專利名稱：數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及裝置、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)用程序、數(shù)字濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及裝置、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)用程序、數(shù)字濾波器，特別是關(guān)于具備有由多個(gè)遲延器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，并在將各抽頭信號(hào)分別變?yōu)閿?shù)倍之后，相加后輸出的FIR濾波器及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在提供給通信、測(cè)量、聲音、影像信號(hào)處理、醫(yī)療、地震學(xué)等各種領(lǐng)域的各種電子機(jī)器中，經(jīng)常要在其內(nèi)部實(shí)施某種數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理的最重要基本操作中，有從混合著各種信號(hào)或噪聲的輸入信號(hào)之中，僅取出必要的某個(gè)頻段信號(hào)的濾波處理。所以，在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的電子機(jī)器中，經(jīng)常采用數(shù)字濾波器。
作為數(shù)字濾波器，經(jīng)常采用IIR(Infinire Impulse Response，無(wú)限脈沖響應(yīng))濾波器、或FIR(Finite Impulse Response，有限脈沖響應(yīng))濾波器。其中，F(xiàn)IR濾波器具有下述優(yōu)點(diǎn)。第1，由于FIR濾波器的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)僅在z平面的原點(diǎn)處才有，因此電路總處于穩(wěn)定。第2，若濾波器系數(shù)為對(duì)稱型，便可實(shí)現(xiàn)完全正確的直線相位特性。
若將濾波器根據(jù)通過(guò)區(qū)域與阻止區(qū)域的配置進(jìn)行分類的話，主要可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器這四種?；居肐IR濾波器與FIR濾波器構(gòu)成的是低通濾波器，而其他的高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器，則通過(guò)進(jìn)行頻率變換等處理從低通濾波器導(dǎo)出。
但是，F(xiàn)IR濾波器，由有限時(shí)間長(zhǎng)度表示的脈沖響應(yīng)，直接當(dāng)作濾波器的系數(shù)。所以，所謂設(shè)計(jì)FIR濾波器，是指決定濾波器系數(shù)以獲得期望的頻率特性。
以往，在設(shè)計(jì)構(gòu)成基本的低通濾波器時(shí)，通過(guò)根據(jù)采樣頻率與截止頻率的比率，進(jìn)行利用窗函數(shù)與切比雪夫近似法等的卷積運(yùn)算，求取與FIR濾波器的各抽頭對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)。然后，通過(guò)用所求得濾波器系數(shù)進(jìn)行模擬，一邊確認(rèn)頻率特性，一邊適當(dāng)修正系數(shù)值，獲得所需特性的低通濾波器。
另外，在設(shè)計(jì)高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等其他濾波器時(shí)，首先按照上述次序設(shè)計(jì)多個(gè)基本的低通濾波器。然后，通過(guò)將其組合后進(jìn)行頻率變換等操作，設(shè)計(jì)出具有期望的頻率特性的FIR濾波器。
然而，由于依現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法所獲得濾波器的頻率特性，依賴于窗函數(shù)或切比雪夫近似式，因此若未將其良好設(shè)定，無(wú)法獲得良好的頻率特性。可是，一般來(lái)說(shuō)難以適當(dāng)設(shè)定窗函數(shù)與近似式。即，上述現(xiàn)有的濾波器設(shè)計(jì)方法，熟練的技術(shù)人員需要大量時(shí)間和精力進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)所需特性的FIR濾波器較為不便的問(wèn)題。
再者，即便假設(shè)可設(shè)計(jì)出接近所需特性的濾波器，所設(shè)計(jì)的濾波器的抽頭數(shù)也過(guò)于龐大，且其系數(shù)值為非常復(fù)雜隨機(jī)的數(shù)值。因此問(wèn)題就是，若要實(shí)現(xiàn)此抽頭數(shù)與系數(shù)值，需要大規(guī)模的電路結(jié)構(gòu)(加法器、乘法器)。此外，實(shí)際使用所設(shè)計(jì)的FIR濾波器時(shí)，運(yùn)算量非常巨大，導(dǎo)致處理負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。
本發(fā)明正是為解決上述問(wèn)題，其目的在于，能較為方便地設(shè)計(jì)具所需頻率特性的FIR數(shù)字濾波器。
再者，本發(fā)明的目的在于，提供一種可用較小的電路規(guī)模高精度實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明下的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于將具有數(shù)值被設(shè)定為數(shù)值串總和非零、且該數(shù)值串隔1相加之和為同號(hào)相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型的基本濾波器，通過(guò)將多個(gè)該基本濾波器級(jí)聯(lián)連接來(lái)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的另一形態(tài)，其特征在于將具有數(shù)值被設(shè)定為數(shù)值串總和為零、且該數(shù)值串隔1相加之和為異號(hào)且絕對(duì)值相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型的基本濾波器，通過(guò)將多個(gè)該基本濾波器級(jí)聯(lián)連接來(lái)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的另一形態(tài)，其特征在于通過(guò)在與構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)相對(duì)應(yīng)的各抽頭之間、插入n時(shí)鐘量的延遲，來(lái)調(diào)整濾波器的通過(guò)頻帶。
再者，本發(fā)明下的數(shù)字濾波器，其特征是是具備由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，并將各抽頭的信號(hào)用通過(guò)上述的濾波器設(shè)計(jì)方法求得的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍后，相加輸出。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于通過(guò)將以給定的非對(duì)稱型的數(shù)值串作為濾波器系數(shù)的2個(gè)單元濾波器級(jí)聯(lián)連接構(gòu)成基本濾波器，并將多個(gè)此基本濾波器級(jí)聯(lián)連接來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，因此僅通過(guò)該基本濾波器的級(jí)聯(lián)連接，便可自動(dòng)地獲得具有期望頻率特性的數(shù)字濾波器的濾波器系數(shù)，即便不是熟練的技術(shù)人員，也可非常簡(jiǎn)單地進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。
另外，通過(guò)本發(fā)明，由于上述給定的非對(duì)稱型的數(shù)值串，是將給定的對(duì)稱型數(shù)值串從其中央分出的一半，因此設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器所需要的抽頭數(shù)量非常少，且對(duì)于各抽頭輸出來(lái)說(shuō)所需的濾波器系數(shù)種類也非常少。而且，無(wú)須采用窗函數(shù)，獲得的濾波器系數(shù)中也不會(huì)產(chǎn)生截?cái)嗾`差。所以，可大幅削減電路元件數(shù)(特別是乘法器)從而削減電路規(guī)模，實(shí)現(xiàn)降低消耗功率、減輕運(yùn)算負(fù)荷等效果，同時(shí)能高精度地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的期望的頻率特性。此外，由于設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，為通過(guò)反復(fù)基本濾波器這個(gè)相同樣式來(lái)構(gòu)成具有極單純的結(jié)構(gòu)，因此在集成化時(shí)可減少工序數(shù)，便于IC化。


