專利名稱：帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實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頻域數(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)計簡單，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信號進(jìn)行滑動平均得到輸出。其實質(zhì)是信號通過一個低通濾波器處理，該濾波器通頻帶較窄，信號衰減較大?；谛〔ㄗ儞Q的信號除噪算法，這些算法利用信號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。這種方法在處理時強(qiáng)時弱的信號時閾值比較難于確定，消噪效果就不理想。圖象內(nèi)插，頻譜分析，信號濾波等數(shù)字信號處理應(yīng)用中，傳統(tǒng)方法應(yīng)用雖然都可以得到一定的效果，但物理意義卻不明顯。這樣，電路中使用的器件數(shù)和復(fù)雜度就會增加，成本相應(yīng)上升。
實用新型內(nèi)容本實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頻域數(shù)字濾波器。
為實現(xiàn)上述目的本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，其特征在于由2N-1個加法器、3N-1個乘法器、2N-2個延遲單元、延遲窗、離散傅立葉變換器和系統(tǒng)特性處理單元組成；N階帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的2N-1個輸入中每兩個輸入之間設(shè)一延遲單元；x(n-N+1)是系統(tǒng)的第一個輸入，x(n-N+2)是延遲一個單元后的輸入，這樣全部2N-1個輸入送到延遲窗；經(jīng)過間隔N點相加處理后得到的N個輸出后做離散傅立葉變換，然后與系統(tǒng)特性處理單元相乘，得到的N個輸出結(jié)果相加得到最后輸出，分辨率由階數(shù)N來決定。
所述延遲窗單元和間隔N點相加處理部分以及離散傅立葉變換器可以集成在一個芯片中，系統(tǒng)單沖擊響應(yīng)處理單元單獨集成在一個芯片中。
所述延遲窗由兩個中心對稱三角窗卷積生成。
所述的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，對經(jīng)過延遲單元后的2N-1個輸入先加權(quán)，然后進(jìn)入隔N點相加的處理單元。
所述延遲窗單元，間隔N點相加處理單元和離散傅立葉變換器可以集成在一個芯片中，芯片有一個信號輸入管腳，N個信號輸出管腳，一個同步控制管腳用于對稱延遲窗的生成，并有時鐘控制管腳且有N個控制窗單元序列的寄存器單元；系統(tǒng)特性處理單元可以單獨集成在另一個芯片，芯片有N個信號輸入管腳，一個信號輸出管腳，并有一個同步控制管腳用于調(diào)節(jié)對稱系統(tǒng)特性處理單元的生成，并有時鐘控制管腳且有N個控制單元序列的寄存器單元。
所述兩塊芯片可以集成在一個芯片中。


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是帶延遲窗重疊頻域數(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是傳輸特性，DFT是離散傅立葉變換器，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階帶延遲窗重疊頻域數(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頻域數(shù)字濾波器芯片連接示意圖；圖8是集成的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的頻率特性曲線圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和較佳實施例，對依據(jù)本實用新型提供的具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征詳述如下一種帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，其特征在于由2N-1個加法器，3N-1個乘法器，2N-2個延遲單元Z-1，DFT變換單元和延遲窗C組成；N階帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的2N-1個輸入中每兩個輸入之間設(shè)一延遲單元Z-1；x(n-N+1)是系統(tǒng)的第一個輸入，x(n-N+2)是延遲一個單元后的輸入，這樣全部2N-1個輸入送到延遲窗C處理單元；經(jīng)過間隔N點相加處理后得到的N個輸出并做DFT變換處理，然后與系統(tǒng)傳輸特性H相乘，得到的N個輸出結(jié)果相加得到最后輸出。系統(tǒng)特性處理單元H可根據(jù)需要分別設(shè)置為0或1以決定需要的信號頻率成分及不需要的部分，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C單元和間隔N點相加處理，從而得到改善特性的目的。
帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的延遲窗單元C，間隔N點相加處理單元可以集成在一個芯片SFWO中。
帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器輸入信號要先進(jìn)行延遲窗C和間隔N點相加單元處理，且延遲窗可以改變，理論和實驗可以證明，為保持濾波器線性特性，要求延遲窗C由兩個相同的中心對稱的三角窗卷積生成。
為保持最小的均方誤差，延遲窗單元C是中心對稱的類余弦窗。
芯片SFWO有1個信號輸入管腳，N個信號輸出管腳，一個同步控制管腳用于保持延遲窗中心對稱，并有時鐘控制管腳且有2N-1個控制窗單元序列的寄存器單元及離散傅立葉變換器DFT處理模塊。
系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)處理部分可以單獨集成在一個芯片SFH，芯片有N個信號輸入管腳，一個信號輸出管腳，并有一個同步控制管腳用于調(diào)節(jié)對稱H的生成，并有時鐘控制管腳且有N個控制單元序列的寄存器單元。
帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的SFWO模塊、SFH模塊可以集成在一個芯片中，其中N為濾波器階數(shù)。
