取因子化及FIR滤波器的系数，完成对 所述CIC滤波器组W及所述FIR滤波器的调节；所述时钟分频模块与所述CIC滤波器组和 FIR滤波器相连；所述时钟分频模块产生带宽通道配置模块、CIC滤波器、补偿滤波器、增益 校正模块和FIR滤波器需要的时钟。
[0033] 本实用新型中带宽、中屯、频点可调的数字滤波器的实现方法，包括W下内容：
[0034] 一、由于带通信系统中有效信号的带宽常常远低于输入信号的采样率，若W原始 采样率对输入信号进行滤波操作，会导致FIR滤波器阶数很高、乘法器数目庞大，难W实 现，所W，数字滤波系统需要在输入端对输入信号进行降低采样率的操作。
[0035] 降采样率的操作由CIC滤波器完成。CIC滤波器原理见图2,其中D为抽取因子，M 为延迟因子（通常为1或2)。CIC滤波器组由几组CIC滤波器、对应的补偿滤波器W及增 益校正模块组成，每一组CIC滤波器实现对输入信号进行不同倍率的抽取W降低输入信号 采样率。
[0036] CIC滤波器的主要设计参数为抽取因子D和级数N，设计中延迟因子M设计为1，其 抽取因子和级数的设计主要由旁带抑制比决定，旁带抑制比越高，抗混叠特性越好。引入带 宽比例因子b的概念，其计算方法见式（1);
[0037] 6 = 一^ (1)
[003引式（1)中，B为信号带宽，D为CIC滤波器的抽取因子，fs为输入信号的原始采样 率。对于CIC滤波器，带宽比例因子越小、级数越高，旁带抑制比越高，抗混叠效果越好，但 是带宽比例因子越小，FIR滤波器的阶数也会越高，乘法器个数增多，实现比较困难，一般带 宽比例因子大于1/100。无线宽带射频巧片对滤波器要求旁带（阻带）衰减大于55地，对 于5KHz、50KHZ、1 OOKHz、200KHZ带宽，选择级数N为5,带宽比例因子b为1/50,对应的抽取 因子D为80、8、4、2,其旁带衰减均大于55地，而对于lMHz、2MHz带宽，由于其信号带宽与采 样率的比值较小，不对其进行抽取，直接将信号传输到之后的FIR滤波器，并通过设计FIR 滤波器的频率特性满足系统设计要求。
[0039] 图3是抽取因子为4,延迟因子为1的5级CIC滤波器的频率响应。由于CIC滤波 器通带不平坦，其通带内衰减随着级数的增加而不断增大，因此多级级联时，为了获得良 好的通带平坦特性，在CIC滤波器之后，需要补偿滤波器对其幅频特性进行补偿。补偿滤 波器的工作频率为CIC的输出频率，即为降速后的频率，补偿滤波器的幅频响应近似为反 sine函数。
[0040] 信号经过CIC滤波器及补偿滤波器后，在有效的2MHz的带宽内，其增益均为 60. 2地，对于输入12bit的有符号数，经过抽取滤波器及补偿滤波器后，位宽会增长，增长 后的输出位宽由式（2)给出：
[0041] B。化=Bin+N log2〇)M) (2)
[0042] 经过计算，输出位宽为22bit。但是宽带射频巧片对滤波器的输入输出要求均为 12bit，所W在数字滤波器系统中需要进行增益校正使输入输出位宽保持一致。
[0043] 二、在CIC滤波器的输出端进行增益校正，由于FIR滤波器在通带内的增益为1， 不会带来位宽增长，所W数字滤波器的位宽增长全部由CIC滤波器带来，在CIC滤波器之后 进行增益校正，既可W实现输入输出位宽匹配，有可W减小后面FIR滤波器的位宽，使其面 积、功耗减小，有利于化SI实现。
[0044] 增益G的表达式为G = 〇)M)w。如果该式中DM的乘积是2的幕指数的形式，即G 二值矿=2 ?脚是一个幕指数），则直接裁剪掉输出数据的低KN化保留与输入相同位宽 的高位部分即可。若IM的乘积不是2的幕指数的形式，则需要在输出部分乘W系数(^)'v 完成增益校正，此时，将增益表达式改成如下形式：
