專利名稱：Fir數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理技術領域，涉及數(shù)字濾波器的實現(xiàn)，尤其涉及FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法和裝置。

背景技術：
FIR(Finite Impulse Response，有限沖擊響應)數(shù)字濾波器是數(shù)字通信和信號處理系統(tǒng)中常用的基本模塊，占有非常重要的地位。FIR數(shù)字濾波器廣泛應用于音視頻信號處理和傳輸、基帶成形濾波、去鏡像濾波和匹配濾波等多種場合。在實際的應用當中，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器往往需要在各種可編程邏輯器件、數(shù)字信號處理器件或專用集成電路中實現(xiàn)。
近年來，隨著通信與信號處理需求的擴大和提高，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器越來越受到廣泛關注。研究人員時常會遇到因濾波要求提高而不得不設計高階濾波器的情況。例如在中國數(shù)字電視地面廣播傳輸國家標準(GB20600-2006)中，對調制端成形濾波的平方根升余弦滾降FIR濾波器的滾降系數(shù)要求為0.05，其過渡帶很窄，頻譜利用率很高，這對濾波器階數(shù)有很高要求，對于硬件實現(xiàn)而言，直接導致了很高的復雜度。因此FIR數(shù)字濾波器硬件實現(xiàn)的優(yōu)化是一個十分現(xiàn)實的問題。
FIR數(shù)字濾波器可由系統(tǒng)函數(shù)唯一確定，設濾波器階數(shù)為有限值N，其系統(tǒng)函數(shù)Z變換可表示為 其中h[n]為濾波器有限沖激響應，即FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)。則濾波器輸入輸出關系為 其中*表示線性卷積，x[n]為輸入信號，y[n]為輸出信號。
FIR數(shù)字濾波器的直接型實現(xiàn)結構如圖1所示，其組成部分主要包括抽頭延遲線、乘法單元和求和單元三部分，其它實現(xiàn)結構(如轉置型)的主要組成與直接型類似。直接型結構的運算流程如圖2所示，長度為N的抽頭延遲線得到輸入信號的不同延時，延時輸入信號x[n-m]與FIR濾波器系數(shù)h[m]相乘，再對全部相乘結果求和得到濾波輸出。
對于線性相位FIR數(shù)字濾波器，根據(jù)其濾波器系數(shù)的固有對稱屬性，可以把系數(shù)對稱(如相同或相反)的抽頭合并之后再作乘法，其實現(xiàn)結構如圖3所示。這樣使得所需乘法運算的數(shù)量幾乎降為原有的一半，大大節(jié)省了濾波器硬件實現(xiàn)中的資源占用量。
直接合并對稱抽頭對于單獨一個線性相位FIR數(shù)字濾波器的硬件實現(xiàn)是行之有效的處理方法。但這并沒有利用對稱性降低抽頭延遲線的復雜度，包括減少延遲線長度和抽頭數(shù)。特別是對于高達數(shù)百階的高階FIR數(shù)字濾波器的實現(xiàn)，降低抽頭延遲線的復雜度是十分必要的舉措。利用自身相似性(如對稱性)或者根據(jù)實際應用場合的需求，一個高階濾波器可分解成兩個或多個較低階的子濾波器，形成濾波器組。在實際的數(shù)字通信或信號處理系統(tǒng)中，時常會遇到這種高階FIR數(shù)字濾波器分解后組成濾波器組同時對同一輸入信號進行濾波的情況，比如采用多相(Polyphase)結構的內插或抽取濾波器組，如圖4所示的內插多相濾波器組。不難發(fā)現(xiàn)，組內的各子濾波器可能非線性相位濾波器，其自身系數(shù)可能不存在對稱性，合并對稱抽頭的方法就可能失效。
對于實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器組，傳統(tǒng)的優(yōu)化方案只能共享輸入信號的抽頭延遲線，所得的延時輸入信號x[n-m]分別與多個子濾波器各自的系數(shù)hi[m]進行加權求和運算得到多個濾波輸出yi[n]。上述傳統(tǒng)實現(xiàn)結構如圖5所示，它存在如下問題 1.硬件實現(xiàn)的復雜度仍然偏高，各子濾波器完全獨立工作，未作協(xié)同優(yōu)化。特別是需要實現(xiàn)高階FIR數(shù)字濾波器的情況下，其硬件資源的需求量更為龐大； 2.如果整個濾波器組需要調整或改變，則其中每個子濾波器都需要單獨重新實現(xiàn)和優(yōu)化，系統(tǒng)靈活性和適應性不高。


