阅读说明：本技术 一种基于分布式算法的数字滤波器 (Digital filter based on distributed algorithm ) 是由 贺克军 龙善丽 吴传奇 童紫平 唐兴刚 张紫乾 武凤芹 徐福彬 张慧 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于分布式算法的数字滤波器,由CIC滤波器、CIC补偿滤波器和半带滤波器级联构成；输入信号经过CIC滤波器进行抽取滤波,降低高速系统的工作频率；随后将信号送入CIC补偿滤波器,补偿信号在CIC滤波器中的通带衰减,并进一步增加阻带衰减,减小过渡带带宽；最后信号经过基于分布式算法的半带滤波器后,过渡带更加陡峭,阻带衰减再次降低,完全满足数字滤波器性能要求后输出有用信号。各滤波器参数在达到滤波器总体性能、满足信号处理速度的前提下,最大程度减小硬件资源消耗,缩减实现电路的面积。(The invention discloses a digital filter based on a distributed algorithm, which is formed by cascading a CIC filter, a CIC compensation filter and a half-band filter; the input signal is subjected to decimation filtering through a CIC filter, so that the working frequency of a high-speed system is reduced; then, the signal is sent to a CIC compensation filter, the passband attenuation of the signal in the CIC filter is compensated, the stop band attenuation is further increased, and the transition band bandwidth is reduced; and finally, after the signal passes through a half-band filter based on a distributed algorithm, the transition band is steeper, the stop band attenuation is reduced again, and a useful signal is output after the performance requirement of the digital filter is completely met. On the premise that the parameters of each filter reach the overall performance of the filter and meet the signal processing speed, the hardware resource consumption is reduced to the maximum extent, and the area of a circuit is reduced.)

一种基于分布式算法的数字滤波器

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，具体涉及一种数字滤波器，尤其适用于sigma－deltaADC系统中的信号处理。它在保证数字滤波性能的前提下最大限度减小硬件资源使用。

背景技术

目前的数字滤波器大量应用于数据信号处理领域，如ADC中的抽取滤波器、DAC中的插值滤波器等。IIR（Infinite ImpulseResponse）滤波器和FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器就是线性时不变系统中最常见的数字滤波器。IIR滤波器具有较高的滤波效率，它可以用较少的硬件资源获取较好的滤波器幅频响应，但是由于不具备严格的线性相位特性，其应用邻域会受到限制；并且IIR在实现架构上存在反馈，有限字长效应是滤波器运算过程中必须考虑的问题，处理不当容易引起系统振荡。FIR滤波器具有严格的线性相位特性，一般采用非递归结构，因此受有限字长效应的影响较小；但是FIR滤波器运算是一种卷积运算，在满足同样幅频响应指标下，其阶数等于5到10倍IIR滤波器阶数，运算会耗费大量的硬件资源。

多速率信号处理系统中还经常使用CIC（Cascade Integrator Comb）滤波器，如sigma－deltaADC中经过量化后的模拟信号首先会进入CIC滤波器进行抽取滤波抗混叠处理。CIC滤波器的特点是只需要加法器，不需要乘法器，实现简单，运算速度快。但是CIC滤波器通常会有通带衰减严重、过渡带较宽等问题。且阻带衰减与滤波器级数相关，较大的阻带衰减在抑制旁瓣的同时必然消耗更多的硬件资源。

发明内容

本发明针对以上现有技术的不足，提出了一种基于分布式算法的数字滤波器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于分布式算法的数字滤波器，其特征是，由CIC滤波器、CIC补偿滤波器和半带滤波器级联构成；

