專利名稱：一種通用可編程數(shù)字濾波器及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濾波器及其工作方法，具體涉及一種通用的可編程的數(shù)字濾波器裝置及其工作方法。
背景技術(shù)：
濾波器是一種能使有用信號(hào)順利通過(guò)而同時(shí)對(duì)無(wú)用頻率信號(hào)進(jìn)行抑制(或衰減)的電子裝置。工程上常用它來(lái)做信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。在測(cè)量和通訊系統(tǒng)中，濾波器本質(zhì)上是能夠從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的電子裝置。
濾波器可劃分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。
模擬濾波器可以定義為主要是由模擬元器件構(gòu)成，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模擬量的運(yùn)算完成信號(hào)濾波處理功能的電子裝置。
相對(duì)的，數(shù)字濾波器可以定義為是由數(shù)字元器件或者數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)，對(duì)數(shù)字信號(hào)(序列)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算完成信號(hào)濾波處理功能的電子裝置或軟件。數(shù)字濾波作為整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程(Digital Signal Processing)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前主要是在以DSP(Digital Signal Processor)器件為核心的硬件系統(tǒng)(板、卡等)，以及它的宿主計(jì)算機(jī)(Host Computer System)構(gòu)成的處理器平臺(tái)上計(jì)算完成的，是由軟件的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在一些應(yīng)用于通訊、圖像處理等領(lǐng)域的專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)里，集成有專用的硬件數(shù)字濾波器存在。
模擬濾波器主要是由模擬元器件構(gòu)成，而模擬器件自身的物理特性，比如溫度特性、非線性特性、頻率特性等對(duì)濾波器的精度都會(huì)產(chǎn)生影響，并且電阻和電容本身又存在著的制造誤差。使得通過(guò)模擬濾波器的信號(hào)改變了原始信號(hào)幅頻特性，并且濾波器自身產(chǎn)生的噪聲也會(huì)加入到輸出信號(hào)當(dāng)中，所以難以非常精確的反映原始信號(hào)的真實(shí)面貌。在大多數(shù)場(chǎng)合，這種由器件本身特性引起的誤差，可以不考慮。但是，在某些情況下，比如在高精度測(cè)量系統(tǒng)，以及微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中，要求獲得的信號(hào)最大程度的反應(yīng)原始信號(hào)的幅頻或者相頻特性，就不能忽略這些誤差，并且這種由于器件自身特性引起的系統(tǒng)誤差，在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中難以得到有效的補(bǔ)償。
數(shù)字濾波器具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，相比模擬濾波器，數(shù)據(jù)濾波器只存在量化誤差，量化誤差的大小Δ＝1/(2N-1) 1其中N為數(shù)字濾波器的位數(shù)。比如10位濾波器的量化誤差Δ＝1/(210-1)＜0.1％ 2因此，10位以上的數(shù)字濾波器實(shí)際特性基本上可以認(rèn)為與濾波器的設(shè)計(jì)期望特性一致。并且，隨著濾波器位數(shù)的增加，量化誤差越小。
但是，就目前來(lái)說(shuō)，數(shù)字濾波器主要是由軟件在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，隨著濾波器的階數(shù)越高，需要占用DSP處理器的資源就越多，處理時(shí)間就越長(zhǎng)，處理速度遠(yuǎn)不如模擬濾波器。同時(shí)，數(shù)字濾波僅僅是數(shù)字信號(hào)處理中的一個(gè)環(huán)節(jié)，DSP處理器還需要對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行其它的處理運(yùn)算。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，或者運(yùn)算量大的時(shí)候，比如要求對(duì)一些瞬時(shí)信號(hào)的捕捉且及時(shí)響應(yīng)，或者進(jìn)行多點(diǎn)的FFT運(yùn)算、小波變換，以及多信道實(shí)時(shí)通訊處理等等，實(shí)時(shí)性就達(dá)不到保證，往往需要在系統(tǒng)中增加另外的處理器來(lái)滿足系統(tǒng)要求。這樣不但增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，而且使系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證變得更加復(fù)雜。