專利名稱:內(nèi)插/分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)及數(shù)字濾波器的制作方法
本發(fā)明涉及改進或關(guān)于裝有插入遞歸數(shù)字濾波器類型的內(nèi)插和分?jǐn)?shù)(decimator)濾波結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及相同類型的數(shù)字濾波器的改進設(shè)計。
近來在文獻里曾經(jīng)敘述過新穎的內(nèi)插/分?jǐn)?shù)濾波器的結(jié)構(gòu)。特別要提到的二篇文章是R.A.瓦蘭朱拉和A.G.康斯坦丁德斯于1983年12月在(英國)電氣工程師學(xué)會會報第130卷第6期第225-234頁報導(dǎo)過的“用于高效內(nèi)插法和分?jǐn)?shù)法的數(shù)字信號處理方案“(Digital Signal Processing Schemes for efficient Interpolation and Decimation)以及R.安塞瑞和B.盧易于1983年12月在(美國)電氣與電子工程師協(xié)會聲學(xué)會刊語言信號會報卷ASSP-31第6期第1366-1373頁報導(dǎo)過的“使用遞歸無限脈沖響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器的高效抽樣率交替”(Efficient Sampling Rate alternation using Recursive(IIR)Digital Filters)。
所說的結(jié)構(gòu)能夠在二個內(nèi)因子N相聯(lián)系(N是一個整數(shù))的抽樣率之間進行內(nèi)插或進行分?jǐn)?shù)。當(dāng)N為2時，證明是最有效的，因此，以后要進一步考慮的也就按此情況進行，要注意的是相差為二的倍數(shù)的抽樣率之間的內(nèi)插和分?jǐn)?shù)，可以用相同濾波器的級聯(lián)較易地實現(xiàn)，其中每一濾波器的頻率改變?yōu)槎谋稊?shù)。
這些內(nèi)插和分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì)如下
ⅰ)重復(fù)使用簡單的全通網(wǎng)絡(luò)(APNS)以建立濾波器結(jié)構(gòu)，簡化實現(xiàn)方法，ⅱ)多數(shù)的信號處理是在較低的兩個抽樣頻率下進行的，通過減少每單位時間所需進行的乘法和加法次數(shù)，以便達到與選擇另一種濾波結(jié)構(gòu)相比的給出特性要求。
ⅲ)良好的噪聲性能，ⅳ)濾波器對系數(shù)值靈敏度低這一性能導(dǎo)致字長的系數(shù)短，ⅴ)要求減少系數(shù)數(shù)字，實現(xiàn)與另一種常規(guī)濾波器結(jié)構(gòu)相比具有已知性能的濾波器。
然而，現(xiàn)在在文獻里所說的濾波器結(jié)構(gòu)存在一些限制。其中一個限制就是在信號帶外衰減增加到3分貝的那個頻率是固定在一半的最低抽樣頻率處。這就是說，抽樣率由16KHz倍縮到8KHz的濾波器只能在4KHz處提供3分貝的信號衰減。有許多應(yīng)用，要求濾波器的3分貝點是在其它頻率上，所以，上述性能是一個嚴(yán)重的限制。
本發(fā)明的意圖是要解決上述問題。裝入的內(nèi)插和分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)的3分貝衰減點頻率偏離一米的較低抽樣率，使之能得到較好的帶外信號衰減。
按本發(fā)明提供的內(nèi)插或分?jǐn)?shù)濾波器的結(jié)構(gòu)可以在高低抽樣率之間操作，該結(jié)構(gòu)包括一對信號處理支路，每一支路由相應(yīng)的抽樣開關(guān)分成低頻部分和高頻部分，其中的一個支路的高頻部分包括一個嵌套的全通網(wǎng)絡(luò)遞歸數(shù)字濾波器，這種數(shù)字濾波器主要包括第一遞歸濾波器，它包含有第一系數(shù)乘法器;以及包括第二遞歸濾波器，它包含有第二系數(shù)乘法器，這個第二濾波器被嵌套在第一遞歸濾波器里，第二系數(shù)乘法器的系數(shù)值是預(yù)先規(guī)定的，以使3分貝的衰減出現(xiàn)在偏離一半的低抽樣率的某一頻率處。
這里采用的解決方法是引進一套嵌套的全通網(wǎng)絡(luò)濾波器，此濾波器在濾波器結(jié)構(gòu)的其中一個支路里在高頻下工作。預(yù)選第二乘法器的系數(shù)可以使3分貝點偏離一半的低頻抽樣率。這系數(shù)如果是負值就相應(yīng)于偏離低頻;如果是正值則相應(yīng)于偏離高頻。
