專利名稱：一種用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變速率的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備，尤其涉及用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置。
假定，某信號(hào)的采樣率需要提升至原來的L倍，則先在待處理的數(shù)據(jù)中等間隔的插入L一1個(gè)0，以提升數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)速率至先前的L倍，再將該提升速率后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過線性插值濾波器做濾波處理，濾波的結(jié)果即是經(jīng)過線性內(nèi)插后采樣率被提升了結(jié)果。其中，線性插值濾波器的沖擊響應(yīng)hlin如下 其中n為整數(shù)，表示信號(hào)中的按時(shí)間排列的第幾個(gè)數(shù)。
而實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，如

圖1所示，包括插零裝置11和線性插值濾波器12，該線性插值濾波器12結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括若干相連的寄存器122、若干分別與各寄存器122相連的乘法器123和一與各乘法器相連的加法器124，其中，各乘法器123對(duì)應(yīng)輸入各系數(shù)。
由于上述裝置中采用了插零裝置11，同時(shí)在線性插值濾波器12中必須使用諸多乘法器，從而導(dǎo)致了該裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且耗用資源較多，硬件成本相對(duì)較高。
本發(fā)明所提供的一種用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置，包括一存儲(chǔ)器和一與該存儲(chǔ)器相連的積分瀉放濾波器，其中存儲(chǔ)器，其有兩個(gè)端口，一個(gè)端口用于接收待內(nèi)插處理的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行暫存處理，然后這些信號(hào)在存儲(chǔ)器的另一個(gè)端口以一速率被讀出，該讀出速率等于待內(nèi)插的信號(hào)需要被提升至的采樣速率；積分瀉放濾波器，接收所述存儲(chǔ)器輸出的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行積分瀉放濾波處理，并根據(jù)需要進(jìn)行舍入，輸出的信號(hào)就是經(jīng)過線性內(nèi)插的數(shù)據(jù)率獲得提升的信號(hào)，且該信號(hào)被做了適當(dāng)?shù)纳崛搿?br> 在上述的用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置中，積分瀉放濾波器包括一舍入器、一加法器、一減法器、L級(jí)移位寄存器、第一、第二、第三和第四寄存器，其中舍入器，將輸入信號(hào)xn進(jìn)行舍入處理，舍去m位，輸出信號(hào)xn’，其中，m為自然數(shù)；L級(jí)移位寄存器，接收所述舍入器的輸出信號(hào)xn’，暫存后，輸出信號(hào)xn-L’，L等于待線性內(nèi)插處理的信號(hào)采樣率提升的倍數(shù)；第一寄存器，接收所述舍入器的輸出信號(hào)xn’，暫存后，輸出信號(hào)xi’第二寄存器，接收所述L級(jí)移位寄存器的輸出信號(hào)xn-L’，暫存后，輸出信號(hào)xn-L’；減法器，接收所述第一寄存器的輸出信號(hào)xi’和第二寄存器的輸出信號(hào)xn-L’，進(jìn)行減法運(yùn)算，輸出差值Δxn；第四寄存器，用于暫存上一個(gè)積分瀉放濾波處理后的輸出信號(hào)yn-1；第三寄存器，接收所述減法器的輸出差值Δxn，暫存后，輸出Δxn；加法器，接收所述第三寄存器的輸出Δxn和第四寄存器的輸出信號(hào)yn-1，進(jìn)行相加，結(jié)果即為積分瀉放濾波器的輸出信號(hào)yn，同時(shí)信號(hào)yn被存放在第四寄存器作為下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)來運(yùn)算時(shí)的上一個(gè)積分瀉放濾波處理后的輸出信號(hào)yn-1。
