改进型梳状降采样滤波器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种改进型梳状降采样滤波器及设计方法，本发明专利技术将原型CIC滤波器的一次R倍抽取改为两次抽取，采样率下降倍率分别设置为R/4和4，并在两次抽取之后增设补偿滤波器；将第二次抽取的传递函数在复数域进行因式分解表示成幅角形式，对其中部分因式的零点的相角作微量旋转，将多重零点在折叠带内进行分散，通过公式的数学变换和近似得到不需要乘法器参与运算的传递函数近似形式；补偿滤波器用于通带拓宽，部分谷值点与原型CIC滤波器的零点重合。本发明专利技术能够改善折叠带与通带的频谱混叠，折叠带最低衰减度提高数十分贝，若维持该指标，则级联的级数可大幅减少，从而降低运算复杂度，并且可进一步通过数学变换，维持无乘法器运算。法器运算。法器运算。

【技术实现步骤摘要】
改进型梳状降采样滤波器及设计方法


[0001]本专利技术属于电子信息
，具体涉及一种改进型梳状降采样滤波器及设计方法。

技术介绍

[0002]改变信号采样率是通信、雷达信号和心电、脑电和肌电等生理信号处理系统最常用的信号处理方法之一，提高和降低采样率可分别通过内插和抽取操作予以实现。基于变速率数字信号处理基本理论，抽取会压缩数字频谱延拓周期，造成频谱在折叠带(folding bands，指以零点为中心的邻域)的混叠(aliasing)，对通带内的信号造成混叠干扰。所谓梳状滤波器是指传递函数的幅值随数字频率的变化趋势即幅频特性曲线呈现梳子状的一类滤波器，由于幅频特性曲线的零点也呈现同步的周期性(如图2所示)，因而常用于抑制抽取所致的折叠带频谱混叠问题，例如级联积分梳状(Cascaded Integration Comb，CIC)降采样滤波器就是最常用的此类滤波器。基于变速率信号处理理论，仅当信号的角频率带宽小于π/R时，方可避免此类频谱混叠，然而，即使信号的1dB或3dB带宽满足上述条件，其带外部分仍然会或多或少地延伸至折叠带形成频谱混叠，因而对通带内信号造成混叠干扰是难免的，仅有程度不同而已。CIC滤波器作为一类常用的梳状滤波器，对折叠带的混叠干扰具有一定的抑制作用，越靠近零点衰减度越大，因而对混叠干扰抑制度也越大，且总体抑制度随着信号带宽的增加而减弱，因为，随着信号带宽的增加，折叠带也随之加宽，其边界随之远离零点，该处滤波器增益幅值随之增加，对混叠干扰的衰减度随之减小。对此，传统的解决方法采用增加级联的级数以增加折叠带内的衰减度，然而该方法同时也会导致滤波器通带变窄造成信号受损，同时也会造成处于高采样率的积分器数量增加，从而造成电路面积和功耗的增加。对此，本专利技术采用将K级级联所呈现的K重零点在折叠带内适度散布的方法，可大幅提高对折叠带混叠的抑制度。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种改进型梳状降采样滤波器及设计方法，提高对折叠带混叠的抑制度，降低运算复杂度。
[0004]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的一种改进型梳状降采样滤波器，将原型CIC滤波器的一次R倍抽取改为两次抽取，第一、二次采样率下降倍率分别设置为R
′
＝R/4和4，并在两次抽取之后增设补偿滤波器；将第二次抽取的传递函数H2(z)＝(1
‑
z
‑4)
K
在复数域进行因式分解表示成幅角形式，对其中部分因式的零点的相角作微量旋转，以将多重零点在折叠带内进行分散，其中旋转角度用2的负整数次幂之和表示，通过数学变换和近似得到不需要乘法器参与运算的传递函数近似形式；补偿滤波器用于通带拓宽，部分谷值点与原型CIC滤波器的零点重合；以上所述中z＝e
jω
，ω为数字角频率，K表示滤波器级数。
[0005]具体地，所述的改进型梳状降采样滤波器，包括：
[0006]第一信号处理模块，用于以R
′
倍率完成第一次抽取，传递函数
[0007]第一信号处理模块，用于以R
′
＝R/4倍率完成第一次抽取，传递函数
[0008]第二信号处理模块，用于以4倍率完成第二次抽取，传递函数近似为：
[0009][0010]其中是微旋转角度，ω
c
表示通带截止频率，的最优值h1(ω)和分别为H1(z)和H
″2(z)的幅频特性函数，，计算时用最接近原值的2的负整数次幂之和近似表示和
[0011]第三信号处理模块，用于通带特性补偿，传递函数H3(z)＝b
‑
az
‑
n
，b＞a＞0，b、a、n为滤波器参数。
[0012]作为优选，传递函数H3(z)＝b
‑
az
‑
n
中选择n＝2，优化设计后的参数参数b＝1
‑
a；其中参数β为h3(0)与h3(ω
′
)的比值，ω
′
＝ω
c
，ω
c
表示通带截止频率，h3(ω)为H3(z)的幅频特性函数；计算时用距a和b最近的以16为分母、2的整数次幂之和为分子的分数表示a和b。
[0013]作为优选，第一信号处理模块H1包含K个级联的积分单元，其中一个加法器和一个用寄存器充当延时器组成一个积分单元；将输入样本序列u(n)所在信号线连接至H1模块第1积分单元中的加法器的第1输入端，将加法器的输出端连接至寄存器的输入端，将寄存器的输出端连接至加法器的第2输入端，并连接至第2积分单元的加法器的第1输入端，从第2至第K积分单元内部连接与第1积分单元相同，第K积分单元内部寄存器D输出信号w(n)。
[0014]第二信号处理模块H2包含H
21
、H
22
、H
23
、H
24
、H
