减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法技术

本发明专利技术介绍一种减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，具体步骤包括：步骤s1，定点化滤波器系数并进行常规CSD编码；步骤s2，计算主系数的目标量化值区间；步骤s3，选取目标量化值重新计算CSD编码；步骤s4，重复s3直到搜索完整个目标量化值区间；步骤s5，检验选定目标量化值对应的CSD编码。使用本发明专利技术提供的方法，使滤波器CSD系数非零位(即总运算量)减少10％左右，同时降低单系数最大运算量，可以明显减少硬件资源消耗，同时也降低了数字滤波器对硬件处理能力的要求。

【技术实现步骤摘要】
减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法
本专利技术涉及数字系统设计领域，具体涉及一种减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法。
技术介绍
在数字系统设计中，常常会用到数字滤波器，它的功能是对输入离散信号的数字数据进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。在二进制乘法中，系数的每一位非零位会产生一个部分积，再将所有的部分积用加法器进行累加，从而得到最终的结果。然而乘法器会占用更多的硬件资源，功耗也比较大，乘法器的使用数量很大程度上影响着整个数字系统的参数性能。本专利技术发现滤波器的幅频响应在设计之初就设定好，滤波器系数固定不变，所以对滤波器系数采用编码器进行编码，从而减少系数中非零位的数量来减小部分积的产生，进而减少加法器的数量，达到减小功耗和面积、提升乘法器的速度的目的。CSD(CanonicalSignedDigit)编码器作为一种冗余带符号数算法，是应用于系数乘法中的重要编码方式，将乘法系数中的非零位的数量减小到最小，并且满足任何两个非零数不相邻，从而减少由非零位运算带来的部分积数量，进而减少乘法运算中所需的加法器数量，简化了整个乘法运算。CSD编码常常被用于乘法运算中，CSD编码大大减少了乘法器的面积。如在FIR滤波器中，运用CSD编码体现了巨大的作用，大大减少乘法器的个数。用CSD编码可以有效减少乘积项的数量，从而降低了乘法器单元实现的硬件复杂度。数字滤波器系数的个数就是滤波器的阶数，它决定了滤波器幅频响应特性。往往是根据实际应用的需求，先设计滤波器的系数，然后使用CSD编码器对所有的滤波器系数进行CSD编码，这是一个精确的确定性的编码转换，它不改变原系数的数值，因此编码后的CSD系数与原系数有着相同的幅频响应特性。衡量CSD系数运算量包含两个方面：1.单个系数的运算量(即CSD编码后的非零位个数)。2.整个滤波器的总运算量(即所有系数的运算量总和)。滤波器的所有系数中，有个别系数经过CSD编码后的单个系数运算量较大，它们所需要的CSD编码比特位数和硬件处理能力比其它大部分系数都要多，但是这些系数使用频率低，占整个系数的很小一部分，这样就会抬高整个滤波器CSD编码的所需要的比特位数和对硬件处理能力的要求。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术将介绍一种减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，该方法对滤波器系数做适当的优化，在不影响幅频响应特性的前提下，减小单个系数运算量的最大值，同时也进一步降低整个滤波器的总运算量，这样可以使用更少的比特位数来进行CSD编码，也降低了对硬件处理能力的要求。优化后的CSD系数，运算量将减少10％左右。本专利技术的一种减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，包括以下方法；步骤s1：定点化滤波器系数并进行CSD编码；步骤s2：计算主系数的目标量化值区间；步骤s3：选取目标量化值重新计算CSD编码；步骤s4：重复s3直到搜索完整个目标量化值区间；步骤s5：检验选定目标量化值对应的CSD编码。在步骤s1中，首先，设计数字滤波器时，预先将浮点系数转换成定点系数；然后，将定点系数进行CSD编码；其次，定点系数分解为2的幂和，即二进制定点系数，二进制定点系数只有0,1两种情况，是无符号数字，每个系数通过移位和无符号相加得到；再次，基于CSD编码使用有符号数字减少非零位，CSD编码有0,1和-1三种情况，是有符号数，每个系数通过移位和有符号相加得到，CSD编码后相邻的比特位只有一个是非零位，编码规则：从低位到高位，遇到连续的两个1，第一个1变0，第二个1变-1，同时向高位进位，以此类推；首先，对应N阶滤波器，具有N个浮点滤波器系数，用Sbit对滤波器的浮点系数进行定点化，S≥4且正整数，Sbit包括1个符号位与9个小数位，N阶FIR低通滤波器定点化后的系数取值范围-(k+1)～k，k为自然数；然后，用(S-1)bit对定点系数进行CSD编码，编码后相邻2位只有一个非零位，对于(S-1)bit而言，即在满幅度p/q刻度位置，所以在定点化时，将滤波器系数的最大值归一化到满幅度p/q的位置。定点化公式如下：其中x是浮点系数，y是定点化系数，abs是取绝对值操作，max是取最大值操作，round是四舍五入操作。CSD编码的公式：z(i)＝csd(y(i))*gaini＝1,2...N其中，csd函数执行CSD编码操作，gain是额外补偿增益，使得滤波器系数在直流点处的增益为0db；CSD编码完成后，计算单个系数运算量和总运算量，单个系数运算量是每个系数CSD编码的非零位的个数，总运算量是所有系数的运算量总和。在步骤s2中，首先，通过步骤s1中的CSD编码将滤波器系数的最大值，即主系数，归一化到满幅度p/q的位置，并选出系数经过CSD编码后的单个系数α运算量超过设定预制阈值的；然后，改变主系数归一化到满幅度下的目标量化值位置，设置目标量化区间，计算区间中每个目标位置对应的CSD编码，选出总运算量最小、单系数最大运算量最小的量化值位置，作为最终的归一化值；其中，目标量化区间的设定方法，将目标量化值输入式2nbits-1的目标量化值区间，其中nbits为CSD编码的比特位宽；其次，设置终点stop：由于CSD编码最大值不能超过满幅度p/q的位置，所以区间的终点就设置在满幅度p/q的位置，即stop＝round(2nbits*p/q)。再次，设置起点start：利用CSD编码的bit位宽，使得搜索区间不能小于2nbits-1，整个搜索区间的范围等于round(2nbits*p/q)-2nbits-1；其中，当nbits小于设定下限阈值时，通过2nbits-1来控制搜索长度；当nbits大于设定上限阈值时，由stop-max_attemp来控制搜索长度；所以起点值start取2nbits-1和stop-max_attemp的最大值；后来，确定搜索长度：range＝stop-start，并对区间中每个目标量化值位置重新计算一次CSD编码，计算次数为range。在步骤s3中：首先，从步骤2中的目标量化区间中选出目标量化值maintap∈[start,stop]，首选从起点开始，即maintap＝start；然后，进行定点化操作，将滤波器系数的最大值归一化到maintap的位置，其中，定点化公式：其中x是浮点系数，y是定点化系数，abs是取绝对值操作，max是取最大值操作，round是四舍五入操作；其次，基于定点化公式得到CSD编码的公式：z(i)＝csd(y(i))*gaini＝1,2...N；其中csd函数执行CSD编码操作，gain是额外补偿增益，使得滤波器系数在直流点处的增益为0db；再次，在CSD编码完成后，记录单个系数运算量和总运算量，其中，单个系数运算量是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，其特征在于：包括以下方法；步骤s1：定点化滤波器系数并进行CSD编码；/n步骤s2：计算主系数的目标量化值区间；/n步骤s3：选取目标量化值重新计算CSD编码；/n步骤s4：重复s3直到搜索完整个目标量化值区间；/n步骤s5：检验选定目标量化值对应的CSD编码。/n

