一種高階數(shù)字濾波系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高階數(shù)字濾波系統(tǒng)及方法。通過數(shù)字信號(hào)的時(shí)頻變換，將并行數(shù)據(jù)基于幀的形式，在頻域上，通過與濾波器系數(shù)頻域響應(yīng)進(jìn)行乘累加運(yùn)算，完成高階FIR濾波的數(shù)字并行實(shí)現(xiàn)。大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)并行數(shù)字濾波通過序列重組的繁瑣實(shí)現(xiàn)方式。
【專利說明】一種高階數(shù)字濾波系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種濾波系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種適用于高階數(shù)字濾波的濾波系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字濾波是很多數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成，它們廣泛的應(yīng)用于通信、信號(hào)處理、圖像處理、模式識(shí)別等很多領(lǐng)域。目前有多種實(shí)現(xiàn)FIR濾波的方法，諸如使用DSP芯片、專用集成電路ASIC以及FPGA等，利用DSP來實(shí)現(xiàn)將會(huì)受限于運(yùn)行速度以及較漫長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間，ASIC將會(huì)受限于開發(fā)周期、成本以及通用性等問題，而FPGA的實(shí)現(xiàn)將會(huì)平衡這些因素，由于其開發(fā)周期短、實(shí)現(xiàn)方式容易、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，并且發(fā)展?jié)摿薮蟆?br> [0003]FIR濾波主要的設(shè)計(jì)方法就是利用乘累加來實(shí)現(xiàn)。在一些高端應(yīng)用場(chǎng)景中需要在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)采樣速率達(dá)到2G — 3G的FIR濾波。若采用串行處理的方式，在FPGA內(nèi)部仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)超寬帶高速數(shù)字濾波，因此必須改進(jìn)數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用并行方式，降低對(duì)運(yùn)算單元的速率要求，從而可以在FPGA等硬件中得以實(shí)現(xiàn)。
[0004]傳統(tǒng)并行FIR數(shù)字濾波在FPGA中的實(shí)現(xiàn)方式十分復(fù)雜，數(shù)字信號(hào)并行N路進(jìn)入FPGA，在FPGA內(nèi)部通過數(shù)據(jù)的重排列組合形成N路新的并行序列，再與濾波器系數(shù)通過乘加運(yùn)算，輸出并行的N路數(shù)據(jù)，即濾波器的并行輸出數(shù)據(jù)。這種算法在FPGA內(nèi)部的信號(hào)重組邏輯十分復(fù)雜，且并行N路與濾波器系數(shù)的乘加運(yùn)算需要使用大量FPGA內(nèi)部的乘法單元，資源開銷大，工程上不易實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)現(xiàn)方式更簡(jiǎn)單的高階數(shù)字濾波系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種高階數(shù)字濾波系統(tǒng)，包括數(shù)字信號(hào)并行輸入模塊和濾波器系數(shù)輸入模塊，其特征在于，還包括:
濾波系數(shù)時(shí)頻變換模塊，以向量為濾波器元素的K-1階滑動(dòng)濾波器;其中，K=l，2，3，…； 短時(shí)滑幀處理模塊，形成含2Ν個(gè)離散數(shù)據(jù)的時(shí)域幀信號(hào)；其中N為N路并行數(shù)據(jù)；
FFT定點(diǎn)運(yùn)算模塊，將短時(shí)滑幀處理所得的每幀數(shù)據(jù)做2Ν點(diǎn)數(shù)的FFT ；
幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波模塊，將FFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每一幀數(shù)據(jù)滑動(dòng)進(jìn)入滑動(dòng)濾波器并輸出；