[0045] G = (DM)w=F叶哩9 (3) V ^ y
[0046] 式做中Y是小于DM的最大的2的幕次方数，其中，Y增部分乘积的增益校正可 ^直接通过截位（右移）完成，另一部分乘积(^^则通过乘^其倒数^^^实现增益校 正，该种设计方法可W减少乘法器的位宽，进而减小电路面积。
[0047] S、将CIC滤波器组的输出数据输入到FIR滤波器，从而实现窄带带通滤波：
[0048] 令h[n]表示滤波器的冲激响应，0《n《N-1，x[n]为输入序列，y[n]为输出序 列，N为滤波器的级数，则N级FIR滤波器的输入、输出关系式为： N-1
[0049] _)'.["] =乏]/?["小["-wh-Y(") */?(") (4) m=0
[0化0] FIR滤波器可W根据式（4)直接实现，即用寄存器，加法器W及N个乘法器完成 FIR滤波器。通常在设计和应用中，所述FIR滤波器根据式（4)直接实现，所述FIR滤波器 的冲激响应h [n]具有偶对称的特性，其对称中屯、为N/2点对应的冲激响应h (N/2)，N为FIR 滤波器的级数。该种具有对称冲激相应的滤波器为线性相位滤波器，其结构如图4。线性相 位滤波器仅需N/2个乘法器，大幅减少了电路单元数量，面积较小，适合化SI实现。
[0化^ 巧片对100曲Z带宽的带通滤波器，要求通带波纹小于0. 05地，阻带衰减大于 55地，过渡带宽小于120曲Z。对于100曲Z带宽，CIC滤波器抽取因子为4,则降频后的采样 率为5MHz，根据该些设计要求，用抑A Tool工具箱，并采用等波纹法，阶数为160,中屯、频 点为150曲Z。对所有的带通滤波器采用相同的设计方法，得到滤波器的系数，将其量化为 1化it的有符号数。由于采用线性相位滤波器，系数需要80个，将所有滤波器的系数存入 EEPR0M，当带宽通道配置模块接收到配置信息后，读取邸PROM中对应此通道信息的80个滤 波器系数，并配置给FIR滤波器中的系数寄存器，将系数和移位后对称相加的输入相乘，最 后对乘法结果进行累加，将结果输出，完成线性相位滤波的操作。
[0052] 四、由于无线宽带射频巧片其他部分处理的都是无符号数，而滤波器处理的是有 符号数，所W在滤波器的输入和输出端需要一个有无符号数转化模块。对于12bit无符号 数，其量化范围是0?4095,而12bit有符号数量化范围是-2048?+2047,将无符号数和 有符号数按大小--对应，0对应-2048, 4095对应+2047,二进制即0000_0000_0000对应 1000_0000_0000,对应
[0053] 五、带宽通道配置模块通过读取SPI接口给出的8bit选带信息，从邸PROM中读取 对应的CIC抽取因子来选通CIC滤波器中对应的一组滤波器并关断其他滤波器组，之后再 读取邸PROM中的FIR滤波器的系数，赋值给FIR滤波器的系数寄存器。
[0054] 六、时钟分频模块提供输入同步采样时钟和采样之后的分频时钟。本数字滤波器 系统中最快的时钟便是输入同步采样时钟，20MHz。除此之外，还需要降采样之后的分频时 钟。本系统设计的抽取因子为80,8,4, 2,相应的需要80分频，8分频，4分频，2分频时钟， 良P 250曲z，2. 5MHz，5MHz W及lOMHz四个时钟，该些时钟都在分频模块由20MHz主时钟分频 得到。
[00巧]最佳实施例；