输入信号经CIC滤波器进行抽取滤波后送入CIC补偿滤波器，补偿信号在CIC滤波器中的通带衰减；再经半带滤波器后作为输出有用信号。

进一步地，CIC滤波器采用N级CIC滤波器架构，N级CIC滤波器的阻带衰减为单级的N倍。

进一步地，CIC滤波器包括积分器模块、梳状器滤波器模块和抽取模块。

进一步地，CIC补偿滤波器采用FIR滤波器。

进一步地，CIC补偿滤波器包括1个乘累加器以及用于保存滤波器系数的存储单元。

进一步地，CIC补偿滤波器中，由多个系数分别与CIC滤波器输出的数据相乘后的所有乘积相加得到输出信号。

进一步地，半带滤波器为偶对称的FIR滤波器，系数对称且有一半系数值为0。

进一步地，半带滤波器的滤波器系数预先存于ROM中，通过控制信号寻址将系数和CIC补偿滤波器输出的信号放入运算单元进行运算，同时将系数存入RAM中；

运算单元包含一个乘法器，其余运算由加法和移位完成，运算的中间结果存入RAM中；

控制信号寻址将运算单元最终的运算结果从RAM中读出作为输出有用信号。

本发明所达到的有益效果：

将输入信号首先经过CIC滤波器进行抽取滤波，降低高速系统的工作频率；随后将信号送入CIC补偿滤波器，补偿信号在CIC滤波器中的通带衰减，并进一步增加阻带衰减，减小过渡带带宽；最后信号经过基于分布式算法的半带滤波器后，过渡带更加陡峭，阻带衰减再次降低，完全满足数字滤波器性能要求后输出有用信号。本发明设计的基于分布式算法的级联滤波器，各滤波器参数在达到滤波器总体性能、满足信号处理速度的前提下，最大程度减小硬件资源消耗，缩减实现电路的面积。

附图说明

图1为本发明滤波器总体实现架构；

图2为本发明CIC滤波器实现架构；

图3为本发明CIC补偿滤波器实现架构；

图4为本发明基于分布式算法的半带滤波器实现架构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明由CIC滤波器、CIC补偿滤波器和半带滤波器级联构成。输入信号首先经过CIC滤波器进行抽取滤波，降低高速系统的工作频率；随后将信号送入CIC补偿滤波器，补偿信号在CIC滤波器中的通带衰减，并进一步增加阻带衰减，减小过渡带带宽；最后信号经过基于分布式算法的半带滤波器后，过渡带更加陡峭，阻带衰减再次降低，完全满足数字滤波器性能要求后输出有用信号。

如图2所示的是N级CIC滤波器架构。主要由积分器模块、梳状器滤波器模块和抽取模块M构成。N级CIC滤波器的阻带衰减为单级的N倍，其传递函数为：

其中，D为滤波器延迟因子，高速设计中一般取1；M为滤波器抽取因子；N为滤波器级数。

在sigma－deltaADC中，第二级CIC补偿滤波器通常采用FIR滤波器实现，且由于其主要作用是补偿通带内的信号衰减，因此补偿滤波器的阶数不会太高。而第一级CIC滤波器通常会有较大的抽取值，在设计第二级补偿滤波器时，可采用时间复用的方式来实现第二级补偿滤波器的设计。FIR滤波器实质是由每一个系数分别和CIC滤波器输出的数据相乘，最后再将所有乘积相加。CIC补偿滤波器具体架构如图3所示，整个补偿滤波器设计只需要1个乘累加器以及用于保存滤波器系数的存储单元，这样相当于引入流水线的设计，虽然在设计难度上会有一定提升，但是极大的节省了电路面积。

sigma－deltaADC滤波器输出一般要求阻带和通带对称，通带边频和阻带边频基于fs/4对称。因此最后一级滤波器通常采用半带滤波器，实质就是偶对称的FIR滤波器，它的系数对称且有一半为0。但是为了获取陡峭的过渡带，且滤波器其他性能均要满足设计指标，因此最后一级半带滤波器阶数较高，无法采用第二级补偿滤波器的架构实现。本发明采用分布式算法实现了最后一级高阶半带滤波器的设计，如图4所示。滤波器系数可预先存于ROM中，通过控制信号寻址将系数和CIC补偿滤波器输出的信号放入运算单元进行运算，同时将系数存入RAM中待用。运算单元只包含一个乘法器，其余运算均由加法和移位完成，运算的中间结果存入RAM中。最后由控制信号寻址将最终运算结果从RAM中读出，输出有用信号。采用分布式算法的高阶半带滤波器设计只用到了一个乘法器，其余运算由更加方便的加法和移位完成，没有降低运算速度，同时节省了硬件开销。

本发明采用分布式算法设计了一种数字滤波器，该滤波器使用级联结构，适用于sigma-deltaADC等电路的数字信号处理。可满足系统基于滤波器的各项性能指标，采用时间复用和分布式算法实现的滤波器在不降低运算速度的同时能极大减小电路硬件开销，节省芯片面积。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。