發(fā)明內容
針對FIR數(shù)字濾波器組特別是高階濾波器組在各種可編程邏輯器件、數(shù)字信號處理器件或專用集成電路中的傳統(tǒng)實現(xiàn)方法存在的復雜度高、硬件資源占用量大以及靈活性、適應性不高等諸多不足之處，本發(fā)明的目的是提供FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法和實現(xiàn)裝置。
為達上述目的，一方面，本發(fā)明的技術方案提供FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)裝置，該FIR數(shù)字濾波器組包括M個N階FIR數(shù)字濾波器，其中M大于等于2，該裝置包括 時鐘源單元，提供f和M·f兩種頻率的時鐘； 抽頭延遲線單元，在時鐘源單元提供的頻率為f的時鐘驅動下，將輸入信號x[n]進行延時得到輸入延時信號x[n-m]，表示為的輸入向量； 向量轉換單元，用于對抽頭延遲線單元得到的輸入向量

進行轉換，通過改變

中元素的排序和正負號以及相應的左移位，得到M個新輸入向量

使

和

的對應關系與相似濾波器系數(shù)向量

和內核濾波器系數(shù)向量

的對應關系完全匹配，即1≤i≤M； 選通單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對M個新輸入向量

分時選通； 內核濾波器加權求和單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，從選通單元輸出的

分時進行與內核濾波器系數(shù)

的加權求和運算，得到M組濾波運算結果； 內核濾波器并行輸出單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對內核濾波器加權求和單元得到的M組濾波運算結果以頻率M·f延時0到M-1個不等的時鐘周期，同步并行輸出M組濾波運算結果。
另外，該裝置還包括 誤差濾波器加權求和單元，在時鐘源單元提供的f頻率下，對輸入向量

進行與誤差濾波器系數(shù)

的加權求和運算； 求和輸出單元，將內核濾波器并行輸出單元同步并行輸出的M組濾波運算結果與其各自對應的誤差濾波器運算結果相加，得到各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算結果并輸出。
另一方面，本發(fā)明的技術方案還提供FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法，該FIR數(shù)字濾波器組包括M個N階FIR數(shù)字濾波器，其中M大于等于2，包括以下步驟 所述FIR數(shù)字濾波器組的輸入信號x[n]經抽頭延遲線得到輸入向量組內各FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)向量分別為1≤i≤M； 內核濾波器構造步驟，根據(jù)組內各FIR數(shù)字濾波器的相似特性，提取各FIR數(shù)字濾波器內核的相同部分，構造一個與各FIR數(shù)字濾波器內核的誤差最小的內核作為FIR數(shù)字濾波器組的內核，并構成內核濾波器，其系數(shù)向量為 FIR數(shù)字濾波器分解步驟，從所有與上述內核濾波器相似的內核相似濾波器構成的集合中，根據(jù)濾波器誤差準則，通過搜索，分別得到與組內各FIR數(shù)字濾波器系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器，構成系數(shù)向量分別為的內核相似濾波器組，1≤i≤M，并將原組內各FIR數(shù)字濾波器分解為與之系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器

和對應于該內核相似濾波器的誤差濾波器

兩部分，原組內各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算結果yi[n]也相應地分解為內核相似濾波器運算結果yki[n]和對應的誤差濾波器運算結果yei[n]兩部分； 向量轉換步驟，對輸入向量

