專利名稱：帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用的濾波器，特別涉及一種帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器。
背景技術(shù)：
目前，F(xiàn)IR濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用非常廣泛的一種有限沖擊響應(yīng)濾波器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但由于濾波器的過渡帶寬度和帶內(nèi)波紋是相互矛盾的，現(xiàn)為了改善整體性能，往往通過增加濾波器階數(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如平滑濾波是數(shù)字濾波方法中較早采用的方法，其原理是利用一平滑方程對(duì)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均得到輸出。其實(shí)質(zhì)是信號(hào)通過一個(gè)低通濾波器處理，該濾波器通頻帶較窄，信號(hào)衰減較大?；谛〔ㄗ儞Q的信號(hào)除噪算法，這些算法利用信號(hào)和噪聲在小波變換域的明顯不同特性，采用閾值濾波法得到高信噪比的信號(hào)。這種方法在處理時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的信號(hào)時(shí)閾值比較難于確定，消噪效果就不理想。圖象內(nèi)插，頻譜分析，信號(hào)濾波等數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，傳統(tǒng)方法應(yīng)用雖然都可以得到一定的效果，但物理意義不是十分明顯。這樣，電路中使用的器件數(shù)和復(fù)雜度就會(huì)增加，成本相應(yīng)上升。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足之處，將通帶和阻帶內(nèi)波紋數(shù)目降至最低；并降低波紋幅度，減少頻譜滲漏；減少旁瓣干擾，增強(qiáng)譜分解能力；從而提供一種合理設(shè)計(jì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接，改善濾波器內(nèi)在性能的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于由2N-1個(gè)加法器，3N-1個(gè)乘法器，2N-2個(gè)延遲單元及延遲窗組成；N階帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的2N-1個(gè)輸入中每?jī)蓚€(gè)輸入之間設(shè)一延遲單元；x(n-N+1)是系統(tǒng)的第一個(gè)輸入，x(n-N+2)是延遲一個(gè)單元后的輸入，這樣全部2N-1個(gè)輸入送到延遲窗處理單元；經(jīng)過間隔N點(diǎn)相加處理后得到的N個(gè)輸出直接與系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)相乘，得到的N個(gè)輸出結(jié)果相加得到最后輸出，濾波器的分辨率由階數(shù)N來決定。
所述延遲窗單元和間隔N點(diǎn)相加處理部分可以集成在一個(gè)芯片中，系統(tǒng)單沖擊響應(yīng)處理單元單獨(dú)集成在一個(gè)芯片中。
所述延遲窗由兩個(gè)中心對(duì)稱三角窗卷積生成。
所述的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，對(duì)經(jīng)過延遲單元后的2N-1個(gè)輸入先加權(quán)，然后進(jìn)入隔N點(diǎn)相加的處理單元。
所述延遲窗單元，間隔N點(diǎn)相加處理單元可以集成在一個(gè)芯片中，芯片有一個(gè)信號(hào)輸入管腳，N個(gè)信號(hào)輸出管腳，一個(gè)同步控制管腳用于對(duì)稱延遲窗的生成，并有時(shí)鐘控制管腳且有N個(gè)控制窗單元序列的寄存器單元；系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)處理部分可以單獨(dú)集成在另一個(gè)芯片，芯片有N個(gè)信號(hào)輸入管腳，一個(gè)信號(hào)輸出管腳，并有一個(gè)同步控制管腳用于調(diào)節(jié)對(duì)稱系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)的生成，并有時(shí)鐘控制管腳且有N個(gè)控制單元序列的寄存器單元。
所述兩個(gè)芯片可以集成在一個(gè)芯片中。


圖1是傳統(tǒng)4階FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中Z-1是延遲單元，是乘法單元，是加法單元，hi，i＝0，1，2，3是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)；圖2是與圖1等效的頻域數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中Hi，i＝0，1，2，3是系統(tǒng)的頻率特性響應(yīng)；圖3是不帶窗的頻域數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是64階不帶窗低通數(shù)字濾波器頻率特性曲線圖；圖5是帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中Z-1是延遲單元，是乘法單元，是加法單元，hi是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)，C＝[C(n-N+1)…C(n-1)C(n)C(n+1)…C(n+N-1)]T是延遲窗單元；圖6是64階帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的頻率特性曲線圖；圖7是集成的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器芯片連接示意圖；圖8是集成的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的頻率特性曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