[發(fā)明專(zhuān)利]一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法及其裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410431330.6
• 申請(qǐng)日: 2014-08-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104283527B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃翔東;閆子陽(yáng);冼弘宇;呂衛(wèi)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H03H17/02
• 分類(lèi)號(hào): H03H17/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 溫國(guó)林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種邊界頻帶可快速配置的高效濾波器方法及其裝置。

背景技術(shù)

有限沖激響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response Filter,FIR Filter)設(shè)計(jì)作為數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的基礎(chǔ)，在頻譜分析^[1]、圖像處理^[2]、音頻信號(hào)處理、編解碼等數(shù)字信號(hào)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在數(shù)字濾波中，濾波器邊界頻帶的控制(即濾波器傳輸曲線(xiàn)的通帶和阻帶交界的頻帶)是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，如Palghat P.Vaidyanathan提出的互素感知(Co-prime Sensing)^[3-6]理論就對(duì)濾波器邊界頻率的控制提出了嚴(yán)格要求，邊界頻帶控制不好，就會(huì)在相應(yīng)的互素譜輸出通道中引入譜泄漏而降低譜分析性能。在經(jīng)典的濾波器設(shè)計(jì)法(如傳統(tǒng)的窗函數(shù)法和頻率采樣法)中，很難在精確控制邊界頻帶的同時(shí)還能保證好的濾波器的傳輸性能(即通帶波紋小和阻帶衰減大)，例如：對(duì)于窗函數(shù)設(shè)計(jì)，可以將邊界頻帶參數(shù)_c代入理想濾波器公式中，而得到濾波器系數(shù)，但是由于理想濾波器系數(shù)是無(wú)限長(zhǎng)的，因而只能對(duì)理想濾波器進(jìn)行截?cái)啵诮財(cái)噙^(guò)程中會(huì)引入吉布斯(Gibbs)效應(yīng)而導(dǎo)致在邊界頻帶附近通帶和阻帶的濾波器傳輸曲線(xiàn)都會(huì)出現(xiàn)很大的振蕩，加窗雖然可以減輕傳輸曲線(xiàn)的振蕩，但這是以模糊邊界頻帶位置(例如3dB頻點(diǎn)位置)作為代價(jià)的；再如在頻率采樣法中，是通過(guò)對(duì)頻率響應(yīng)向量H直接作反傅里葉變換而得到濾波器系數(shù)的，雖然可以通過(guò)在H的不同位置處設(shè)置相應(yīng)的0、1值來(lái)控制邊界邊帶，但是這同樣會(huì)導(dǎo)致濾波器傳輸曲線(xiàn)的通帶和阻帶出現(xiàn)很大的振蕩，加過(guò)渡點(diǎn)可以減輕這些振蕩，但這仍是以模糊邊界頻帶位置(例如3dB頻點(diǎn)位置)作為代價(jià)的。對(duì)于近些年出現(xiàn)的現(xiàn)代濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法^[7]、免疫算法^[8]、遺傳算法^[9]等)，這些算法均需設(shè)定一個(gè)全局最優(yōu)的幅頻目標(biāo)函數(shù)，再模擬生物領(lǐng)域的優(yōu)化選擇措施，對(duì)濾波器系數(shù)反復(fù)進(jìn)行迭代，在迭代過(guò)程中不斷優(yōu)化濾波器幅頻曲線(xiàn)，使之與期望幅頻曲線(xiàn)盡量逼近，但是在現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)法中，邊界頻帶的控制仍然是一個(gè)不容易解決的問(wèn)題，這是因?yàn)榉l曲線(xiàn)是全局函數(shù)，而邊界頻帶標(biāo)識(shí)的是濾波器傳輸曲線(xiàn)的局部位置，任何最優(yōu)化幅頻曲線(xiàn)逼近問(wèn)題都存在獲得全局最優(yōu)與局部最優(yōu)的矛盾，因而這些現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)法仍難以解決在優(yōu)化過(guò)程中如何控制邊界頻率的問(wèn)題，而且需要指出的是，在現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)法中，濾波器系數(shù)都需要反復(fù)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)做迭代更新，因而其設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，耗費(fèi)資源大，效率低，而使之在很多領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。因此，如何既能保證濾波器具有優(yōu)良的傳輸特性、又能快速獲取濾波器系數(shù)，還能精確控制濾波器的邊界頻率是迫切需要解決的一個(gè)難題。

為解決邊界頻率控制問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]-[12]提出了基于全相位的雙相移的濾波器設(shè)計(jì)方法。就低通濾波器設(shè)計(jì)而言，首先將濾波器分成兩個(gè)子邊帶，再分別向相反的方向平移相同的頻率點(diǎn)，然后將兩個(gè)子濾波器合并成一個(gè)濾波器，最后使用補(bǔ)償濾波器對(duì)平移后的缺口進(jìn)行補(bǔ)償，得到標(biāo)準(zhǔn)的低通濾波器。通過(guò)與理想通帶或者3dB截止頻率進(jìn)行對(duì)比，確定平移量，以此可以十分靈活且有效地控制濾波器的邊界頻率位置，得到理想的截止頻率點(diǎn)(其中文獻(xiàn)[11]-[12]解決了特殊的陷波器的陷波頻點(diǎn)的精確控制問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]解決了更一般的低通或高通濾波器的邊界頻帶精確控制問(wèn)題)。

但文獻(xiàn)[10]方法的缺陷在于：(1)該方法步驟繁多，沒(méi)有推導(dǎo)出最終濾波器系數(shù)的閉合解析表達(dá)式，故難以適用于需快速做濾波器系數(shù)硬件配置的場(chǎng)合。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[10]方法每個(gè)步驟都是基于全相位濾波器設(shè)計(jì)法，其原型濾波器和補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)都要遵循全相位濾波器設(shè)計(jì)法的一般過(guò)程(具體說(shuō)來(lái)，該設(shè)計(jì)法需要對(duì)事先設(shè)定的頻率向量做IDFT、系數(shù)平移及加卷積窗等^[13]-[15]，設(shè)計(jì)步驟較多)，因此，需要從濾波器設(shè)計(jì)的整體出發(fā)，對(duì)以上過(guò)程做簡(jiǎn)化，最終得到一個(gè)忽略濾波器內(nèi)部設(shè)計(jì)步驟細(xì)節(jié)的濾波器系數(shù)解析表達(dá)式，把事先設(shè)定好的濾波器參數(shù)代入該解析式即可完成濾波器系數(shù)的配置；(2)該方法在濾波器參數(shù)優(yōu)化方面(即卷積窗Kaiser參數(shù))考慮得不夠，難以保證最終的濾波器在全頻帶具有較好的傳輸性能。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)補(bǔ)償濾波器時(shí)，還涉及對(duì)補(bǔ)償濾波器的卷積窗Kaiser參數(shù)做合理設(shè)置問(wèn)題，如果該參數(shù)設(shè)置不好，就有可能影響最終濾波器的通帶和阻帶傳輸性能，而文獻(xiàn)[10]沒(méi)有給出Kaiser窗參數(shù)的設(shè)置措施。

發(fā)明內(nèi)容