進行轉換，通過改變

中元素的排序和正負號以及相應的左移位，構造針對內核相似濾波器的M個新輸入向量

使得

與

的對應關系完全匹配

與

的對應關系，即1≤i≤M； 內核濾波器加權求和復用步驟，內核相似濾波器組在不同的時間段內復用內核濾波器加權求和單元，實現(xiàn)內核相似濾波器組內各內核相似濾波器的濾波運算； 誤差濾波器加權求和步驟，對各FIR數(shù)字濾波器相應的誤差濾波器進行加權求和，實現(xiàn)各誤差濾波器的濾波運算1≤i≤M； 求和輸出步驟，將上述內核相似濾波器組內各內核相似濾波器的輸出與其對應的誤差濾波器輸出相加，從而得到FIR數(shù)字濾波器組內各FIR數(shù)字濾波器的輸出1≤i≤M。
其中，上述FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法，所述濾波器誤差準則是指濾波器時域沖擊響應的均方誤差最小準則或濾波器頻域響應的均方誤差最小準則。
再一方面，本發(fā)明的技術方案還提供FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法，該FIR數(shù)字濾波器組包括M個N階FIR相似數(shù)字濾波器，其中M大于等于2，包括以下步驟 所述FIR數(shù)字濾波器組的輸入信號x[n]經抽頭延遲線得到輸入向量FIR數(shù)字濾波器組內的各FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)向量分別為1≤i≤M； 內核濾波器構造步驟，根據(jù)相似濾波器共有的內核構成內核濾波器，設其系數(shù)向量為 向量轉換步驟，對輸入向量

進行轉換，通過改變

中元素的排序和正負號以及相應的左移位，構造針對內核濾波器的M個新輸入向量

使得

與

的對應關系完全匹配

與

的對應關系，即這里1≤i≤M； 內核濾波器加權求和復用步驟，所述FIR數(shù)字濾波器組在不同的時間段內復用內核濾波器加權求和單元，實現(xiàn)所述FIR數(shù)字濾波器組內各濾波器的濾波運算。
本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是本發(fā)明充分利用FIR數(shù)字濾波器組中各FIR數(shù)字濾波器之間的相似特性，深入挖掘其中的優(yōu)化潛力，最大限度復用占用資源較多的內核濾波運算結構，優(yōu)化實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器組特別是高階濾波器組。與傳統(tǒng)實現(xiàn)方法相比，有效降低了硬件實現(xiàn)的復雜度，減少了硬件資源占用，提高了系統(tǒng)的靈活性和適用性，且便于擴展、實現(xiàn)多個FIR數(shù)字濾波器組成的濾波器組。



圖1是現(xiàn)有的FIR數(shù)字濾波器直接型結構示意圖； 圖2是現(xiàn)有的FIR數(shù)字濾波器直接型結構的運算流程示意圖； 圖3是現(xiàn)有的線性相位FIR數(shù)字濾波器直接型結構示意圖(假定N為偶數(shù))； 圖4是現(xiàn)有的內插多相濾波器組的一般結構示意圖； 圖5是現(xiàn)有的FIR數(shù)字濾波器組的傳統(tǒng)實現(xiàn)結構示意圖； 圖6是本發(fā)明提供的相似濾波器組的優(yōu)化復用結構示意圖； 圖7是本發(fā)明提供的由相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)方法的操作流程示意圖； 圖8是本發(fā)明提供的由相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的結構示意圖(M＝2)； 圖9是本發(fā)明提供的內核濾波器加權求和單元的原理示意圖(M＝2)； 圖10是本發(fā)明提供的內核濾波器并行輸出單元的原理示意圖(M＝2)； 圖11是本發(fā)明提供的由不完全相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的結構示意圖(M＝2)； 圖12是本發(fā)明提供的由不完全相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的結構示意圖(M＞2)。

