并行處理的數(shù)字濾波器的制造方法
【專利摘要】并行處理數(shù)字濾波器，具有N階（N為偶數(shù)），包括：N/2個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)A：包含4個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器；N/2個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)B：包含4個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器；N+1個(gè)抽頭系數(shù)，即為N+1個(gè)乘法器；作為第一模塊的模塊化結(jié)構(gòu)A只包含2個(gè)乘法器和1個(gè)加法器，整個(gè)裝置只包含5N-1個(gè)乘法器和3N-1個(gè)加法器；所述的模塊化結(jié)構(gòu)A與模塊化結(jié)構(gòu)B交替級聯(lián)形成濾波器傳遞函數(shù)的分母，所述的一系列抽頭系數(shù)及所有模塊中的參數(shù)共同形成濾波器傳遞函數(shù)的分子。
【專利說明】并行處理的數(shù)字濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種并行處理的數(shù)字濾波器。
技術(shù)背景
[0002]數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的組成部分之一，被廣泛應(yīng)用于語音、圖像處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識別、自動控制等領(lǐng)域。對于實(shí)際應(yīng)用，不僅要求數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)簡單，對有限字長效應(yīng)要具備很強(qiáng)的魯棒性，因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器需要通過專用數(shù)字器件來實(shí)現(xiàn)，而這些有限字長的數(shù)字器件往往會大大降低濾波器的性能，更甚者會導(dǎo)致其實(shí)現(xiàn)失敗。因此，研究和設(shè)計(jì)能有效抵抗有限字長效應(yīng)的高效簡潔數(shù)字濾波器一直是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。
[0003]自40年代以來，并行處理技術(shù)作為應(yīng)用問題研究和工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，得到了飛速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域包括VLSI電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能、航空航天和國防戰(zhàn)略研究等。并行處理技術(shù)主要以算法為核心，軟硬件作為實(shí)現(xiàn)工具的相互聯(lián)系而又相互制約的一種結(jié)構(gòu)技術(shù)。所述的并行處理思想為數(shù)字濾波器的高效實(shí)現(xiàn)提供了可能。
[0004]對于一個(gè)N階數(shù)字濾波器，歸一化格型數(shù)字濾波器(A.H.Gray，Jr.and J.DMarkeI, “A normalized filter structure,，，IEEE Trans, on Acoust., Speech, SignalProcessing, vol.ASSP-23, pp.268-277，Jun.，1975.)只含有 5N+1 個(gè)乘法器，并且具有很強(qiáng)的抗有限字長效應(yīng)能力。所述歸一化格型數(shù)字濾波器雖然是具有模塊化的結(jié)構(gòu)，但在實(shí)時(shí)處理時(shí)模塊之間并沒有做到并行實(shí)現(xiàn)，這在一定程度上限制了其應(yīng)用和發(fā)展。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種具有模塊結(jié)構(gòu)的并行處理數(shù)字濾波器。
[0006]本發(fā)明所述的并行處理數(shù)字濾波器，其特征在于:具有N階(N為偶數(shù))，包括:
[0007]N/2個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)A:包含4個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器；每來一個(gè)脈沖時(shí)鐘，延時(shí)器中的值作為信號fk+1進(jìn)入后一級模塊；前一級過來的信號fk和后一級過來的信號bk+1分別與參數(shù)-sincK和(308(^相乘輸入到第一加法器Al，得到的值存入到所述延時(shí)器中，為下一時(shí)刻的計(jì)算做準(zhǔn)備；同時(shí)，所述前一級過來的信號fk和所述后一級過來的信號bk+1分別與參數(shù)cos Φ,和sin Φ,相乘輸入到第二加法器A2，形成的信號bk為前一級模塊做準(zhǔn)備；
[0008]N/2個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)B:包含4個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器；每來一個(gè)脈沖時(shí)鐘，前一級過來的信號fk和延時(shí)器所表征的信號值分別與參數(shù)-sin Φ k和cos Φ k相乘輸入到第一加法器BI，形成的信號fkt為后一級模塊做準(zhǔn)備；同時(shí)，所述前一級過來的信號fk和延時(shí)器所表征的信號值分別與參數(shù)cos Φ k和sin Φ k相乘輸入到第二加法器B2，形成的信號bk為前一級模塊做準(zhǔn)備；而后一級過來的信號bk+1對延時(shí)器中的值進(jìn)行更新，為下一時(shí)刻的計(jì)算做準(zhǔn)備；
