗和面积起主导性的作用。过去几十年里，人们在抽取滤波器结构的优化设计中投入了巨大努力，也取得了很大进展。

1级联积分梳状抽取滤波器的冲激响应具有如下形式：

式中N为梳状滤波器的系数长度(N为抽取因子)。

滤波器的Z变换为：

其中

H₂(z)＝1-z^-N

可见，CIC滤波器是由两部分组成：累积器H₁(z)和梳状滤波器H₂(z)的级联。

级联积分梳状抽取滤波器集成度高，低功耗，可用简单结构实现高倍抽取。但属于非递归结构，存在稳定性问题，滤波性能不理想。

半带数字抽取滤波器目前已被广泛应用于高集成度低功耗Δ-∑ADC中。如图1所示，Δ-∑ADC系统中半带数字滤波器的输出(Y)为：(输入(X)+54个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₇)+(1个单位延时后的输入+53个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₆)+(2个单位延时后的输入+52个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₅)+(3个单位延时后的输入+51个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₄)+(4个单位延时后的输入+50个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₃)+(5个单位延时后的输入+49个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₂)+(6个单位延时后的输入+48个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₁)+(7个单位延时后的输入+47个单位延时后的输入)×传输系数(b₂₀)+(8个单位延时后的输入+46个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₉)+(9个单位延时后的输入+45个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₈)+(10个单位延时后的输入+44个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₇)+(11个单位延时后的输入+43个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₆)+(12个单位延时后的输入+42个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₅)+(13个单位延时后的输入+41个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₄)+(14个单位延时后的输入+40个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₃)+(15个单位延时后的输入+39个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₂)+(16个单位延时后的输入+38个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₁)+(17个单位延时后的输入+37个单位延时后的输入)×传输系数(b₁₀)+(18个单位延时后的输入+36个单位延时后的输入)×传输系数(b₉)+(19个单位延时后的输入+35个单位延时后的输入)×传输系数(b₈)+(20个单位延时后的输入+34个单位延时后的输入)×传输系数(b₇)+(21个单位延时后的输入+33个单位延时后的输入)×传输系数(b₆)+(22个单位延时后的输入+32个单位延时后的输入)×传输系数(b₅)+(23个单位延时后的输入+31个单位延时后的输入)×传输系数(b₄)+(24个单位延时后的输入+30个单位延时后的输入)×传输系数(b₃)+(25个单位延时后的输入+29个单位延时后的输入)×传输系数(b₂)+(26个单位延时后的输入+28个单位延时后的输入)×传输系数(b₁)+27个单位延时后的输入×0.5。

可以看出，Δ-∑ADC系统中半带数字滤波器阶数为56，需要28个乘法器和27个加法器。相对CIC滤波器，半带数字抽取滤波器具有较高的阶数，因此仍然需要占用较大的面积和较高的功耗。随着科技的发展和集成电路工艺的进步，高端系统对集成度和功耗提出了更高的要求，半带数字抽取滤波器逐渐不能满足对集成度和功耗要求日益严格的高端系统的需要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种数字抽取滤波器，这种结构的数字抽取滤波器与半带数字抽取滤波器相比，具有更高集成度和更低功耗，可以在实现半带滤波器性能的基础上减少硬件开销。

为了解决上述问题，本实用新型公开了一种数字抽取滤波器，包括5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器级联，其中第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端为输入信号(X)；前一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出信号端与后一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端连接。

进一步的，数字抽取滤波器的输入信号乘以0.5后经过6个单位延时，再与第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数a₁相加后的和作为中间信号Y0；第3级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数a₂与中间信号Y0经过11个单位延时后的信号相加，相加后的和信号作为中间信号Y1；第5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数a₃与中间信号Y1经过11个单位延时后的信号相加，相加后的和信号作为中间信号Y2；然后对中间信号Y2进行2倍降采样后得到系统输出Y。

优选的，其中的11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器的输入U与11个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₆，得到中间信号V0；1个单位延时后的输入与10个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₅，得到中间信号V1；2个单位延时后的输入与9个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₄，得到中间信号V2；3个单位延时后的输入与8个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₃，得到中间信号V3；4个单位延时后的输入与7个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₂，得到中间信号V4；5个单位延时后的输入与6个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₁，得到中间信号V5；所有的中间信号再经过加法器后，得到最后的输出信号V。

优选的，所述数字滤波器包括三种基本的运算单元：加法器、单位延时z-1和常数乘法器。

优选的，所述11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器包括三种基本的运算单元：加法器、单位延时z-1和常数乘法器。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型数字抽取滤波器结构，同时具有传统的有限冲击响应数字滤波器的线性相位结构，横截型结构和级联型结构的特点，可以使用用少量规范符号数字(CSD)表示的传输系数拟合出半带数字抽取滤波器的功能。CSD传输系数使乘法运算转化为加法运算，硬件实现上避免了乘法器的使用，与半带数字抽取滤波器相比，具有更高集成度和更低功耗。