圖1，是表示5抽頭單元濾波器L10、H10的電路結(jié)構(gòu)及濾波器系數(shù)的數(shù)值串的圖。
圖2是表示5抽頭單元濾波器L10、H10的濾波器系數(shù)的生成算法的圖。
圖3是用于說(shuō)明5抽頭低通單元濾波器L10的濾波器系數(shù)的意義的圖。
圖4是用于說(shuō)明5抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù)的意義的圖。
圖5是表示5抽頭低通單元濾波器L11的濾波器系數(shù)的生成算法的圖。
圖6是表示5抽頭低通單元濾波器L10、L11的頻率-增益特性的圖。
圖7是表示5抽頭高通單元濾波器H11的濾波器系數(shù)的生成算法的圖。
圖8是表示5抽頭高通單元濾波器H10、H11的頻率-增益特性的圖。
圖9是表示5抽頭低通單元濾波器(L10)m的頻率-增益特性的圖。
圖10是表示5抽頭高通單元濾波器(H10)m的頻率-增益特性的圖。
圖11是用于說(shuō)明頻段的抽取的圖。
圖12是用于說(shuō)明頻段的抽取的圖。
圖13是表示用第1實(shí)施方式下的濾波器設(shè)計(jì)方法、構(gòu)成最基本的2種3抽頭單元濾波器的電路結(jié)構(gòu)及濾波器系數(shù)數(shù)值串的圖。
圖14是表示將簡(jiǎn)單數(shù)值串{8、-9、0、1}/16作為濾波器系數(shù)的情況下、3抽頭高通濾波器H10’的頻率特性的圖。
圖15是表示當(dāng)僅調(diào)整了濾波器系數(shù)H3時(shí)、3抽頭高通單元濾波器H10’的頻率特性的圖。
圖16是表示當(dāng)調(diào)整了濾波器系數(shù)H2、H3時(shí)、3抽頭高通單元濾波器H10’的頻率特性的圖。
圖17是表示本實(shí)施方式下的單元濾波器L10”、H10”的電路結(jié)構(gòu)及濾波器系數(shù)的數(shù)值串的圖。
圖18是表示本實(shí)施方式下的低通單元濾波器L10”的頻率特性的圖。
圖19是表示本實(shí)施方式下的高通單元濾波器H10”的頻率特性的圖。
圖20是表示根據(jù)第1實(shí)施方式設(shè)計(jì)的低通濾波器頻率特性的圖。
圖21是表示根據(jù)第1實(shí)施方式設(shè)計(jì)的帶通濾波器頻率特性的圖。
圖22是表示第2實(shí)施方式下的低通濾波器的圖。
圖23是表示根據(jù)第2實(shí)施方式設(shè)計(jì)的低通濾波器頻率特性的圖。
圖24是表示5抽頭單元2次濾波器L20、H20的濾波器系數(shù)的生成算法的圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)施方式的數(shù)字濾波器，是具備由多個(gè)延遲器所構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，將各抽頭的輸出信號(hào)通過(guò)被賦給的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍之后，相加輸出類型的FIR濾波器。
(第1實(shí)施方式)第1實(shí)施方式下的濾波器設(shè)計(jì)方法，制作下述所說(shuō)明的單元濾波器L1n”、H1n”(本發(fā)明的基本濾波器)，并能僅用其中之一設(shè)計(jì)具期望頻率特性的FIR濾波器。另外，在表示單元濾波器的符號(hào)后所附加的“n”字，是表示插入于各抽頭間的延遲的時(shí)鐘數(shù)，即插入于各濾波器系數(shù)間的“0”的數(shù)量(容后詳述)。
首先，對(duì)作為用于理解上述單元濾波器L1n”、H1n”的參考的5抽頭單元濾波器L1n、H1n進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示5抽頭單元濾波器L10、H10圖，(a)表示其電路結(jié)構(gòu)，(b)表示濾波器系數(shù)的數(shù)值串。
如圖1(a)所示，5抽頭單元濾波器L10、H10，是利用級(jí)聯(lián)連接的6個(gè)D型觸發(fā)器1-1～1-6，將輸入信號(hào)逐個(gè)時(shí)鐘CK依次延遲。然后，對(duì)于從各D型觸發(fā)器1-1～1-6的給定抽頭中抽取出的信號(hào)，將圖1(b)所示的濾波器系數(shù)h1～h5分別與5個(gè)系數(shù)器2-1～2-5相乘，并將其乘法結(jié)果全部利用4個(gè)加法器3-1～3-4相加后輸出。
上述2種5抽頭單元濾波器L10、H10的電路結(jié)構(gòu)，均如圖1(a)所示，僅濾波器系數(shù)(系數(shù)器2-1～2-5的乘數(shù)值h1～h5)不同，如圖1(b)所示。
由圖1(b)得知，5抽頭低通單元濾波器L10的的濾波器系數(shù)，是由極單純的數(shù)值串{-1，0，9，16，9，0，-1}/32所構(gòu)成(其中，數(shù)值為“0”的部分如圖1(a)所示不是抽頭輸出，沒(méi)有用作濾波器系數(shù))。此種濾波器系數(shù)，是其數(shù)值串為對(duì)稱型，具有數(shù)值串的總和非零、且數(shù)值串隔1相加之和同號(hào)且相等的性質(zhì)(-1+9+9-1＝16，0+16+0＝16)。
另外，5抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù)，由極單純的數(shù)值串{1，0，-9，16，-9，0，1}/32構(gòu)成(其中，數(shù)值“0”的部分不是抽頭輸出，沒(méi)有用作濾波器系數(shù))。此種濾波器系數(shù)，其數(shù)值串為對(duì)稱型，具有數(shù)值串的總和為零，且數(shù)值串隔1相加之和異號(hào)且絕對(duì)值相等的性質(zhì)(1-9-9+1＝-16，0+16+0＝16)。
在此，對(duì)構(gòu)成這些濾波器系數(shù)的數(shù)值串的涵義，用圖2～4進(jìn)行說(shuō)明。
圖2為，用于對(duì)構(gòu)成5抽頭單元濾波器L10、H10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串的生成法進(jìn)行說(shuō)明的圖。如圖2(a)所示，構(gòu)成5抽頭低通單元濾波器L10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串，通過(guò)對(duì)在每1時(shí)鐘CK數(shù)據(jù)值變化為{-1，1，8，8，1，-1}/16的給定數(shù)字基本函數(shù)，進(jìn)行1次移動(dòng)平均運(yùn)算求得。
另外，如圖2(b)所示，構(gòu)成5抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串，通過(guò)對(duì)在每1時(shí)鐘CK數(shù)據(jù)值變化為{1，-1，-8，8，-1，1}/16、和每1時(shí)鐘CK數(shù)據(jù)值變化為{1，-1，8，-8，-1，1}/16的數(shù)字基本函數(shù)，進(jìn)行移動(dòng)平均運(yùn)算求得。
圖3是表示對(duì)構(gòu)成5抽頭低通單元濾波器L10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串，實(shí)施4倍過(guò)采樣與卷積(convolution)運(yùn)算的結(jié)果圖。另外，在此為了令說(shuō)明便于理解，表示的是對(duì)將原數(shù)值串變?yōu)?2倍的整數(shù)數(shù)值串{-1，0，9，16，9，0，-1}實(shí)施過(guò)采樣與卷積運(yùn)算的示例。
在圖3(a)中，最左列所示的一串?dāng)?shù)值串，是對(duì)原數(shù)值串{-1，0，9，16，9，0，-1}實(shí)施4倍過(guò)采樣后的數(shù)值。此外，從最左邊起向右側(cè)4列的數(shù)值串，將最左列所示數(shù)值串向下逐一移位。圖3(a)的列方向表示時(shí)間軸，所謂將數(shù)值串向下移位，與將最左列所示數(shù)值串逐漸延遲相對(duì)應(yīng)。
換句話說(shuō)，左起第2列數(shù)值串，表示將最左列表示的數(shù)值串偏移4倍頻率的時(shí)鐘4CK的1/4相位的數(shù)值串。此外，左起第3列的數(shù)值串，表示將左起第2列所示的數(shù)值串偏移4倍頻率的時(shí)鐘4CK的1/4相位的數(shù)值串，左起第4列數(shù)值串，表示將左起第3列所示的數(shù)值串再偏移4倍頻率的時(shí)鐘4CK的1/4相位的數(shù)值串。
另外，左起第5列數(shù)值串，是將對(duì)應(yīng)第1～4列的各數(shù)值串的各行相加后的數(shù)值。通過(guò)到左起第5列為止的處理，數(shù)字式地執(zhí)行伴隨4相卷積運(yùn)算的4倍過(guò)采樣。
從第5列起向右4列的數(shù)值串，將第5列所示數(shù)值串向下逐一移位。此外，左起第9列數(shù)值串，是將與第5～8列各數(shù)值串對(duì)應(yīng)的各行相加后的數(shù)值。通過(guò)至左起第9列為止的處理，數(shù)字式地2次執(zhí)行伴隨4相卷積運(yùn)算的4倍過(guò)采樣。