[0化6] 图1是带宽、中屯、频点可调的数字滤波器系统结构。通过modelsim和VCS进行 仿真，验证数字滤波器的电路结构是否满足设计指标的要求，并根据仿真结果与数字滤波 器的相关运算公式优化电路设计的参数，最终确定延迟因子为1的5级CIC滤波器，对于 5KHz、50KHz、100KHz、200KHz带宽，对应的抽取因子D为80、8、4、2,而对于lMHz、2MHz带宽， 由于其信号带宽与采样率的比值较小，不对其进行抽取；FIR采用等波纹法，阶数为160阶， 系数为80个。
[0057] 本系统设计采用采用Global化11]1化y 0. 18 y m工艺库进行Desi即Compiler逻 辑综合，采用化counter进行数字后端的布局布线，仿真验证结构如图5?图11所示，结果 良好，满足设计指标的要求。其中，图5是抽取因子为4,通带为100-200kHz时的仿真结果； 图6是滤波器输入正弦叠加信号的频谱及输出频谱；图7是0-5曲Z滤波器输入输出频率响 应；图8是0-50曲Z滤波器输入输出频率响应；图9是0-200曲Z滤波器输入输出频率响应； 图10是0-lMHz滤波器输入输出频率响应；图11是0-2MHZ滤波器输入输出频率响应。
[005引尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的 【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术 人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可W做出很多变形，该 些均属于本实用新型的保护之内。
【主权项】
1. 一种带宽、中屯、频点可调的数字滤波器，包括时钟分频模块，其特征在于，还包括带 宽通道配置模块、CIC滤波器组和FIR滤波器； 所述CIC滤波器组的输入端和所述FIR滤波器的输出端均分别连接有无符号数转化模 块； 所述CIC滤波器组由几组CIC滤波器和相同数量的补偿滤波器W及增益校正模块组 成，所述CIC滤波器用于降低输入信号的采样率，并通过所述补偿滤波器和增益校正模块 使CIC滤波器组通带内平坦的同时实现输入输出位宽的匹配，然后将处理或的数据输入所 述FIR滤波器； 所述FIR滤波器将接收到的数据运算处理后实现带宽中屯、频点可调，并通过有无符号 数转化模块输出； 所述带宽通道配置模块与所述CIC滤波器组和FIR滤波器连接，所述带宽通道配置 模块还连接有SPI和邸PROM ;所述带宽通道配置模块通过接收SPI中的选带信息，读取 EEPR0M中CIC滤波器组的抽取因子W及FIR滤波器的系数，完成对所述CIC滤波器组W及 所述FIR滤波器的调节； 所述时钟分频模块与所述CIC滤波器组和FIR滤波器相连；所述时钟分频模块产生带 宽通道配置模块、CIC滤波器、补偿滤波器、增益校正模块和FIR滤波器需要的时钟。
【专利摘要】本实用新型公开了一种带宽、中心频点可调的数字滤波器，包括时钟分频、带宽通道配置、CIC滤波器组和FIR滤波器；CIC滤波器组由几组CIC滤波器和对应的补偿滤波器、增益校正模块组成，CIC滤波器用于降低输入信号采样率，并通过补偿滤波器和增益校正模块使其通带内平坦并实现输入输出位宽匹配，处理后将数据输入FIR滤波器；通过带宽通道配置模块接收SPI中的选带信息，读取EEPROM中CIC滤波器组的抽取因子和FIR滤波器的系数，完成带宽中心频点调节FIR滤波器；本实用新型实现5kHz、50kHz、100kHz、200kHz、1MHz、2MHz，带宽、中心频点不同的带通滤波器以完成对不同通道信号的选取。
【IPC分类】H03H17-02
【公开号】CN204290909
【申请号】CN201420797579
【发明人】赵毅强, 李旭, 孙晨
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月15日