具體實施例方式 以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
為使本發(fā)明的目的、技術方法和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
本發(fā)明提供了FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法和實現(xiàn)裝置。針對FIR數(shù)字濾波器組的硬件實現(xiàn)進行了優(yōu)化。參照圖1、圖2，分別表示FIR數(shù)字濾波器直接型結構及其運算流程示意圖；圖3表示線性相位FIR數(shù)字濾波器直接型結構示意圖(假定N為偶數(shù))，其特點是在系數(shù)對稱的前提下首先合并對稱的抽頭再作乘法；圖4表示內插多相濾波器組的一般結構示意圖(L為內插因子)；圖5、圖6分別表示濾波器組的傳統(tǒng)實現(xiàn)結構示意圖和本發(fā)明提供的相似濾波器組的優(yōu)化復用結構示意圖。以下將FIR數(shù)字濾波器簡稱為濾波器。
實際上，上述濾波器組由多個濾波器組成，其輸入信號相同，并且多個濾波器之間一般存在某種內在聯(lián)系，本發(fā)明將其統(tǒng)稱為濾波器組內多個濾波器之間的相似特性，泛指各濾波器的系數(shù)之間存在有絕對值相同的或相似(成2n倍關系，n為整數(shù)，下同)的數(shù)，但排列順序不同。所以，在共享輸入信號的抽頭延遲線之后，針對加權求和運算

如果能充分利用濾波器之間的相似特性，就可通過復用各濾波器之間重復的加權求和運算，大大減少濾波器組內部重復冗余的運算量，從而降低其硬件實現(xiàn)的復雜度，節(jié)省寶貴的硬件資源。為此，有必要提出一種新的通用的實現(xiàn)方法來優(yōu)化實現(xiàn)上述FIR數(shù)字濾波器組，取代組內多個濾波器的單獨實現(xiàn)。
本發(fā)明稱之為FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法，如圖6所示，以一個相似濾波器優(yōu)化復用裝置完成多個濾波器的濾波運算，降低了硬件實現(xiàn)的復雜度，節(jié)省了硬件資源，同時提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。
為描述方便，本發(fā)明提出的濾波器組實現(xiàn)方法需要首先進行如下解釋 (1)基數(shù)一個FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)為h[n]，0≤n≤N，N為FIR數(shù)字濾波器的階數(shù)，其中任一系數(shù)的絕對值i∈n，Ai為奇數(shù)，mi為非負整數(shù)，這里Ai為該系數(shù)h[i]的基數(shù)。
(2)內核一個FIR數(shù)字濾波器的所有系數(shù)的基數(shù)的集合為該濾波器的內核，不同系數(shù)的相同基數(shù)在該集合中定義為互異的元素。
(3)相似濾波器內核相同的多個FIR數(shù)字濾波器互為相似濾波器。
(4)內核濾波器一個由內核的基數(shù)任意排序構成其系數(shù)的濾波器為內核濾波器。
(5)內核相似濾波器內核相同的多個內核濾波器互為內核相似濾波器。
以下詳細說明FIR數(shù)字濾波器組實現(xiàn)方法及其裝置的具體實施，以兩個相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組為例闡述本發(fā)明所述技術方案。
設FIR數(shù)字濾波器組的輸入信號為x[n]，其中濾波器I的系數(shù)為h1[n]，輸出信號為y1[n]，則其時域線性濾波表達式為 上式中*表示線性卷積，x[n-m]為延時輸入信號，表示為輸入向量濾波器系數(shù)表示為系數(shù)向量根據(jù)向量乘法規(guī)則，(3)式可轉化為 為簡單起見，設該濾波器組的內核濾波器系數(shù)hk[n]的排序正好是按照濾波器I的對應系數(shù)的排序來構造的，向量表示為則h1[n]與hk[n]的關系為 上式中“±”號表示可能取正負值之一，p0，p1，...，pN均為非負整數(shù)。根據(jù)(5)式，構造新輸入向量其“±”號和“

