專利名稱：包括上采樣、采樣率轉(zhuǎn)換以及下采樣級的時間離散濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時間離散濾波器，包括一提供有輸入和輸出的采樣率轉(zhuǎn)換器，以及一具有下采樣因子nd的下采樣器。
本發(fā)明還涉及一種包括這種時間離散濾波器的通信設(shè)備，并涉及一種方法，其中以因子m來轉(zhuǎn)換輸入信號的采樣率。
這種時間離散濾波器可從WO99/38257中獲知。該已知的時間離散濾波器包括級聯(lián)排列的采樣率轉(zhuǎn)換器，由濾波器段交替的各個下采樣器示意說明，以便在該時間離散濾波器中需要較少的計算資源。但是缺陷就是該已知的時間離散濾波器需要綜合而又復(fù)雜的硬件及軟件。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的時間離散濾波器，其在乘法、加法所需數(shù)量以及存儲需求方面的復(fù)雜性得到降低。
此外，根據(jù)本發(fā)明的時間離散濾波器，其特征在于還包括一具有上采樣因子nu的上采樣器，該上采樣器藕接到所述轉(zhuǎn)換器的輸入，而所述轉(zhuǎn)換器的輸出藕接到所述下采樣器。
因而，根據(jù)本發(fā)明的方法，其特征在于首先以因子nu對輸入信號進行上采樣，然后以因子m進行采樣率轉(zhuǎn)換，最后以因子nd進行下采樣。
令人驚奇的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果采樣率轉(zhuǎn)換操作在上采樣操作之后并且僅在該轉(zhuǎn)換之后進行下采樣操作到一個所需的采樣頻率，那么在根據(jù)本發(fā)明的濾波器中必要的運算，特別是乘法和加法運算的最大數(shù)目方面的復(fù)雜性會降低。這導(dǎo)致每秒用于數(shù)字信號處理(DSP)算法的復(fù)雜性的測量的指令數(shù)減少。此外，這還使得在所述濾波器中被DSP消耗的功率伴隨著減少，例如在諸如音頻、視頻、(電信)通信設(shè)備以及無線電視裝置中所應(yīng)用的。
根據(jù)本發(fā)明的時間離散濾波器的一個實施例，其特征在于所述采樣率轉(zhuǎn)換器可以執(zhí)行提取或內(nèi)插。
在根據(jù)本發(fā)明的濾波器中無論是否應(yīng)用提取或內(nèi)插都可保留上述優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明的時間離散濾波器的又一個實施例，其特征在于所述采樣率轉(zhuǎn)換器具有一個采樣率轉(zhuǎn)換因子m，其中m為大于2的整數(shù)。
有利的是，諸如3、5、7，或例如125這種在GSM及藍牙系統(tǒng)中所需的任何采樣率因子都可以使用。優(yōu)選地，使用質(zhì)數(shù)或質(zhì)數(shù)的組合作為采樣率轉(zhuǎn)換因子，其通常會引起更為復(fù)雜的濾波器構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明的時間離散濾波器的再一個實施例，其特征在于所述上采樣因子nu和下采樣因子nd每個都大于或等于2。
如果所述上采樣因子nu和/或下采樣因子nd為2，則由于所得到的濾波器的結(jié)構(gòu)更加有效而使得總的復(fù)雜度大幅降低。如果適當?shù)匾灾T如FIR和/或IIR濾波器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，則在根據(jù)本發(fā)明的濾波器中數(shù)據(jù)樣本所需的延遲元件數(shù)和存儲量以及系數(shù)也會減少，使得附加費用降低。
下面，將在參照附圖的同時說明根據(jù)本發(fā)明的時間離散濾波器和方法以及它們附加的優(yōu)點，其中相同的部件由相同的參考數(shù)字指示。
附圖中

圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一級時間離散下采樣濾波器；圖2表示實現(xiàn)圖1的一級FIR濾波器的振幅特性；圖3表示一級FIR濾波器的具體實現(xiàn)；圖4表示實現(xiàn)圖1的一級IIR濾波器的振幅特性；圖5a表示一級IIR濾波器的具體實現(xiàn)，包括分別在圖5b和5c中示出的一階和二階全通部分O1和O2；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的一個可能的二級時間離散濾波器的實施例，其等效于圖1的濾波器；圖7表示圖6的第一級濾波器H1(z)的FIR濾波器的具體實現(xiàn)中的振幅響應(yīng)；圖8表示圖6的第一級濾波器H1(z)的IIR濾波器的具體實現(xiàn)；圖9表示等效于圖6的濾波器的一個電路；圖10表示圖6的第二級濾波器H2(z)的FIR濾波器的具體實現(xiàn)；并且圖11表示圖6的第二級濾波器H2(z)的IIR濾波器的具體實現(xiàn)。