另外，左起第10列的數(shù)值串，將第9列所示的數(shù)值串向下移1位。此外，左起第11列(最右列)數(shù)值串，是用對(duì)應(yīng)第9列數(shù)值串與第10列數(shù)值串的各行相加后的數(shù)值。
將該圖3(a)的最右列所示的最后獲得的數(shù)值串圖形化，則如圖3(b)所示。具有此圖3(b)所示波形的函數(shù)，是僅當(dāng)沿橫坐標(biāo)軸的采樣位置處于t1至t4間時(shí)，有“0”以外的有限數(shù)值，處此之外的區(qū)域的數(shù)值全部為“0”的函數(shù)，即、是在采樣位置t1、t4中數(shù)值收斂于“0”的函數(shù)。將上述函數(shù)的數(shù)值在局部區(qū)域?yàn)椤?”以外的有限數(shù)值、而在此外的區(qū)域中為“0”的情況，稱之為“有限基(finitebase)”。
另外，圖3(b)所示函數(shù)，是具有如下特征，即僅在中央的采樣位置t5取得極大值，而在t1、t2、t3、t4這4個(gè)采樣位置中數(shù)值為“0”的采樣化函數(shù)，為了獲得平滑的波形數(shù)據(jù)，通過(guò)全部必要的采樣。
然后，圖4是，表示對(duì)構(gòu)成5抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串，實(shí)施4倍過(guò)采樣與卷積運(yùn)算的結(jié)果的圖。另外，這里也為了令說(shuō)明便于理解，僅表示對(duì)將原數(shù)值串變?yōu)?2倍的整數(shù)數(shù)值串{1，0，-9，16，-9，0，1}實(shí)施過(guò)采樣與卷積運(yùn)算的示例。
圖4(a)表示與上述圖3(a)相同的運(yùn)算過(guò)程。將圖4(a)的最右列所示的最終獲得的數(shù)值串圖形化，如圖4(b)所示。此圖4(b)所示的函數(shù)，也是僅在中央的采樣位置t7’處取得極大值的采樣化函數(shù)，是可在整個(gè)區(qū)域中進(jìn)行1次微分，并且在采樣位置t1’、t6’中收斂于0的有限基的函數(shù)。
下面，對(duì)將插入各抽頭間的延遲時(shí)鐘數(shù)n設(shè)定為n≥1的情況進(jìn)行說(shuō)明。圖5是，表示5抽頭低通單元濾波器L11(n＝1的情況)的濾波器系數(shù)的圖。如圖5所示，5抽頭低通單元濾波器L11的濾波器系數(shù)，是通過(guò)在上述5抽頭低通單元濾波器L10的各濾波器系數(shù)之間，各插入1個(gè)“0”生成。
同樣的，5抽頭低通單元濾波器L1n(n＝2，3，…)的濾波器系數(shù)，通過(guò)在上述5抽頭低通單元濾波器L10的各濾波器系數(shù)之間，各插入n個(gè)“0”生成。
圖6是，表示將5抽頭低通單元濾波器L10、L11的數(shù)值串，F(xiàn)FT變換(Fast Fourier Transfer高速傅立葉變換)后的結(jié)果的頻率-增益特性的圖。這里，將增益與頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。
由此圖6可知，5抽頭低通單元濾波器L10、L11可獲得良好的低通濾波器特性，即中心頻率處增益為0.5，且不存在低頻區(qū)域下的超調(diào)量(overshoot)或高頻區(qū)域下的振鈴(ringing)。此外，若令插入各濾波器系數(shù)之間的“0”的數(shù)量為n，其頻率-增益特性的頻率坐標(biāo)軸(頻率方向?qū)?yīng)的周期)為1/n。
作為實(shí)現(xiàn)此種低通濾波器特性的基礎(chǔ)的、上述圖2(a)的數(shù)值串，構(gòu)成圖3(b)所示的有限基的采樣化函數(shù)的基礎(chǔ)。與現(xiàn)在一般所采用的采樣化函數(shù)在t＝±∞的采樣位置收斂于“0”不同，圖3(b)所示的采樣化函數(shù)，是在t＝t1、t4的有限采樣位置處收斂于“0”。
因此，當(dāng)對(duì)上述圖2(a)的數(shù)值串實(shí)施FFT變換時(shí)，僅相當(dāng)于t＝t1～t4范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)有意義。由于對(duì)于相當(dāng)于t＝t1～t4范圍外的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，本來(lái)應(yīng)當(dāng)考慮并不是要忽略，但因?yàn)槔碚撋喜o(wú)考慮的必要，因此不會(huì)發(fā)生截尾誤差。所以，若將上述圖2(a)所示的數(shù)值串使用作為濾波器系數(shù)，不必用窗函數(shù)進(jìn)行系數(shù)的截尾，能夠獲得良好的低通濾波器特性。
圖7是，表示5抽頭高通單元濾波器H11的濾波器系數(shù)的圖。如圖7所示，5抽頭高通單元濾波器H11的濾波器系數(shù)，通過(guò)在上述5抽頭高通單元濾波器H10的各濾波器系數(shù)之間，各插入1個(gè)“0”生成。
同樣，5抽頭高通單元濾波器H1n(n＝2，3，…)的濾波器系數(shù)，通過(guò)在上述5抽頭高通單元濾波器H10的各濾波器系數(shù)之間，各插入n個(gè)“0”生成。
圖8是，表示5抽頭高通單元濾波器H10、H11的頻率-增益特性的圖。這里，也將增益與頻率利用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。由此圖8可知，5抽頭高通單元濾波器H10、H11可獲得良好的高通濾波器特性，即在中心頻率處增益為0.5，且不存在高頻區(qū)域下的超調(diào)量或低頻區(qū)域下的振鈴。此外，若令插入各濾波器系數(shù)間的“0”的數(shù)量為n，其頻率-增益特性的頻率坐標(biāo)軸(頻率方向?qū)?yīng)的周期)為1/n。
作為實(shí)現(xiàn)此種高通濾波器特性的基礎(chǔ)、上述圖2(b)的數(shù)值串，也構(gòu)成圖4(b)所示的有限基采樣化函數(shù)的基礎(chǔ)。所以，通過(guò)將此數(shù)值串使用作為濾波器系數(shù)，無(wú)需用窗函數(shù)進(jìn)行系數(shù)截尾，并可獲得良好的高通濾波器特性。
下面，對(duì)5抽頭單元濾波器的級(jí)聯(lián)連接進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)將5抽頭單元濾波器級(jí)聯(lián)連接，在各單元濾波器的系數(shù)間進(jìn)行乘法·加法生成新的濾波器系數(shù)。以下，例如將5抽頭低通單元濾波器L10的級(jí)聯(lián)數(shù)設(shè)定為m時(shí)，并將其記為(L10)m。
圖9是，表示5抽頭低通單元濾波器L10、(L10)2、(L10)4、(L10)8的頻率-增益特性的圖。此圖9也是將增益及頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)只有1個(gè)5抽頭低通單元濾波器L10時(shí)，振幅為0.5的位置的時(shí)鐘為0.25。與此相對(duì)，若級(jí)聯(lián)數(shù)m變多，濾波器的帶通寬度變窄。例如，當(dāng)m＝8時(shí)，振幅為0.5的位置的時(shí)鐘為0.125。
圖10表示的是，5抽頭高通單元濾波器H10、(H10)2、(H10)4、(H10)8的頻率-增益特性。此圖10也將增益及頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)只有1個(gè)5抽頭高通單元濾波器H10時(shí)，振幅為0.5的位置的時(shí)鐘為0.25。與此相對(duì)，若級(jí)聯(lián)數(shù)m變多，濾波器的帶通寬度變窄。例如當(dāng)m＝8時(shí)，振幅為0.5的位置的時(shí)鐘為0.375。
下面，對(duì)期望頻帶的抽取進(jìn)行說(shuō)明。圖11是用于對(duì)頻帶抽取進(jìn)行說(shuō)明的圖。頻帶的抽取，用級(jí)聯(lián)連接4個(gè)以上上述單元濾波器的產(chǎn)物來(lái)進(jìn)行。圖11(a)是，將5抽頭低通單元濾波器(L10)4、(L11)4、(L13)4、(L17)4的頻率-增益特性，整合在1個(gè)圖形上表示的圖。此圖11(a)也將增益及頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。
將這多種5抽頭低通單元濾波器(L10)4、(L11)4、(L13)4、(L17)4組合后，各特性值之間相互抵消結(jié)合來(lái)進(jìn)行頻帶抽取。此外，通過(guò)將這些波形作為基本來(lái)組合、并根據(jù)需要向反轉(zhuǎn)頻率坐標(biāo)軸方向移動(dòng)，從而能夠作成僅期望頻帶為通過(guò)頻段的濾波器。
圖11(b)是，將這4種5抽頭低通單元濾波器(L10)4、(L11)4、(L13)4、(L17)4級(jí)聯(lián)連接時(shí)所獲得的頻率特性。據(jù)此，獲得低頻的極窄區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)頻段、具有基本良好的衰減特性的低通濾波器。雖然發(fā)生些許振鈴，但是因?yàn)榇苏疋彴l(fā)生在落入-106dB以上的部分，因此幾乎可忽視。
圖12是，表示頻帶的抽取的另一個(gè)示例的圖。如圖12(a)所示，將5抽頭高通單元濾波器(H10)8、與5抽頭低通單元濾波器(L11)8、(L13)8、(L17)8組合并將其級(jí)聯(lián)連接后，可獲得給定頻帶為通過(guò)頻段的高通濾波器。