具有本实用新型结构的数字抽取滤波器与半带数字抽取滤波器相比，具有更高集成度和更低功耗，可以在实现半带滤波器性能的基础上减少硬件开销。

附图说明

图1为Δ-∑ADC系统中半带数字滤波器的信号流图；

图2为本实用新型数字抽取滤波器的结构图；

图3为本实用新型数字抽取滤波器中11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器的结构图；

图4为本实用新型数字抽取滤波器应用于Δ-∑ADC系统框图；

图5为手机芯片中Δ-∑ADC系统中本实用新型数字抽取滤波器幅频响应曲线图；

图6为Δ-∑ADC系统中半带数字抽取滤波器幅频响应曲线图。

具体实施例

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种数字抽取滤波器，其特征在于：由5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器级联组成。

如图2所示，X为系统输入端，Y为系统输出端。箭头表示数据流向。箭头与其旁边传输系数表示一个乘法器。Z^-1表示一个延迟器。两个箭头汇聚于一个节点表示一个加法器。F为一个11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器。

第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端为输入信号(X)，前一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出信号端与后一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端连接。同时，输入信号(X)乘以0.5后经过6个单位延时，再与第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₁)相加后的和作为中间信号Y0；第3级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₂)与中间信号Y0经过11个单位延时后的信号相加，相加后的和信号作为中间信号Y1；第5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₃)与中间信号Y1经过11个单位延时后的信号相加，相加后的和信号作为中间信号Y2；然后对中间信号Y2进行2倍降采样后得到系统输出(Y)。

其中，Y0＝6个单位延时后的(系统输入(X)×0.5)+第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₁)，Y1＝11个单位延时后的Y0+第3级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₂)，Y2＝11个单位延时后的Y1+第5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₃)，系统输出(Y)为2倍降采样后的Y2。即系统输出(Y)为：2倍降采样后的(11个单位延时后的(11个单位延时后的(6个单位延时后的(系统输入(X)×0.5)+第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₁))+第3级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₂))+第5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₃))。

数字滤波器包括三种基本的运算单元：加法器、单位延时z-1和常数乘法器。

其中如图3所示，11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器由三种基本的运算单元组成：加法器、单位延时(z^-1)和常数乘法器。

11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器的连接关系如下：输入U与11个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₆，得到中间信号V0；1个单位延时后的输入与10个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₅，得到中间信号V1；2个单位延时后的输入与9个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₄，得到中间信号V2；3个单位延时后的输入与8个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₃，得到中间信号V3；4个单位延时后的输入与7个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₂，得到中间信号V4；5个单位延时后的输入与6个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₁，得到中间信号V5；所有的中间信号再经过加法器后，得到最后的输出信号V。

11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器的输出(V)为：(输入(U)+11个单位延时后的输入)×传输系数(b₆)+(1个单位延时后的输入+10个单位延时后的输入)×传输系数(b₅)+(2个单位延时后的输入+9个单位延时后的输入)×传输系数(b₄)+(3个单位延时后的输入+8个单位延时后的输入)×传输系数(b₃)+(4个单位延时后的输入+7个单位延时后的输入)×传输系数(b₂)+(5个单位延时后的输入+6个单位延时后的输入)×传输系数(b₁)。

如图4所示，本实用新型结构的数字抽取滤波器取代Δ-∑ADC系统中半带数字抽取滤波器(HBF)。具有本实用新型结构的数字抽取滤波器满足如下要求：

1、基带频率为0-20KHZ，采样率为48KHZ，过采样率为2。

2、通带波动为0.003DB，阻带衰减为80DB。

根据上述性能指标要求，通过matlab迭代仿真，本申请人得出满足性能指标要求的Δ-∑ADC系统中本实用新型结构的数字抽取滤波器的传输系数：a₁＝0.9531，a₂＝-0.6563，a₃＝0.2031，b₁＝0.6172，b₂＝-0.1895，b₃＝0.0977，b₄＝-0.0557，b₅＝0.0306，b₆＝-0.0193。具体每个传输系数的取值只能通过仿真效果不断的调整，没有具体规律。本申请仅给出一组作为示例，不穷举所有的取值。