為了舉例說明，圖1示出了一級時間離散濾波器1，包括一數(shù)字濾波器部分2，具有以z作為Z-變換變量的傳遞函數(shù)H(z)，以及一采樣率轉(zhuǎn)換器，這里例如是由一具有下采樣因子nd的下采樣器3實現(xiàn)。在此情況下給定nd＝5，具有比方說為10KHz采樣頻率的采樣輸入信號x(n)顯示出具有2KHz采樣頻率的輸出信號y(n)。濾波器1應(yīng)當具有低通傳遞函數(shù)H(z)，以便減弱在其實際實現(xiàn)時輸出信號y(n)頻譜中的混淆關(guān)系。在這種實現(xiàn)中，0與±0.9KHz之間的輸出頻譜應(yīng)當具有±0.1dB的波紋，并且在1.1KHz與5KHz之間的外部阻帶應(yīng)當衰減至少50dB。該濾波器可以被設(shè)計為一種長度為115的線性相位橫向有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。所述數(shù)字濾波器部分2則具有如圖2所示的低通振幅特性。在圖3中給出了一種經(jīng)濟的FIR濾波器的實現(xiàn)例子，由此利用公知的多相位分解，諸如從由R.E.Crochiere和L.R.Rabiner的“多速數(shù)字信號處理(Multirate Didital Processing)”，Prentice-Hall，Englewood Cliffs，新澤西，1983，ISBN0-13-605162-6中獲知的，其公開內(nèi)容包含在此作為參考。圖3的具體實現(xiàn)具有四條線路l1、l2、l4、l5，每條都具有23次乘法，以及中間的線路l3，其中需要12次乘法。第一加法器，此時及之后指定為“+”，需要4次加法，其他22個加法器需要5次加法。采樣頻率為Fs/5。結(jié)果在該FIR濾波器的具體實現(xiàn)中必須存儲22個數(shù)據(jù)樣本和58個系數(shù)。
如果根據(jù)圖1的一級下采樣利用IIR濾波器來實現(xiàn)，則濾波器函數(shù)H(z)的振幅響應(yīng)如圖4所示的那樣。這種具有七階的濾波器函數(shù)，可以通過一個是三階一個是四階的兩個并聯(lián)的分支來實現(xiàn)。第一分支包括一個在圖5b中實現(xiàn)的第一階全通部分O1和一個在圖5c中實現(xiàn)的第二階全通部分O2。第二分支包括串聯(lián)的兩個全通部分O2。所述兩個并聯(lián)分支的輸出在加法器A1中相加。此外這些有效結(jié)構(gòu)也可利用多相位分解來設(shè)計，并且所述分支以采樣頻率Fs進行采樣。
下面的表I給出了在分別以FIR和IIR實現(xiàn)圖1的一級濾波器中，所需要的乘法和加法，以及數(shù)據(jù)樣本和系數(shù)存儲容量的必要數(shù)目方面的復(fù)雜性。
表I
圖6表示多級，特別是兩級時間離散濾波器4，其特性等同于圖1的濾波器1。所述時間離散濾波器4包括具有上采樣因子nu的第一上采樣器5，在此情況下該因子等于2。這種因子為2的上采樣器可以非常有效地實現(xiàn)，通常不是用于具有不同于2的上采樣因子的上采樣器的情形。所述離散濾波器4包括具有傳遞函數(shù)H1(z)的第一濾波器部分6，后接以提供有輸入8和輸出9的第一下采樣器7為形式的采樣率轉(zhuǎn)換器。所述下采樣器7具有下采樣因子m。通常，當不是必需的，m大于2。一般而言，采樣器7既可以是內(nèi)插器，又可以是抽取器。特別是下或可能的上采樣因子m將為質(zhì)數(shù)，或者例如為質(zhì)數(shù)的乘積。這里，下采樣器的輸入8耦接到因子為2的上采樣器5，并且采樣器的輸出9通過第二濾波器部分11耦接到第二下采樣器10，該第二濾波器部分11具有傳遞函數(shù)H2(z)。通常第二下采樣器10具有下采樣因子nd，在此情況下其因子等于2，以便非常有效地實現(xiàn)該濾波器部分11。如果僅需要具有因子m的下采樣，則nu等于nd。一般來說，nu和nd將等于或大于2。盡管視覺上濾波器4的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但是圖4的濾波器結(jié)構(gòu)在計算的復(fù)雜性以及所需的存儲容量方面提供了大大優(yōu)于圖1的濾波器的優(yōu)點。
分別具有傳遞函數(shù)H1(z)和H2(z)的濾波器部分6和11每一個都可以通過有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器和/或無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器來數(shù)字化地實現(xiàn)。下面將給出其實例。