【技术特征摘要】
1.一种减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，其特征在于：包括以下方法；步骤s1：定点化滤波器系数并进行CSD编码；
步骤s2：计算主系数的目标量化值区间；
步骤s3：选取目标量化值重新计算CSD编码；
步骤s4：重复s3直到搜索完整个目标量化值区间；
步骤s5：检验选定目标量化值对应的CSD编码。


2.根据权利要求1所述的减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，其特征在于:
在步骤s1中，
首先，设计数字滤波器时，预先将浮点系数转换成定点系数；然后，将定点系数进行CSD编码；其次，定点系数分解为2的幂和，即二进制定点系数，二进制定点系数只有0,1两种情况，是无符号数字，每个系数通过移位和无符号相加得到；再次，基于CSD编码使用有符号数字减少非零位，CSD编码有0,1和-1三种情况，是有符号数，每个系数通过移位和有符号相加得到，CSD编码后相邻的比特位只有一个是非零位，编码规则：从低位到高位，遇到连续的两个1，第一个1变0，第二个1变-1，同时向高位进位，以此类推；
首先，对应N阶滤波器，具有N个浮点滤波器系数，用Sbit对滤波器的浮点系数进行定点化，S≥4且正整数，Sbit包括1个符号位与9个小数位，N阶FIR低通滤波器定点化后的系数取值范围-(k+1)～k，k为自然数；然后，用(S-1)bit对定点系数进行CSD编码，编码后相邻2位只有一个非零位，对于(S-1)bit而言，即在满幅度p/q刻度位置，所以在定点化时，将滤波器系数的最大值归一化到满幅度p/q的位置。
定点化公式如下：



其中x是浮点系数，y是定点化系数，abs是取绝对值操作，max是取最大值操作，round是四舍五入操作。
CSD编码的公式：
z(i)＝csd(y(i))*gaini＝1,2...N



其中，csd函数执行CSD编码操作，gain是额外补偿增益，使得滤波器系数在直流点处的增益为0db；CSD编码完成后，计算单个系数运算量和总运算量，单个系数运算量是每个系数CSD编码的非零位的个数，总运算量是所有系数的运算量总和。


3.根据权利要求2所述的减少数字滤波器CSD系数中非零位的方法，其特征在于:在步骤s2中，首先，通过步骤s1中的CSD编码将滤波器系数的最大值，即主系数，归一化到满幅度p/q的位置，并选出系数经过CSD编码后的单个系数α运算量超过设定预制阈值的；
然后，改变主系数归一化到满幅度下的目标量化值位置，设置目标量化区间，计算区间中每个目标位置对应的CSD编码，选出总运算量最小、单系数最大运算量最小的量化值位置，作为最终的归一化值；
其中，目标量化区间...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪祝东，梁钟伟，
申请(专利权)人：深圳市觅拓物联信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44