IFFT定點(diǎn)運(yùn)算模塊，將滑動(dòng)濾波器輸出的每一幀數(shù)據(jù)通過IFFT變換轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)截取及輸出模塊，將IFFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每幀數(shù)據(jù)只保留后半幀數(shù)據(jù)輸出。
[0007]—種高階數(shù)字濾波方法，具體方法為，數(shù)字信號(hào)并行N路進(jìn)入FPGA，濾波器系數(shù)通過時(shí)頻變換，形成以向量為各元素的滑動(dòng)濾波器；同時(shí)，并行數(shù)據(jù)在FPGA中通過短時(shí)滑幀處理,形成含2Ν個(gè)離散數(shù)據(jù)的時(shí)域幀信號(hào)，實(shí)時(shí)、并行的做FFT定點(diǎn)運(yùn)算，形成含2Ν個(gè)離散數(shù)據(jù)的頻域幀信號(hào)；頻域幀信號(hào)再經(jīng)過幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波，完成含2N個(gè)頻域數(shù)據(jù)的濾波器幀輸出，每幀數(shù)據(jù)再實(shí)時(shí)流水地通過IFFT定點(diǎn)運(yùn)算，完成頻域幀信號(hào)的時(shí)域變換，最后經(jīng)數(shù)據(jù)截取及輸出后半幀時(shí)域信號(hào)；其中，
濾波器系數(shù)時(shí)頻變換的具體方法為:將KN-1階濾波器系數(shù)按每N個(gè)系數(shù)后面補(bǔ)N個(gè)O，再通過2N點(diǎn)DFT，形成濾波器的K個(gè)元素，且每個(gè)元素均為2N點(diǎn)的向量;其中，K=I, 2，3，…；短時(shí)滑幀處理的具體方法為:并行N路數(shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)部緩存一幀，將當(dāng)前時(shí)鐘周期緩存的數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)鐘周期到來的數(shù)據(jù)按采樣先后順序組成含2N個(gè)數(shù)據(jù)的一幀數(shù)；
FFT定點(diǎn)運(yùn)算的具體方法為:將短時(shí)滑幀處理所得的每幀數(shù)據(jù)做2N點(diǎn)數(shù)的FFT ；
幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波的具體方法為:將FFT定點(diǎn)運(yùn)算實(shí)時(shí)流水輸出的每一幀數(shù)據(jù)，滑動(dòng)進(jìn)入通過由濾波器系數(shù)時(shí)頻變換所得的以向量為元素的滑動(dòng)濾波器；
IFFT定點(diǎn)運(yùn)算的具體方法為:將幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波輸出的每幀數(shù)據(jù)，通過IFFT變換，轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)截取及輸出的具體方法為:將IFFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每幀數(shù)據(jù)只保留后半幀數(shù)據(jù)，這就使得并行N路輸入，并行N路輸出。
[0008]所述2N點(diǎn)數(shù)的FFT通過η次蝶形計(jì)算得到，其中，N為2的η次方。
[0009]所述IFFT變換通過蝶形計(jì)算得到。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:對(duì)于并行N路輸入高階數(shù)字濾波的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明的方法較傳統(tǒng)通過序列重組，并行經(jīng)過N路高階濾波器的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，其算法架構(gòu)更加簡(jiǎn)單、合理，資源開銷更少，工程可實(shí)現(xiàn)性更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明其中一實(shí)施例的數(shù)字處理架構(gòu)框圖。
[0012]圖2為本發(fā)明其中一實(shí)施例的FFT及IFFT蝶形算法示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明其中一實(shí)施例的幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波處理結(jié)構(gòu)流程框圖。
