一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法及系统技术方案

一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法及系统，应用于通信和数字信号处理领域。为了解决现有技术中采用插值滤波实现信号升采样处理存在小数倍升采样实现困难、升采样倍数变化不灵活、采样率提高后速度与性能无法保证的问题。本发明专利技术方法主要步骤包括：任意FIR滤波器查找表建立步骤、任意倍可变升采样地址映射步骤、数字FIR子滤波器构造步骤、数据同步与信号合成步骤。本发明专利技术可针对不同信号处理系统的具体性能要求实现信号的升采样。采样倍数可以为任意值，且可随时灵活改变，具有占用资源低、灵活性强、实现速率高且性能优良的特点。本发明专利技术采用的方法只需要用到FPGA内部的存储器、乘法器和加法器即可完成，性能优于传统方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法及系统
本专利技术主要应用于通信和数字信号处理领域，具体涉及一种基于查表法实现的任意倍可变升采样信号处理方法及系统。
技术介绍
在通信与信号处理中，经常需要一个信号工作在不同的数字系统中，或一个数字系统能够处理各种采样率的信号，而多速率信号处理技术的出现解决了这项问题。信号升采样技术是多速率信号处理的重要内容，它主要用来提高信号的采样率。采样率越高，所能获得的信息越多，精度越高。现存的升采样技术主要采用插值滤波的方式实现，然而这种方法难以实现小数倍的内插，且内插倍数无法灵活改变，另外，在具体实现时，插值滤波方式还受到速度与性能等因素的限制。总结起来，采用插值滤波实现信号升采样处理具有如下的问题。1小数倍升采样实现困难。实际工程中，采样率的变换可能是一个任意的数值，而现存插值滤波的方法只能进行整数倍升采样。虽然可以通过插值与抽取组合的方式实现部分小数倍的升采样，但是操作复杂，在高数据速率下难以实现。2升采样倍数变化不灵活。对于一个系统，若采用插值滤波的方式实现升采样，当滤波器确定之后升采样倍数也随之确定，即该系统只能处理此内插倍数的升采样。若倍数改变，则需要重新计算滤波器的各项参数，否则无法继续使用。3采样率提高后速度与性能无法保证。当升采样倍率达到数十倍甚至更高的倍率时，若采用FIR滤波器，则由于其十分窄的过渡带，将导致滤波器的阶数过高，无法处理高速数据，工程上也很难实现；若采用结构简单的梳妆积分(CIC)滤波器的级联形式或其改进形式，则其性能难以满足高精度要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法及系统，以解决现有技术中采用插值滤波实现信号升采样处理存在小数倍升采样实现困难、升采样倍数变化不灵活、采样率提高后速度与性能无法保证的问题。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法，所述方法包括：步骤一、任意FIR滤波器查找表建立步骤：根据所需设计滤波器特性的要求，选择连续函数sinc(πt)的主瓣与旁瓣离散化处理，离散化后的数据序列加窗量化，然后把每个瓣的波形数据写入到查找表中，完成数字FIR滤波器查找表的构造；步骤二、任意倍可变升采样地址映射步骤：控制字计算：控制字＝(2n×数据符号速率)÷升采样后符号速率；即：控制字＝2n÷升采样倍率；其中，n为控制字的位宽；地址映射，查找表取数步长通过控制字实现，由查找表取数步长计算出每次取数的地址，通过地址映射构造所需的数字FIR滤波器，用于与数据信号合成，获得滤波的结果，完成信号升采样；读取数据，产生读取查找表的地址后进行读取数据：通过改变控制字位宽实现任意倍升采样精度需求；步骤三、数字FIR子滤波器构造步骤：得到控制字后，设置查找表的初始相位，由相位累加器即可得到查找表地址；控制字决定查找表中取出的滤波器系数的地址，更改控制字即可随时改变每次取数构造的FIR滤波器的形状，改变升采样的倍数，实现倍率可变的升采样；步骤四、数据同步与信号合成步骤：输入的数据和FIR子滤波器系数所采用的时钟不相同，输入的数据使用的是升采样前的时钟信号，而FIR子滤波器系数使用的是升采样后的时钟，将二者进行同步处理，数据与系数同步之后，将它们分别相乘，相乘后的结果再累加后即为任意倍升采样后的结果。