再者，如圖12(b)所示，將5抽頭低通單元濾波器(L10)8、(L11)8、(L13)8組合并將其級(jí)聯(lián)連接后，可獲得給定頻帶為通過(guò)頻段的低通濾波器。此外，如圖12(c)所示，將5抽頭高通單元濾波器(H11)8、與5抽頭低通單元濾波器(L13)4、(L17)4、(L115)8組合并將其級(jí)聯(lián)連接后，可獲得給定頻帶為通過(guò)頻段的帶通濾波器。
如上述，通過(guò)用將給定的基本數(shù)值串設(shè)定為濾波器系數(shù)的5單元濾波器并將其任意組合，僅由單元濾波器的組合，便可自動(dòng)生成具有期望的頻率特性的FIR濾波器的濾波器系數(shù)。所以，簡(jiǎn)化了濾波器設(shè)計(jì)方法，即便不是熟練的技術(shù)者，也能很容易地進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。
再者，因?yàn)樵诓捎蒙鲜鍪址ㄋO(shè)計(jì)的濾波器電路中，所需要的抽頭數(shù)量非常少，且對(duì)各抽頭輸出所需的濾波器系數(shù)種類也極少，因此能夠簡(jiǎn)化濾波器電路的運(yùn)算部的結(jié)構(gòu)。所以，能夠大幅削減電路元件數(shù)(特別是乘法器)、縮小濾波器電路的規(guī)模，而且可實(shí)現(xiàn)降低消耗功率、減輕運(yùn)算負(fù)荷等。
再者，因?yàn)椴捎蒙鲜鍪址ㄋO(shè)計(jì)的濾波器電路，通過(guò)反復(fù)基本相同的樣式形成、具有極簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因此在集成化時(shí)可縮短工序數(shù)量，且具有便于IC化的優(yōu)點(diǎn)。此外，在特性面上，截止特性可獲得極大的改善，相位特性也為直線、能夠獲得良好的濾波器特性。
對(duì)于上述所說(shuō)明的內(nèi)容，本案申請(qǐng)人已然提出專利申請(qǐng)案(日本專利特愿2001-321321號(hào))。本實(shí)施方式，是對(duì)此已提出申請(qǐng)的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步改良，如上所述，能夠僅通過(guò)1種單元濾波器L1n”或H1n”的級(jí)聯(lián)連接，便可設(shè)計(jì)出具有期望頻率特性的FIR濾波器。
首先，對(duì)作為上述單元濾波器L1n”、H1n”的構(gòu)成要素的3抽頭單元濾波器L1n’、H1n’進(jìn)行說(shuō)明。此3抽頭單元濾波器L1n’，H1n’的濾波器系數(shù)，是將上述5抽頭單元濾波器L1n、H1n的濾波器系數(shù)的數(shù)值串從其中央處分為兩半，并對(duì)其中一側(cè)更進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整。
圖13是，表示3抽頭單元濾波器L10’、H10’的圖，(a)表示其電路結(jié)構(gòu)，(b)表示濾波器系數(shù)數(shù)值串。如圖13(a)所示，3抽頭單元濾波器L10’、H10’，通過(guò)級(jí)聯(lián)連接的3個(gè)D型觸發(fā)器11-1～11-3，將輸入信號(hào)依次逐個(gè)時(shí)鐘CK延遲。然后，對(duì)從各D型觸發(fā)器11-1～11-3的給定抽頭中抽取出的信號(hào)，將圖13(b)所示的濾波器系數(shù)H1～H3，用3個(gè)系數(shù)器12-1～12-3分別相乘，并將其全部乘法結(jié)果用2個(gè)加法器13-1～13-2相加后再輸出。
上述2種3抽頭單元濾波器L10’、H10’的電路結(jié)構(gòu)，均如圖13(a)所示，僅濾波器系數(shù)(系數(shù)器12-1～12-3的乘數(shù)值H1～H3)不同，如圖13(b)所示。
3抽頭低通單元濾波器L10，的濾波器系數(shù)，其數(shù)值串為非對(duì)稱型，該數(shù)值串的總和非零，且具有該數(shù)值串隔1相加之和同號(hào)相等的性質(zhì)。此外，3抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù)，其數(shù)值串為非對(duì)稱型，數(shù)值串的總和為零，且具有該數(shù)值串隔1相加之和異號(hào)且絕對(duì)值相等的性質(zhì)。
如上所述，這3抽頭單元濾波器L10’、H10’的濾波器系數(shù)，除了非對(duì)稱型這點(diǎn)之外，其它性質(zhì)均與上述5抽頭單元濾波器L10、H10相同。但是，與5抽頭單元濾波器L10、H10的濾波器系數(shù)相比，數(shù)值變得有些復(fù)雜。以下，說(shuō)明此理由。
圖14，是表示將5抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù){1，0，-9，16，-9，0，1}/32，從其中央處分為兩半，并將相當(dāng)于其單側(cè)的簡(jiǎn)單數(shù)值串{8，-9，0，1}/16作為濾波器系數(shù)時(shí)(其中，數(shù)值為“0”部分不是抽頭輸出，不作為濾波器系數(shù)使用)的頻率特性的圖。在此，將增益及頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。
如該圖14所示，若將5抽頭高通單元濾波器H10的數(shù)值串僅簡(jiǎn)單分出一半的數(shù)值串作為濾波器系數(shù)使用，在其頻率特性中構(gòu)成通過(guò)頻段的部分的峰值將波動(dòng)并產(chǎn)生多個(gè)極大值，且其極大值會(huì)超過(guò)“1”。具有此種頻率特性的單元濾波器，不適用于將其多個(gè)級(jí)聯(lián)連接來(lái)對(duì)期望的FIR濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式。
因此，調(diào)整上述簡(jiǎn)單的數(shù)值串{8，-9，0，1}/16。首先，縮小決定高頻區(qū)域側(cè)的頻率特性的濾波器系數(shù)H3的絕對(duì)值。換句話說(shuō)，通過(guò)將其系數(shù)值從“1”變更為“1-N/8”(N＝1，2，…，8之一)來(lái)減少高頻區(qū)域成分，從而僅令通過(guò)頻段的正中央為增益最大值。
圖15是，表示在濾波器系數(shù)H3設(shè)定為N＝3時(shí)的頻率特性的圖。由此圖15可知，通過(guò)頻段的波動(dòng)現(xiàn)象獲得改善，且僅中央部分為增益最大值。但是，最大值仍然超過(guò)“1”。所以，接著進(jìn)一步調(diào)整系數(shù)值，以令此增益的最大值恰好為“1”。
最大值的調(diào)整，可用與高頻區(qū)域成分的調(diào)整所用的濾波器系數(shù)H3符號(hào)相反的濾波器系數(shù)H2來(lái)進(jìn)行。這里，將濾波器系數(shù)H2的絕對(duì)值減小，從“-9”變?yōu)椤?(9-N/8)”(N＝1，2，…，8之一)。
此時(shí)，通過(guò)將增益調(diào)整用的N值(濾波器系數(shù)H2的N值)，設(shè)定為與上述的高頻區(qū)域調(diào)整用的N值(濾波器系數(shù)H3的N值)相同，令調(diào)整后的數(shù)值串的總和與調(diào)整前的數(shù)值串的總和相同(調(diào)整前8-9+0+1＝0，調(diào)整后8-(9-N/8)+0+(1-N/8)＝0)。此外，令數(shù)值串的隔1相加之和也在調(diào)整前后不發(fā)生改變。
圖16，是表示對(duì)于濾波器系數(shù)H2、H3設(shè)定為N＝3時(shí)的頻率特性的圖，(a)將增益用直線刻度表示，(b)將增益用對(duì)數(shù)刻度表示。此圖16中，也將增亦及頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。
由此圖16中可知，調(diào)整濾波器系數(shù)H2、H3后，通過(guò)頻段中的波動(dòng)消失且僅有中央部分為增益最大值，同時(shí)其最大值恰好為“1”。此外，還獲得約-55dB的良好的衰減量。具此種頻率特性的3抽頭高通單元濾波器H10’，適用于將其級(jí)聯(lián)連接來(lái)設(shè)計(jì)期望的FIR濾波器的方式。
再者，與上述5抽頭高通單元濾波器H1n(n＝1，2，…)相同，通過(guò)在3抽頭高通單元濾波器H10’的各濾波器系數(shù)之間插入n個(gè)“0”，可生成3抽頭高通單元濾波器H1n’。
與上述3抽頭高通單元濾波器H10’相同，對(duì)3抽頭低通單元濾波器L10’的濾波器系數(shù)也進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。換句話說(shuō)，對(duì)于將5抽頭低通單元濾波器L10的數(shù)值串僅簡(jiǎn)單分出一半的數(shù)值串{8，9，0，-1}/16，減小絕對(duì)值，以令決定高頻區(qū)域側(cè)的頻率特性的濾波器系數(shù)H3的數(shù)值從“-1”變?yōu)椤?(1-N/8)”。
