具有近似乘法运算能力的滤波器及其方法技术

本申请公开一种具有近似乘法运算能力的滤波器及其方法，所述具有近似乘法运算能力的滤波器包括至少一第一乘法近似单元，用于利用至少一第一逐位移位操作来近似对应于至少一第一系数的至少一第一乘法运算；以及至少一第二乘法近似单元，用于利用多个第二逐位移位操作和至少一加法运算来近似对应于至少一第二系数的至少一第二乘法运算。本申请可以实现简化算术运算，降低对硬件资源和计算周期的需求，减少功率消耗。减少功率消耗。减少功率消耗。

【技术实现步骤摘要】
具有近似乘法运算能力的滤波器及其方法


[0001]本申请涉及用于一专用集成电路(application
‑
specific integrated circuit，ASIC)的滤波器和方法，特别是涉及用于专用集成电路能够近似乘法运算的滤波器和方法。

技术介绍

[0002]双二阶(bi
‑
quadratic，BiQuad)滤波器是在信号处理中常用的二阶滤波器。在离散时间域中，双二阶滤波器的输入/输出关系可以被表达为公式1(Eq.1)：
[0003]y(n)＝b0x(n)+b1x(n
‑
1)+b2x(n
‑
2)
‑
a1y(n
‑
1)
‑
a2y(n
‑
2)
…
Eq.1
[0004]通过适当选择系数[a1、a2、b0、b1、b2]，一个双二阶滤波器可以根据一组特定的参数如采样频率、中心/截止频率f
C
、品质因子(Q
‑
factor)和增益，运作为低通、高通、带通、峰值、陷波(notch)、低架(low
‑
shelf)或高架滤波器。
[0005]例如，请参考图1，图1示出一双二阶滤波器的振幅响应和相位响应。如图1所示，当离散时间信号在48采样千次每秒(kilo
‑
samples per second，ksps)的速率采样时，具有表3系数的一双二阶滤波器可运作为一二阶低通滤波器，其具有f
C
＝1439.244251赫兹(Hz)、Q＝0.7071和一单位直流增益。
[0006]表3
[0007]a1＝
‑
1.734863758990959a2＝0.766113758997616b0＝0.007812500001664b1＝0.015625000003329b2＝0.007812500001664
[0008]然而，上述双二阶滤波器可能需要五次乘法、四次加法和多次寄存器分配操作。浮点乘法(特别是用于表3所示系数所需的64位双精度浮点数)是昂贵的操作，其不仅需要大量的硬件资源和计算周期，而且消耗大量功率。
[0009]因此，有必要对现有技术进行改进。