雖然，有些ASIC(專用集成電路)芯片內(nèi)部帶有專用的硬件數(shù)字濾波器，可以解決實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，但是只能應(yīng)用于專門的領(lǐng)域，缺少通用性，而且成本高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的模擬濾波器和數(shù)字濾波器存在的不足，根據(jù)數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)的原理，提供一種新的實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的方法。這種可編程數(shù)字濾波器是由數(shù)字電路模塊構(gòu)建一個(gè)可以承載數(shù)字濾波器功能的通用硬件平臺(tái)，可以將設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器(FIR或IIR)特征及其抽頭系數(shù)通過(guò)MCU(微處理器)或其它適當(dāng)?shù)姆椒?，?xiě)入這種濾波器片內(nèi)的寄存器組內(nèi)，通過(guò)本發(fā)明內(nèi)部的乘加器陣列，與外部輸入的信號(hào)序列以及本濾波器的輸出序列作乘加運(yùn)算，并輸出運(yùn)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)期望的數(shù)字濾波器地功能。并且本發(fā)明同大多數(shù)可編程數(shù)字器件(如8255接口等)一樣，可以靈活的在線配置，按照需要在線更改濾波器的功能結(jié)構(gòu)(寫(xiě)入不同的數(shù)字濾波器的參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)不同的濾波器的功能)。多片級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)任意形式和結(jié)構(gòu)的數(shù)字濾波器。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種通用可編程數(shù)字濾波器，其包括由9個(gè)功能模塊組成；用以接收外部控制輸入信號(hào)，譯碼輸出，選擇當(dāng)前從輸入模塊流出的數(shù)據(jù)信號(hào)是流入控制寄存器、濾波器參數(shù)寄存器組還是輸入信號(hào)寄存器組的端口選擇器；用以保存當(dāng)前數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、階數(shù)、是否級(jí)聯(lián)使用等濾波器特征信息編碼，并將各個(gè)信息分別輸出到FIR/IIR選擇控制器和移位控制器的控制寄存器；用以接收外部輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入模塊；用以按順序寄存FIR或IIR濾波器的抽頭系數(shù)，與濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式的抽頭系數(shù)相對(duì)應(yīng)的濾波器參數(shù)寄存器組；用以寄存信號(hào)的輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組；用以接受濾波器參數(shù)寄存器組和輸入/輸出信號(hào)寄存器組中各個(gè)寄存器的輸出，實(shí)現(xiàn)濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送入輸出模塊的乘加器陣列；用以根據(jù)控制寄存器輸出的濾波器特征信號(hào)，控制輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的長(zhǎng)度的FIR/IIR選擇控制器；用以根據(jù)控制寄存器輸出的濾波器階數(shù)信息，控制濾波器抽頭系數(shù)寫(xiě)入時(shí)波器參數(shù)寄存器組移位的移位控制器；用以接收乘加器陣列的輸出，并將接收的信號(hào)序列，按一定的方式輸出的輸出模塊。
通用可編程數(shù)字濾波器，所述的功能模塊其外部控制輸入到端口選擇器的輸入端，端口選擇器的輸出端分別與控制寄存器、輸入模塊、濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組的輸入端連結(jié)；外部數(shù)據(jù)輸入連結(jié)輸入模塊的輸入端，輸入模塊的數(shù)據(jù)輸出端分別與控制寄存器、濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組的數(shù)據(jù)輸入端相連結(jié)；控制寄存器的輸出端分別連結(jié)于濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組、移位控制器、FIR/IIR選擇控制器的控制輸入端；濾波器參數(shù)寄存器組、輸入信號(hào)寄存器組的輸入端與移位控制器的輸出端連結(jié)；FIR/IIR選擇控制器的輸出端分別連結(jié)濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組、乘加器陳列和輸出模塊的控制輸入端；濾波器參數(shù)寄存器組的輸出端連結(jié)乘加器陳列的一個(gè)輸入端，輸入/輸出信號(hào)寄存器組的輸出端連結(jié)乘加器陳列的另一個(gè)輸入端；乘加器陳列的輸出端連接輸出模塊的數(shù)據(jù)輸入端；輸出模塊的一個(gè)輸出端連結(jié)外部輸出端，輸出模塊的另一個(gè)輸出端連結(jié)輸出信號(hào)寄存器組的一個(gè)輸入端。