另外，用符號(hào)與此濾波器系數(shù)H3相反的濾波器系數(shù)H2，調(diào)整增益最大值。換句話說(shuō)，將濾波器系數(shù)H2值從“9”減小為“9-N/8”。此時(shí)，通過(guò)將高頻區(qū)域調(diào)整用的N值設(shè)定為與增益調(diào)整用的N值相同，令調(diào)整后的數(shù)值串的總和與調(diào)整前的數(shù)值串的總和為相同數(shù)值(調(diào)整前8+9+0-1＝16，調(diào)整后8+(9-N/8)+0-(1-N/8)＝16)。另外，令數(shù)值串的隔1相加之和也在調(diào)整前后不發(fā)生改變。
如上所述，當(dāng)對(duì)3抽頭低通單元濾波器L10’的濾波器系數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，消除了通過(guò)頻段中的波動(dòng)、且僅中央部分為增益最大值，并且，能夠獲得其最大值恰好為“1”的低通濾波器特性。具有此種頻率特性的3抽頭低通單元濾波器L10’，也適用于將其級(jí)聯(lián)連接來(lái)對(duì)期望的FIR濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式。
另外，與上述5抽頭低通單元濾波器L1n(n＝1，2，…)相同，通過(guò)在3抽頭低通單元濾波器L10’的各濾波器系數(shù)之間插入n個(gè)“0”，生成3抽頭低通單元濾波器L1n’。
再者，3抽頭單元濾波器L10’、H10’的濾波器系數(shù)，也可對(duì)將5抽頭單元濾波器L10、H10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串、從其中央分出的另一半的數(shù)值串{-1，0，9，8}/16、{1，0，-9，8}/16進(jìn)行調(diào)整來(lái)產(chǎn)生。
通過(guò)將如上述所說(shuō)明的3抽頭單元濾波器L1n’或H1n’直接級(jí)聯(lián)連接，也可設(shè)計(jì)具有期望頻率特性的FIR濾波器系數(shù)。但是，因?yàn)槠錇V波器系數(shù)均為非對(duì)稱型，因此無(wú)法保證相位的直線性。所以，在本實(shí)施方式中，還用減少抽頭數(shù)的3抽頭單元濾波器L1n’、H1n’，更進(jìn)一步調(diào)整以實(shí)現(xiàn)直線相位特性。
圖17是，表示本實(shí)施方式下的單元濾波器L10”、H10”的圖，(a)表示其電路結(jié)構(gòu)，(b)表示濾波器系數(shù)的數(shù)值串。
如圖17(a)所示，本實(shí)施方式的單元濾波器L10”、H10”均具有相同結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，低通單元濾波器L10”，級(jí)聯(lián)連接2個(gè)3抽頭低通單元濾波器1L10、2L10構(gòu)成。另外，高通單元濾波器H10”，級(jí)聯(lián)連接2個(gè)3抽頭高通單元濾波器1H10、2H10構(gòu)成。
如圖17(b)所示，構(gòu)成低通單元濾波器L10”的一個(gè)3抽頭低通單元濾波器2L10，將上述5抽頭低通單元濾波器L10的濾波器系數(shù)數(shù)值串{-1，0，9，16，9，0，-1}/32分為兩半，再進(jìn)一步調(diào)整其中一半的數(shù)值串{8，9，0，-1}/16后，將其設(shè)定為濾波器系數(shù)H4～H6。即，與上述3抽頭低通單元濾波器L10’相同。此外，另一個(gè)3抽頭低通單元濾波器1L10，再進(jìn)一步調(diào)整如上述分為兩半的另一半的數(shù)值串{-1，0，9，8}/16后，將其設(shè)定為濾波器系數(shù)H1～H3。
另外，構(gòu)成高通單元濾波器H10”的一個(gè)3抽頭高通單元濾波器2H10，將上述5抽頭高通單元濾波器H10的濾波器系數(shù)的數(shù)值串{1，0，-9，16，-9，0，1}/32分為兩半，再進(jìn)一步調(diào)整其中一半的數(shù)值串{8，-9，0，1}/16后，將其設(shè)定為濾波器系數(shù)H4～H6。即，與上述3抽頭高通單元濾波器H10’相同。另外，另一個(gè)3抽頭高通單元濾波器1H10，再進(jìn)一步調(diào)整如上述分為兩半的另一半的數(shù)值串{1，0，-9，8}/16后，將其設(shè)定為濾波器系數(shù)H1～H3。
再者，上述兩個(gè)3抽頭低通單元濾波器1L10、2L10的連接關(guān)系、和上述兩個(gè)3抽頭高通單元濾波器1H10、2H10的連接關(guān)系，可與圖17(a)所示的形態(tài)左右相反。
由于若如上述構(gòu)成單元濾波器L10”、H10”，濾波器系數(shù)變?yōu)閷?duì)稱型，因此相位特性呈直線。圖18是表示低通單元濾波器L10”的頻率特性的圖，圖19是表示高通單元濾波器H10”的頻率特性圖，并將增益用對(duì)數(shù)刻度表示。此圖18與圖19，也將增益及頻率用“1”標(biāo)準(zhǔn)化。
由這些圖可知，頻率-增益特性中、通過(guò)頻段下沒(méi)有波動(dòng)，且最大值恰好為“1”。此外，獲得約-55dB的良好的衰減量。還有，頻率-相位特性獲得非常好的直線相位特性。所以，通過(guò)將具有此種頻率特性的單元濾波器L1n”、H1n”級(jí)聯(lián)連接，能夠用非常少的抽頭數(shù)構(gòu)成系數(shù)對(duì)稱的直線相位濾波器。
但是，圖17所示單元濾波器L10”、H10”，總共具備6個(gè)抽頭，抽頭數(shù)比5抽頭單元濾波器L10、H10多。可是，相對(duì)于5抽頭單元濾波器L10、H10由1段構(gòu)成，單元濾波器L10”、H10”由兩個(gè)3抽頭單元濾波器級(jí)聯(lián)連接構(gòu)成。所以，帶寬已然比5抽頭單元濾波器L10、H10窄。
因此本實(shí)施方式，特別適用于要設(shè)計(jì)帶寬較窄的FIR濾波器的情況。換句話說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)期望的窄帶寬，整體所需要的單元濾波器級(jí)聯(lián)數(shù)，比采用5抽頭單元濾波器L10、H10的情況大幅減少。因此，從整體來(lái)看能夠縮小電路規(guī)模。
接下來(lái)，表示幾個(gè)本實(shí)施方式下的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)例。首先，表示采用低通單元濾波器L10”的低通濾波器設(shè)計(jì)例。所設(shè)計(jì)的低通濾波器的目標(biāo)規(guī)格如下。即，信號(hào)的采樣頻率Fs為48KHz，-3dB帶寬為3.5kHz，-80dB帶寬為8kHz，帶域外衰減量為-80dB以上。
實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)規(guī)格的低通濾波器，可例如通過(guò)將設(shè)定為N＝2.6的低通單元濾波器L10”級(jí)聯(lián)連接64個(gè)構(gòu)成(此時(shí)的結(jié)構(gòu)用{1L(2.6)10*2L(2.6)10}64表示)。
目標(biāo)規(guī)格中為了配合特性，必須調(diào)整通過(guò)頻段的帶寬與斜率。對(duì)于帶寬來(lái)說(shuō)，可通過(guò)增加單元濾波器的縱連接段數(shù)來(lái)變窄。此外，對(duì)于傾斜來(lái)說(shuō)，可通過(guò)變更參數(shù)值N來(lái)進(jìn)行調(diào)整。此參數(shù)值N以3為標(biāo)準(zhǔn)，若N＞3的話則傾斜變小，若N＜3的話則傾斜變大。這里，通過(guò)令N＝2.6，并令級(jí)聯(lián)段數(shù)為64個(gè)，可獲得滿足上述目標(biāo)規(guī)格的低通濾波器的特性。
圖20為，表示如此構(gòu)成的低通濾波器的頻率特性的圖，并將增益用對(duì)數(shù)刻度表示。圖20(b)是圖20(a)所示的特性的部分放大圖。由此圖20可知，低通濾波器{1L(2.6)10*2L(2.6)10}64，滿足上述目標(biāo)規(guī)格。此外，因?yàn)闉V波器系數(shù)為對(duì)稱型，因此相位特性為直線。
另外，如此構(gòu)成的低通濾波器所需的相當(dāng)于1位的D型觸發(fā)器數(shù)為49個(gè)，抽頭數(shù)為49個(gè)，濾波器系數(shù)種類(運(yùn)算的值的種類)僅為23種。若將具有6抽頭的單元濾波器L10”級(jí)聯(lián)連接64個(gè)，D型觸發(fā)器和抽頭數(shù)會(huì)比原來(lái)的49個(gè)多。但是，此低通濾波器的濾波器系數(shù)根據(jù)上述有限基的函數(shù)生成，在級(jí)聯(lián)連接的二側(cè)附近，系數(shù)值小至可忽略的程度。由于根據(jù)有限基的性質(zhì)，即便忽略此部分也不會(huì)產(chǎn)生截尾誤差，因此將此部分去除。
經(jīng)去除后的剩余部分，構(gòu)成對(duì)于滿足目標(biāo)規(guī)格的低通濾波器來(lái)說(shuō)求得的最終濾波器系數(shù)。所以實(shí)際上，可將此濾波器系數(shù)作為硬件構(gòu)成，并且所需要的D型觸發(fā)器與抽頭均為49個(gè)。這樣，可將整體所需的D型觸發(fā)器數(shù)量與抽頭數(shù)量變得非常少，并能顯著簡(jiǎn)化濾波器電路的結(jié)構(gòu)。
下面，表示采用高通單元濾波器H11”的帶通濾波器設(shè)計(jì)例。要設(shè)計(jì)的帶通濾波器的目標(biāo)規(guī)格如下所述。即，信號(hào)的采樣頻率Fs為1.8KHz，-3dB的帶寬為100KHz，-80dB的帶寬為200KHz，帶域外衰減量為-80dB以上。