”與(5)式

完全對應，則由向量乘法規(guī)則不難看出 設組內濾波器II的系數(shù)為h2[n]，輸出信號為y2[n]。因為兩濾波器是相似濾波器，內核相同，所以濾波器II的系數(shù)可以通過內核濾波器系數(shù)hk[n]的重新排序、正負號改變以及左移位等操作來表示。相應的系數(shù)向量 上式中“±”號表示可能取正負值之一，i0，i1，...，iN互不相等且構成0至N的整數(shù)集合，q0，q1，...，qN均為非負整數(shù)，則濾波器II的輸出y2[n]可表示為 同時，構造新輸入向量其“±”號和“

”與(7)式

完全對應，則由向量乘法規(guī)則可得 由(6)式和(9)式可得，將相似濾波器系數(shù)之間的相似特性“轉移”到抽頭延遲線的輸入向量

上，按照各濾波器系數(shù)與內核濾波器系數(shù)的關系，對應地改變

中元素的排序和正負號以及相應的左移位，構造針對內核濾波器的新輸入向量

則可復用內核濾波器的加權求和單元實現(xiàn)組內各濾波器不同的濾波運算，得到各自的濾波結果。值得說明的是，在可編程邏輯器件、數(shù)字信號處理器件和專用集成電路等硬件實現(xiàn)當中，上述對于輸入向量

的轉換，包括重新排序、正負號改變和左移位等，都可以由相應的連線和移位來實現(xiàn)，這只需占用極少的硬件資源，相較于因優(yōu)化復用而省掉的濾波運算所需占用的硬件資源量，完全可以忽略。
參照圖7、圖8，分別表示本發(fā)明提供的由相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)方法的操作流程示意圖以及采用該方法的實現(xiàn)裝置(M＝2)的結構示意圖。FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置由時鐘源單元、抽頭延遲線單元、向量轉換單元、選通單元、內核濾波器加權求和單元以及內核濾波器并行輸出單元等模塊組成。
時鐘源單元提供f和2·f兩種頻率的時鐘。
原濾波器各自都工作在采樣頻率f下，所述抽頭延遲線單元，在時鐘源提供的頻率為f的時鐘驅動下，將輸入信號x[n]進行延時得到輸入延時信號x[n-m]，向量表示為即輸入向量。
所述向量轉換單元，為FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的核心單元之一。FIR數(shù)字濾波器組內各濾波器之間的相似特性充分轉移到輸入向量

上，就是在本單元實現(xiàn)的。在所述向量轉換單元中，根據(jù)組內各濾波器與內核濾波器相匹配的線性卷積關系和對抽頭延遲線得到的原輸入向量

進行轉換，通過改變

中元素的排序和正負號以及相應的左移位等操作，分別得到針對內核濾波器的新輸入向量

和

使得

與

的對應關系完全匹配

與

的對應關系，

與

的對應關系完全匹配

與

的對應關系。
所述選通單元，在時鐘源提供的頻率為2·f的時鐘驅動下，對所述兩組新輸入向量

和

進行分時選通。例如將

較

提前一個頻率2·f的時鐘周期選通輸出，形成內核濾波器加權求和單元的輸入信號。
參照圖9，表示本發(fā)明提供的內核濾波器加權求和單元的原理示意圖，該單元為FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的核心單元之一。該單元工作在時鐘源提供的2·f的采樣頻率下，通過時分復用內核濾波器的加權求和運算結構，分別完成

與

的加權求和運算。例如在前一個頻率2·f的時鐘周期，輸入

與內核濾波器系數(shù)向量

進行加權求和運算，得到濾波器I的濾波運算結果y11[n]；在后一個頻率2·f的時鐘周期，輸入

與內核濾波器系數(shù)向量

進行加權求和運算，得到濾波器II的濾波運算結果y2[n]。
參照圖10，表示本發(fā)明提供的內核濾波器并行輸出單元的原理示意圖，該單元同樣工作在時鐘源提供的2·f的采樣頻率下。設