通用可編程數(shù)字濾波器，所述的FIR或者IIR濾波器可以在線配置。
通用可編程數(shù)字濾波器，所述的輸入/輸出信號(hào)寄存器組可分為輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組。
通用可編程數(shù)字濾波器及其工作方法，其輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組為長(zhǎng)度可變的兩個(gè)寄存器組。
通用可編程數(shù)字濾波器及其工作方法，其輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的長(zhǎng)度受FIR/IIR選擇控制器送出的控制信號(hào)控制。
一種通用可編程數(shù)字濾波器的工作方法，包括以下兩個(gè)步驟的工作方法(1)配置方法首先，外部控制器給出恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，端口選擇器選擇控制寄存器，在下一個(gè)時(shí)刻，輸入模塊從外部讀入濾波器功能信息編碼，寫(xiě)入控制寄存器；控制寄存器給出相應(yīng)的濾波器特征信號(hào)，分別作用于FIR/IIR選擇控制器和移位控制器，F(xiàn)IR/IIR選擇控制器對(duì)輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆峙浜涂刂?；然后，外部控制器給出恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，使端口選擇器選擇濾波器參數(shù)寄存器組，在下一個(gè)時(shí)刻，移位控制器控制濾波器參數(shù)寄存器組內(nèi)的各個(gè)單元內(nèi)的值向后移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，同時(shí)輸入模塊從外部讀入濾波器一個(gè)抽頭系數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組的最前一個(gè)單元；再下一個(gè)時(shí)刻，移位控制器控制濾波器參數(shù)寄存器組內(nèi)的各個(gè)單元內(nèi)的值再向后位移一位，同時(shí)輸入模塊從外部讀入濾波器另一個(gè)抽頭系數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組的最前一個(gè)單元；重復(fù)上述過(guò)程，直到濾波器的所有抽頭系數(shù)完全按順序?qū)懭耄瑢V波器系數(shù)寄存器內(nèi)超過(guò)濾波器階數(shù)的寄存器單元值清零，關(guān)閉濾波器配置端口，濾波器配置完成；(2)濾波工作方法如果是FIR濾波器，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)字信號(hào)x(n)送進(jìn)濾波器，輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組中保存的數(shù)據(jù)都移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，最后一個(gè)單元的數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)，將x(n)寫(xiě)入輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的最前面的單元；下一個(gè)時(shí)刻，濾波器參數(shù)寄存器組中的各單元與輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組中的對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)通過(guò)乘加器陣列做乘法運(yùn)算，然后累加，累加后的結(jié)果送到輸出模塊，由輸出模塊輸出到片外；等待下一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)臨，然后重復(fù)同樣的步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的FIR濾波處理；如果濾波器是工作在IIR方式，在FIR/IIR選擇控制器的控制下，輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組分為兩個(gè)寄存器組，前一段寄存器組為輸入信號(hào)寄存器組保存輸入信號(hào)x(n)之前的M個(gè)輸入信號(hào)序列，后一段寄存器組為輸出信號(hào)寄存器組保存輸出信號(hào)y(n)之前的N個(gè)輸出信號(hào)序列；當(dāng)x(n)來(lái)臨，輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組中保存的數(shù)據(jù)在移位寄存器的控制下都向后移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，寄存器組的最后一個(gè)單元的數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)，將x(n)，y(n-1)寫(xiě)入相應(yīng)輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的最前面的單元，下一個(gè)時(shí)刻，濾波器參數(shù)寄存器組將與輸入寄存器組和輸出寄存器組相對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)通過(guò)乘加器陣列做乘法運(yùn)算，然后累加，累加后的結(jié)果送到輸出模塊，由輸出模塊9輸出到片外；等待下一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)臨，然后重復(fù)同樣的步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的IIR濾波處理。