實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)規(guī)格的帶通濾波器，可例如通過(guò)將設(shè)定為N＝2.7的高通單元濾波器H11”級(jí)聯(lián)連接704個(gè)構(gòu)成。
圖21，是表示如上述構(gòu)成的帶通濾波器的頻率特性的圖，將增益用對(duì)數(shù)刻度表示。圖21(b)是圖21(a)所示特性的部分放大圖。由該圖21可知，帶通濾波器{1H(2.7)11*2H(2.7)11}704，滿足上述目標(biāo)規(guī)格。此外，相位特性也為直線。
再者，如此構(gòu)成的帶通濾波器所需的相當(dāng)于1位的抽頭數(shù)，若除去系數(shù)值小至可忽略程度的部分僅為77個(gè)抽頭，濾波器系數(shù)的種類僅為31種。此外，相當(dāng)于1位的D型觸發(fā)器數(shù)僅為161段。
另外，雖在此為省略了圖示，但通過(guò)多個(gè)高通單元濾波器H10”級(jí)聯(lián)連接，也可構(gòu)成期望特性的高通濾波器。
另外，雖然上述圖20與圖21，是將處理位數(shù)設(shè)為16位的情況下的示例，但是通過(guò)增加處理位數(shù)，可獲得具有更深衰減的特性。換言之，可獲得衰減量依賴于處理位數(shù)的數(shù)字濾波器。
如上所詳述，依照本實(shí)施方式，通過(guò)級(jí)聯(lián)連接將給定的基本數(shù)值串設(shè)定為濾波器系數(shù)的1種單元濾波器L1n”或H1n”，能夠僅以此級(jí)聯(lián)連接獲得具有期望頻率特性的FIR濾波器的濾波器系數(shù)。所以，簡(jiǎn)化了濾波器的設(shè)計(jì)方法，即便不是熟練的技術(shù)人員，也可非常簡(jiǎn)單地進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。
再者，因?yàn)椴捎蒙鲜鍪址ㄔO(shè)計(jì)的濾波器電路中所需要的抽頭數(shù)非常少，且對(duì)于各抽頭輸出來(lái)說(shuō)必須的濾波器系數(shù)的種類也很少，所以可顯著地簡(jiǎn)化濾波器電路的運(yùn)算部的結(jié)構(gòu)。所以，可大幅削減電路元件數(shù)來(lái)縮小濾波器電路規(guī)模。此外，由于采用上述手法設(shè)計(jì)的濾波器電路，具備由反復(fù)完全相同的樣式構(gòu)成的極簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因此在集成化時(shí)可縮短工序數(shù)量，并具有容易IC化的優(yōu)點(diǎn)。
再者，對(duì)于已經(jīng)提出申請(qǐng)的5抽頭單元濾波器L1n、H1n來(lái)說(shuō)，也能僅通過(guò)1種級(jí)聯(lián)連接設(shè)計(jì)期望特性的數(shù)字濾波器。但是，在設(shè)計(jì)較窄帶寬的數(shù)字濾波器時(shí)，與本實(shí)施方式相比，需要非常多的級(jí)聯(lián)連接段數(shù)，使用的抽頭和D型觸發(fā)器的數(shù)量也會(huì)非常多。
因此，僅通過(guò)1種5抽頭單元濾波器L1n、H1n設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器不現(xiàn)實(shí)，必須組合多種單元濾波器來(lái)抽取頻帶。與此相對(duì)，由于本實(shí)施方式中，能通過(guò)單元濾波器L1n”或H1n”以較少的級(jí)聯(lián)數(shù)實(shí)現(xiàn)較窄的帶寬，因此可僅用1種單元濾波器L1n”或H1n”的級(jí)聯(lián)連接設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。
(第2實(shí)施方式)下面，對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖22，是表示上述低通濾波器{1L(2.6)10*2L(2.6)10}64的圖，(a)表示其電路結(jié)構(gòu)，(b)表示所使用的時(shí)鐘。
圖22所示的低通濾波器，具備依照基準(zhǔn)時(shí)鐘CK動(dòng)作的D型觸發(fā)器51、56；依照16倍頻率的時(shí)鐘16CK動(dòng)作的D型觸發(fā)器53及4段處理部54；以及，依照1/16倍頻率的時(shí)鐘CK1動(dòng)作的多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52及數(shù)據(jù)選擇器55。上述4段處理部54，由低通濾波器{1L(2.6)116*2L(2.6)116}4構(gòu)成。
輸入給初段D型觸發(fā)器51的數(shù)據(jù)，被輸入到多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52的端子A側(cè)。此多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52的端子B側(cè)，輸入由數(shù)據(jù)選擇器55的端子B輸出的低通濾波器處理結(jié)果的數(shù)據(jù)。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52，將輸入到端子A、B中的數(shù)據(jù)之一選擇性地輸出給下一段的D型觸發(fā)器53。
在此例子中，在多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52中獲取時(shí)鐘CK1的時(shí)刻選擇端子A，而此外的時(shí)刻選擇端子B，將此選擇的數(shù)據(jù)輸出給D型觸發(fā)器53。D型觸發(fā)器53，暫時(shí)保持由多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52提供的數(shù)據(jù)，并輸出給4段處理部54。
4段處理部54，對(duì)由D型觸發(fā)器53提供的數(shù)據(jù)，實(shí)施{1L(2.6)116*2L(2.6)116}4的低通濾波器處理。由此4段處理部54輸出的數(shù)據(jù)，被輸入于數(shù)據(jù)選擇器55中。數(shù)據(jù)選擇器55，將由4段處理部54提供的數(shù)據(jù)，選擇性地輸出給D型觸發(fā)器56或多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52之一。
即，數(shù)據(jù)選擇器55，在獲得CK1的時(shí)刻選擇端子A側(cè)，將由4段處理部54提供的數(shù)據(jù)輸出給D型觸發(fā)器56。另外，在此外的時(shí)刻選擇端子B側(cè)，并將由4段處理部54提供的數(shù)據(jù)輸出給多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)52。
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)D型觸發(fā)器51輸入的數(shù)據(jù)，被在4段處理部54中反復(fù)進(jìn)行16次{1L(2.6)116*2L(2.6)116}4的低通濾波器處理，最后獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)D型觸發(fā)器56輸出。這樣，來(lái)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)實(shí)施與{1L(2.6)10*2L(2.6)10}64相同處理。
在上述第1實(shí)施方式中，可僅通過(guò)將1種單元濾波器級(jí)聯(lián)連接來(lái)構(gòu)成數(shù)字濾波器，此數(shù)字濾波器通過(guò)反復(fù)完全相同的樣式構(gòu)成。第2實(shí)施方式中，通過(guò)將此相同樣式的反復(fù)部分用循環(huán)電路構(gòu)成，可更進(jìn)一步削減所使用的抽頭數(shù)量。在上述第1實(shí)施方式中，每1位所需的抽頭數(shù)量為49個(gè)，抽頭種類為23個(gè)，與此相對(duì)在第2實(shí)施方式中，抽頭數(shù)減為21個(gè)，抽頭種類減為11個(gè)。
圖23，是表示圖22所示結(jié)構(gòu)下的低通濾波器的頻率特性的圖，將增益用對(duì)數(shù)刻度表示。圖23(b)是圖23(a)所示特性的部分放大圖。若將此圖23與上述圖20相比較可知，當(dāng)如圖22所示構(gòu)成低通濾波器時(shí)，也能獲得與圖20程度基本相同的頻率特性。
再者，這里雖然表示的是關(guān)于低通濾波器的結(jié)構(gòu)示例，但是對(duì)于高通濾波器或帶通濾波器等來(lái)說(shuō)，也可同樣采用循環(huán)電路來(lái)構(gòu)成，這樣可進(jìn)一步減少所使用的抽頭數(shù)量。