采用了上述的技術(shù)解決方案，將線性插值濾波器分解為級(jí)聯(lián)的積分瀉放濾波器，插零和第一級(jí)的積分瀉放濾波器通過提升存儲(chǔ)器輸出端的時(shí)鐘速率實(shí)現(xiàn)，避免了專用的插零設(shè)備和一級(jí)積分瀉放濾波器，消除濾波器中乘法器的使用。另外對(duì)于積分瀉放濾波器，本發(fā)明采用遞歸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只耗用一個(gè)加法器和一個(gè)減法器，且具有運(yùn)算步驟少，不產(chǎn)生舍入誤差積累引入的錯(cuò)誤。因此本發(fā)明在濾波成形效果、耗用資源和工作速度方面有著良好的表現(xiàn)。
圖5是圖3中采用的發(fā)明的積分瀉放濾波器的結(jié)構(gòu)框圖；圖6是本發(fā)明用于WCDMA基帶發(fā)射脈沖成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。
待插值處理的數(shù)據(jù)首先以fs的速率存入存儲(chǔ)器31，在存儲(chǔ)器的輸出端以Lfs的速率輸出，輸出的信號(hào)再經(jīng)過一L階積分瀉放濾波器進(jìn)行濾波，積分瀉放濾波器的輸出信號(hào)即為經(jīng)過了線性內(nèi)插，采樣率提升至Lfs的數(shù)據(jù)。
其中，存儲(chǔ)器31和一積分瀉放濾波器32為兩級(jí)級(jí)聯(lián)，完成線性內(nèi)插功能，其原理如下由式(1)給出的線性內(nèi)插時(shí)所用線性插值濾波器的沖擊響應(yīng)，根據(jù)信號(hào)理論，該線性插值濾波器可由兩級(jí)L階的積分瀉放濾波器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，其中L階積分瀉放濾波器的沖擊響應(yīng)hint由(2)式表示，即 顯然hint[n]和hlin[n]之間存在以下關(guān)系hlin[n]＝hint[n]*hint[n] (3)其中*表示卷積。
因此，由式(3)表明兩級(jí)(即存儲(chǔ)器31和一積分瀉放濾波器32)的級(jí)聯(lián)等效于現(xiàn)有的線性內(nèi)插濾波器。而積分瀉放濾波器的系數(shù)都為1，可以用現(xiàn)有技術(shù)中的積分瀉放濾波器來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示，包括若干寄存器122和若干加法器124，其與已有的線性內(nèi)插濾波器相比，避免使用乘法器，從而大大地節(jié)省硬件資源的開銷。
下面將以對(duì)信號(hào)a0，a1，a2，a3，……做8倍的采樣率提升為例說明將待插值處理的數(shù)據(jù)以fs的速率存入寄儲(chǔ)器，在寄儲(chǔ)器的輸出端以Lfs的速率輸出等效于將待插值處理的數(shù)據(jù)等間隔插入L-1個(gè)0并經(jīng)一次L階的積分瀉放濾波器濾波。
在a0，a1，a2，a3，……的各個(gè)數(shù)據(jù)之間等間隔插入7個(gè)零得到的信號(hào)是
a0，0，0，0，0，0，0，0，a1，0，0，0，0，0，0，0，a2，0，0，0，0，0，0，0，a3，0，0，0，0，0，0，0，……此時(shí)的信號(hào)的速率為插零之前的8倍，將此信號(hào)再經(jīng)過一次L階的積分瀉放濾波器濾波得到的結(jié)果是a0，a0，a0，a0，a0，a0，a0，a0，a1，a1，a1，a1，a1，a1，a1，a1，a2，a2，a2，a2，a2，a2，a2，a2，a3，a3，a3，a3，a3，a3，a3，a3，……而本發(fā)明中的，通過將待插值處理的數(shù)據(jù)以fs的速率存入存儲(chǔ)器，在存儲(chǔ)器的輸出端以8fs的速率輸出直接輸出了以上的序列。
由此可見，本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的插零和一次積分瀉放濾波而沒有增添額外的設(shè)備，這也就降低了設(shè)備的硬件資源耗用。
在上述的發(fā)明中，積分瀉放濾波器采用現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)，雖然不需要乘法器，卻要耗用較多的加法器，尤其當(dāng)要實(shí)現(xiàn)的積分瀉放濾波器的階數(shù)較高時(shí)，加法器的數(shù)目會(huì)更多，耗費(fèi)較多的資源，且運(yùn)算的延遲會(huì)隨著濾波器階數(shù)的提高而加大。
因此本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種如圖5所示的以遞歸方法實(shí)現(xiàn)的積分瀉放濾波器。