此外，根據(jù)本發(fā)明，備有一個遞歸數(shù)字濾波器使用于內(nèi)插或分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)，其中的數(shù)字濾波器可以用一個變換函數(shù)表征，其形式由下列公式表達
其中，式中A(Z)項是一個變換函數(shù)，其形式由表達式
給出，式中K1和K2項是第一和第二非零倍乘系數(shù)，而Z-1是單位延遲變換算子，屬于嵌套結(jié)構(gòu)的濾波器包括第一濾波器，它包含有用以倍乘第一系數(shù)K1的第一系數(shù)乘法器;以及嵌套在這個第一濾波器里的第二濾波器，它包含有用以倍乘第二系數(shù)K2的第二系數(shù)乘法器。
附隨本說明書的圖有圖1是一熟知的遞歸數(shù)字濾波器的線路圖;
圖2是按本發(fā)明的改進的遞歸數(shù)字濾波器的線路圖;
圖3和4分別是分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)和內(nèi)插濾波器結(jié)構(gòu)的線路圖，每種都加入上述圖2中的濾波器;以及圖5是本濾波器的增益的頻率響應(yīng)圖。
下面將敘述本發(fā)明的實施例，通過實例參照上述附圖給以說明。
圖1中可以看到一個一般結(jié)構(gòu)的遞歸數(shù)字濾波器。這個濾波器1包括一個單位延遲元件3以及與之并接的一個數(shù)字系數(shù)乘法器5。這些輸入端被連到公共的輸入端7，而輸出端被饋至濾波器輸出O/P處的相加節(jié)點9。分別用相減和相加節(jié)點11和13提供交叉的耦合，一路是由延遲元件的輸出端到乘法器輸入端的耦合，另一路是由乘法器的輸出端到延遲元件的輸入耦合，以提供作遞歸操作用的反饋和前饋。
這種熟知濾波器的變換函數(shù)A(Z)具有下列形式
式中K是倍乘系數(shù)，Z-1是單位延遲算子。
圖2所示的改進的遞歸數(shù)字濾波器是兩個濾波器的組合，其中一個濾波器1要嵌套進另一濾波器1′。這種組合數(shù)字濾波器于是包括一套嵌套濾波器1，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，以及包括另一種套式濾波器1′，其結(jié)構(gòu)完全相似，但具有一個第二延遲元件3′、一個系數(shù)乘法器5′、一個公共輸入端7′、輸出處的相加節(jié)點9′、反饋相減節(jié)點11′、前饋相加節(jié)點13′以及交叉耦合。嵌套濾波器1(如圖所示)位于延遲元件3′的輸出和耦合到相加節(jié)點13′的前饋之間。
這種組合濾波器的變換函數(shù)B(Z)具有形式
式中的K1、K2項分別是套式濾波器1′和嵌套濾波器1的倍乘系數(shù)。
圖5是一個分?jǐn)?shù)器或內(nèi)插器的典型衰減要求，用變作16KHz抽樣率和18KHz抽樣率之間的改率。圖中所示要求是3分貝點要在約3.5KHz的頻率處。這個設(shè)計問題的解決方法是用全通網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計一個“先有技術(shù)”濾波器，以滿足假定3分貝點是在4KHz的性能要求，即將嵌套全通網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)系數(shù)K2保持零值，然后為進一步優(yōu)選濾波器，改變內(nèi)系數(shù)K2，直到3分貝點是在所需位置為止，以滿足其性能要求。
圖3是使用本解決方法所實現(xiàn)的分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)。輸入信號沿兩支分路21和23行進，每支分路都有一個級聯(lián)的全通網(wǎng)絡(luò)。元件3′至13′包括工作在較高的二個抽樣頻率FS，即2FS的嵌套全通網(wǎng)絡(luò)1′。元件1是“內(nèi)”全通網(wǎng)絡(luò)濾波器，其系數(shù)K2是影響3分貝點的位置的主要原因。元件25是一單級延遲元件，它使輸出信號在較高的二倍抽樣率，即2FS下延遲了一個時鐘周期。
下一個步驟是用開關(guān)27和29對濾波器的兩個支路21、23下行的信號二次抽樣，然后使二次抽樣過的信號通過工作在較低的抽樣率，即FS的其它全通網(wǎng)絡(luò)31、33和35。輸出在相加節(jié)點37處相加，并使最后的信號降低0.5倍。