用以實(shí)現(xiàn)上述說(shuō)明的第1及第2實(shí)施方式下的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法的裝置，可通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)、DSP、軟件之一實(shí)現(xiàn)。例如當(dāng)用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，濾波器設(shè)計(jì)裝置由CPU或MPU、RAM、ROM等構(gòu)成，并通過(guò)運(yùn)行存儲(chǔ)于RAM、ROM或硬盤等中的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
所以，可通過(guò)將會(huì)被運(yùn)行以令計(jì)算機(jī)具有上述本實(shí)施方式的功能的程序，儲(chǔ)存于例如CD-ROM之類的記錄媒體中，并將其讀入計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為記錄上述程序的記錄媒體，除CD-ROM之外，還可采用例如軟盤、硬盤、磁帶、、光盤、光磁盤、DVD、非易失性存儲(chǔ)卡等。此外，還可通過(guò)將上述程序通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)路，下載到計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。
即，將與各種單元濾波器的濾波器系數(shù)作為信息，儲(chǔ)存于RAM或ROM等存儲(chǔ)器中，用戶指示與單元濾波器相關(guān)的任意組合后，CPU用上述存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的濾波器系數(shù)的信息，運(yùn)算指示的組合所對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)，求得FIR濾波器。
例如，可預(yù)先將各種單元濾波器圖標(biāo)化(對(duì)應(yīng)各圖標(biāo)將濾波器系數(shù)作為信息儲(chǔ)存)，用戶通過(guò)在顯示器畫面上任意組合配置這些圖標(biāo)，CPU自動(dòng)運(yùn)算并求取對(duì)應(yīng)該排列的濾波器系數(shù)。此外，若將所求得的濾波器系數(shù)自動(dòng)地進(jìn)行FFT變換，并將其結(jié)果顯示為頻率-增益特性圖，能夠確認(rèn)所設(shè)計(jì)的濾波器的特性，更方便地進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。
再者，除了通過(guò)計(jì)算機(jī)執(zhí)行被提供的程序，實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施方式的功能，還可用該程序與電腦中運(yùn)行的OS(操作系統(tǒng))或其他應(yīng)用程序軟件等共同實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施方式的功能，或者將被提供的程序的處理的全部或一部分，用計(jì)算機(jī)的功能擴(kuò)展口或功能擴(kuò)展單元實(shí)施，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施方式的功能，此時(shí)相關(guān)的程序也包含于本發(fā)明的實(shí)施方式。
再者，雖然在上述第1及第2實(shí)施方式中，將圖2(a)及(b)所示的對(duì)稱型數(shù)值串分出一半作為非對(duì)稱型3抽頭單元濾波器的濾波器系數(shù)，但是基礎(chǔ)對(duì)稱型數(shù)值串并不僅限于此。也可使用如圖24(a)所示生成的5抽頭低通單元2次濾波器L20、或如圖24(b)所示生成的5抽頭高通單元2次濾波器H20的對(duì)稱型數(shù)值串。
再者，除上述圖2及圖24所示之外，還可用絕對(duì)值為“1”和“8”的數(shù)值，形成不同于上述數(shù)值串的數(shù)值串作為5抽頭單元濾波器的濾波器系數(shù)，并將此數(shù)值串分出一半作為3抽頭單元濾波器的濾波器系數(shù)。
此外，上述實(shí)施方式，不過(guò)是表示實(shí)施本發(fā)明的具體化的一例，不可用來(lái)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作限定解釋。即，本發(fā)明在不脫離其精神或主要特征的前提下，可用各種形式實(shí)施。
本發(fā)明適用于具備由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，并將各抽頭的信號(hào)分別變?yōu)閿?shù)倍后，相加輸出類型的FIR數(shù)字濾波器。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，是對(duì)將由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線中的各抽頭信號(hào)、用獲取的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍后、相加輸出的數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，其特征在于將具有數(shù)值被設(shè)定為數(shù)值串總和非零、且該數(shù)值串隔1相加之和為同號(hào)相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型的基本濾波器，通過(guò)將多個(gè)該基本濾波器級(jí)聯(lián)連接來(lái)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，通過(guò)將給定的對(duì)稱型數(shù)值串從中央分為兩半、并進(jìn)一步調(diào)整兩半的數(shù)值串構(gòu)成；上述給定的對(duì)稱型的數(shù)值串，將數(shù)值設(shè)定為該數(shù)值串的總和非零，且該數(shù)值串的隔1相加之和為同號(hào)相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于上述給定的對(duì)稱型數(shù)值串，由-1，0，9，16，9，0，-1的比率構(gòu)成；上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，其數(shù)值串由-(1-N/8)，0，(9-N/8)，8、以及8，(9-N/8)，0，-(1-N/8)的比率構(gòu)成，其中，N是0≤N≤8。
4.一種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，是對(duì)將由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線中的各抽頭信號(hào)、用獲取的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍后、相加輸出的數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，其特征在于將具有數(shù)值被設(shè)定為數(shù)值串總和為零、且該數(shù)值串隔1相加的總和異號(hào)且絕對(duì)值相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型的基本濾波器，通過(guò)將多個(gè)該基本濾波器級(jí)聯(lián)連接來(lái)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，通過(guò)將給定的對(duì)稱型數(shù)值串從中央分為兩半、并進(jìn)一步調(diào)整兩半的數(shù)值串構(gòu)成；上述給定的對(duì)稱型的數(shù)值串，將數(shù)值設(shè)定為該數(shù)值串的總和為零，且該數(shù)值串的隔1相加之和為異號(hào)且絕對(duì)值相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于上述給定的對(duì)稱型數(shù)值串，由1，0，-9，16，-9，0，1的比率構(gòu)成；上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，其數(shù)值串由(1-N/8)，0，-(9-N/8)，8、以及8，-(9-N/8)，0，(1-N/8)的比率構(gòu)成，其中，N是0≤N≤8。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6的任一項(xiàng)所述的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，通過(guò)在與構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)相對(duì)應(yīng)的各抽頭之間、插入n時(shí)鐘量的延遲，來(lái)調(diào)整濾波器的通過(guò)頻帶。
