一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法及其裝置，方法包括：根據濾波器的通帶截止頻率及濾波器的階數，獲取濾波器通帶相關的參數，以及平移參數，并以此獲得補償前的長度為2N-1的濾波器系數；通過補償前濾波器系數、Kaiser窗參數以及補償濾波器系數解析式，得到濾波器系數；將補償前濾波器系數和補償濾波器系數相加，得到最終濾波器系數。所述裝置包括：外部RAM、DSP，及輸出驅動及顯示電路，根據補償前濾波器系數及其傳輸曲線計算出補償濾波器所需的參數，返還并存儲在外部RAM，由外部RAM將濾波器設計所需的全部參數再次輸入DSP，得到所要求的濾波器系數及其傳輸曲線，由輸出驅動及顯示電路顯示。
【專利說明】一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法及其裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數字信號處理領域，尤其涉及一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器 方法及其裝置。
【背景技術】
[0002] 有限沖激響應濾波器（Finite Impulse Response Filter, FIR Filter)設計作為 數字信號處理領域的基礎，在頻譜分析[1]、圖像處理[2]、音頻信號處理、編解碼等數字信號 各個領域發揮著至關重要的作用。在數字濾波中，濾波器邊界頻帶的控制（即濾波器傳輸 曲線的通帶和阻帶交界的頻帶）是一個非常關鍵的技術，如Palghat P.Vaidyanathan提出 的互素感知（Co-prime Sensing) [μ]理論就對濾波器邊界頻率的控制提出了嚴格要求，邊 界頻帶控制不好，就會在相應的互素譜輸出通道中引入譜泄漏而降低譜分析性能。在經典 的濾波器設計法（如傳統的窗函數法和頻率采樣法）中，很難在精確控制邊界頻帶的同時 還能保證好的濾波器的傳輸性能（即通帶波紋小和阻帶衰減大），例如：對于窗函數設計， 可以將邊界頻帶參數ω。代入理想濾波器公式中，而得到濾波器系數，但是由于理想濾波 器系數是無限長的，因而只能對理想濾波器進行截斷，在截斷過程中會引入吉布斯（Gibbs) 效應而導致在邊界頻帶附近通帶和阻帶的濾波器傳輸曲線都會出現很大的振蕩，加窗雖然 可以減輕傳輸曲線的振蕩，但這是以模糊邊界頻帶位置（例如3dB頻點位置）作為代價的； 再如在頻率采樣法中，是通過對頻率響應向量Η直接作反傅里葉變換而得到濾波器系數 的，雖然可以通過在Η的不同位置處設置相應的0、1值來控制邊界邊帶，但是這同樣會導致 濾波器傳輸曲線的通帶和阻帶出現很大的振蕩，加過渡點可以減輕這些振蕩，但這仍是以 模糊邊界頻帶位置（例如3dB頻點位置）作為代價的。對于近些年出現的現代濾波器優化 設計方法（如神經網絡法 [7]、免疫算法[8]、遺傳算法[9]等），這些算法均需設定一個全局最 優的幅頻目標函數，再模擬生物領域的優化選擇措施，對濾波器系數反復進行迭代，在迭代 過程中不斷優化濾波器幅頻曲線，使之與期望幅頻曲線盡量逼近，但是在現代濾波器設計 法中，邊界頻帶的控制仍然是一個不容易解決的問題，這是因為幅頻曲線是全局函數，而邊 界頻帶標識的是濾波器傳輸曲線的局部位置，任何最優化幅頻曲線逼近問題都存在獲得全 局最優與局部最優的矛盾，因而這些現代濾波器設計法仍難以解決在優化過程中如何控制 邊界頻率的問題，而且需要指出的是，在現代濾波器設計法中，濾波器系數都需要反復對系 統參數做迭代更新，因而其設計過程非常復雜，耗費資源大，效率低，而使之在很多領域的 應用受到了限制。因此，如何既能保證濾波器具有優良的傳輸特性、又能快速獲取濾波器 系數，還能精確控制濾波器的邊界頻率是迫切需要解決的一個難題。
[0003] 為解決邊界頻率控制問題，文獻[10]-[12]提出了基于全相位的雙相移的濾波器 設計方法。就低通濾波器設計而言，首先將濾波器分成兩個子邊帶，再分別向相反的方向平 移相同的頻率點，然后將兩個子濾波器合并成一個濾波器，最后使用補償濾波器對平移后 的缺口進行補償，得到標準的低通濾波器。通過與理想通帶或者3dB截止頻率進行對比，確 定平移量，以此可以十分靈活且有效地控制濾波器的邊界頻率位置，得到理想的截止頻率 點（其中文獻[11]-[12]解決了特殊的陷波器的陷波頻點的精確控制問題，文獻[10]解決 了更一般的低通或高通濾波器的邊界頻帶精確控制問題）。