通用可編程數(shù)字濾波器的工作方法，如果FIR濾波器的抽頭系數(shù)滿足對(duì)稱特性，則會(huì)由FIR/IIR選擇控制器送來(lái)一個(gè)控制信號(hào)，根據(jù)線性相位FIR濾波器特性，先進(jìn)行x(n)±x(N-n)運(yùn)算，如果FIR濾波器系數(shù)是偶對(duì)稱則為“+”，若是奇對(duì)稱，則為“-”運(yùn)算；再與濾波器系數(shù)進(jìn)行乘加運(yùn)算本發(fā)明的有益效果是①.本發(fā)明作為一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，比較模擬濾波器，穩(wěn)定性、抗干擾能力、精度提高了很多，而且完全可以避免濾波器系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲對(duì)被濾波信號(hào)的影響；②.本發(fā)明利用多個(gè)硬件乘法器和加法器實(shí)現(xiàn)濾波運(yùn)算，克服了以往軟件數(shù)字濾波器的時(shí)延，提高了響應(yīng)實(shí)時(shí)性；③.相對(duì)某些ASIC芯片內(nèi)部帶有的硬件數(shù)字濾波器，具有通用性。④.在實(shí)際應(yīng)用中，也比較靈活、方便；可以在線配置的特性，降低某些應(yīng)用系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程的復(fù)雜度；⑤由于減少了模擬元件的使用，減少了誤差環(huán)節(jié)，可以提高某些使用本發(fā)明的系統(tǒng)的精度。


附圖為可編程數(shù)字濾波器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的功能模塊連接如附圖所示。各功能模塊的詳細(xì)功能敘述如下端口選擇器1端口選擇器的功能是接收外部控制輸入信號(hào)，譯碼輸出，選擇當(dāng)前從輸入模塊3流出的數(shù)據(jù)信號(hào)是流入控制寄存器2、濾波器參數(shù)寄存器組4還是輸入信號(hào)寄存器組5。
控制寄存器2控制寄存器保存當(dāng)前數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、階數(shù)、是否級(jí)聯(lián)使用等濾波器特征信息編碼，并將各個(gè)信息分別輸出到FIR/IIR選擇控制器7和移位控制器8。
輸入模塊3接收外部輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)可能是當(dāng)前濾波器的結(jié)構(gòu)、階數(shù)等濾波器特征信息(寫(xiě)入控制寄存器1)，也可能是濾波器參數(shù)信息(寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組4)，或者是需要濾波的原始信號(hào)的當(dāng)前輸入值(寫(xiě)入輸入/輸出信號(hào)寄存器組5)。根據(jù)端口選擇器的控制，分別寫(xiě)入不同的寄存器裝置內(nèi)。濾波器參數(shù)寄存器組4濾波器參數(shù)寄存器組按順序寄存FIR或IIR濾波器的抽頭系數(shù)，與濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式的抽頭系數(shù)對(duì)應(yīng)。
輸入/輸出信號(hào)寄存器組5輸入/輸出信號(hào)寄存器組分為長(zhǎng)度可變兩個(gè)部分輸入信號(hào)寄存器組10和輸出信號(hào)寄存器組11，如果作為FIR濾波器，則寄存當(dāng)前輸入信號(hào)x(n)之前的N(N表示濾波器階數(shù))個(gè)輸入信號(hào)序列的值，輸出信號(hào)寄存器組11的長(zhǎng)度為0；如果是作為IIR濾波器，則輸入信號(hào)寄存器組10和輸出信號(hào)寄存器組11分別寄存當(dāng)前輸入信號(hào)x(n)之前的M個(gè)輸入信號(hào)序列和當(dāng)前輸出信號(hào)y(n)之前的N個(gè)輸出信號(hào)序列。信號(hào)存放的次序也與濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式相對(duì)應(yīng)。
乘加器陣列6乘加器陣列是由一系列硬件乘法器和加法器構(gòu)成的陣列，接受濾波器參數(shù)寄存器組4和輸入/輸出信號(hào)寄存器組5中各個(gè)寄存器的輸出，實(shí)現(xiàn)濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入輸出模塊9。
FIR/IIR選擇控制器7FIR/IIR選擇控制器7根據(jù)控制寄存器輸出的濾波器特征信號(hào)，控制輸入/輸出信號(hào)寄存器組5的分配(輸入信號(hào)寄存器組10和輸出信號(hào)寄存器組11的長(zhǎng)度)。
移位控制器8移位控制器根據(jù)控制寄存器輸出的濾波器階數(shù)信息，控制濾在濾波器抽頭系數(shù)寫(xiě)入時(shí)波器參數(shù)寄存器組4的移位。
輸出模塊9接收乘加器陣列6的輸出，并將接收的信號(hào)序列，按一定的方式輸出到本發(fā)明——通用可編程數(shù)字濾波器外部，輸出方式可以是并行方式、SPI方式或其它串行方式中的一種。
本發(fā)明——通用可編程數(shù)字濾波器有兩種工作狀態(tài)，一種為配置狀態(tài)，一種為正常工作(濾波)狀態(tài)。