25
、H
26
、H
27
七个子模块；
[0015]H
21
子模块包含K个级联的微分单元，其中一个用寄存器充当延时器和一个加法器组成一个微分单元；将第一信号处理模块抽取的样本序列w(k)所在信号线连接至H
21
模块第1微分单元中的寄存器的输入端，并连接至H
21
模块第1微分单元中的加法器的第1输入端，将寄存器的输出端连接至加法器的第2输入端，将加法器的输出端连接至第2微分单元的寄存器的输入端，从第2至第K微分单元内部连接与第1微分单元相同，第K微分单元内部加法器输出信号x(k)；
[0016]H
22
子模块包含K/4个级联的FIR滤波单元，其中两个用寄存器充当延时器和一个加法器组成一个FIR滤波单元，将x(k)连接至第1个FIR滤波单元的第1寄存器，并连接至加法器的第1输入端，将第1寄存器D的输出端连接至第2寄存器的输入端，并连接至移位寄存加法合成器的输入端，其输出端连接至加法器的第2输入端，将第2寄存器的输出端连接至加法器的第3输入端，将加法器的输出端连接至第2个FIR滤波单元的第1寄存器的输入端，并连接至加法器的第1输入端，从第2至第K/4个FIR滤波单元内部连接与第1个FIR滤波单元相同，第K/4个FIR滤波单元的加法器输出信号样本序列y(k)；
[0017]H
23
子模块、H
24
子模块、H
25
子模块、H
26
子模块、H
27
子模块依次相连，内部连接关系与H
22
模块相同，区别在于内部移位寄存加法合成器不同，H
23
子模块、H
24
子模块、H
25
子模块、H
26
子模块、H
27
子模块的内部移位寄存加法合成过程中乘法运算所用的乘子分别为其中和均为2的负本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.改进型梳状降采样滤波器，其特征在于，将原型CIC滤波器的一次R倍抽取改为两次抽取，第一、二次采样率下降倍率分别设置为R/4和4，并在两次抽取之后增设补偿滤波器；将第二次抽取的传递函数H2(z)＝(1
‑
z
‑4)
K
在复数域进行因式分解表示成幅角形式，对其中部分因式的零点的相角作微量旋转，将多重零点在折叠带内进行分散，其中旋转角度用2的负整数次幂之和表示，通过公式的数学变换和近似得到不需要乘法器参与运算的传递函数近似形式；补偿滤波器用于通带拓宽，部分谷值点与原型CIC滤波器的零点重合；其中z＝e
jω
，ω为数字角频率，K表示滤波器级数。2.根据权利要求1所述的改进型梳状降采样滤波器，其特征在于，包括：第一信号处理模块，用于以R
′
＝R/4倍率完成第一次抽取，传递函数第二信号处理模块，用于以4倍率完成第二次抽取，传递函数近似为：第二信号处理模块，用于以4倍率完成第二次抽取，传递函数近似为：其中是微旋转角度，ω
c
表示通带截止频率，的最优值h1(ω)和分别为H1(z)和H
′2′
(z)的幅频特性函数，，计算时用最接近原值的2的负整数次幂之和近似表示和3.根据权利要求1所述的改进型梳状降采样滤波器，其特征在于，包括：第三信号处理模块，用于通带特性补偿，传递函数H3(z)＝b
‑
az
‑
n
,b>a>0，b、a、n为滤波器参数。4.根据权利要求3所述的改进型梳状降采样滤波器，其特征在于，传递函数H3(z)＝b
‑
az
‑
n
中选择n＝2，优化设计后的参数参数b＝1
‑
a；其中参数β为h3(0)与h3(ω
′
)的比值，ω
′
＝ω
c
，ω
c
表示通带截止频率，h3(ω)为H3(z)的幅频特性函数；计算时用距a和b最近的以16为分母、2的整数次幂之和为分子的分数表示a和b。5.根据权利要求2所述的改进型梳状降采样滤波器，其特征在于，第一信号处理模块H1包含K个级联的积分单元，其中一个加法器和一个用寄存器充当延时器组成一个积分单元；将输入样本序列u(n)所在信号线连接至H1模块第1积分单元中的加法器的第1输入端，将加法器的输出端连接至寄存器的输入端，将寄存器的输出端连接至加法器的第2输入端，并连接至第2积分单元的加法器的第1输入端，从第2至第K积分单元内部连接与第1积分单元相同，第K积分单元内部寄存器D输出信号w(n)。6.根据权利要求2所述的改进型梳状降采样滤波器，其特征在于，第二信号处理模块H2包含H
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、H
22
、H
23
、H
24
、H
25
、H
26
、H
27
七个子模块；H
21
子模块包含K个级联的微分单元，其中一个用寄存器充当延时器和一个加法器组成一个微分单元；将第一信号处理模块抽取的样本序列w(k)所在信号线连接至H
21
模块第1微分单元中的寄存器的输入端，并连接至H
21
模块第1微分单元中的加法器的第1输入端，将寄存器的输出端连接至加法器的第2输入端，将加法器的输出端连接至第2微分单元的寄存器的输入端，从第2至第K微分单元内部连接与第1微分单元相同，第K微分单元内部加法器输出信号x(k)；
H
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子模块包含K/4个级联的FIR滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾斌，韩飞，朱启文，魏欣，袁月，谭立容，段维嘉，许钟亮，
申请(专利权)人：南京新频点电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：