圖7表示在圖6的第一級中H1(z)的振幅響應(yīng)，其通過因子2/5增加了采樣頻率，同時利用具有長度為20的線性相位FIR濾波器。倘若虛線都被畫好的線所替代，H1(z)的FIR濾波器的實現(xiàn)類似于圖3所示的FIR的實現(xiàn)。開關(guān)S順時針旋轉(zhuǎn)計數(shù)器，并且在每個輸入樣本x(n)中間開關(guān)S立刻制造兩個階躍。這意味著(a)在分別耦接到開關(guān)S的上、中、下水平平行的線路l1、l3和l5上存在三個輸入樣本，并且在其他兩條線路l2和l4上分別存在零個輸入樣本，或者(b)在上、中、下線路l1、l3和l5上分別存在零個輸入樣本，在其他兩條線路l2和l4上分別存在兩個輸入樣本。
在(a)的情況下，共有4+2+4＝10次乘法和2+3+3＝11次加法，在(b)的情況下，共有1+3*2＝7次加法。所以對于5個輸入樣本來說需要18次乘法和18次加法；等于比率Fs/5。同時需要存儲3個數(shù)據(jù)樣本和10個系數(shù)。參見下面的表II。
如果利用IIR濾波器來配置圖6的傳遞函數(shù)H1(z)，則可以使用由圖8給出的五階遞歸結(jié)構(gòu)。這里一階和二階全通部分O1和O2分別由圖5b和5c給出。在此以比率2Fs需要1+2+2＝5次乘法，以便提供給一階部分O1的輸入I1和二階部分O2的輸入I2的奇數(shù)樣本等于零。因此，在圖8的一階濾波器中需要一次加法。對于圖8的二階濾波器來說，零輸入樣本需要兩次加法，非零輸入樣本需要三次加法。這導(dǎo)致每秒10Fs次乘法和(1+2.5+4+1)*2Fs＝17Fs次加法，如表II中所示。
表II
從表II中可以理解FIR的情況比IIR的情況更加有效。這是由于對于FIR的情況來說可以使用多相位分解，而對于IIR的情況則不能。對于FIR的情況來說較小的缺陷就是必須存儲兩倍數(shù)量的系數(shù)。因此此后僅有FIR的情況將被用于實現(xiàn)H1(z)。
下面將考慮使用FIR和/或IIR濾波器對圖6的傳遞函數(shù)H2(z)的濾波器設(shè)計。在沒有進入更詳細的說明的情況下，可以使用如圖9所示的等效電路來設(shè)計傳遞函數(shù)H2(z)的濾波器結(jié)構(gòu)。在該電路中采樣頻率首先通過因子2增加；然后通過具有系統(tǒng)函數(shù)G(z)＝H1(z)H2(z5)的等效濾波器進行內(nèi)插，最后通過因子10對該濾波電路的輸出進行下采樣。為了計算的目的，希望可以考慮包括作為G(z)的雙相位分解的系統(tǒng)函數(shù)G’(z)、后接因子為5的下采樣器的另外的等效電路作為另外等效于圖9的電路。此外，提出通帶和阻帶的需求導(dǎo)致用于具有長度為47的H2(z)，并用于通過2執(zhí)行下采樣的線性相位FIR濾波器。該用于第二級H2(z)的FIR濾波器在圖10中示出。輸入開關(guān)(未示出)分配偶數(shù)輸入樣本到上部乘法器中，示意性稱作b0、b2、b4、...、b20、b22、b20、...、b4、b2、b0，并且類似地，奇數(shù)樣本分配到下部乘法器中b1、b3、...、b21、b23、b21、...、b3、b1。為了計算一個新的輸出樣本，一個奇數(shù)樣本和一個偶數(shù)樣本每一個都必須乘以2*12＝24個系數(shù)，從而需要2 3*2＝46次加法。輸出采樣頻率為Fs/5。這導(dǎo)致每秒4.8Fs次乘法和9.2Fs次加法。下面的表III比較了以前的一級FIR濾波器與其中H1(z)和H2(z)都以FIR濾波器實現(xiàn)的兩級結(jié)構(gòu)。
表III
從表III中可以得出這樣的結(jié)論兩級FIR濾波器比一級FIR濾波器更有效。在兩極FIR濾波器中只有要存儲的數(shù)據(jù)樣本的數(shù)目較高。
一種非常有效的濾波器結(jié)構(gòu)是具有用于上述H1(z)濾波器的FIR結(jié)構(gòu)和用于圖6的H2(z)濾波器的IIR結(jié)構(gòu)的兩級結(jié)構(gòu)。用于H2(z)濾波器的遞歸IIR結(jié)構(gòu)看上去可以如圖11所示。圖11中示出的四個全通部分可以類似于圖5a所示，并進一步由圖5b詳細描述的1階部分O1。圖11中的全通部分以Fs/5操作，并且每個全通部分每輸出樣本就使用一次乘法和兩次加法?？傆嫗槊枯敵鰳颖?4*1)Fs/5次乘法和(4*2+1)Fs/5次加法(需要一次加法來將輸出加到兩個并聯(lián)分支上)。在每個全通部分中都使用兩個延遲元件。表IV列出了比較圖1的一級IIR濾波器與圖6中具有用于濾波器H1(z)的FIR和用于濾波器H2(z)的IIR的兩級濾波器的復(fù)雜性。
表IV
又可以得出這樣的結(jié)論兩級FIR&IIR解決方案比一級IIR解決方案在所需乘法和加法數(shù)目方面更加有效。僅有稍微多的濾波器系數(shù)必須要存儲。
上述濾波器概念當然可以推廣到其他一般的質(zhì)數(shù)下采樣或上采樣因子。用于通過大于2的質(zhì)數(shù)或其乘積進行上采樣的相應(yīng)結(jié)構(gòu)可以通過使用公知的變換法則獲得。參見由T.A.C.M.Claasen和W.F.G.Mecklenbruker提供的“On the Transposition of LinearTime-Varying Discrete-Time Networks and its Applications toMultirate Digital System”，Philips Journal ofResearch，1978，78-102頁。