較

提前一個頻率2·f的時鐘周期完成加權求和運算，則該單元將濾波器I的運算結果y11[n]延時一個頻率2·f的時鐘周期，得到與濾波器II的運算結果y2[n]同步的延時信號y1[n]，將y1[n]和y2[n]并行輸出，實現(xiàn)所述濾波器組兩濾波器的并行輸出需求。
參照圖11，表示本發(fā)明提供的由兩個不完全相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的結構示意圖。本發(fā)明提供的FIR數(shù)字濾波器組實現(xiàn)方法及其裝置，同樣適用于由不完全相似濾波器組成的濾波器組的實現(xiàn)。以兩個濾波器構成的濾波器組為例，若兩個濾波器的內核大部分相同，則同樣可采用本發(fā)明提出的相似濾波器組實現(xiàn)方法。具體操作可如下以濾波器A的內核作為濾波器組的內核，構造內核濾波器，系數(shù)向量設為

則如前所述可以用內核濾波器實現(xiàn)濾波器A；利用內核濾波器的定義，搜索所有內核相似濾波器構成的相似濾波器集合，根據(jù)濾波器誤差準則，得到與濾波器B系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器Bk，則如前所述可以用內核濾波器實現(xiàn)濾波器Bk；根據(jù)假定，兩個濾波器的內核大部分相同，因此濾波器Bk和濾波器B之間的系數(shù)誤差很小，可以根據(jù)輸入向量直接實現(xiàn)濾波器Bk和濾波器B之間的誤差濾波器Be，濾波器Bk與誤差濾波器Be輸出之和就是濾波器B的輸出。上述濾波器誤差準則是指濾波器時域沖擊響應的均方誤差最小準則或濾波器頻域響應的均方誤差最小準則。
本實施例中FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)裝置還包括誤差濾波器加權求和單元和求和輸出單元。其中，誤差濾波器加權求和單元在時鐘源單元提供的f頻率下，對輸入向量

進行與誤差濾波器系數(shù)

的加權求和運算，得到誤差濾波器Be的運算結果；求和輸出單元將同步并行輸出的內核濾波器對應于Bk的運算結果與誤差濾波器Be的運算結果相加，得到原FIR數(shù)字濾波器組內濾波器B的運算結果并輸出。
參照圖12，表示本發(fā)明提供的由多個不完全相似濾波器組成的FIR數(shù)字濾波器組低復雜度實現(xiàn)裝置的結構示意圖。本發(fā)明提供的FIR數(shù)字濾波器組實現(xiàn)方法及其裝置，非常便于將所述FIR數(shù)字濾波器組擴展到兩個以上的濾波器。設濾波器組包含M(M≥2)個濾波器，則需要根據(jù)組內各濾波器的相似特性，提取各濾波器內核的相同部分，構造一個與各濾波器內核的誤差最小的內核作為濾波器組的內核，并構成內核濾波器(系數(shù)向量設為

)，再如前所述，通過搜索分別得到與組內各濾波器系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器(系數(shù)向量設為

)和與之對應的誤差濾波器(系數(shù)向量設為

)。其中內核相似濾波器組按照相似濾波器組實現(xiàn)方法和裝置來實現(xiàn)。
本實施例中FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)裝置包括時鐘源單元，提供f和M·f兩種頻率的時鐘；抽頭延遲線單元，在時鐘源單元提供的頻率為f的時鐘驅動下，將輸入信號x[n]進行延時得到輸入延時信號x[n-m]，表示為的輸入向量；向量轉換單元，用于對抽頭延遲線單元得到的輸入向量

進行轉換，通過改變

中元素的排序和正負號以及相應的左移位等操作，得到M個新輸入向量

1≤i≤M，使得

與

的對應關系完全匹配內核相似濾波器系數(shù)向量

與內核濾波器系數(shù)向量

的對應關系，也即選通單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對M個新輸入向量

分時選通；內核濾波器加權求和單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，從選通單元輸出的

分時進行與內核濾波器系數(shù)

的加權求和運算，得到M組濾波運算結果；誤差濾波器加權求和單元，在時鐘源單元提供的f頻率下，對輸入向量

進行與誤差濾波器系數(shù)

的加權求和運算；誤差濾波器系數(shù)