參見圖5至圖8，展開本實用新型的技術(shù)方案，N階帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器輸入和輸出為1；輸入端有2N-2個延遲單元Z-1；輸入經(jīng)延遲單元Z-1后首先與延遲窗序列C相乘，2N-1個輸出作為間隔N點相加處理單元的輸入，相加處理后產(chǎn)生的N個輸出先做DFT變換，然后與H相乘后分別相加得到結(jié)果的時域信號y(n)。
理論和實驗證明，為了保持濾波器的線性性和最小誤差，對圖5中的延遲窗應(yīng)由兩個相同的中心對稱三角窗卷積生成，延遲窗關(guān)于中心對稱，延遲窗的形狀應(yīng)為類余弦形狀。系統(tǒng)的實現(xiàn)可以用一片芯片完成，包含兩個模塊2N-2個輸入延遲單元，延遲窗處理單元和間隔N點相加處理單元和DFT處理單元集成在模塊SFWO中，模塊有1個輸入和N個輸出；經(jīng)過系統(tǒng)特性處理單元H，完成對信號的濾波功能；集成的芯片應(yīng)至少包含1個輸入，1個輸出，延遲窗函數(shù)及時鐘控制，并帶有用于擴(kuò)展功能的接口。
由于初始狀態(tài)各個延遲單元的值為零，所以從系統(tǒng)運行開始到第N-2系統(tǒng)單位時間得到的N-2輸出都是不準(zhǔn)確，因此應(yīng)舍去不用。從第N-1時刻開始，系統(tǒng)將產(chǎn)生正確的輸出。直到最后N個數(shù)據(jù)時，又會產(chǎn)生不正確輸出。為減少邊界誤差，理論已證明，采用偶對稱的方式來進(jìn)行延遲單元的初始化。
由圖4和圖6特性比較可以看出，帶延遲窗重疊頻域數(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。
帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器在對需要實時切換或改變?yōu)V波器頻率響應(yīng)的場合，例如頻率自適應(yīng)濾波，自適應(yīng)圖象隱錯等方面有重要意義。以圖5所示系統(tǒng)的輸出作為濾波器輸入可以方便地實現(xiàn)濾波器級聯(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，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，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頻率正弦信號，而W-O方法可以做分辨，盡管幅度估計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對噪聲的譜也有了較好的估計。
(3)自適應(yīng)信號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得到信號的穩(wěn)態(tài)誤差小于傳統(tǒng)方法。
(4)信號濾波在傳統(tǒng)頻率域數(shù)字濾波器中，對長輸入信號采用分段處理方式，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)計所需的濾波器，而且在信號的分段處會出現(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。另一方面，信號分段長度的選擇也必須兼顧計算量大小和處理效果兩方面。本實用新型是一種新的可連續(xù)輸入輸出的頻率域濾波器。
(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)等對要設(shè)計濾波器的使用，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頻域數(shù)字濾波器，其特征在于由2N-1個加法器、3N-1個乘法器、2N-2個延遲單元、延遲窗、離散傅立葉變換器和系統(tǒng)特性處理單元組成；N階帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器的2N-1個輸入中每兩個輸入之間設(shè)一延遲單元；x(n-N+1)是系統(tǒng)的第一個輸入，x(n-N+2)是延遲一個單元后的輸入，這樣全部2N-1個輸入送到延遲窗；經(jīng)過間隔N點相加處理后得到的N個輸出后做離散傅立葉變換，然后與系統(tǒng)特性處理單元相乘，得到的N個輸出結(jié)果相加得到最后輸出，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頻域數(shù)字濾波器，其特征在于所述延遲窗單元和間隔N點相加處理部分以及離散傅立葉變換器可以集成在一個芯片中，系統(tǒng)單沖擊響應(yīng)處理單元單獨集成在一個芯片中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，其特征在于延遲窗由兩個中心對稱三角窗卷積生成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，對經(jīng)過延遲單元后的2N-1個輸入先加權(quán)，然后進(jìn)入隔N點相加的處理單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，其特征在于所述延遲窗單元，間隔N點相加處理單元和離散傅立葉變換器可以集成在一個芯片中，芯片有一個信號輸入管腳，N個信號輸出管腳，一個同步控制管腳用于對稱延遲窗的生成，并有時鐘控制管腳且有N個控制窗單元序列的寄存器單元；系統(tǒng)特性處理單元可以單獨集成在另一個芯片，芯片有N個信號輸入管腳，一個信號輸出管腳，并有一個同步控制管腳用于調(diào)節(jié)對稱系統(tǒng)特性處理單元的生成，并有時鐘控制管腳且有N個控制單元序列的寄存器單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，其特征在于所述兩塊芯片可以集成在一個芯片中。
專利摘要本實用新型提供了一種帶延遲窗重疊頻域數(shù)字濾波器，其特征是由一個延遲窗、加法器、乘法器、離散傅立葉變換器和系統(tǒng)特性處理單元組成。信號輸入經(jīng)延遲單元后與延遲窗相乘，然后進(jìn)行間隔N點相加處理，對得到的N個輸出經(jīng)過離散傅立葉變換器變換到頻域，經(jīng)系統(tǒng)特性處理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)計中原有器件的數(shù)量，簡化電路，降低成本。
文檔編號H03H17/02GK2724296SQ20042002963
公開日2005年9月7日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者蘇飛 申請人:天津通廣三星電子有限公司