数据同步与信号合成步骤的过程为：每当一个新数据读入时，使得FIR子滤波器系数刚好从查找表表头开始取数；在每个系数时钟周期里(升采样后时钟)，数据依次与读出的一个滤波器系数相乘；避免传统方法中每个系数时钟周期内所有系数都必须参与乘法运算，极大地减小了运算量；当表中的数取完后，数据时钟一个周期结束，下一个数据进入，而查找表又回到表头，开始新一轮的取数；每个系数时钟内，查找输出的系数都进行一次乘法，每个查找表乘法的结果相累加，即为任意倍升采样后的结果。在任意倍可变升采样地址映射步骤中：对于任意倍升采样，需从查找表中取出系数构成子滤波器，根据控制字从查找表的初始相位开始取数，当按照控制字长度取完数时，最后可能会剩余一段不足一个控制字长度的数据段，将不足的从表的开头扣除继续进行第二个周期的取数；即将查找表看作是首尾相接的一个圆，每次按控制字循环取数，以实现小数倍内插算法。一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现系统，所述系统包括：任意FIR滤波器查找表建立单元，用于根据所需设计滤波器特性的要求，选择连续函数sinc(πt)的主瓣与旁瓣离散化处理，离散化后的数据序列加窗量化，然后把每个瓣的波形数据写入到查找表中，完成数字FIR滤波器查找表的构造；任意倍可变升采样地址映射单元，用于控制字计算：控制字＝(2n×数据符号速率)÷升采样后符号速率；即：控制字＝2n÷升采样倍率；其中，n为控制字的位宽；用于地址映射，查找表取数步长通过控制字实现，由查找表取数步长计算出每次取数的地址，通过地址映射构造所需的数字FIR滤波器，用于与数据信号合成，获得滤波的结果，完成信号升采样；用于读取数据，产生读取查找表的地址后进行读取数据：用于通过改变控制字位宽实现任意倍升采样精度需求；数字FIR子滤波器构造单元，用于设置查找表的初始相位，由相位累加器即可得到查找表地址，控制字决定查找表中取出的滤波器系数的地址，用于更改控制字改变每次取数构造的FIR滤波器的形状，改变升采样的倍数，实现倍率可变的升采样；数据同步与信号合成单元，用于将输入的数据和FIR子滤波器系数进行同步处理，输入数据与所述系数同步之后，将它们分别相乘，相乘后的结果再累加后即为任意倍升采样后的结果。本专利技术的有益效果是：本专利技术是一种基于查找表实现的、具有任意倍灵活可变的信号升采样实现方法，可针对不同信号处理系统的具体性能要求实现信号的升采样。采样倍数可以为任意值，且可随时灵活改变，具有占用资源低、灵活性强、实现速率高且性能优良的特点。本专利技术采用的方法只需要用到FPGA内部的存储器、乘法器和加法器即可完成，性能优于传统方法。针对本专利技术采用的技术手段的效果及原理进行如下阐述：1任意FIR滤波器查找表构造方法传统的升采样滤波器通常采用CIC滤波器，该滤波器结构简单，实现方便，仅仅使用加法器和延迟器即可。但是它的性能较差，通带衰减很大，阻带衰减不高。采用多级级联等改进的方式虽然可以提高性能，但是仍难以满足高精度要求。CIC滤波器实现升采样受到性能与精度的限制。一般升采样不采用FIR滤波器，尤其是在升采样倍数很大的时候。由于升采样倍数的提高，会导致滤波器的阶数很大，每一阶的系数都需要与数据进行运算，从而引入了很大的计算量，无法在高速条件下运行，工程上也很难实现。FIR滤波器实现升采样受到速度与工程实际的制约。本专利技术采用了查找表实现FIR滤波器方式。首先构造出一个任意的高阶数字FIR滤波器，其性能能够满足设计要求；然后利用查找表的方式，通过特定的地址映射关系，每个时钟周期从表中取出若干个系数进行运算，从而避免了无用的计算，使得运算量大幅度减小，解决了速度制约的问题。