CN2722502Y

CN2722502Y - 带双窗全相位频域数字滤波器

Info

Publication number: CN2722502Y
Application number: CN 200420029635
Authority: CN
Inventors: 苏飞
Original assignee: Tianjin Tongguang Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2014-08-27

Abstract

本实用新型提供了一种带双窗全相位频域数字滤波器，其特征是由离散傅立叶变换器、反离散傅立叶变换器、系统特性处理单元、加法器、乘法器、延迟单元及前、后双时间窗单元组成。信号输入经延迟单元后与前窗相乘，做离散傅立叶变换到频域，经系统传输单元处理后再做反离散傅立叶变换，然后进行后窗处理经延迟单元输出。该滤波器可广泛应用于数字信号处理领域，尤其是在数字图象处理方面，可提供更为精确的频带划分。特别适用于数字电视中后处理单元，尤其对数字图象的插值处理和除噪效果显著。充分开发了器件的高性能特性，从而可减少电路设计中原有器件的数量。简化电路，降低成本。

Description

带双窗全相位频域数字滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种电子设备中广泛应用的滤波器，特别涉及一种带双窗全相位频域数字滤波器。

背景技术

目前，FIR滤波器是数字信号处理中应用非常广泛的一种有限冲击响应滤波器，设计简单，但由于滤波器的过渡带宽度和带内波纹是相互矛盾的，现为了改善整体性能，往往通过增加滤波器阶数来实现。例如平滑滤波是数字滤波方法中较早采用的方法，其原理是利用一平滑方程对信号进行滑动平均得到输出。其实质是信号通过一个低通滤波器处理，该滤波器通频带较窄，信号衰减较大。基于小波变换的信号除噪算法，这些算法利用信号和噪声在小波变换域的明显不同特性，采用阈值滤波法得到高信噪比的信号。这种方法在处理时强时弱的信号时阈值比较难于确定，消噪效果就不理想。图象内插，频谱分析，信号滤波等数字信号处理应用中，传统方法构成的滤波器应用虽然均可获得一定的效果，但物理意义却不明显。这样，电路中使用的器件数和复杂度就会增加，成本相应上升。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足之处，将通带和阻带内的波纹数目降至最低；并降低波纹幅度，减少频谱渗漏；减少旁瓣干扰，增强谱分解能力；从而提供一种合理设计其内部结构和连接，以改善滤波器内在性能的带双窗全相位频域数字滤波器。

为实现上述目的本实用新型所采用的技术方案是：一种带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于由一个离散傅立叶变换器、一个反离散傅立叶变换器、系统特性处理单元、N个加法器、2N+1个乘法器、2N-2个延迟单元及前、后双时间窗单元组成；N阶带双窗全相位频域数字滤波器的N个输入中每两个输入之间设一延迟单元，相应的N个中间输出每两个之间也设一延迟单元，且所有单元的时间单位相同；x(n)是系统的第一个输入，x(n-1)是延迟一个单元后的输入，这样全部N个输入送到前窗处理单元；经过N个后窗处理单元得到的n个输出中对应输入x(n)的输出送到延迟单元，其余的输出直接和它们前面的延迟单元输出相加，其结果送到下一个延迟单元，最后一个加法器输出经乘法器做1/N处理后得到最后输出；离散傅立叶变换器的输入是前窗单元处理的输出；N阶滤波器的N个H值可以根据需要分别设置为0或1，滤波器的分辨率由阶数N来决定；反离散傅立叶变换器的输入是经过系统特性处理单元处理后的输出；所以，带双窗全相位频域数字滤波器的输入和输出都要经过一个窗单元的处理，并利用延迟单元得到叠加运算。

所述前窗单元和离散傅立叶变换器以及离散傅立叶变换器之前的延迟单元可以集成在一个芯片中；相应地，后窗单元和反离散傅立叶变换器以及反离散傅立叶变换器后的延迟单元也可以集成在另一个芯片中。