[0009]N+1個(gè)抽頭系數(shù)，即為N+1個(gè)乘法器；[0010]作為第一個(gè)模塊的模塊化結(jié)構(gòu)A只包含2個(gè)乘法器和I個(gè)加法器，整個(gè)裝置只包含5N-1個(gè)乘法器和3N-1個(gè)加法器；
[0011]所述的模塊化結(jié)構(gòu)A與模塊化結(jié)構(gòu)B交替級聯(lián)形成濾波器傳遞函數(shù)的分母，所述的一系列抽頭系數(shù)及所有模塊中的參數(shù)共同形成濾波器傳遞函數(shù)的分子。所述濾波器的并行原理表現(xiàn)在:
[0012]假設(shè)濾波器計(jì)算過程中，做一次加法和乘法所需的時(shí)間分別為1；和Tm。鑒于所述模塊A與所述模塊B的交替級聯(lián)，避免了信號沿前向支路(或后向支路)從第一個(gè)模塊直接到最后個(gè)模塊，于此同時(shí)，所述的交替級聯(lián)形成了濾波器的并行計(jì)算。其特征在于以下兩個(gè)步驟:1)第一個(gè)模塊的延時(shí)器輸出與第二個(gè)模塊的延時(shí)器輸出分別與各自相鄰的參數(shù)相乘，即-sin<i)2、cos Φ 2和cos<i)2、sin Φ 2,并分別進(jìn)入兩個(gè)加法器,相應(yīng)的輸出為步驟2)做準(zhǔn)備，這一計(jì)算過程占用的時(shí)間STa+Tm。在這個(gè)時(shí)間里，第2k+l個(gè)模塊和第2(k+l)個(gè)模塊的計(jì)算方式與所述第一個(gè)模塊和第二個(gè)模塊一樣(k=l，2，一，N/2-l)，并完成相應(yīng)計(jì)算。2)根據(jù)步驟I)的計(jì)算結(jié)果，對N個(gè)模塊中的延時(shí)器進(jìn)行數(shù)值更新:對于第一個(gè)模塊，輸入信號u (η)與-sin Φ !相乘的結(jié)果加上第二個(gè)模塊的后向輸出信號與cos Φ !相乘的結(jié)果，得到的結(jié)果更新延時(shí)器；對于第二個(gè)模塊，前向信號的輸出與C0SCt3相乘的結(jié)果加上第三個(gè)模塊的后向輸出信號的結(jié)果，得到的結(jié)果更新延時(shí)器；第2k+l個(gè)模塊的延時(shí)器更新與第一個(gè)模塊類似；第2(1^1)個(gè)模塊的延時(shí)器更新與第二個(gè)模塊類似。所述N個(gè)延時(shí)器的更新是也是并行處理的，每兩個(gè)模板間的計(jì)算都耗時(shí)Ta+Tm。
[0013]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在: [0014]1.本發(fā)明的兩類模塊化結(jié)構(gòu)的相互交替級聯(lián)，有效地隔斷了信號從輸入一步計(jì)算到輸出的缺陷(相較于歸一化格型濾波器)，使得每次時(shí)鐘脈沖內(nèi)完成等量的運(yùn)算量，實(shí)現(xiàn)了并行處理的目的，大大地提高了濾波器的吞吐量。
[0015]2.所述的兩類模塊化結(jié)構(gòu)通過級聯(lián)完全確定了傳遞函數(shù)的分母，并且滿足了輸入平衡實(shí)現(xiàn)的條件，即達(dá)到可控格萊姆矩陣為單位陣的目的，大大地降低了濾波器狀態(tài)溢出的概率。
[0016]3.所述的兩類模塊化結(jié)構(gòu)易于VLSI實(shí)現(xiàn)并降低成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明模塊A的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明模塊B的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明4階濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明N階濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明:
[0022]如圖1所示，本發(fā)明的模塊A包含四個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器和一個(gè)延時(shí)器。每來一個(gè)脈沖時(shí)鐘，延時(shí)器中的值作為信號fk+1進(jìn)入后一級模塊；前一級過來的信號fk和后一級過來的信號bk+1分別與參數(shù)-sincK和(308(^相乘輸入到第一加法器Al，得到的值存入到所述延時(shí)器中，為下一時(shí)刻的計(jì)算做準(zhǔn)備；同時(shí)，所述前一級過來的信號fk和所述后一級過來的信號bk+1分別與參數(shù)cos Φ k和sin Φ k相乘輸入到第二加法器A2，形成的信號bk為前一級模塊做準(zhǔn)備。
[0023]如圖2所示，本發(fā)明的模塊B包含四個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器和一個(gè)延時(shí)器。每來一個(gè)脈沖時(shí)鐘，前一級過來的信號fk和延時(shí)器所表征的信號值分別與參數(shù)-SincK和coscK相乘輸入到第一加法器BI，形成的信號fkt為后一級模塊做準(zhǔn)備；同時(shí)，所述前一級過來的信號fk和延時(shí)器所表征的信號值分別與參數(shù)cos (J)k和sin (J)k相乘輸入到第二加法器B2,形成的信號bk為前一級模塊做準(zhǔn)備；而后一級過來的信號bk+1對延時(shí)器中的值進(jìn)行更新，為下一時(shí)刻的計(jì)算做準(zhǔn)備。