是通過FIR數(shù)字濾波器分解步驟得到，具體為從所有與上述內核濾波器相似的內核相似濾波器構成的集合中，根據(jù)濾波器誤差準則，通過搜索，分別得到與組內各FIR數(shù)字濾波器系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器，構成系數(shù)向量分別為的內核相似濾波器組，1≤i≤M，并將原組內各FIR數(shù)字濾波器分解為與之系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器

和對應于該內核相似濾波器的誤差濾波器

兩部分，原組內各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算結果yi[n]也相應地分解為內核相似濾波器運算結果yki[n]和對應的誤差濾波器運算結果yei[n]兩部分；內核濾波器并行輸出單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對內核濾波器加權求和單元得到的M組濾波運算結果以頻率M·f延時0到M-1個不等的時鐘周期，同步并行輸出所述M組濾波運算結果；求和輸出單元，將上述同步并行輸出的內核濾波器運算結果與其各自對應的誤差濾波器運算結果相加，得到各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算結果并輸出。
本發(fā)明充分利用FIR數(shù)字濾波器組中各濾波器之間的相似特性，深入挖掘其中的優(yōu)化潛力，最大限度復用占用資源較多的內核濾波運算結構，優(yōu)化實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器組特別是高階濾波器組。與傳統(tǒng)實現(xiàn)方法相比，有效降低了硬件實現(xiàn)的復雜度，減少了硬件資源占用，提高了系統(tǒng)的靈活性和適用性，且便于擴展、實現(xiàn)多個FIR數(shù)字濾波器組成的濾波器組。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1、FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)裝置，該FIR數(shù)字濾波器組包括M個N階FIR數(shù)字濾波器，其中M大于等于2，其特征在于，該裝置包括
時鐘源單元，提供f和M·f兩種頻率的時鐘；
抽頭延遲線單元，在時鐘源單元提供的頻率為f的時鐘驅動下，將輸入信號x[n]進行延時得到輸入延時信號x[n-m]，表示為的輸入向量；
向量轉換單元，用于對抽頭延遲線單元得到的輸入向量
進行轉換，通過改變
中元素的排序和正負號以及相應的左移位，得到M個新輸入向量
使
和
的對應關系與相似濾波器系數(shù)向量
和內核濾波器系數(shù)向量
的對應關系完全匹配，即1≤i≤M；
選通單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對M個新輸入向量
分時選通；
內核濾波器加權求和單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對從選通單元輸出的
分時進行與內核濾波器系數(shù)
的加權求和運算，得到M組濾波運算結果；
內核濾波器并行輸出單元，在時鐘源單元提供的M·f頻率下，對內核濾波器加權求和單元得到的M組濾波運算結果，以頻率M·f延時0到M-1個不等的時鐘周期，同步并行輸出M組濾波運算結果。
2、如權利要求1所述的FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)裝置，其特征在于，該裝置還包括
誤差濾波器加權求和單元，在時鐘源單元提供的f頻率下，對輸入向量
進行與誤差濾波器系數(shù)
的加權求和運算；
求和輸出單元，將內核濾波器并行輸出單元同步并行輸出的M組濾波運算結果與其各自對應的誤差濾波器運算結果相加，得到各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算結果并輸出。
3、一種利用權利要求1所述的裝置達到FIR數(shù)字濾波器組低復雜度的實現(xiàn)方法，該FIR數(shù)字濾波器組包括M個N階FIR相似數(shù)字濾波器，其中M大于等于2，其特征在于，包括以下步驟