在濾波器正常工作之前，應(yīng)先對(duì)濾波器進(jìn)行配置。
首先，外部控制器(比如MCU等)給出恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，端口選擇器1選擇控制寄存器2，在下一個(gè)時(shí)刻，輸入模塊3從外部讀入濾波器功能信息編碼，寫(xiě)入控制寄存器2；控制寄存器2給出相應(yīng)的濾波器特征信號(hào)，分別作用于FIR/IIR選擇控制器7和移位控制器8，F(xiàn)IR/IIR選擇控制器7對(duì)輸入/輸出信號(hào)寄存器組5進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆峙浜涂刂?。然后，外部控制器給出恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，使端口選擇器1選擇濾波器參數(shù)寄存器組4，在下一個(gè)時(shí)刻，移位控制器8控制濾波器參數(shù)寄存器組4內(nèi)的各個(gè)單元內(nèi)的值向后移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，同時(shí)輸入模塊3從外部讀入濾波器一個(gè)抽頭系數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組4的最前一個(gè)單元；再下一個(gè)時(shí)刻，移位控制器8控制濾波器參數(shù)寄存器組4內(nèi)的各個(gè)單元內(nèi)的值再向后位移一位，同時(shí)輸入模塊3從外部讀入濾波器另一個(gè)抽頭系數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組4的最前一個(gè)單元。重復(fù)上述過(guò)程，直到濾波器的所有抽頭系數(shù)完全按順序?qū)懭耄瑢V波器系數(shù)寄存器內(nèi)超過(guò)濾波器階數(shù)的寄存器單元值清零，關(guān)閉濾波器配置端口。濾波器配置完成。
濾波器配置好了以后，就可以在正常工作(濾波)狀態(tài)下運(yùn)行。
如果是FIR濾波器，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)字信號(hào)x(n)送進(jìn)濾波器，輸入/輸出信號(hào)寄存器組5中保存的數(shù)據(jù)都移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，最后一個(gè)單元的數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)，將x(n)寫(xiě)入輸入/輸出信號(hào)寄存器組5的最前面的單元。下一個(gè)時(shí)刻，濾波器參數(shù)寄存器組4中的各單元與輸入/輸出信號(hào)寄存器組5中的對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)通過(guò)乘加器陣列6做乘法運(yùn)算，然后累加，累加后的結(jié)果送到輸出模塊9，由輸出模塊9輸出到片外。等待下一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)臨，然后重復(fù)同樣的步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的FIR濾波處理。如果濾波器是工作在IIR方式，在FIR/IIR選擇控制器7的控制下，輸入/輸出信號(hào)寄存器組5分為長(zhǎng)度可變的兩個(gè)寄存器組，兩個(gè)寄存器的長(zhǎng)度受FIR/IIR選擇控制器7送出的控制信號(hào)控制。前一段寄存器組為輸入信號(hào)寄存器組10保存輸入信號(hào)x(n)之前的M個(gè)輸入信號(hào)序列，后一段寄存器組為輸出信號(hào)寄存器組11保存輸出信號(hào)y(n)之前的N個(gè)輸出信號(hào)序列。當(dāng)x(n)來(lái)臨，輸入信號(hào)寄存器組10和輸出信號(hào)寄存器組11中保存的數(shù)據(jù)在移位寄存器8的控制下都向后移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，寄存器組的最后一個(gè)單元的數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)，將x(n)，y(n-1)寫(xiě)入相應(yīng)輸入信號(hào)寄存器組10和輸出信號(hào)寄存器組11的最前面的單元，下一個(gè)時(shí)刻，濾波器參數(shù)寄存器組4與輸入/輸出寄存器組5相對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)通過(guò)乘加器陣列6做乘法運(yùn)算，然后累加，累加后的結(jié)果送到輸出模塊9，由輸出模塊9輸出到片外。等待下一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)臨，然后重復(fù)同樣的步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的IIR濾波處理。
權(quán)利要求