[0024]基于圖1和圖2所示的兩類模塊化結(jié)構(gòu)，圖3給出了本發(fā)明4階濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。下面詳細(xì)介紹本發(fā)明濾波器的并行處理過程。假設(shè)濾波器計(jì)算過程中，做一次加法和乘法所需的時(shí)間分別為Ta和Tm。鑒于所述模塊A與所述模塊B的交替級聯(lián)，避免了信號沿前向支路(或后向支路)從第一個(gè)模塊直接到最后模塊，于此同時(shí)，所述的交替級聯(lián)形成了濾波器的并行計(jì)算。其特征在于以下兩個(gè)步驟:1)第一個(gè)模塊的延時(shí)器輸出與第二個(gè)模塊的延時(shí)器輸出分別與各自相鄰的參數(shù)相乘，即_sin<i)2、cos Φ2和cos Φ2、sin<i)2,并分別進(jìn)入兩個(gè)加法器，相應(yīng)的輸出為步驟2)做準(zhǔn)備，這一計(jì)算過程占用的時(shí)間STa+Tm。于此同時(shí)，第三個(gè)模塊和第四個(gè)模塊的計(jì)算與所述第一個(gè)模塊和第二個(gè)模塊一樣。2)根據(jù)步驟I)的計(jì)算結(jié)果，對四個(gè)模塊中的延時(shí)器進(jìn)行數(shù)值更新:對于第一個(gè)模塊，輸入信號u(η)與-Sincji1相乘的結(jié)果加上第二個(gè)模塊的后向輸出信號與cos (^1相乘的結(jié)果，得到的結(jié)果更新延時(shí)器；對于第二個(gè)模塊，前向信號的輸出與C0SCt3相乘的結(jié)果加上第三個(gè)模塊的后向輸出信號的結(jié)果，得到的結(jié)果更新延時(shí)器；第三個(gè)模塊的延時(shí)器更新與第一個(gè)模塊類似；第四個(gè)模塊延時(shí)器的值由其前向信號的輸出值直接更新。所述四個(gè)延時(shí)器的更新是并行處理的，需耗時(shí)八+!^
[0025]圖4是表征的是N階濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，其并行處理的原理同上。
[0026]下面給出本發(fā)明涉及到數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算方法。
[0027]由圖4可知，所述數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括{sin(K，cos(K}和UJ。其中，所述的{sin Φ k, cos Φ k}的計(jì)算可參見文獻(xiàn)“A canonical representation ofinput-balanced realizations for discrete-time systems, (S.P.Zhu, Y.Wang, G.Li and C.R.Wan, in Proc.0f the2010IEEE International on Green Circuits andSystems-1CGCS2010，Jun.2010.)。為方便起見，以上文獻(xiàn)對應(yīng)的數(shù)字濾波器定義為R0= {A0, Btl, Ctl, d}，本發(fā)明對應(yīng)的數(shù)字濾波器定義為R= {A, B，C，d}。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論可知，{ξπ}，即為向量[C d]對應(yīng)的元素，可通過相似變換由Rtl得到。根據(jù)圖4，當(dāng)已知{8?ηΦ1?, cos Φ J的前提下，通過分析狀態(tài)變量并列出相應(yīng)關(guān)系式即可得到Α，B，則相似變換矩陣T可由下式給出:
[0028]T=W0T1
[0029]其中，W。和W分別有A。，B0和Α，B決定，滿足
【權(quán)利要求】
1.并行處理數(shù)字濾波器，其特征在于:具有N階(N為偶數(shù))，包括: N/2個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)A:包含4個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器；每來一個(gè)脈沖時(shí)鐘，延時(shí)器中的值作為信號fk+1進(jìn)入后一級模塊；前一級過來的信號fk和后一級過來的信號bk+1分別與參數(shù)-sincK和(308(^相乘輸入到第一加法器Al，得到的值存入到所述延時(shí)器中，為下一時(shí)刻的計(jì)算做準(zhǔn)備；同時(shí)，所述前一級過來的信號fk和所述后一級過來的信號bk+1分別與參數(shù)C0SCt1^P sincK相乘輸入到第二加法器A2，形成的信號bk為前一級模塊做準(zhǔn)備； N/2個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)B:包含4個(gè)乘法器，兩個(gè)加法器；每來一個(gè)脈沖時(shí)鐘，前一級過來的信號fk和延時(shí)器所表征的信號值分別與參數(shù)-sin <^和cos <i)k相乘輸入到第一加法器BI,形成的信號fk+1為后一級模塊做準(zhǔn)備；同時(shí)，所述前一級過來的信號fk和延時(shí)器所表征的信號值分別與參數(shù)cos Φ k和sin Φ k相乘輸入到第二加法器B2，形成的信號bk為前一級模塊做準(zhǔn)備；而后一級過來的信號bk+1對延時(shí)器中的值進(jìn)行更新，為下一時(shí)刻的計(jì)算做準(zhǔn)備；N+1個(gè)抽頭系數(shù)，即為N+1個(gè)乘法器； 作為第一個(gè)模塊的模塊化結(jié)構(gòu)A只包含2個(gè)乘法器和I個(gè)加法器，整個(gè)裝置只包含5N-1個(gè)乘法器和3N-1個(gè)加法器； 所述的模塊化 結(jié)構(gòu)A與模塊化結(jié)構(gòu)B交替級聯(lián)形成濾波器傳遞函數(shù)的分母，所述的一系列抽頭系數(shù)及所有模塊中的參數(shù)共同形成濾波器傳遞函數(shù)的分子。
【文檔編號】H03H17/02GK103956990SQ201410099339
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】黃朝耿, 周志光, 林劍 申請人:浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)