[0014]圖4為本發(fā)明其中一實(shí)施例的濾波器系數(shù)時(shí)頻變換處理流程框圖。
[0015]圖5為本發(fā)明采用基于幀結(jié)構(gòu)的并行高階低通濾波方法所得的高斯白噪聲頻域響應(yīng)效果圖。
[0016]圖6為采用傳統(tǒng)并行高階低通濾波方法所得的高斯白噪聲頻域響應(yīng)效果圖。
[0017]圖7為本發(fā)明采用基于幀結(jié)構(gòu)的并行高階帶通濾波方法所得的高斯白噪聲頻域響應(yīng)效果圖。
[0018]圖8為采用傳統(tǒng)并行高階帶通濾波方法所得的高斯白噪聲頻域響應(yīng)效果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或者具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0021]本具體實(shí)施例以4路量化的高斯白噪聲數(shù)據(jù)并行通過63階的FIR濾波處理為例進(jìn)行具體說明。
[0022]如圖1所示的，高階數(shù)字濾波系統(tǒng)，采用的具體濾波處理方法為，數(shù)字信號(hào)并行N路進(jìn)入FPGA，濾波器系數(shù)通過時(shí)頻變換，形成以向量為各元素的滑動(dòng)濾波器；同時(shí)，并行數(shù)據(jù)在FPGA中通過短時(shí)滑幀處理，形成含2N個(gè)離散數(shù)據(jù)的時(shí)域幀信號(hào)，實(shí)時(shí)、并行的做FFT定點(diǎn)運(yùn)算，形成含2N個(gè)離散數(shù)據(jù)的頻域幀信號(hào)；頻域幀信號(hào)再經(jīng)過幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波，完成含2N個(gè)頻域數(shù)據(jù)的濾波器幀輸出，每幀數(shù)據(jù)再實(shí)時(shí)流水地通過IFFT定點(diǎn)運(yùn)算，完成頻域幀信號(hào)的時(shí)域變換，最后經(jīng)數(shù)據(jù)截取及輸出后半幀時(shí)域信號(hào)，即為最終的濾波器輸出結(jié)果。較傳統(tǒng)算法，本發(fā)明算法架構(gòu)更加簡(jiǎn)單、合理，資源開銷更少，工程可實(shí)現(xiàn)性更高。
[0023]濾波器系數(shù)時(shí)頻變換的具體方法為:將KN-1階濾波器系數(shù)按每N個(gè)系數(shù)后面補(bǔ)N個(gè)0，再通過2N點(diǎn)DFT，形成濾波器的K個(gè)元素，且每個(gè)元素均為2N點(diǎn)的向量；這樣就形成了以向量為濾波器元素的K-1階滑動(dòng)濾波器。其中，K=l，2，3，…。在本具體實(shí)施例中，如圖4所示,63階濾波系數(shù)重組為16組,每組4個(gè)點(diǎn)。將每組4個(gè)點(diǎn)后補(bǔ)4個(gè)O,做8點(diǎn)的DFT，所得16組數(shù)據(jù)，即構(gòu)成幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波器的16個(gè)元素，且每個(gè)元素為8點(diǎn)的向量。
[0024]短時(shí)滑幀處理的具體方法為:并行N路數(shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)部緩存一巾貞，將當(dāng)前時(shí)鐘周期緩存的數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)鐘周期到來的數(shù)據(jù)按采樣先后順序組成含2Ν個(gè)數(shù)據(jù)的一幀數(shù)，這樣流水形成的每一幀的前半幀數(shù)據(jù)與前一幀的后半幀數(shù)據(jù)相同。在本具體實(shí)施例中，4路并行數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部緩存一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)，每一個(gè)時(shí)鐘周期的輸出為上一時(shí)鐘周期緩存的4個(gè)量化數(shù)據(jù)及當(dāng)前時(shí)鐘周期到來的4個(gè)量化數(shù)據(jù)，按采樣先后順序組成的一幀8個(gè)數(shù)，這種變換使得前一幀數(shù)據(jù)的后半幀與后一幀數(shù)據(jù)的前半幀數(shù)據(jù)相同。這種滑半幀處理即得到該步驟的輸出。