建立查找表首先需要构造出合适的高阶数字FIR滤波器。对于任意倍的升采样，一般的做法是先插值提高数据速率，以到达所需的采样率，再滤波去除镜像分量，完成升采样。离散信号最简单的插值是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法，其特征在于：所述方法包括：步骤一、任意FIR滤波器查找表建立步骤：根据所需设计滤波器特性的要求，选择连续函数sinc(πt)的主瓣与旁瓣离散化处理，离散化后的数据序列加窗量化，然后把每个瓣的波形数据写入到查找表中，完成数字FIR滤波器查找表的构造；步骤二、任意倍可变升采样地址映射步骤：控制字计算：控制字＝(2n×数据符号速率)÷升采样后符号速率；即：控制字＝2n÷升采样倍率；其中，n为控制字的位宽；地址映射，查找表取数步长通过控制字实现，由查找表取数步长计算出每次取数的地址，通过地址映射构造所需的数字FIR滤波器，用于与数据信号合成，获得滤波的结果，完成信号升采样；读取数据，产生读取查找表的地址后进行读取数据：通过改变控制字位宽实现任意倍升采样精度需求；步骤三、数字FIR子滤波器构造步骤：得到控制字后，设置查找表的初始相位，由相位累加器即可得到查找表地址；控制字决定查找表中取出的滤波器系数的地址，更改控制字即可随时改变每次取数构造的FIR滤波器的形状，改变升采样的倍数，实现倍率可变的升采样；步骤四、数据同步与信号合成步骤：输入的数据和FIR子滤波器系数所采用的时钟不相同，输入的数据使用的是升采样前的时钟信号，而FIR子滤波器系数使用的是升采样后的时钟，将二者进行同步处理，数据与系数同步之后，将它们分别相乘，相乘后的结果再累加后即为任意倍升采样后的结果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法，其特征在于：所述方法包括：步骤一、任意FIR滤波器查找表建立步骤：根据所需设计滤波器特性的要求，选择连续函数sinc(πt)的主瓣与旁瓣离散化处理，离散化后的数据序列加窗量化，然后把每个瓣的波形数据写入到查找表中，完成数字FIR滤波器查找表的构造；步骤二、任意倍可变升采样地址映射步骤：控制字计算：控制字＝(2n×数据符号速率)÷升采样后符号速率；其中，n为控制字的位宽；地址映射，查找表取数步长通过控制字实现，由查找表取数步长计算出每次取数的地址，通过地址映射构造所需的数字FIR滤波器，用于与数据信号合成，获得滤波的结果，完成信号升采样；读取数据，产生读取查找表的地址后进行读取数据：通过改变控制字位宽实现任意倍升采样精度需求；步骤三、数字FIR子滤波器构造步骤：得到控制字后，设置查找表的初始相位，由相位累加器即可得到查找表地址；控制字决定查找表中取出的滤波器系数的地址，更改控制字即可随时改变每次取数构造的FIR滤波器的形状，改变升采样的倍数，实现倍率可变的升采样；步骤四、数据同步与信号合成步骤：输入的数据和FIR子滤波器系数所采用的时钟不相同，输入的数据使用的是升采样前的时钟信号，而FIR子滤波器系数使用的是升采样后的时钟，将二者进行同步处理，数据与系数同步之后，将它们分别相乘，相乘后的结果再累加后即为任意倍升采样后的结果。2.根据权利要求1所述的一种基于查表法的任意倍可变的信号升采样实现方法，其特征在于：数据同步与信号合成步骤的过程为：每当一个新数据读入时，使得FIR子滤波器系数刚好从查找表表头开始取数；在每个系数时钟周期里，数据依次与读出的一个滤波器系数相乘；当表中的数取完后，数据时钟一个周期结束，下一个数据进入，而查找表又回到表头，开始新一轮的取数；每个系数时钟内，...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟永钢，刘军军，梁婷婷，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23