所述FIR數(shù)字濾波器組的輸入信號x[n]經抽頭延遲線得到輸入向量組內的各FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)向量分別為1≤i≤M；
內核濾波器構造步驟根據(jù)相似濾波器共有的內核構成內核濾波器，其系數(shù)向量為
向量轉換步驟對輸入向量
進行轉換，通過改變
中元素的排序和正負號以及相應的左移位，構造針對內核濾波器的M個新輸入向量
使得
與
的對應關系完全匹配
與
的對應關系，即1≤i≤M；
內核濾波器加權求和復用步驟所述FIR數(shù)字濾波器組在不同的時間段內復用內核濾波器加權求和單元，實現(xiàn)組內各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算。
4、一種利用權利要求2所述的裝置達到FIR數(shù)字濾波器組低復雜度的實現(xiàn)方法，該FIR數(shù)字濾波器組包括M個N階FIR數(shù)字濾波器，其中M大于等于2，其特征在于，包括以下步驟
所述FIR數(shù)字濾波器組的輸入信號x[n]經抽頭延遲線得到輸入向量組內各FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)向量分別為1≤i≤M；
內核濾波器構造步驟根據(jù)組內各FIR數(shù)字濾波器的相似特性，提取各FIR數(shù)字濾波器內核的相同部分，構造一個與各FIR數(shù)字濾波器內核的誤差最小的內核作為FIR數(shù)字濾波器組的內核，并構成內核濾波器，其系數(shù)向量為
FIR數(shù)字濾波器分解步驟從所有與上述內核濾波器相似的內核相似濾波器構成的集合中，根據(jù)濾波器誤差準則，通過搜索，分別得到與組內各FIR數(shù)字濾波器系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器，構成系數(shù)向量分別為的內核相似濾波器組，1≤i≤M，并將原組內各FIR數(shù)字濾波器分解為與之系數(shù)誤差最小的內核相似濾波器
和對應于該內核相似濾波器的誤差濾波器
兩部分，原組內各FIR數(shù)字濾波器的濾波運算結果yi[n]也相應地分解為內核相似濾波器運算結果yki[n]和對應的誤差濾波器運算結果yei[n]兩部分；
向量轉換步驟對輸入向量
進行轉換，通過改變
中元素的排序和正負號以及相應的左移位，構造針對內核相似濾波器的M個新輸入向量
使得
與
的對應關系完全匹配
與
的對應關系，即1≤i≤M；
內核濾波器加權求和復用步驟內核相似濾波器組在不同的時間段內復用內核濾波器加權求和單元，實現(xiàn)內核相似濾波器組內各內核相似濾波器的濾波運算；
誤差濾波器加權求和步驟對各FIR數(shù)字濾波器相應的誤差濾波器進行加權求和，實現(xiàn)各誤差濾波器的濾波運算1≤i≤M；
求和輸出步驟；將上述內核相似濾波器組內各內核相似濾波器的輸出與其對應的誤差濾波器輸出相加，從而得到FIR數(shù)字濾波器組內各FIR數(shù)字濾波器的輸出1≤i≤M。
5、如權利要求4所述的FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法，其特征在于，所述濾波器誤差準則是指濾波器時域沖擊響應的均方誤差最小準則或濾波器頻域響應的均方誤差最小準則。
全文摘要
本發(fā)明涉及FIR數(shù)字濾波器組的低復雜度實現(xiàn)方法及裝置，該方法按以下步驟進行操作根據(jù)濾波器組內多個相似濾波器共有的內核，構造濾波器組的一個內核濾波器；根據(jù)組內各濾波器與所述內核濾波器對應的線性卷積關系，對抽頭延遲線得到的原輸入向量進行轉換，構造針對內核濾波器的多個新輸入向量；濾波器組共享內核濾波器的加權求和單元，通過時分復用實現(xiàn)組內濾波器各自的濾波運算。FIR數(shù)字濾波器組實現(xiàn)裝置包括抽頭延遲線單元、向量轉換單元、選通單元、內核濾波器加權求和單元、內核濾波器并行輸出單元。本發(fā)明最大限度復用占用資源較多的內核濾波運算結構，有效降低了FIR數(shù)字濾波器組硬件實現(xiàn)的復雜度，提高了系統(tǒng)的靈活性和適用性。
文檔編號H03H17/06GK101340182SQ20081011906
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權日2008年8月28日
發(fā)明者彭克武, 劉在爽, 楊知行, 健 宋, 劍 符 申請人:清華大學