所述离散傅立叶变换器之前及反离散傅立叶变换器之后信号要先进行前窗及后窗单元处理，且前窗中乘法器单元可以单独调节，使前窗与后窗单元相同。

所述窗单元是中心对称的三角窗。

所述前窗单元和离散傅立叶变换器以及离散傅立叶变换器之前延迟单元可以集成在一个芯片中，芯片有一个信号输入管脚，N个信号输出管脚，一个同步控制管脚用于前、后窗处理单元中保持窗函数相等，并有时钟控制管脚且有N个控制窗单元序列的寄存器单元；反离散傅立叶变换器和反离散傅立叶变换器之后延迟单元及一个乘法单元可以集成在另一个芯片中，芯片有N个信号输入管脚，一个信号输出管脚，并有一个同步控制管脚用于于前、后窗处理单元中保持窗函数相等，并有时钟控制管脚且有N个控制窗单元序列的寄存器单元。

上述两个芯片与系统特性处理单元可集成在一个芯片中。

本实用新型的优点是：在不增加滤波器阶数的条件下，基本消除通带和阻带内的波纹数目；降低波纹幅度，减少频谱渗漏；减少旁瓣干扰，增强谱分解能力；改善了滤波器的内在性能。该滤波器应用于数字信号处理领域，尤其在数字电视Scaler功能实现及后处理部分可提供更为精确的插值及频带划分。充分开发了器件的高性能特性，从而减少电路设计中原有器件的数量。简化电路，降低成本。

附图说明

图1是传统4阶FIR数字滤波器结构示意图；

图中：Z^-1是延迟单元，是乘法器，是加法器，h_i，i＝0，1，2，3是系统单位冲击响应；

图2是与图1等效的频域数字滤波器结构示意图；

图中：H_i，i＝0，1，2，3是系统的频率特性响应；

图3是不带窗的频域数字滤波器结构示意图；

图4是64阶不带窗低通数字滤波器频率特性曲线图；

图5是带双窗全相位频域数字滤波器结构示意图；

图中：Z^-1是延迟单元，是乘法器，是加法器，DFT是离散傅立叶变换器，IDFT是反离散傅立叶变换器，H是系统传输单元，前窗单元是F＝[f_n(0)f_n(1)…f_n(N-1)]^T，后窗单元是B＝[b_n(0)b_n(1)…b_n(N-1)]^T；

图6是64阶带双窗全相位频域数字滤波器的频率特性曲线图；

图7是集成的带双窗全相位频域数字滤波器连接示意图；

图8是集成的带双窗全相位频域数字滤波器的频率特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：

图1～图4是现有滤波器结构及频率特性曲线示意图；图5～图8是本实用新型结构、连接及频率特性曲线示意图。参见图5，本实用新型是由一个离散傅立叶变换器DFT、一个反离散傅立叶变换器IDFT、系统特性处理单元H、N个加法器、2N+1个乘法器、2N-2个延迟单元Z^-1及前、后双时间窗单元组成；N阶带双窗全相位频域数字滤波器的N个输入中每两个输入之间有一个延迟单元Z^-1，相应的N个中间输出每两个之间也有一个延迟单元Z^-1，且所有延迟单元Z^-1的时间单位相同；x(n)是系统的第一个输入，x(n-1)是延迟一个单元后的输入，这样全部N个输入送到前窗处理单元F；经过N个后窗处理单元得到的n个输出中对应输入x(n)的输出送到延迟单元Z^-1，其余的输出直接和它们前面的延迟单元Z^-1输出相加，其结果送到下一个延迟单元Z^-1，这样最后一个加法器输出经乘法器做1/N处理后得到最后输出。其中离散傅立叶变换器DFT的输入是前窗处理单元F的输出；N阶滤波器的N个H值可以根据需要分别设置为0或1，从而达到滤波的目的。显然，滤波器的分辨率由阶数N来决定。反离散傅立叶变换器IDFT的输入是经过系统特性处理单元H处理后的输出。所以，双窗频域数字滤波器的输入和输出都要经过一个窗单元的处理，并利用延迟单元Z^-1得到叠加运算从而得到改善特性的目的。

前窗单元F和离散傅立叶变换器DFT以及离散傅立叶变换器DFT之前的延迟单元Z^-1可以集成在一个芯片SFF中，相应地，后窗B和反离散傅立叶变换器IDFT以及反离散傅立叶变换器IDFT后的延迟单元也可以集成在一个芯片SFB中。

离散傅立叶变换器DFT之前及反离散傅立叶变换器IDFT之后信号要先进行前窗F及后窗B单元处理，且前窗F可以改变；为保持滤波器线性特性，要求前窗F和后窗单元B相同。

