专利名称：非递归数字滤波器和计算该滤波器系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种非递归数字滤波器和计算该滤波器系数的方法。
许多产品都含有滤波器(例如电视机或汽车收音机的音调调节器，扬声器系统的分频器)，其在频率方向上的特性必须予以标定。
如果这种滤波器是通过数字信号处理实现的，则通常要使用递归滤波器，尽管存在若干缺点。这种滤波器类型的特点是，它只有少数几个参数(系数)必须加以改变，以标定滤波器的频率响应(例如改变截止频率)，而不必改变滤波器的采样频率。
非递归数字滤波器虽然具有许多基本的优点(可以始终保持稳定的、恒定的群时延)，但是其缺点是，在标定频率响应时必须重新计算系数的数量和数值。这种计算通常借助于复杂的计算机软件。该方法对于实时应用过于复杂和昂贵。
此外原则上还可以通过改变采样频率对数字滤波器的频率响应进行标定。该原理通常需要具有可变截止频率的抗混淆滤波器或抽取滤波器，也就是说，只是将问题进行了转移。
因此，本发明的任务是，提供一种非递归数字滤波器，它可在恒定的采样频率下简单地标定。为此本发明还提供了一种该滤波器系数的计算方法。
根据本发明，以上任务的将通过具有以下特征的滤波器和方法来解决非递归数字滤波器，包括一个从输入信号中计算出输出信号的滤波器计算单元，其特征在于，所述滤波器计算单元与一个系数计算单元相连，后者提供用于所述滤波器计算单元的系数，并且该系数计算单元与一个系数存储器，一个操作员接口和一个控制单元相连。
计算非递归数字滤波器系数的方法，用于标定该滤波器从一个特征频率fc1到另一个特征频率fc2的频率响应，其特征在于，包括以下步骤a)设定或计算出所述滤波器的一个原型用于给定采样频率fa1的系数h1(n),
b)计算出属于该原型的时间连续的脉冲响应h(t),c)用采样频率=fa1·fc1/fc2对所述脉冲响应h(t)进行采样，得出系数h2(n),d)所述滤波器以新的系数h2(n)在fa1下工作。
计算非递归数字滤波器系数的方法，用于标定该滤波器从一个特征频率fc1到另一个特征频率fc2的频率响应，其特征在于，包括以下步骤a)设定或计算出所述滤波器的一个原型用于给定采样频率fa1的系数h1(n),b)从系数h1(n)中计算出新的系数h2(n)，其方式是对时间连续的脉冲响应h(t)以间隔1/fa2进行内插运算，其中fa2=fa1·fc1/fc2,c)所述滤波器以新的系数h2(n)在fa1下工作。
从属权利要求分别描述了本发明的有利实施例。
从系统理论(傅里叶变换)中可知，一个滤波器的频率响应标定等于该滤波器脉冲响应的反向标定。一个非递归数字滤波器的系数(频率特性原型)可描述这样一种脉冲响应的采样值。从该采样值中，原则上可以通过设定采样频率fa1计算出所述脉冲响应的时间连续曲线。通过这种时间连续信号以另一个采样频率fa2的采样可重新得到非递归数字滤波器的系数。如果该滤波器随后以采样频率fa1工作，则可得到所希望的标定特性。如果选择的fa2大于fa1，则该滤波器的频率特性将被压缩，如果fa2小于fa1，则特性将被扩展。关键的问题在于从原型的系数中进行新的系数的内插。这种内插相当于时间连续的脉冲响应重组与其具有fa2的采样的组合。其实现方式的细节在下面加以具体说明H(f)是一个线性系统的脉冲响应h(t)的傅里叶变换，简明表示为h(t)＜=＞H(f)，即脉冲响应h(t)被扩展(a＜1)，然后变换H(f)被压缩并且反之。此外变换H(f)还以系数1/a被“放大”。
原则上，只要不破坏采样定理，这种特性在脉冲响应采样之后也可得到保持。如果定理被破坏则必须注意，所要求的频率特性H(f/a)不能做不允许的改变。
假设一个数字滤波器在采样频率fa1下工作，从而具有特征频率(例如3dB-低通的截止频率)fc1。然而如果该滤波器工作在采样频率fa2时，则可得到新的特征频率fc1=fc1·(fa2/fa1)。