[0025]FFT定點(diǎn)運(yùn)算的具體方法為:將短時(shí)滑幀處理所得的每幀數(shù)據(jù)做2Ν點(diǎn)數(shù)的FFT。在本具體實(shí)施例中，所述2Ν點(diǎn)數(shù)的FFT通過η次蝶形計(jì)算得到，其中，N為2的η次方。通常由ADC量化的N路數(shù)據(jù)，N為2的η次方，因此2Ν點(diǎn)的FFT可以通過η次蝶形計(jì)算得到，且FPGA的資源消耗量小，算法可實(shí)現(xiàn)性高。在本具體實(shí)施例中，將每幀8個(gè)量化數(shù)據(jù)經(jīng)8點(diǎn)的FFT，得到時(shí)域信號(hào)的頻域變換。圖2所示為8點(diǎn)FFT的蝶形算法。
[0026]幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波的具體方法為:將FFT定點(diǎn)運(yùn)算實(shí)時(shí)流水輸出的每一幀數(shù)據(jù)，滑動(dòng)進(jìn)入通過由濾波器系數(shù)時(shí)頻變換所得的以向量為元素的滑動(dòng)濾波器。每一幀數(shù)據(jù)各元素和濾波器各向量組元素對(duì)應(yīng)相乘，再對(duì)應(yīng)相加，流水輸出含2Ν個(gè)數(shù)據(jù)的每一幀數(shù)。在本具體實(shí)施例中，經(jīng)FFT處理得到的每幀8點(diǎn)的頻域數(shù)據(jù)再經(jīng)幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波處理，通過如圖3的向量乘累加計(jì)算，輸出的每幀8點(diǎn)數(shù)據(jù)即為幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波的輸出。幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波器元素均為向量，且每個(gè)向量含8個(gè)系數(shù)，濾波器階數(shù)與原始高階濾波器階數(shù)相關(guān)。
[0027]IFFT定點(diǎn)運(yùn)算的具體方法為:將幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波輸出的每幀數(shù)據(jù)，通過IFFT變換，轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)。在本具體實(shí)施例中，所述IFFT變換通過蝶形計(jì)算得到。同F(xiàn)FT定點(diǎn)運(yùn)算類似，只是IFFT變化蝶形運(yùn)算是加權(quán)系數(shù)成共軛關(guān)系。在本具體實(shí)施例中，由幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)8點(diǎn)IFFT定點(diǎn)運(yùn)算，得到時(shí)域信號(hào)。圖2所示為8點(diǎn)的IFFT蝶形算法，與FFT的區(qū)別在于加權(quán)因子的計(jì)算略有不同。
[0028]數(shù)據(jù)截取及輸出的具體方法為:將IFFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每幀數(shù)據(jù)只保留后半幀數(shù)據(jù)，這就使得并行N路輸入，并行N路輸出。將IFFT定點(diǎn)運(yùn)算得到的每幀8點(diǎn)數(shù)據(jù)，只保留后半幀的4個(gè)點(diǎn)，即為最終的濾波器并行輸出，且并行4路輸入，并行4路輸出，滿足數(shù)據(jù)吞吐率的一致性。
[0029]由圖5—圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到這樣的結(jié)論:不論是實(shí)現(xiàn)并行低通數(shù)字濾波還是并行帶通數(shù)字濾波，本發(fā)明采用基于幀結(jié)構(gòu)的并行數(shù)字濾波處理架構(gòu)，所得濾波器頻域響應(yīng)特性和傳統(tǒng)濾波架構(gòu)所得頻域響應(yīng)特性幾乎相同。