上述濾波器概念可以應(yīng)用于任何數(shù)字傳輸或通信系統(tǒng)或設(shè)備中。其實例有數(shù)字數(shù)據(jù)處理設(shè)備或濾波器、電話機、音頻或視頻處理設(shè)備、電視、圖像處理設(shè)備等。濾波器4可以以本質(zhì)上公知的方式例如開關(guān)電容濾波器或開關(guān)電流濾波器來實現(xiàn)。
以上主要參照優(yōu)選實施例和最有可能的模式進行了說明，將會理解到這些實施例決不解釋為限制所涉及的電路和方法的實例，因為落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種修改、特征及特征的組合都在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力所及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種時間離散濾波器(4)，包括一提供有輸入(8)和輸出(9)的采樣率轉(zhuǎn)換器(7)，及一具有下采樣因子nd的下采樣器(10)，其特征在于該時間離散濾波器(4)進一步包括一具有上采樣因子nu的上采樣器(5)，該上采樣器(5)耦接到所述轉(zhuǎn)換器的輸入(8)，所述轉(zhuǎn)換器的輸出(9)耦接到所述下采樣器(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時間離散濾波器(4)，其特征在于所述采樣率轉(zhuǎn)換器(7)可以執(zhí)行抽取或內(nèi)插。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的時間離散濾波器(4)，其特征在于所述采樣率轉(zhuǎn)換器(7)具有采樣率轉(zhuǎn)換因子m，其中m為大于2的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時間離散濾波器(4)，其特征在于所述采樣率轉(zhuǎn)換因子m為質(zhì)數(shù)或質(zhì)數(shù)的積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的時間離散濾波器(4)，其特征在于所述上采樣因子nu和下采樣因子nd每個都大于或等于2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的時間離散濾波器(4)，其特征在于所述上采樣因子nu等于下采樣因子nd。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的時間離散濾波器(4)，其特征在于該時間離散濾波器被實現(xiàn)作為一數(shù)字FIR濾波器(6，11)和/或一數(shù)字IIR濾波器(6，11)，一開關(guān)電容濾波器或一開關(guān)電流濾波器。
8.一種諸如電話、特別是移動電話的通信設(shè)備，包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的時間離散濾波器(4)。
9.一種方法，其中輸入信號的采樣率以因子m進行轉(zhuǎn)換，其特征在于該輸入信號首先以因子nu進行上采樣，然后以因子m進行采樣率轉(zhuǎn)換，最后以因子nd進行下采樣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于nu和/或nd大于或等于2。
全文摘要
一種時間離散濾波器，包括一提供有輸入和輸出的采樣率轉(zhuǎn)換器，和一具有下采樣因子nd的下采樣器。該時間離散濾波器還包括一具有上采樣因子nu的上采樣器，由此該上采樣器耦接到所述轉(zhuǎn)換器的輸入，而所述轉(zhuǎn)換器的輸出耦接到所述下采樣器。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果采樣率轉(zhuǎn)換操作在上采樣探作之后并且僅在該轉(zhuǎn)換之后進行下采樣操作到一個所需的采樣頻率，那么在運算特別是乘法和加法運算的最大數(shù)目方面的復(fù)雜性會降低。這導(dǎo)致每秒用于數(shù)字信號處理(DSP)算法的復(fù)雜性的測量的指令數(shù)減少。此外，這還使得被DSP消耗的功率伴隨著減少，例如在諸如音頻、視頻、(電信)通信設(shè)備以及無線電視裝置中所應(yīng)用的。
文檔編號H03H17/00GK1589524SQ02822878
公開日2005年3月2日 申請日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月19日
發(fā)明者A·W·M·范登恩登, M·V·阿倫德斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司