本实用新型优选的采用规范符号数字表示传输系数，这样可以将上述的乘法操作转换为加法操作，从而大大降低面积和功耗，即：

a₁＝0.9531≈2⁰-2^-4+2^-6

a₂＝-0.6563≈-2^-1-2^-3-2^-5

a₃＝0.2031≈2^-2-2^-4+2^-6

b₁＝0.6172≈2^-1+2^-3-2^-7

b₂＝-0.1895≈-2^-2+2^-4-2^-9

b₃＝0.0977≈2^-3-2^-5+2^-8

b₄＝-0.0557≈-2^-4+2^-7-2^-10

b₅＝0.0306≈2^-5-2^-11-2^-13

b₆＝-0.0193≈-2^-6-2^-8+2^-12

那么上述的第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数(a₁)即为第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×(2⁰-2^-4+2^-6)其中与2^-4，2^-6的乘法操作可通过数字领域的移位来实现，以及用加法器实现减法器，是为本领域技术人员所熟知的，在此不详细阐述。

如图5所示，横坐标为输入信号频率，单位为HZ。纵坐标为本实用新型数字抽取滤波器幅频响应，单位为DB。过渡带大约为23K-28K，通带波动趋于0，阻带衰减为-90左右。

如图6示，横坐标为输入信号频率，单位为HZ。纵坐标为Δ-∑ADC系统中半带数字抽取滤波器幅频响应，单位为DB。过渡带大约为22K-28K，通带波动趋于0，阻带衰减为-80左右。

如图5和图6为根据matlab仿真结果，可以看出：具有本实用新型结构的数字抽取滤波器，在保证性能的前提下，每个传输系数至多只需用3项规范符号数字近似，例如a₁＝0.9531≈2⁰-2^-4+2^-6＝0.953125，从而最多使用3个加法器就可以实现一个乘法器功能。因此整个电路硬件实现只需要124个加法器。

而传统的半带数字抽取滤波器，为了保证性能，传输系数不能用少量规范符号数字近似。满足要求的滤波器最小阶数为56，需要28个乘法器和27个加法器。

乘法器的面积和功耗在整个滤波器的面积和功耗中占有主导作用。相同工艺下，一个传统的16位×16位乘法器面积和功耗相当于20个16位加法器的面积和功耗。因此，具有本实用新型结构的数字抽取滤波器，面积和功耗小于半带数字抽取滤波器的面积和功耗，在保证系统整体性能的同时，达到了减小面积和降低功耗的目的。

当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种数字抽取滤波器，其特征在于：包括5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器级联，其中第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端为输入信号X；前一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出信号端与后一级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输入信号端连接。

2.根据权利要求1所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：输入信号乘以0.5后经过6个单位延时，再与第1级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数a₁相加后的和作为中间信号Y0；第3级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数a₂与中间信号Y0经过11个单位延时后的信号相加，相加后的和信号作为中间信号Y1；第5级11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器输出×传输系数a₃与中间信号Y1经过11个单位延时后的信号相加，相加后的和信号作为中间信号Y2；然后对中间信号Y2进行2倍降采样后得到系统输出Y。

3.根据权利要求1或2所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：其中的11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器的输入U与11个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₆，得到中间信号V0；1个单位延时后的输入与10个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₅，得到中间信号V1；2个单位延时后的输入与9个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₄，得到中间信号V2；3个单位延时后的输入与8个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₃，得到中间信号V3；4个单位延时后的输入与7个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₂，得到中间信号V4；5个单位延时后的输入与6个单位延时后的输入经过加法器后再经过乘法器，乘法器传输系数为b₁，得到中间信号V5；所有的中间信号再经过加法器后，得到最后的输出信号V。

4.根据权利要求1或2所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：所述数字滤波器包括三种基本的运算单元：加法器、单位延时z-1和常数乘法器。

5.根据权利要求3所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：11阶线性相位结构有限冲击响应数字滤波器包括三种基本的运算单元：加法器、单位延时z^-1和常数乘法器。

6.根据权利要求4所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：所述常数乘法器包括多个加法器。

7.根据权利要求6所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：所述加法器具体为a₁＝0.9531≈2⁰-2^-4+2^-6，a₂＝-0.6563≈-2^-1-2^-3-2^-5，a₃＝0.2031≈2^-2-2^-4+2^-6。

8.根据权利要求5所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：所述常数乘法器包括多个加法器。

9.根据权利要求8所述的一种数字抽取滤波器，其特征在于：所述加法器具体为b₁＝0.6172≈2^-1+2^-3-2^-7，b₂＝-0.1895≈-2^-2+2^-4-2^-9，b₃＝0.0977≈2^-3-2^-5+2^-8，b₄＝-0.0557≈-2^-4+2^-7-2^-10，b₅＝0.0306≈2^-5-2^-11-2^-13，b₆＝-0.0193≈-2^-6-2^-8+2^-12。