为保持最小的均方误差，窗单元是中心对称的三角窗。

前窗单元F、离散傅立叶变换器DFT和离散傅立叶变换器DFT之前延迟单元Z^-1可以集成在一个芯片中SFF，芯片有1个信号输入管脚，N个信号输出管脚，一个同步控制管脚用于与下面的芯片SFB保持窗函数相等，并有时钟控制管脚且有N个控制窗单元序列的寄存器单元。

后窗单元B、反离散傅立叶变换器IDFT和反离散傅立叶变换器IDFT之后延迟单元Z^-1及一个乘法单元可以集成在一个芯片SFB中，芯片有N个信号输入管脚，一个信号输出管脚，并有一个同步控制管脚用于与SFF芯片保持窗函数相等，并有时钟控制管脚且有N个控制单元序列的寄存器单元。

带双窗全相位频域数字滤波器，芯片SFF、SFB与传输特性处理单元H可以集成在一个芯片中，其中N为滤波器阶数。

参见图5至图8，展开本实用新型的技术方案，N阶带双窗全相位数字滤波器输入为N，输出为1；输入端和输出端分别有N-1个延迟单元Z^-1，且单位时间相同并与离散傅立叶变换器DFT和反离散傅立叶变换器IDFT运算保持同步；N个输入首先与前窗序列F相乘，N个输出作为DFT的输入，变换到频域中的N个输出与H相乘产生需要的频率成分，滤除不要的频率成分后做IDFT变换得到结果的时域信号，然后与后窗B相乘得到N个输出结果，其中对应x(n)的输出送到延迟单元Z^-1，上一次的结果与对应x(n-1)的输出相加后送到下一个延迟单元Z^-1，该单元的上次结果与与对应x(n-1)的输出相加，依次类推。这样，对应x(n-N+1)的输出与相应延迟单元Z^-1的输出相加后并与系数为1/N的乘法器相乘得到最终结果y(n)。

理论和实验证明，为了保持滤波器的线性特性和最小误差，对图5中的前窗单元F和后窗单元B应保持相等，且窗单元应中心对称，窗的形状应为三角形状。系统的实现可以用一片芯片完成，包含三个模块：N-1个输入延迟单元，前窗单元F和离散傅立叶变换器DFT集成在模块SFF中，模块有N个输入和N个输出；系统特性处理单元H，完成对信号的滤波功能；反离散傅立叶变换器IDFT、后窗单元B及N-1个延迟单元Z^-1及一个乘法器集成在模块SFB中，模块有N个输入和1个输出。集成的芯片应至少包含N个输入，1个输出，窗函数及时钟控制，并带有用于扩展功能的接口。

由于初始状态各个延迟单元Z^-1的值为零，所以从系统运行开始到第N-2系统单位时间得到的N-2输出都是不准确的，所以要舍去不用。从第N-1时刻开始，系统将产生正确的输出。直到最后N个数据时，又会产生不正确输出。为减少边界误差，采用偶对称的方式来进行延迟单元Z^-1的初始化。

由图4和图6特性比较可以看出，带双窗的全相位频域数字滤波器带内的波纹明显减少，从而降低了频率遗漏，波纹主要集中在过渡带边缘，但幅度也明显改善，如由图6中显示的波纹幅度0.0369或0.0336对比图4中显示的波纹幅度±0.0741降低近50％；且过渡带宽度并没有明显增加，具有较好的陡峭性。图8是模块化的系统特性曲线，它同图6完全相同。

这种频域滤波器可以通过调节系统特性处理单元H方便的抑制或开通某频率成分，有效地控制信号各个频率分量。对需要实时切换或改变滤波器频率响应的场合，例如频率自适应滤波，自适应图象隐错等方面有重要意义。以图5所示系统的输出作为滤波器输入可以方便地实现滤波器级联，从而达到调节频域重叠滤波器阶数的目的。而且这种滤波器便于实现严格的互补子带滤波，在信号内插、数据压缩和除噪等领域都有良好的应用前景。例如：

(1)图像内插

可以证明重叠法比非重叠法恢复的亚奈采样图象有更高的信噪比；在无窗，单窗和双窗三种模板中，带窗模板的特性优于无窗模板；当图象的高频成分较少时，利用重叠法模板可以很好地恢复图象，图象信噪比提高近10dB；当高频成分丰富时，恢复得到的图象信噪比较低，但利用加窗模板使得结果得到改善。