8.一種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)裝置，具備基本濾波器儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)存著與基本濾波器相關(guān)的信息，該基本濾波器，通過(guò)將具有將數(shù)值設(shè)定為數(shù)值串總和非零、且該數(shù)值串隔1相加之和同號(hào)相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型來(lái)構(gòu)成；級(jí)聯(lián)連接機(jī)構(gòu)，指示上述基本濾波器的級(jí)聯(lián)連接數(shù)；以及，濾波器系數(shù)運(yùn)算機(jī)構(gòu)，用由上述基本濾波器儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)所儲(chǔ)存的信息，求取與由上述級(jí)聯(lián)連接機(jī)構(gòu)所指示的級(jí)聯(lián)數(shù)相對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)。
9.一種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)裝置，具備基本濾波器儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)存著與基本濾波器相關(guān)的信息，該基本濾波器，通過(guò)將具有將數(shù)值設(shè)定為數(shù)值串總和為零、且該數(shù)值串隔1相加之和異號(hào)且絕對(duì)值相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型來(lái)構(gòu)成；級(jí)聯(lián)連接機(jī)構(gòu)，指示上述基本濾波器的級(jí)聯(lián)連接數(shù)；以及，濾波器系數(shù)運(yùn)算機(jī)構(gòu)，用由上述基本濾波器儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)所儲(chǔ)存的信息，求取與由上述級(jí)聯(lián)連接機(jī)構(gòu)所指示的級(jí)聯(lián)數(shù)相對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)裝置，其特征在于具備延遲機(jī)構(gòu)，其通過(guò)在與構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)相對(duì)應(yīng)的各抽頭之間、插入n時(shí)鐘量的延遲，來(lái)調(diào)整濾波器的通過(guò)頻帶。
11.一種數(shù)字濾波器，其特征在于具備由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，并將各抽頭的信號(hào)用通過(guò)權(quán)利要求1～7的任一項(xiàng)所述的濾波器設(shè)計(jì)方法求得的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍后，相加輸出。
12.一種數(shù)字濾波器，具備由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，并將各抽頭的信號(hào)通過(guò)獲得的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍后，相加輸出，其特征在于將具有將數(shù)值設(shè)定為數(shù)值串總和非零、且該數(shù)值串隔1相加之和同號(hào)相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型，來(lái)構(gòu)成基本濾波器，并通過(guò)級(jí)聯(lián)連接多個(gè)該基本濾波器形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的數(shù)字濾波器，其特征在于構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，通過(guò)將給定的對(duì)稱型數(shù)值串從中央分為兩半、并進(jìn)一步調(diào)整兩半的數(shù)值串構(gòu)成；上述給定的對(duì)稱型的數(shù)值串，將數(shù)值設(shè)定為該數(shù)值串的總和非零，且該數(shù)值串的隔1相加之和為同號(hào)相等。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的數(shù)字濾波器，其特征在于，上述給定的對(duì)稱型數(shù)值串，由-1，0，9，16，9，0，-1的比率構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的數(shù)字濾波器，其特征在于，構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，其數(shù)值串由-(1-N/8)，0，(9-N/8)，8、及8，(9-N/8)，0，-(1-N/8)的比率構(gòu)成，其中，N是0≤N≤8。
16.一種數(shù)字濾波器，具備由多個(gè)延遲器構(gòu)成的帶抽頭的延遲線，并將各抽頭的信號(hào)通過(guò)獲得的濾波器系數(shù)分別變?yōu)閿?shù)倍后，相加輸出，其特征在于將具有將數(shù)值設(shè)定為數(shù)值串總和為零、且該數(shù)值串隔1相加之和為異號(hào)且絕對(duì)值相等的非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)的第1及第2單元濾波器，級(jí)聯(lián)連接成整體的數(shù)值串為對(duì)稱型，來(lái)構(gòu)成基本濾波器，并通過(guò)級(jí)聯(lián)連接多個(gè)該基本濾波器形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的數(shù)字濾波器，其特征在于構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，通過(guò)將給定的對(duì)稱型數(shù)值串從中央分為兩半、并進(jìn)一步調(diào)整兩半的數(shù)值串構(gòu)成；上述給定的對(duì)稱型的數(shù)值串，將數(shù)值設(shè)定為該數(shù)值串的總和為零，且該數(shù)值串的隔1相加之和為異號(hào)且絕對(duì)值相等。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)字濾波器，其特征在于，上述給定的對(duì)稱型數(shù)值串，由1，0，-9，16，-9，0，1的比率構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的數(shù)字濾波器，其特征在于，構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)，由(1-N/8)，0，-(9-N/8)，8、以及8，-(9-N/8)，0，(1-N/8)的比率構(gòu)成，其中，N是0≤N≤8。
20.根據(jù)權(quán)利要求12～19的任一項(xiàng)所述的數(shù)字濾波器，具備延遲機(jī)構(gòu)，用于在與構(gòu)成上述第1及第2單元濾波器的上述非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)相對(duì)應(yīng)的各抽頭之間，插入n時(shí)鐘量的延遲。
21.一種數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)用程序，其特征在于，在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行與權(quán)利要求1～7的任一項(xiàng)所述的濾波器設(shè)計(jì)方法相關(guān)的處理順序。
22.一種數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)用程序，其特征在于，令計(jì)算機(jī)具備權(quán)利要求8～10的任一項(xiàng)所述的各機(jī)構(gòu)的功能。
全文摘要
級(jí)聯(lián)連接將非對(duì)稱型數(shù)值串作為濾波器系數(shù)H1～H3、H4～H6的兩個(gè)單元濾波器(1L10、2L10)構(gòu)成對(duì)稱型單元濾波器(L10”)，并通過(guò)將其級(jí)聯(lián)連接來(lái)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，從而能夠僅通過(guò)1種單元濾波器(L10”)的級(jí)聯(lián)連接，自動(dòng)獲得求取的數(shù)字濾波器的系數(shù)。此外，通過(guò)作為非對(duì)稱型的濾波器系數(shù)H1～H3、H4～H6，使用將對(duì)稱型數(shù)值串{－1，0，9，16，9，0，－1}/32從其中央分出一半的數(shù)值串，從而減少必要的抽頭數(shù)，并且不需要使用窗函數(shù)，所獲得濾波器特性不致產(chǎn)生截尾誤差。
文檔編號(hào)H03H17/06GK1706101SQ200380101830
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2003年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月21日
發(fā)明者小柳裕喜生 申請(qǐng)人:神經(jīng)網(wǎng)路處理有限公司