而本發(fā)明采用幀形式的滑動(dòng)濾波處理方法，相比于傳統(tǒng)通過序列重組的方法，在實(shí)現(xiàn)方式上更為簡(jiǎn)單，消耗的系統(tǒng)資源更少，工程上更易實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高階數(shù)字濾波系統(tǒng)，包括數(shù)字信號(hào)并行輸入模塊和濾波器系數(shù)輸入模塊，其特征在于，還包括: 濾波系數(shù)時(shí)頻變換模塊，以向量為濾波器元素的K-1階滑動(dòng)濾波器;其中，K=l，2，3，…； 短時(shí)滑幀處理模塊，形成含2Ν個(gè)離散數(shù)據(jù)的時(shí)域幀信號(hào)；其中N為N路并行數(shù)據(jù)； FFT定點(diǎn)運(yùn)算模塊，將短時(shí)滑幀處理所得的每幀數(shù)據(jù)做2Ν點(diǎn)數(shù)的FFT ； 幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波模塊，將FFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每一幀數(shù)據(jù)滑動(dòng)進(jìn)入滑動(dòng)濾波器并輸出； IFFT定點(diǎn)運(yùn)算模塊，將滑動(dòng)濾波器輸出的每一幀數(shù)據(jù)通過IFFT變換轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)截取及輸出模塊，將IFFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每幀數(shù)據(jù)只保留后半幀數(shù)據(jù)輸出。
2.一種高階數(shù)字濾波方法，具體方法為，數(shù)字信號(hào)并行N路進(jìn)入FPGA，濾波器系數(shù)通過時(shí)頻變換，形成以向量為各元素的滑動(dòng)濾波器；同時(shí)，并行數(shù)據(jù)在FPGA中通過短時(shí)滑幀處理,形成含2Ν個(gè)離散數(shù)據(jù)的時(shí)域幀信號(hào)，實(shí)時(shí)、并行的做FFT定點(diǎn)運(yùn)算，形成含2Ν個(gè)離散數(shù)據(jù)的頻域幀信號(hào)；頻域幀信號(hào)再經(jīng)過幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波，完成含2Ν個(gè)頻域數(shù)據(jù)的濾波器幀輸出，每幀數(shù)據(jù)再實(shí)時(shí)流水地通過IFFT定點(diǎn)運(yùn)算，完成頻域幀信號(hào)的時(shí)域變換，最后經(jīng)數(shù)據(jù)截取及輸出后半幀時(shí)域信號(hào)；其中， 濾波器系數(shù)時(shí)頻變換的具體方法為:將KN-1階濾波器系數(shù)按每N個(gè)系數(shù)后面補(bǔ)N個(gè)O，再通過2Ν點(diǎn)DFT，形成濾波器的K個(gè)元素，且每個(gè)元素均為2Ν點(diǎn)的向量;其中，K=I, 2，3，…；短時(shí)滑幀處理的具體方法為:并行N路數(shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)部緩存一幀，將當(dāng)前時(shí)鐘周期緩存的數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)鐘周期到來的數(shù)據(jù)按采樣先后順序組成含2Ν個(gè)數(shù)據(jù)的一幀數(shù)； FFT定點(diǎn)運(yùn)算的具體方法為:將短時(shí)滑幀處理所得的每幀數(shù)據(jù)做2Ν點(diǎn)數(shù)的FFT ； 幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波的具體方法為:將FFT定點(diǎn)運(yùn)算實(shí)時(shí)流水輸出的每一幀數(shù)據(jù)，滑動(dòng)進(jìn)入通過由濾波器系數(shù)時(shí)頻變換所得的以向量為元素的滑動(dòng)濾波器； IFFT定點(diǎn)運(yùn)算的具體方法為:將幀結(jié)構(gòu)滑動(dòng)濾波輸出的每幀數(shù)據(jù)，通過IFFT變換，轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)截取及輸出的具體方法為:將IFFT定點(diǎn)運(yùn)算輸出的每幀數(shù)據(jù)只保留后半幀數(shù)據(jù)，這就使得并行N路輸入，并行N路輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濾波方法，所述2Ν點(diǎn)數(shù)的FFT通過η次蝶形計(jì)算得到，其中，N為2的η次方。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的濾波方法，所述IFFT變換通過蝶形計(jì)算得到。
【文檔編號(hào)】H03H17/02GK104333348SQ201410694085
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】劉憲軍, 陳俊霖, 喻令, 向川云 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所