分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)的一個設(shè)計的典型系數(shù)值在以下表1中給出表1系數(shù) 小數(shù)值K10.84375K2-0.109375K30.640625K40.80078125K50.2265625K60.5
為了滿足帶外信號衰減的已知要求，可以作一系列的改變。可以改變各支路濾波器結(jié)構(gòu)中的全通網(wǎng)絡(luò)數(shù)目，而且也可以改變所有倍乘系數(shù)的值，以使濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計能滿足各種各樣的頻率響應(yīng)要求。
圖4是也用上面的解決方法來實現(xiàn)的內(nèi)插濾波器結(jié)構(gòu)。此處濾波器41、43和45在較低的抽樣頻率下處理輸入信號。開關(guān)47和49通過引進附加的抽樣使抽樣率增加到2倍。所有附加的抽樣都置于零值。使濾波器結(jié)構(gòu)兩個支路51、53中的一個51上的信號先通過一延遲元件55，然后通過和上述嵌套全通網(wǎng)絡(luò)1′相同方式工作的嵌套全通網(wǎng)絡(luò)濾波器1′。于是濾波器結(jié)構(gòu)兩支路的輸出在相加節(jié)點57處相加起來以給出濾波過的內(nèi)插最后輸出。
內(nèi)插濾波器結(jié)構(gòu)的一個設(shè)計的典型系數(shù)值在以下表2給出表2系數(shù) 小數(shù)值K10.84375K2-0.109375K30.640625K40.80078125K50.2265625用上述變換函數(shù)A(Z)表征的遞歸濾波器的其它構(gòu)形，對那些熟悉此技術(shù)的人來說是很明顯的，并不想把組合濾波器的構(gòu)形束縛在上述具體的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.可以在高、低抽樣率之間操作的一個內(nèi)插或分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)包含一對信號處理支路，每一支路都被相應(yīng)的抽樣開關(guān)劃分成低頻部分和高頻部分，其中一個高頻部分包括一個嵌套全通網(wǎng)絡(luò)遞歸數(shù)字濾波器，這種濾波器主要包括有包括第一系數(shù)乘法器的第一遞歸濾波器；以及包括第二系數(shù)乘法器的第二遞歸濾波器，這個第二濾波器要嵌套在第一遞歸濾波器里，第二系數(shù)乘法器的系數(shù)是屬于一個預(yù)定的數(shù)值，使得3分貝衰減會出現(xiàn)在偏離一半的較低抽樣率的某一頻率處。
2.建造、適配和安裝一個內(nèi)插濾波器結(jié)構(gòu)，使它基本上參照和如附圖4所示的、按上文敘述過的那種方式操作。
3.建造、適配和安裝一個分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)，使之基本上參照和如附圖3所示的、按上文敘述的那種方式操作。
4.一個用于內(nèi)插或分?jǐn)?shù)濾波器結(jié)構(gòu)的一個遞歸數(shù)字濾波器，其中的數(shù)字濾波器可以用下式給出的變換函數(shù)
表征，式中A(Z)項是一個變換函數(shù)，由下式
給出，其中K1和K2項是第一和第二非零倍乘系數(shù)，而Z-1項是單位延遲變換算子，濾波器屬于嵌套結(jié)構(gòu)，包含有第一系數(shù)乘法器在內(nèi)的第一濾波器，第一系數(shù)乘法器用來倍乘第一系數(shù)K1;還有嵌套在這個第一濾波器里的第二濾波器，它包含有用來倍乘第二系數(shù)K2的第二系數(shù)乘法器。
5.如權(quán)利要求
4中要求的一個遞歸數(shù)字濾波器，其中的第一濾波器、第二濾波器或二者一起包括一公共的輸入端;一個經(jīng)相減節(jié)點而連到端點的單位延遲元件;一個第一相加節(jié)點連到端點的系數(shù)乘法器;一個并聯(lián)到延遲元件和乘法器輸出端的第二相加節(jié)點;以及從這些輸出分別交叉耦合到相減節(jié)點和第一相加節(jié)點。
6.建造、適配和安裝一個遞歸數(shù)字濾波器，使之基本上參照和如附圖2和5中所示的、按上文敘述過的那種方式進行工作。
專利摘要
一種可以在二個抽樣率(F
文檔編號H03H17/08GK86105452SQ86105452
公開日1987年5月27日 申請日期1986年8月26日
發(fā)明者奈杰爾·保羅·戴爾 申請人:普列斯海外有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan