一种广义多相多步FIR滤波器模块化实现方法与流程

一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法
技术领域
1.本发明涉及滤波器技术领域，特别是一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法。


背景技术：

2.随着集成芯片技术的快速发展，模数转换器的采样速率越来越高，这对后续的数据处理、传输和储存提出了新的要求。在处理超高速采样信号时，比如10gsps，或者更高速率的信号，要求数字接收机在信号采集、处理与传输方面具有足够高的性能，而滤波器作为数字接收机中至关重要的部件，如何设计最佳的滤波器，使其具有更高的数据传输效率、更低的运算延时和设计复杂度，对于改善数字接收机的性能有着重要的意义。
3.多相fir数字滤波器在通信技术中具有重要的应用价值，通过多相的方法能够使滤波器在尽可能低的采样速率下完成滤波操作，然而普通的多相fir数字滤波器滤波精度低、延时高、消耗资源大，在处理超高速的信号时，滤波器的多相路数较高会超过器件本身资源数量而不可实现，这一特性对于器件提升自身运算速率、降低功耗是十分不利的，同时也无法节约硬件资源以用于其它功能算法的实现。


技术实现要素：

4.针对多相fir滤波器滤波精度低、资源消耗大、延时高，无法直接处理超过10gsps超高速信号的问题，本发明提供一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法，能够有效降低滤波器整体的工作速率、系统的运算延时和滤波器的设计复杂度，具有很强的推广应用价值。
5.本发明公开了一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法，包括以下步骤：
6.步骤1：基于信号多相处理方式，将fir滤波器分解为p相子滤波器；
7.步骤2：基于p的转换原理以及p相子滤波器，对fir滤波器进行广义多相多步处理；
8.步骤3：对广义多相多步处理后的所述fir滤波器进行模块化设计，得到若干个模块，并通过级联的方式实现模块的复用。
9.进一步地，所述步骤1包括：
10.步骤11：定义fir滤波器的系数为h(n)，则fir滤波器的系统传输函数为：
[0011][0012]
步骤12：基于信号的多相处理原理，基于信号的多相处理方式，即n用np+k表示，将fir滤波器的系统传输函数分解为p相子滤波器，得到fir滤波器的多相结构：
[0013]
[0014]
其中，p表示多相路数，k＝0,1,2,...,p-1，h(np+k)表示多相fir滤波器的子滤波系数，z-k
表示延时结构；
[0015]
步骤13：根据fir滤波器的多相分解确定参数p，以及子滤波器系数h(np+k)。
[0016]
进一步地，在所述步骤13之后，还包括：
[0017]
根据fir滤波器的多相分解结果，其结构由延时抽取部分与fir的子滤波器部分组成，定义：
[0018][0019]
其中，e(z)表示多相fir滤波器的子滤波器。
[0020]
进一步地，利用低阶结构设计高阶多相fir滤波器结构，将p用p＝p1×
p2×…×
p
γ
，即p的转换原理来实现；根据p的转换原理，完成fir滤波器的广义多相多步处理。
[0021]
进一步地，所述根据p的转换原理，按照以下公式完成fir滤波器的广义多相多步处理：
[0022][0023][0024]
其中，γ表示广义多步处理的步数；p
γ
表示广义多步处理中各步的系数值；k
γ
表示多相fir滤波器的延时阶数，表示延时步数的积。
[0025]
进一步地，根据fir滤波器多相多步处理计算出模块和模块fir滤波器的传递函数可由与构成，i＝1,2,
…
γ。
[0026]
进一步地，所述步骤3包括：
[0027]
步骤31：根据完成fir滤波器的广义多相多步处理所使用的公式，设计fir滤波器的有效传递函数为：
[0028][0029]
其中，表示信号的延时抽取过程，i＝1,2,
…
,γ，表示fir滤波器
的子滤波器多步处理过程；
[0030]
步骤32：将fir滤波器的有效传递函数进行模块化设计：
[0031][0032]
其中，模块a表示低阶抽取/内插器，模块a-1～a-γ表示抽取/内插器模块的数量，模块b表示低阶子滤波器；
[0033]
步骤33：根据模块化设计结果，将低阶抽取/内插器封装为模块a，低阶子滤波器封装为模块b。
[0034]
进一步地，在所述步骤3之后，还包括：
[0035]
将模块a和模块b进行级联，并使用二输入加法器对经模块a和模块b级联处理后的结果进行求和。
[0036]
进一步地，所述将将模块a和模块b进行级联，并使用二输入加法器对经模块a和模块b级联处理后的结果进行求和，包括：
[0037]
步骤41：根据多相路数p，以及p＝p1×
p2×…×
p
γ
确定需要使用的模块a和模块b；
[0038]
步骤42：将模块a和模块b通过级联的方式进行连接，，得到任意阶数的广义多相多步fir滤波器结构；
[0039]
步骤43：使用二输入加法器对任意阶数的广义多相多步fir滤波输出结果求和。
[0040]
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0041]
(1)本发明考虑滤波器运算速度与多相fir结构的设计复杂度相关，采用了一种广义多相多步的滤波器运算新方法，通过多相多步的设计方法，大大提高了滤波器的工作速率、滤波精度，能够适用于过10gsps的超高速信号处理；
[0042]
(2)本发明针对传统的多相fir结构不能实现滤波运算复用、滤波延时较高的问题，将广义多相多步的滤波算法使用适当规格的模块进行级联实现，并利用二输入加法器将结果进行求和，可以有效的节约资源开销，实现模块的复用，大大减少滤波器的运算延时，提高系统的整体性能增益，并且非常适用于信号采样率变化的滤波系统；
[0043]
(3)本发明提出了一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法，提供了一种除传统多相滤波、多相fir滤波等信号滤波的新方法，该方法运用灵活，适用于航空、航天、雷达等信号处理领域，具有很强的推广应用价值。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明实施例的一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法的流程图；
[0046]
图2为本发明实施例的一种广义多相多步fir滤波器模块化实现方法框图；
[0047]
图3为本发明实施例的一种广义多相多步操作示意图；
[0048]
图4为本发明实施例的一种模块化实现框图。
具体实施方式
[0049]
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
[0050]
如图1所示，本发明提供了广义多相多步fir滤波器模块化实现方法，包括以下步骤：
[0051]
s1、基于信号多相处理方式，将fir滤波器分解为p相子滤波器；
[0052]
s2、基于p的转换原理以及p相子滤波器，对fir滤波器进行广义多相多步处理；
[0053]
s3、对广义多相多步处理后的所述fir滤波器进行模块化设计，得到若干个模块，并通过级联的方式实现模块的复用。
[0054]
本发明具体实现框图如图2所示。本发明利用fpga并行处理的优势，首先根据fir滤波器的传递函数，将fir滤波器进行多相处理，获得参数p和子滤波器系数h(np+k)；然后利用低阶滤波设计高阶滤波的原理，将p＝8用p＝p1×
p2×
p3来实现，实现滤波器的广义多相多步分解；接着根据广义多相多步滤波器的有效传递函数将其模块化分解，并且分别用模块a和b表示多步抽取/内插和多相子滤波器；最后使用7个模块a和4个模块b进行级联，并使用3个二输入加法器对滤波结果进行求和，得到最终滤波结果。具体实现步骤如下：
[0055]
在本发明实施例中，针对步骤s1中fir滤波器多相分解为p相子滤波器设计，根据传统的多相分解方法，将fir滤波器传递函数变换成多相结构，根据多相表达式，确定抽取/内插的参数p和子滤波器系数h(np+k)。实现步骤s1的具体步骤如下：
[0056]
s101、定义滤波器系数为h(n)，则fir滤波器系数传输函数为
[0057][0058]
s102、基于信号的多相处理原理，基于信号的多相处理方式，即n用np+k表示，将fir滤波器的系统传输函数分解为p相子滤波器，得到fir滤波器的多相结构：
[0059][0060]
其中p表示多相路数，k＝0,1,2,...,p-1，h(np+k)表示子滤波系数，z-k
表
[0061]
示延迟结构；
[0062]
s103、根据fir滤波器的多相分解确定参数p，以及子滤波器系数h(np+k)。
[0063]
s104、根据fir滤波器的多相分解结果，其结构由延时抽取部分与fir的子滤波器部分组成，定义：
[0064][0065]
其中，e(z)表示多相fir滤波器的子滤波器。
[0066]
在本发明实施例中，先根据fir滤波器的传递函数，将fir滤波器进行多相处理，获得参数p＝8和子滤波器系数h(np+k)；然后根据图3所示fir滤波器广义多相多步操作示意，利用低阶滤波器设计高阶滤波器的原理，将p＝8用p＝p1×
p2×
p3来实现，从而完成滤波器
的广义多相多步分解。实现步骤s2的具体步骤如下：
[0067]
s201、利用低阶结构设计高阶多相fir结构，将p用p＝p1×
p2×…×
p
γ
来实现；
[0068]
s202、根据p的转换原理，按照以下公式完成fir滤波器的广义多相多步处理，具体实现过程如下：
[0069][0070][0071]
其中，γ表示广义多步处理的步数；p
γ
表示广义多步处理中各步的系数值；k
γ
表示多相fir滤波器的延时阶数，表示延时步数的积。
[0072]
s203、根据fir滤波器多相多步处理计算出模块和模块即经过多相多步的实现方法，fir滤波器的传递函数可由(其中i＝1,2,
…
γ)与构成，i＝1,2,
…
γ。
[0073]
在本发明实施例中，滤波器经过广义多相多步处理后，高阶的抽取/内插多相结构变为低阶的抽取/内插多相级联结构，将广义多相多步滤波器进行模块化设计，把抽取/内插器和子滤波器封装成特定的功能模块a和模块b。实现步骤s3的具体步骤如下：
[0074]
s301、根据完成fir滤波器的广义多相多步处理所使用的公式，设计fir滤波器的有效传递函数为：
[0075][0076]
其中，表示信号的延时抽取过程，i＝1,2,
…
,γ，表示fir滤波器的子滤波器多步处理过程。
[0077]
s302、根据fir滤波器的广义多相多步实现将fir有效传递函数进行模块化设计：
[0078][0079]
其中模块a表示低阶抽取/内插器，模块a-1～γ表示抽取/内插器模块的数量，模块b表示低阶子滤波器；
[0080]
s303、根据模块化设计结果，将抽取/内插器和子滤波器封装为可供使用的特定功能模块a和模块b，具体实现如图4所示。
[0081]
在本发明实施例中，所述步骤3之后，还包括：广义多相多步滤波器经过模块化设计后，模块a具有抽取/内插功能，模块b是子滤波器，接着将模块a和模块b以适当规格进行级联，并使用二输入加法器对滤波结果进行求和，具体实现如下：
[0082]
s401、根据多相路数p，以及p＝p1×
p2×…×
p
γ
确定需要使用的模块a和模块b；
[0083]
s402、将适当规格的模块a和模块b通过级联的方式进行连接，得到任意阶数的广义多相多步fir结构；
[0084]
s403、使用二输入加法器对任意阶数的广义多相多步fir滤波输出结果求和，形成一种流水的结构，进一步降低系统运行时间。
[0085]
本发明通过以上设计解决了多相fir滤波器滤波精度低、资源消耗大、延时高，无法直接处理过10gsps超高速信号的问题。
[0086]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。