1.一種通用可編程數(shù)字濾波器，其特征在于包括由9個(gè)功能模塊組成；用以接收外部控制輸入信號(hào)，譯碼輸出，選擇當(dāng)前從輸入模塊流出的數(shù)據(jù)信號(hào)是流入控制寄存器、濾波器參數(shù)寄存器組還是輸入信號(hào)寄存器組的端口選擇器；用以保存當(dāng)前數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、階數(shù)、是否級(jí)聯(lián)使用等濾波器特征信息編碼，并將各個(gè)信息分別輸出到FIR/IIR選擇控制器和移位控制器的控制寄存器；用以接收外部輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入模塊；用以按順序寄存FIR或IIR濾波器的抽頭系數(shù)，與濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式的抽頭系數(shù)相對(duì)應(yīng)的濾波器參數(shù)寄存器組；用以寄存信號(hào)的輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組；用以接受濾波器參數(shù)寄存器組和輸入/輸出信號(hào)寄存器組中各個(gè)寄存器的輸出，實(shí)現(xiàn)濾波器的傳遞函數(shù)的差分方程表達(dá)式的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送入輸出模塊的乘加器陣列；用以根據(jù)控制寄存器輸出的濾波器特征信號(hào)，控制輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的長(zhǎng)度的FIR/IIR選擇控制器；用以根據(jù)控制寄存器輸出的濾波器階數(shù)信息，控制濾波器抽頭系數(shù)寫(xiě)入時(shí)波器參數(shù)寄存器組移位的移位控制器；用以接收乘加器陣列的輸出，并將接收的信號(hào)序列，按一定的方式輸出的輸出模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器，其特征在于所述的功能模塊其外部控制輸入到端口選擇器的輸入端，端口選擇器的輸出端分別與控制寄存器、輸入模塊、濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組的輸入端連結(jié)；外部數(shù)據(jù)輸入連結(jié)輸入模塊的輸入端，輸入模塊的數(shù)據(jù)輸出端分別與控制寄存器、濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組的數(shù)據(jù)輸入端相連結(jié)；控制寄存器的輸出端分別連結(jié)于濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組、移位控制器、FIR/IIR選擇控制器的控制輸入端；濾波器參數(shù)寄存器組、輸入信號(hào)寄存器組的輸入端與移位控制器的輸出端連結(jié)；FIR/IIR選擇控制器的輸出端分別連結(jié)濾波器參數(shù)寄存器組、輸入/輸出信號(hào)寄存器組、乘加器陳列和輸出模塊的控制輸入端；濾波器參數(shù)寄存器組的輸出端連結(jié)乘加器陳列的一個(gè)輸入端，輸入/輸出信號(hào)寄存器組的輸出端連結(jié)乘加器陳列的另一個(gè)輸入端；乘加器陳列的輸出端連接輸出模塊的數(shù)據(jù)輸入端；輸出模塊的一個(gè)輸出端連結(jié)外部輸出端，輸出模塊的另一個(gè)輸出端連結(jié)輸出信號(hào)寄存器組的一個(gè)輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器，其特征在于所述的FIR或者IIR濾波器可以在線配置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器，其特征在于所述的輸入/輸出信號(hào)寄存器組可分為輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器及其工作方法，其特征在于輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組為長(zhǎng)度可變的兩個(gè)寄存器組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器及其工作方法，其特征在于輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的長(zhǎng)度受FIR/IIR選擇控制器送出的控制信號(hào)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器的工作方法，其特征在于包括以下兩個(gè)步驟的工作方法(1)配置方法首先，外部控制器給出恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，端口選擇器選擇控制寄存器，在下一個(gè)時(shí)刻，輸入模塊從外部讀入濾波器功能信息編碼，寫(xiě)入控制寄存器；控制寄存器給出相應(yīng)的濾波器特征信號(hào)，分別作用于FIR/IIR選擇控制器和移位控制器，F(xiàn)IR/IIR選擇控制器對(duì)輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆峙浜涂刂疲蝗缓?，外部控制器給出恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，使端口選擇器選擇濾波器參數(shù)寄存器組，在下一個(gè)時(shí)刻，移位控制器控制濾波器參數(shù)寄存器組內(nèi)的各個(gè)單元內(nèi)的值向后移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，同時(shí)輸入模塊從外部讀入濾波器一個(gè)抽頭系數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組的最前一個(gè)單元；再下一個(gè)時(shí)刻，移位控制器控制濾波器參數(shù)寄存器組內(nèi)的各個(gè)單元內(nèi)的值再向后位移一位，同時(shí)輸入模塊從外部讀入濾波器另一個(gè)抽頭系數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入濾波器參數(shù)寄存器組的最前一個(gè)單元；重復(fù)上述過(guò)程，直到濾波器的所有抽頭系數(shù)完全按順序?qū)懭?