技术实现思路

[0010]因此，本申请的主要目的即在于提供一种能够近似乘法运算的滤波器和方法，以改善现有技术的缺点。
[0011]本申请的一个实施例公开了一种滤波器，所述滤波器包括至少一第一乘法近似单元，用于利用至少一第一逐位移位操作来近似对应于至少一第一系数的至少一第一乘法运算；以及至少一第二乘法近似单元，用于利用多个第二逐位移位操作和至少一加法运算来近似对应于至少一第二系数的至少一第二乘法运算。
[0012]本申请的一个实施例公开了一种方法，所述方法包括用至少一第一逐位移位操作来近似对应于至少一第一系数的至少一第一乘法运算；以及用多个第二逐位移位操作和至少一加法运算来近似对应于至少一第二系数的至少一第二乘法运算。
[0013]本申请的一个实施例公开了一种滤波器，所述滤波器包括至少一第一乘法近似单元，用于利用至少一第一逐位移位操作来近似对应于至少一第一系数的至少一第一乘法运算。
附图说明
[0014]图1示出一双二阶滤波器的振幅响应和相位响应；
[0015]图2为直接形式II的一双二阶滤波器的示意图；
[0016]图3是本申请实施例一双二阶滤波器的示意图；
[0017]图4是本申请实施例图3所示的双二阶滤波器的乘法近似单元的转换示意图；
[0018]图5是本申请实施例图3所示的双二阶滤波器的振幅响应和相位响应的示意图；
[0019]图6是本申请实施例另一双二阶滤波器的示意图；
[0020]图7是一全极滤波器和一全零滤波器的示意图。
[0021]附图标号：
[0022]20、30、60：双二阶滤波器；
[0023]300、302、304、306、308：乘法近似单元；
[0024]z
‑1：延迟器件；
[0025]x(n)、y(n)：信号。
具体实施方式
[0026]由于双二阶滤波器的多级(stage)可用在一系统中，将双二阶滤波器的M级连接成级联(cascade)可产生2M阶滤波器。在这样的安排下，一级的输入来自前一级的输出，而其输出连接到下一级的输入。
[0027]请参考图2，图2为直接形式II(direct
‑
form
‑
II)的一常规双二阶滤波器20的示意图。如图2所示，由于x(n)是输入信号，y(n)是输出信号，z
‑1是延迟器件，所以双二阶滤波器20的信号的数据处理流程可以表示为：
[0028]n＝0；
[0029]do{
[0030]s2(n)＝s1(n
‑
1)；
[0031]s1(n)＝u(n
‑
1)；
[0032]u(n)＝x(n)
–
a1s1(n)
–
a2s2(n)；
[0033]y(n)＝b0u(n)+b1s1(n)+b2s2(n)；
[0034]n＝n+1；
[0035]}
[0036]在这种情况下，双二阶滤波器20处理的每次迭代需要五次乘法、四次加法和多次寄存器分配操作。如上所述，浮点乘法是昂贵的操作，不仅需要大量的硬件资源和计算周期，而且消耗大量功率。硅面积、计算周期和功率都是数字系统的珍贵资源，因此非常需要有一种双二阶滤波器的实现方式，其可同时最小化浮点乘法的使用。
[0037]当在专用集成电路(application
‑
specific integrated circuit，ASIC)中设计双二阶滤波器时，算术运算是以有限精度进行。所有变量和常量都用有限位数表示。理想的
设计目标与特定数字实现方式产生的实际结果之间不可避免地存在误差。选择合适的精度或等效的位数来表示设计中存在的每个系数是至关重要的。本申请目标在实现一双二阶滤波器，其大大简化算术运算，因而需要更少的硬件资源，同时能够达到等同浮点算术运算的结果。
[0038]请参考图3和图4。图3是本申请实施例一双二阶滤波器30的示意图，图4是本申请实施例图3所示的双二阶滤波器30的乘法近似单元300、302、304、306、308的转换示意图。如图3和图4所示，乘法近似单元304、306、308利用逐位移位(bit
‑
wise shift)操作来分别近似对应于至少一系数b0、b1、b2的乘法运算，而乘法近似单元300、302利用逐位移位操作和加法运算来近似对应于至少一系数a1、a2的乘法运算。如此一来，本申请可用逐位移位操作近似于乘法运算以节省硬件资源。
[0039]详细来说，通过选择一适当转角频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有近似乘法运算能力的滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：至少一第一乘法近似单元，用于利用至少一第一逐位移位操作来近似对应于至少一第一系数的至少一第一乘法运算；以及至少一第二乘法近似单元，用于利用多个第二逐位移位操作和至少一加法运算来近似对应于至少一第二系数的至少一第二乘法运算。2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，利用在一专用集成电路中布线实现所述至少一第一逐位移位操作和所述多个第二逐位移位操作。3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述至少一第一乘法近似单元将所述至少一第一系数中各个第一系数近似成在一第一二进制表达式中只包括一个“1”的一第一项次，所述至少一第二乘法近似单元将所述至少一第二系数中各个第二系数近似成多个第二项次，所述第一项次和所述多个第二项次中各个第二项次在一第二二进制表达式中只包括一个“1”。4.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述至少一第一逐位移位操作的至少一移位位数对应于一特定组的一转角频率和一品质因数。5.如权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述至少一移位位数中一第一移位位数、一第二移位位数和一第三移位位数的值与所述转角频率和所述品质因数的值，在所述转角频率和所述品质因数的变化小于1％时，选自下面表1中一行的值：表1表1其中，所述表1的所述转角频率和所述品质因数的值的变化小于1％。6.如权利要求5所述的滤波器，其特征在于，当所述转角频率在48采样千次每秒下实质上为1439.24赫兹而所述品质因数实质上为0.707时，所述至少一第一逐位移位操作包括一
第一右移7位、一第一右移6位和一第二右移7位，所述至少一第二乘法运算中一第一运算步骤对应于一第二右移6位、一第一右移2位、一左移1位和两个加法运算，所述至少一第二乘法运算中一第二运算步骤对应于一第三右移6位、一第二右移2位和一个加法运算。7.如权利要求5所述的滤波器，其特征在于，当所述至少一第一系数中对应的第一系数被缩放时，适应调整从所述表1中所述行的值所选出的所述第一移位位数、所述第二移位位数与所述第三移位位数的值。8.如权利要求7所述的滤波器，其特征在于，当所述转角频率在48采样千次每秒下实质上为1439.24赫兹而所述品质因数实质上为0.707时，所述至少一第一逐位移位操作包括一第一右移5位、一右移4位和一第二右移5位，所述至少一第二乘法运算中一第一运算步骤对应于一第二右移2位、一左移1位和一个加法运算，所述至少一第二乘法运算中一第二运算步骤对应于一右移3位和一个加法运算。9.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，至少一组的所述多个第二逐位移位操作的多个移位位数和所述至少一加法运算的至少一加法次数对应于一特定组的一转角频率和一品质因数。10.一种具有近似乘法运算能力的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁振宇，陈希圣，
申请(专利权)人：知微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：