(2)频谱分析

传统加窗谱分析中只有矩形窗可以分辨出两个频率正弦信号，而无窗，单窗和双窗三种全相位方法均可以做分辨，尽管幅度估计误差都大于矩形加窗，但全相位法得到的两谱几乎彻底分开而传统方法得到的两谱几乎不可以分开。另一方面，加窗重叠得到的噪声谱的均值和方差都小于传统方法，因此降低了噪声的影响同时对噪声的谱也有了较好的估计。

(3)自适应信号处理

全相位数字自适应滤波器是将重叠滤波思想和LMS算法相结合的重叠LMS算法。采用全相位法得到信号的稳态误差小于传统方法，采用带单窗和双窗的效果会进一步得到改善。

(4)信号滤波

在传统频率域数字滤波器中，对长输入信号采用分段处理方式，即分段的输入产生分段的输出。这样处理的方法一般有两种：重叠相加法和重叠保留法。由于信号的分段输入和输出，频域中的系数特性并不能表示系统的整体传输特性。物理意义的不明显很难根据要求设计所需的滤波器，而且在信号的分段处会出现较大的混叠失真，重叠保留法在一定意义上减小了这种误差，但要以消耗内存为代价。另一方面，信号分段长度的选择也必须兼顾计算量大小和处理效果两方面。本实用新型是一种新的可连续输入输出的频率域滤波器。

(5)在SCALER和DNIE中的应用

在SCALER和DNIE中，滤波器得到广泛应用，如对数字图象的高低频分解，图象的自适应除噪，图象增强等对要设计滤波器的使用，因此采用带双窗全相位频域数字滤波器代替传统的数字滤波器效果显著。

Claims

1、一种带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于由一个离散傅立叶变换器、一个反离散傅立叶变换器、系统特性处理单元、N个加法器、2N+1个乘法器、2N-2个延迟单元及前、后双时间窗单元组成；N阶带双窗全相位频域数字滤波器的N个输入中每两个输入之间设一延迟单元，相应的N个中间输出每两个之间也设一延迟单元，且所有单元的时间单位相同；x(n)是系统的第一个输入，x(n-1)是延迟一个单元后的输入，这样全部N个输入送到前窗处理单元；经过N个后窗处理单元得到的n个输出中对应输入x(n)的输出送到延迟单元，其余的输出直接和它们前面的延迟单元输出相加，其结果送到下一个延迟单元，最后一个加法器输出经乘法器做1/N处理后得到最后输出；离散傅立叶变换器的输入是前窗单元处理的输出；N阶滤波器的N个H值可以根据需要分别设置为0或1，滤波器的分辨率由阶数N来决定；反离散傅立叶变换器的输入是经过系统特性处理单元处理后的输出；所以，带双窗全相位频域数字滤波器的输入和输出都要经过一个窗单元的处理，并利用延迟单元得到叠加运算。

2、根据权利要求1所述的带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于所述前窗单元和离散傅立叶变换器以及离散傅立叶变换器之前的延迟单元可以集成在一个芯片中；相应地，后窗单元和反离散傅立叶变换器以及反离散傅立叶变换器后的延迟单元也可以集成在另一个芯片中。

3、根据权利要求1所述的带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于离散傅立叶变换器之前及反离散傅立叶变换器之后信号要先进行前窗及后窗单元处理，且前窗中乘法器单元可以单独调节，使前窗与后窗单元相同。

4、根据权利要求1所述的带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于所述窗单元是中心对称的三角窗。

5、根据权利要求1或2所述的带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于所述前窗单元和离散傅立叶变换器以及离散傅立叶变换器之前延迟单元可以集成在一个芯片中，芯片有一个信号输入管脚，N个信号输出管脚，一个同步控制管脚用于前、后窗处理单元中保持窗函数相等，并有时钟控制管脚且有N个控制窗单元序列的寄存器单元；反离散傅立叶变换器和反离散傅立叶变换器之后延迟单元及一个乘法单元可以集成在另一个芯片中，芯片有N个信号输入管脚，一个信号输出管脚，并有一个同步控制管脚用于于前、后窗处理单元中保持窗函数相等，并有时钟控制管脚且有N个控制窗单元序列的寄存器单元。

6、根据权利要求5所述的带双窗全相位频域数字滤波器，其特征在于上述两个芯片与系统特性处理单元可集成在一个芯片中。