如圖5所示，該積分瀉放濾波器包括一舍入器51、一加法器57、一減法器54、L級(jí)移位寄存器53、第一、第二、第三和第四寄存器52、55、56、58。
設(shè)輸入信號(hào)為x0，x1，…xn，xn+1…，經(jīng)過L階積分瀉放濾波器的輸出為y0，y1，…yn，yn+1…，則輸入信號(hào)xn經(jīng)過舍入器51舍去m位得到xn’，將該信號(hào)送入L級(jí)移位寄存器53和第一寄存器52暫存，此時(shí)L級(jí)移位寄存器的輸出端將有信號(hào)xn-L’輸出至第二寄存器55暫存，第一寄存器中xi’通過減法器51減去第二寄存器55中的xn-L’得到的差為Δxn，Δxn首先被存入第三寄存器56然后與存放于第四寄存器58中的yn-1相加，相加的結(jié)果即為積分瀉放濾波器的輸出yn，yn同時(shí)被存放在第四寄存器58作為下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)來運(yùn)算時(shí)的yn-1。需要指出的是，在系統(tǒng)剛開始工作時(shí)，L級(jí)移位寄存器和各個(gè)寄存器的初始值都必須是0。
上述裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的積分瀉放濾波，同時(shí)對(duì)濾波結(jié)果做了舍入處理。其原理為設(shè)積分瀉放濾波器的輸入信號(hào)為x0，x1，…xn，xn+1…，輸出信號(hào)為y0，y1，…yn，yn+1…，則yn=Σi=n-L+1nxn+i---(4)]]>
根據(jù)上式y(tǒng)n+1=Σi=n-L+2n+1xn+i+1=yn+xn+1-xn-L+1---(5)]]>式(5)表明，如采用遞歸結(jié)構(gòu)，積分瀉放濾波器無論其階數(shù)是多少都可僅僅由一個(gè)加法器和一個(gè)減法器實(shí)現(xiàn)。
由于在實(shí)際使用線性內(nèi)插時(shí)，往往要求最終內(nèi)插輸出的位長(zhǎng)是一定的，所以必須對(duì)輸出結(jié)果做舍入處理，也即要求內(nèi)插濾波器具有結(jié)果舍入處理的能力。
即需要線性內(nèi)插設(shè)備的的最終輸出結(jié)果Output為Outputn＝y(tǒng)n/2m(6)其中m是要舍入的位數(shù)。顯然這可以通過將yn直接截尾m位來實(shí)現(xiàn)，然而這樣做一方面要耗費(fèi)額外的硬件資源，另一方面在多級(jí)線性內(nèi)插濾波器級(jí)聯(lián)使用時(shí)會(huì)帶來舍入誤差的積累放大問題。為此通過分析，將(6)式帶入(5)式有Outputn+1＝Outputn+(xn+1-xn-L+1)/2m (7)Outputn+1＝Outputn+xn+1/2m-xn-L+1/2m(8)式(7)，式(8)說明，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行舍入即可實(shí)現(xiàn)積分瀉放濾波器結(jié)果的舍入。式(7)中的采用了對(duì)減法的結(jié)果做舍入的方法，而式(8)中對(duì)于輸入的數(shù)據(jù)先做舍入后再做減法。在本發(fā)明中采用了式(8)中的處理方法。這是由于，式(8)中的方法和式(7)中的相比，一方面可以完全避免輸出結(jié)果舍入誤差積累的問題，另一方面其減法器的位數(shù)也較采用式(7)中的減法器少m位。
本發(fā)明所描述的線性內(nèi)插裝置可以應(yīng)用在所有需要線性內(nèi)插的場(chǎng)合，如GSM，CDMA的基站系統(tǒng)。
圖6是本發(fā)明運(yùn)用在WCDMA基帶發(fā)送脈沖成形處理裝置的功能框圖。
待發(fā)送的基帶信號(hào)經(jīng)過脈沖成形(FIR)濾波器61的濾波處理后需要提升采樣率以便進(jìn)行后續(xù)的D/A(數(shù)字/模擬)信號(hào)變換。為此將經(jīng)過脈沖成形FIR濾波器61濾波的信號(hào)送入本發(fā)明中描述的線性內(nèi)插裝置62，假如，線性內(nèi)插裝置將其采樣率提升8倍，線性內(nèi)插的結(jié)果舍入了低3位，經(jīng)過線性內(nèi)插處理的信號(hào)仍然不能滿足帶外衰減的特性，因此又將此信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)本發(fā)明描述的8階積分瀉放濾波器63、64進(jìn)行濾波，第一積分瀉放濾波器63和第二積分瀉放濾波器64都對(duì)濾波器的結(jié)果做了2位的舍入處理以使信號(hào)保持適當(dāng)?shù)奈婚L(zhǎng)，濾波的結(jié)果發(fā)往D/A66進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