本實(shí)用新型提供的具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征詳述如下一種帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于由2N-1個(gè)加法器，3N-1個(gè)乘法器，2N-2個(gè)延遲單元Z-1及延遲窗C組成；N階帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的2N-1個(gè)輸入中每?jī)蓚€(gè)輸入之間設(shè)一延遲單元Z-1；x(n-N+1)是系統(tǒng)的第一個(gè)輸入，x(n-N+2)是延遲一個(gè)單元后的輸入，這樣全部2N-1個(gè)輸入送到延遲窗C處理單元；經(jīng)過間隔N點(diǎn)相加處理后得到的N個(gè)輸出直接與系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)h相乘，得到的N個(gè)輸出結(jié)果相加得到最后輸出。h是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)，濾波器的分辨率由階數(shù)N來決定。所以，帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的輸入要經(jīng)過延遲窗單元Z-1和間隔N點(diǎn)相加處理，從而得到改善特性的目的。
帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的延遲窗單元Z-1，間隔N點(diǎn)相加處理單元可以集成在一個(gè)芯片SFWO中。
帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器輸入信號(hào)要先進(jìn)行延遲窗C和間隔N點(diǎn)相加單元處理，且延遲窗C可以改變，理論和實(shí)驗(yàn)可以證明，為保持濾波器線性特性，要求延遲窗C由兩個(gè)相同的中心對(duì)稱的三角窗卷積生成。
為保持最小的均方誤差，延遲窗單元是中心對(duì)稱的類余弦窗。
芯片SFWO有1個(gè)信號(hào)輸入管腳，N個(gè)信號(hào)輸出管腳，一個(gè)同步控制管腳用于保持延遲窗C中心對(duì)稱，并有時(shí)鐘控制管腳且有2N-1個(gè)控制窗單元序列的寄存器單元。
系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)處理部分可以單獨(dú)集成在一個(gè)芯片SFh中，芯片有N個(gè)信號(hào)輸入管腳，一個(gè)信號(hào)輸出管腳，并有一個(gè)同步控制管腳用于調(diào)節(jié)對(duì)稱系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)h的生成，并有時(shí)鐘控制管腳且有N個(gè)控制單元序列的寄存器單元。
帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的SFWO模塊，SFh模塊可以集成在一個(gè)芯片中，其中N為濾波器階數(shù)。
參見圖5至圖8，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為，N階帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器輸入和輸出為1；輸入端有2N-2個(gè)延遲單元Z-1；1個(gè)輸入經(jīng)延遲單元后首先與延遲窗序列C相乘，2N-1個(gè)輸出作為間隔N點(diǎn)相加處理單元的輸入，相加處理后產(chǎn)生的N個(gè)輸出與h相乘后分別相加得到結(jié)果的時(shí)域信號(hào)y(n)。
理論和實(shí)驗(yàn)證明，為了保持濾波器的線性性和最小誤差，對(duì)圖5中的延遲窗C應(yīng)由兩個(gè)相同的中心對(duì)稱三角窗卷積生成，延遲窗C關(guān)于中心對(duì)稱，延遲窗C的形狀應(yīng)為類余弦形狀。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以用一片芯片完成，包含兩個(gè)模塊2N-2個(gè)輸入延遲單元，延遲窗處理單元和間隔N點(diǎn)相加處理單元集成在模塊SFWO中，模塊有1個(gè)輸入和N個(gè)輸出；系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)h單元處理，完成對(duì)信號(hào)的濾波功能；集成的芯片應(yīng)至少包含1個(gè)輸入，1個(gè)輸出，延遲窗函數(shù)及時(shí)鐘控制，并帶有用于擴(kuò)展功能的接口。
由于初始狀態(tài)各個(gè)延遲單元的值為零，所以從系統(tǒng)運(yùn)行開始到第N-2系統(tǒng)單位時(shí)間得到的N-2輸出都是不準(zhǔn)確，因此應(yīng)舍去不用。從第N-1時(shí)刻開始，系統(tǒng)將產(chǎn)生正確的輸出。直到最后N個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生不正確輸出。為減少邊界誤差，理論已證明，采用偶對(duì)稱的方式來進(jìn)行延遲單元的初始化。
由圖4和圖6特性比較可以看出，帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器帶內(nèi)的波紋明顯減少，從而降低了頻率遺漏，波紋主要集中在過渡帶邊緣，但幅度也明顯改善，如由圖6中顯示的波紋幅度0.0369或0.0336對(duì)比圖4中顯示的波紋幅度±0.0741降低近50％；且過渡帶寬度并沒有明顯增加，具有較好的陡峭性。圖8是模塊化的系統(tǒng)特性曲線，它同圖6完全相同。
帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器在對(duì)需要實(shí)時(shí)切換或改變?yōu)V波器頻率響應(yīng)的場(chǎng)合，例如頻率自適應(yīng)濾波，自適應(yīng)圖象隱錯(cuò)等方面有重要意義。以圖5所示系統(tǒng)的輸出作為濾波器輸入可以方便地實(shí)現(xiàn)濾波器級(jí)聯(lián)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)頻域重疊濾波器階數(shù)的目的，在信號(hào)內(nèi)插、數(shù)據(jù)壓縮和除噪等領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。例如(1)圖像內(nèi)插可以證明重疊法比非重疊法恢復(fù)的亞奈采樣圖象有更高的信噪比；帶窗模板的特性優(yōu)于無窗模板；當(dāng)圖象的高頻成分較少時(shí)，利用重疊法模板可以很好地恢復(fù)圖象，圖象信噪比提高近10dB；當(dāng)高頻成分豐富時(shí)，恢復(fù)得到的圖象信噪比較低，但利用加窗模板使得結(jié)果得到改善。