[0004] 但文獻[10]方法的缺陷在于：（1)該方法步驟繁多，沒有推導出最終濾波器系數 的閉合解析表達式，故難以適用于需快速做濾波器系數硬件配置的場合。這是因為文獻
[10]方法每個步驟都是基于全相位濾波器設計法，其原型濾波器和補償濾波器的設計都 要遵循全相位濾波器設計法的一般過程（具體說來，該設計法需要對事先設定的頻率向量 做IDFT、系數平移及加卷積窗等[13M15]，設計步驟較多），因此，需要從濾波器設計的整體出 發，對以上過程做簡化，最終得到一個忽略濾波器內部設計步驟細節的濾波器系數解析表 達式，把事先設定好的濾波器參數代入該解析式即可完成濾波器系數的配置；（2)該方法 在濾波器參數優化方面（即卷積窗Kaiser參數）考慮得不夠，難以保證最終的濾波器在全 頻帶具有較好的傳輸性能。這是因為在設計補償濾波器時，還涉及對補償濾波器的卷積窗 Kaiser參數做合理設置問題，如果該參數設置不好，就有可能影響最終濾波器的通帶和阻 帶傳輸性能，而文獻[10]沒有給出Kaiser窗參數的設置措施。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法及其裝置，本發明在不 增加濾波器長度的基礎上可精確控制濾波器傳輸曲線的邊界頻帶，兼顧了濾波器快速配置 與良好的濾波器傳輸性能，詳見下文描述：
[0006] -種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法，所述方法包括以下步驟：
[0007] 根據濾波器的通帶截止頻率ωρ及濾波器的階數N，獲取濾波器通帶相關的參數 m，以及平移參數λ，并以此獲得補償前的長度為2Ν-1的濾波器系數g(l(n);
[0008] 通過補償前濾波器系數g(l (η)、Kaiser窗參數β以及補償濾波器系數解析式，得 到濾波器系數g。(η);
[0009] 將補償前濾波器系數g(l (η)和補償濾波器系數g。(η)相加，得到最終濾波器系數 g(n) 〇
【權利要求】
1. 一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法，其特征在于，所述方法包括以下步 驟： 根據濾波器的通帶截止頻率及濾波器的階數N，獲取濾波器通帶相關的參數m，以 及平移參數，并以此獲得補償前的長度為2N-1的濾波器系數g(l(n); 通過補償前濾波器系數g(l (n)、Kaiser窗參數以及補償濾波器系數解析式，得到濾波器 系數gjn); 將補償前濾波器系數g〇(n)和補償濾波器系數gjn)相加，得到最終濾波器系數g(n)。
2. 根據權利要求1所述的一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法，其特征在于， 所述通過補償前濾波器系數g(l (n)、Kaiser窗參數以及補償濾波器系數解析式，得到濾波器 系數gjn)的步驟具體為： 對補償前濾波器系數g〇(n)作傅里葉變換，得到其頻率響應Gje#)，并取出iGje#) 在〇 = 〇和o = 2ji/N的采樣值a、b ; 根據已設定好的平移參數，確定Kaiser窗參數； 將參數為的長度為N的Kaiser窗wK(n)，與長度為N的矩形窗做卷積，生成長度為2N-1 的卷積窗，即 we (n) = wK(n)*RN(-n)-N+l 彡 n 彡 N-1 ; 將已得到的采樣值a、b和Kaiser卷積單窗(n)以及濾波器階數N代入補償濾波器 系數解析式，得到濾波器系數g。(n)。
3. 根據權利要求1所述的一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法，其特征在于，
其中，C為哈明單窗中心元素，w(n)為窗函數。
4. 一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器裝置，其特征在于，所述裝置包括：外部 RAM、DSP，及輸出驅動及顯示電路， 首先將所需的濾波器截止頻率存入外部RAM中，再將它們實時輸入到DSP中，經過DSP 內部核心算法，得到補償前濾波器系數及其傳輸曲線，根據補償前濾波器系數及其傳輸曲 線計算出補償濾波器所需的參數a、b，返還并存儲在外部RAM，由外部RAM將濾波器設計所 需的全部參數再次輸入DSP，得到所要求的濾波器系數及其傳輸曲線，由輸出驅動及顯示電 路將其實時顯示出來。
【文檔編號】H03H17/02GK104283527SQ201410431330
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】黃翔東, 閆子陽, 冼弘宇, 呂衛 申請人:天津大學