與傳統(tǒng)的內(nèi)插裝置或本發(fā)明中采用已有技術(shù)的積分瀉放濾波器相比，WCDMA基帶發(fā)送脈沖成形處理裝置若采用Xilinx公司的XCV1000E-6-hq240FPGA芯片實(shí)現(xiàn)大約需要12％的芯片資源，然而采用本發(fā)明的內(nèi)插濾波器和積分瀉放濾波器消耗的芯片資源下降為8％左右，即節(jié)省了大約三分之一的硬件資源開銷。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1.將線性內(nèi)插濾波器分解為兩個(gè)級(jí)聯(lián)的積分瀉放濾波器來實(shí)現(xiàn)。
2.插零和第一級(jí)的積分瀉放濾波器通過提升存儲(chǔ)器輸出端的時(shí)鐘速率實(shí)現(xiàn)，避免了專用的插零設(shè)備和一級(jí)積分瀉放濾波器。
3.積分瀉放濾波器采用了遞歸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)只耗用一個(gè)加法器和一個(gè)減法器，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算步驟少，不產(chǎn)生舍入誤差積累的特點(diǎn)。
本發(fā)明的積分瀉放濾波器可以作為獨(dú)立的單元應(yīng)用在任何需要使用積分瀉放濾波器的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置，其特征在于包括一存儲(chǔ)器和一與該存儲(chǔ)器相連的積分瀉放濾波器，其中存儲(chǔ)器，其有兩個(gè)端口，一個(gè)端口用于接收待內(nèi)插處理的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行暫存處理，然后這些信號(hào)在存儲(chǔ)器的另一個(gè)端口以一速率被讀出，該讀出速率等于待內(nèi)插的信號(hào)需要被提升至的采樣速率；積分瀉放濾波器，接收所述存儲(chǔ)器輸出的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行積分瀉放濾波處理，并根據(jù)需要進(jìn)行舍入，輸出的信號(hào)就是經(jīng)過線性內(nèi)插的數(shù)據(jù)率獲得提升的信號(hào)，且該信號(hào)被做了適當(dāng)?shù)纳崛搿?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置，其特征在于所述的積分瀉放濾波器包括一舍入器、一加法器、一減法器、L級(jí)移位寄存器、第一、第二、第三和第四寄存器，其中舍入器，將輸入信號(hào)xn進(jìn)行舍入處理，舍去m位，輸出信號(hào)xn’，其中，m為自然數(shù)；L級(jí)移位寄存器，接收所述舍入器的輸出信號(hào)xn’，暫存后，輸出信號(hào)xn-L’，L等于待線性內(nèi)插處理的信號(hào)采樣率提升的倍數(shù)；第一寄存器，接收所述舍入器的輸出信號(hào)xn’，暫存后，輸出信號(hào)xi’；第二寄存器，接收所述L級(jí)移位寄存器的輸出信號(hào)xn-L’，暫存后，輸出信號(hào)xn-L’；減法器，接收所述第一寄存器的輸出信號(hào)xi’和第二寄存器的輸出信號(hào)xn-L’，進(jìn)行減法運(yùn)算，輸出差值Δxn；第四寄存器，用于暫存上一個(gè)積分瀉放濾波處理后的輸出信號(hào)yn-1；第三寄存器，接收所述減法器的輸出差值Δxn，暫存后，輸出Δxn；加法器，接收所述第三寄存器的輸出Δxn和第四寄存器的輸出信號(hào)yn-1，進(jìn)行相加，結(jié)果即為積分瀉放濾波器的輸出信號(hào)yn，同時(shí)信號(hào)yn被存放在第四寄存器作為下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)來運(yùn)算時(shí)的上一個(gè)積分瀉放濾波處理后的輸出信號(hào)yn-1。
全文摘要
一種用于數(shù)字信號(hào)處理的線性內(nèi)插裝置，包括存儲(chǔ)器和積分瀉放濾波器，其中，積分瀉放濾波器將輸入信號(hào)x
文檔編號(hào)H04W88/08GK1458755SQ0211166
公開日2003年11月26日 申請(qǐng)日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月15日
發(fā)明者史慶波, 吳素芳, 劉斌, 王濤 申請(qǐng)人:上海貝爾有限公司