(2)頻譜分析傳統(tǒng)加窗譜分析中只有矩形窗可以分辨出兩個(gè)頻率正弦信號(hào)，而W-O方法可以做分辨，盡管幅度估計(jì)誤差都大于矩形加窗，但W-O方法得到的兩譜幾乎徹底分開而傳統(tǒng)方法得到的兩譜幾乎不可以分開。另一方面，W-O方法得到的噪聲譜的均值和方差都小于傳統(tǒng)方法，因此降低了噪聲的影響同時(shí)對(duì)噪聲的譜也有了較好的估計(jì)。
(3)自適應(yīng)信號(hào)處理帶延遲窗重疊自適應(yīng)濾波器是將重疊濾波思想和LMS算法相結(jié)合的W-O LMS算法。采用W-O LMS得到信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差小于傳統(tǒng)方法。
(4)信號(hào)濾波在傳統(tǒng)頻率域數(shù)字濾波器中，對(duì)長(zhǎng)輸入信號(hào)采用分段處理方式，即分段的輸入產(chǎn)生分段的輸出。這樣處理的方法一般有兩種重疊相加法和重疊保留法。由于信號(hào)的分段輸入和輸出，頻域中的系數(shù)特性并不能表示系統(tǒng)的整體傳輸特性。物理意義的不明顯很難根據(jù)要求設(shè)計(jì)所需的濾波器，而且在信號(hào)的分段處會(huì)出現(xiàn)較大的混疊失真，重疊保留法在一定意義上減小了這種誤差，但要以消耗內(nèi)存為代價(jià)。另一方面，信號(hào)分段長(zhǎng)度的選擇也必須兼顧計(jì)算量大小和處理效果兩方面。本實(shí)用新型是一種新的可連續(xù)輸入輸出的頻率域?yàn)V波器。
(5)在SCALER和DNIE中的應(yīng)用在SCALER和DNIE中，濾波器得到廣泛應(yīng)用，如對(duì)數(shù)字圖象的高低頻分解，圖象的自適應(yīng)除噪，圖象增強(qiáng)等對(duì)要設(shè)計(jì)濾波器的使用，因此采用帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字濾波器效果顯著。
權(quán)利要求1.一種帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于由2N-1個(gè)加法器，3N-1個(gè)乘法器，2N-2個(gè)延遲單元及延遲窗組成；N階帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器的2N-1個(gè)輸入中每?jī)蓚€(gè)輸入之間設(shè)一延遲單元；x(n-N+1)是系統(tǒng)的第一個(gè)輸入，x(n-N+2)是延遲一個(gè)單元后的輸入，這樣全部2N-1個(gè)輸入送到延遲窗處理單元；經(jīng)過間隔N點(diǎn)相加處理后得到的N個(gè)輸出直接與系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)相乘，得到的N個(gè)輸出結(jié)果相加得到最后輸出，濾波器的分辨率由階數(shù)N來決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于所述延遲窗單元和間隔N點(diǎn)相加處理部分可以集成在一個(gè)芯片中，系統(tǒng)單沖擊響應(yīng)處理單元單獨(dú)集成在一個(gè)芯片中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于延遲窗由兩個(gè)中心對(duì)稱三角窗卷積生成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，對(duì)經(jīng)過延遲單元后的2N-1個(gè)輸入先加權(quán)，然后進(jìn)入隔N點(diǎn)相加的處理單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于所述延遲窗單元，間隔N點(diǎn)相加處理單元可以集成在一個(gè)芯片中，芯片有一個(gè)信號(hào)輸入管腳，N個(gè)信號(hào)輸出管腳，一個(gè)同步控制管腳用于對(duì)稱延遲窗的生成，并有時(shí)鐘控制管腳且有N個(gè)控制窗單元序列的寄存器單元；系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)處理部分可以單獨(dú)集成在另一個(gè)芯片，芯片有N個(gè)信號(hào)輸入管腳，一個(gè)信號(hào)輸出管腳，并有一個(gè)同步控制管腳用于調(diào)節(jié)對(duì)稱系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)的生成，并有時(shí)鐘控制管腳且有N個(gè)控制單元序列的寄存器單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征在于所述兩片芯片可以集成在一個(gè)芯片中。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種帶延遲窗重疊數(shù)字濾波器，其特征是由一個(gè)延遲窗，加法器，乘法器，延遲單元組成。信號(hào)輸入經(jīng)延遲單元后與延遲窗相乘并做間隔N點(diǎn)相加處理，經(jīng)單位沖擊響應(yīng)單元處理后相加輸出。該濾波器可廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其是在數(shù)字圖象處理方面，可提供更為精確的頻帶劃分。特別適用于數(shù)字電視中后處理單元，尤其對(duì)數(shù)字圖象的插值處理和除噪效果顯著。充分開發(fā)了器件的高性能特性，從而可減少電路設(shè)計(jì)中原有器件的數(shù)量，簡(jiǎn)化電路，降低成本。
文檔編號(hào)H03H17/02GK2724297SQ20042002963
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者蘇飛 申請(qǐng)人:天津通廣三星電子有限公司