从一个给定的非递归滤波器(以下称为原型)的系数中计算出新的非递归滤波器的系数时，其目标是从特征频率fc1标定到fc2，其步骤如下步骤1计算出所述原型用于采样频率fa1的系数h1(n)，步骤2计算出所属的时间连续脉冲响应h(t)，步骤3用采样频率fa2=(fc1/fc2)·fa1对所述脉冲响应h(t)进行采样，步骤4新的滤波器以系数h2(n)在fa1下工作。
为使该方法在实践中也能应用在实时条件下，可将步骤2和3合并，也就是说，从原型的系数中计算出新的技术。其中对时间连续脉冲响应h(t)的数值以间隔1/fa2进行内插。在实践中可采用多项式内插法。多项式原则上可以采用任意的阶。在实践中出于减小开销的考虑，仅采用0阶多项式(常数项)，1阶多项式(线性内插)，2阶多项式(平方内插)或者3阶多项式(立方内插)。
原型具有一个恒定的群时延，所以该群时延可将特别有利的特性传递给新的滤波器，其方式是，从时间中点出发对所述时间连续的滤波器进行采样。如果原型具有N个系数h1(n)，并且n=0,1,…,N-1，则h(t)的时间中点处于位置tm=(N-1)/2·1/fa1。所以h(t)必须在位置t=tm+k·1/fa2上进行内插，并且k=0,+/-1,+/-2等。其中的k持续递增或者递减，直到所有用于相应内插的系数h1(n)的数值为0。
基于脉冲响应的对称性，原则上只需在实际中计算一半系数即可(k＞=0)。
所述傅里叶变换具有以下特性sin(2·∏·f0·t)·h(t)＜=＞1/(2i)·H(f-f0)-1/(2i)·H(f+f0)或者cos(2·∏·f0·t)·h(t)＜=＞1/2·H(f-f0)+1/2·H(f+f0)。
上式连同前面已经提到的限制也适用于采样信号，并且也适用于数字滤波器，也就是说，滤波器的系数与频率f0的一个正弦或余弦函数的采样值相乘，使初始频率特性曲线移位f0(例如来自一个带通的低通)。这样便可通过简单的措施对数字滤波器的频率响应在实时条件下进行移位和标定。该方案例如可以用非递归滤波器制造具有恒定群时延的均衡器(汽车收音机，电视机，立体声装置等)。公知的均衡器是采用递归滤波器制成的，它具有很大的延时失真。
下面对照附图对本发明的两个实施例进一步加以说明。
图1表示本发明所述数字滤波器，其中对用于新的滤波器特性的所有系数首先进行完整计算；图2表示本发明所述滤波器，其中滤波器的特性可进行没有时延的改变。
在两种方案中，原型的固定系数存储在一个存储器10中，通常在工作期间不会改变。如果保证该系数始终不发生改变，则可使用一个恒定系数ROM存储器，该存储器可允许存储大量的系数组。
在使用系数计算滤波器初始值之前，如果存在首先完整计算新的滤波器的所有系数的可能，则可使用一个高阶内插多项式。如果原型具有对称的系数，则只需实际计算和存储一半系数即可(见上文)。
图1表示出这样一种滤波器的实施例，其中预先计算和准备好相应的系数组。
其中使用了两个RAM存储器12、14一个存储器12含有实际的滤波器系数，第二个存储器14存储新计算的系数，条件是要求改变特性曲线。如果所有新的系数可供使用，则两个存储器交换其作用。如果在对称的线性相位的滤波器中仅计算和存储一半系数组，则必须通过存储器地址的相应计算而考虑该因素。
所有的用途均在考虑之内，例如音调调节器和分频器。如果需要在操作接口(滑动调节器，旋钮)上改变参数，则必须计算新的系数。其中相对于滤波器的采样频率可有许多支配时间，从而“离线”计算新的系数。
这样一种滤波器的结构见图1所示。和所有数字滤波器一样，一个输入信号被送入滤波器计算单元20，该单元将输入信号换算成一个输出信号。根据本发明，用于换算的相应系数没有存储在滤波器计算单元内，而是从外部输入到滤波器计算单元中。为确定相应的系数设置了一个系数计算单元22。该单元与上述存储滤波器原型系数的系数存储器10以及操作员接口相连。所述系数计算单元22将计算出的系数交替输出给两个系数存储器12、14之一。该存储器与选择开关24相连，该开关可分别将系数存储器12或者系数存储器14与滤波器计算单元20连通，传送系数组。选择开关的控制经控制单元26进行，后者则由操作员接口16控制。
如果要采用尽可能简单的内插法(常数项或线性内插法)，从而例如连续地计算所需的系数，则可增加原型的系数数量N，直到保证内插的脉冲响应h2(n)满足相应的使用要求位置。其中不必使用系数存储器。所有必须立刻有效实现滤波器特性改变的用途可以采用这种方案。