，將濾波器系數(shù)寄存器內(nèi)超過(guò)濾波器階數(shù)的寄存器單元值清零，關(guān)閉濾波器配置端口，濾波器配置完成；(2)濾波工作方法如果是FIR濾波器，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)字信號(hào)x(n)送進(jìn)濾波器，輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組中保存的數(shù)據(jù)都移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，最后一個(gè)單元的數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)，將x(n)寫(xiě)入輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的最前面的單元；下一個(gè)時(shí)刻，濾波器參數(shù)寄存器組中的各單元與輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組中的對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)通過(guò)乘加器陣列做乘法運(yùn)算，然后累加，累加后的結(jié)果送到輸出模塊，由輸出模塊輸出到片外；等待下一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)臨，然后重復(fù)同樣的步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的FIR濾波處理；如果濾波器是工作在IIR方式，在FIR/IIR選擇控制器的控制下，輸入寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組分為兩個(gè)寄存器組，前一段寄存器組為輸入信號(hào)寄存器組保存輸入信號(hào)x(n)之前的M個(gè)輸入信號(hào)序列，后一段寄存器組為輸出信號(hào)寄存器組保存輸出信號(hào)y(n)之前的N個(gè)輸出信號(hào)序列；當(dāng)x(n)來(lái)臨，輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組中保存的數(shù)據(jù)在移位寄存器的控制下都向后移動(dòng)到后一個(gè)寄存器單元，寄存器組的最后一個(gè)單元的數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)，將x(n)，y(n-1)寫(xiě)入相應(yīng)輸入信號(hào)寄存器組和輸出信號(hào)寄存器組的最前面的單元，下一個(gè)時(shí)刻，濾波器參數(shù)寄存器組將與輸入寄存器組和輸出寄存器組相對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)通過(guò)乘加器陣列做乘法運(yùn)算，然后累加，累加后的結(jié)果送到輸出模塊，由輸出模塊9輸出到片外；等待下一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)臨，然后重復(fù)同樣的步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的IIR濾波處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種通用可編程數(shù)字濾波器的工作方法，其特征在于如果FIR濾波器的抽頭系數(shù)滿足對(duì)稱特性，則會(huì)由FIR/IIR選擇控制器送來(lái)一個(gè)控制信號(hào)，根據(jù)線性相位FIR濾波器特性，先進(jìn)行x(n)±x(N-n)運(yùn)算，如果FIR濾波器系數(shù)是偶對(duì)稱則為“+”，若是奇對(duì)稱，則為“-”運(yùn)算；再與濾波器系數(shù)進(jìn)行乘加運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通用可編程數(shù)字濾波器及其工作方法，本發(fā)明由9個(gè)功能模塊組成。其工作方法包括以下兩個(gè)步驟的工作方法，配置方法和濾波工作方法。本發(fā)明作為一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，比較模擬濾波器，穩(wěn)定性、抗干擾能力、精度提高了很多，而且完全可以避免濾波器系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲對(duì)被濾波信號(hào)的影響；利用多個(gè)硬件乘法器和加法器實(shí)現(xiàn)濾波運(yùn)算，克服了以往軟件數(shù)字濾波器的時(shí)延，提高了響應(yīng)實(shí)時(shí)性；相對(duì)某些ASIC芯片內(nèi)部帶有的硬件數(shù)字濾波器，具有通用性。在實(shí)際應(yīng)用中，也比較靈活、方便；可以在線配置的特性，降低某些應(yīng)用系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H03H17/02GK1866738SQ200610085980
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者許金生 申請(qǐng)人:許金生