图2表示本发明所述滤波器的实施例可实现系数的实时匹配。其中只需要使用足够快的系数计算单元或者一种相应的系数计算的简化算法即可。该方案取消了系数存储器和系数存储器选择。
权利要求
1．计算非递归数字滤波器系数的方法，用于标定该滤波器从一个特征频率fc1到另一个特征频率fc2的频率响应，其特征在于，包括以下步骤a)设定或计算出所述滤波器的一个原型用于给定采样频率fa1的系数h1(n)，b)计算出属于该原型的时间连续的脉冲响应h(t)，c)用采样频率=fa1·fc1/fc2对所述脉冲响应h(t)进行采样，得出系数h2(n)，d)所述滤波器以新的系数h2(n)在fa1下工作。
2．计算非递归数字滤波器系数的方法，用于标定该滤波器从一个特征频率fc1到另一个特征频率fc2的频率响应，其特征在于，包括以下步骤a)设定或计算出所述滤波器的一个原型用于给定采样频率fa1的系数h1(n),b)从系数h1(n)中计算出新的系数h2(n)，其方式是对时间连续的脉冲响应h(t)以间隔1/fa2进行内插运算，其中fa2=fa1·fc1/fc2,c)所述滤波器以新的系数h2(n)在fa1下工作。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用多项式内插法。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，仅采用0至3阶多项式。
5．如权利要求2至4中任何一项所述的方法，其特征在于，从时间中点出发对所述时间连续的滤波器进行采样。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，在具有N个系数h1(n)，并有n=0,1,…,N-1的滤波器原型中，内插的位置是t=N-12*fa1+kfa2]]>并有k=0；+/-1；+/-2；…其中的k持续递增或者递减，直到所有用于相应内插的系数h1(n)的数值为0。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，仅计算k=0；+1；+2；…的系数，因为具有负值k的系数等于相应的具有正值k的系数。
8．如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，新的系数h2(n)与一个频率fo的正弦或余弦函数的采样值相乘。
9．非递归数字滤波器，包括一个从输入信号中计算出输出信号的滤波器计算单元(20)，其特征在于，所述滤波器计算单元(20)与一个系数计算单元(22)相连，后者提供用于所述滤波器计算单元(20)的系数，并且该系数计算单元与一个系数存储器(10)，一个操作员接口(16)和一个控制单元(26)相连。
10．如权利要求9所述的滤波器，其特征在于，在所述系数计算单元(22)和滤波器计算单元(20)之间设置一个或多个额外的系数存储器(12,14)。
11．如权利要求10所述的滤波器，其特征在于，设置多个系数存储器(12,14)，并且该存储器经选择开关(24)与所述滤波器计算单元(20)相连。
全文摘要
非递归数字滤波器,具有可变系数以标定该滤波器从一个特征频率fc1到另一个特征频率fC2的频率响应。还包括一种计算非递归数字滤波器系数的方法,用于标定该滤波器从一个特征频率fcl到另一个特征频率fC2的频率响应,其特征在于,包括以下步骤:设定或计算出所述滤波器的一个原型用于给定采样频率fa1的系数h1(n),计算出属于该原型的时间连续的脉冲响应h(t),用采样频率fa2=fa1·fc1/fc2对所述脉冲响应h(t)进行采样,得出新的系数。所述滤波器以新的系数在老的采样频率下工作。另一种选择是,从滤波器原型的系数中计算出新的系数,其方式是以1/fa2的间隔对时间连续的脉冲响应数值进行内插运算。
文档编号H03H17/06GK1306693SQ99807705
公开日2001年8月1日 申请日期1999年6月28日 优先权日1998年6月30日
发明者P·瑟尔霍恩 申请人:因芬尼昂技术股份公司