數位訊號處理方法及裝置的製作方法

2023-09-16 19:58:15 3

專利名稱：數位訊號處理方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及數位訊號處理技術，特別是涉及利用濾波器的數位訊號處理技術。
背景技術：
在現有技術中，很多使用因果FIR(有限衝擊響應)濾波器的數位訊號處理都會使用如下形式的卷積求和運算，得到濾波結果YY=i=0MXi*Hi---(1)]]>Xi為第i路輸入信號，Hi表示作用於第i路信號的FIR濾波器的衝擊響應，表示為Hi,k=0,k0hi,k,0kLi0,kLi---(2)]]>即多個輸入信號X1，X2，...，XM分別經過多個不同的濾波器濾波之後相加並輸出，式中Hi，k表示Hi在時間點k上的值。
圖1是卷積求和運算的示意圖。X1，X2，...，XM是多個輸入信號，每個信號X1，X2，...，XM分別通過相應的濾波器濾波，輸出已濾波的信號，各個濾波器的輸出由加法器進行相加，得到一個濾波結果Y1，完成一次卷積求和運算。然後，進行計算第二個濾波結果Y2，依此類推，通過M次計算，可以得到M個濾波結果Y1-YM。利用方程(1)計算信號的處理結果。
假設各濾波器的衝響應分別為H1，H2，...，HM，階數分別為L1，...Li，LM，平均長度為L，則針對這種形式的運算，一般的計算方法有兩種1.根據方程(1)直接進行時域計算。這樣計算單個濾波結果Y(n)所需要的計算複雜度為O(L×M)次乘加運算。
2.使用快速卷積算法Yi＝Xi*Hi得到每個濾波器的濾波結果Yi，然後再根據以下公式計算和，Y=i=1MYi.]]>圖2表示一種快速卷積算法的流程圖。N點的輸入信號Xi進行補零，形成P點的輸入信號，P≥N+Li-1，P一般為2的整數次方。該輸入信號進行FFT變換，輸出P點的DET係數Xi，係數Xi和濾波器Hi的P點DFT係數進行乘法運算，輸出P點IFFT結果，前Li-1點的IFFT結果和LAP緩衝器(重疊緩衝器)中存儲的值相加，把第N+1至N+Li-1點的IFFT結果存儲到LAP緩衝器，最後輸出P點IFFT結果的前N個點IFFT結果。
假設平均濾波器長度L＜＜B。P≈B，則P點快速傅立葉變換(FFT)的運算量為O(Blog(B))。B為FFT計算的平均長度，P為快速卷積運算中平均的輸入塊長。假設濾波器Hi在整個濾波過程中的值不變，其離散傅立葉變換(DFT)係數可以保留在緩衝器中，那麼整個快速卷積過程需要1個FFT和1個快速傅立葉反變換(IFFT)，DFT相乘需要2B次乘加運算，這樣每次濾波器卷積運算的複雜度為O(Blog(B))。計算B個Y值輸出需要M次濾波計算，複雜度為O(M(Nlog(N)))，計算每個Y值所需的複雜度為MO(log(B))。
在上述快速卷積算法中，計算最終輸出Y值時，總共用了M次IFFT運算得到每個濾波器的輸出值Yi，然後把M個Yi，進行時域相加。考慮到FFT運算為線性的，FFT運算和IFFT運算可以表示為FFT(i=1MSi)=i=1MFFT(Si)---(3)]]>IFFT(i=1MFSi)=i=1MIFFT(FSi)]]>公式(3)中Si為第i路時域信號，FSi為第i路信號的FFT係數。
對於M路的信號輸入，一般的算法每次進行一個塊的計算需要M次的IFFT計算，另外還需要M次的重疊相加操作，計算複雜度較高。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的問題，提供一種數位訊號處理方法和裝置，使得信號處理的運算複雜度明顯降低。
本發明提供一種數位訊號處理裝置，該裝置包括輸入數據存儲邏輯單元，用於存儲輸入的各路信號數據與濾波器數據，根據參數與地址控制端送來的補零個數對輸入數據進行補零操作；FFT/IFFT運算邏輯單元，根據輸入數據存儲邏輯單元提供的數據和參數與地址控制器提供的命令對輸入數據進行FFT運算，然後把運算結果送到FFT係數存儲邏輯單元；FFT係數存儲邏輯單元，在該參數與地址控制器的控制下把FFT係數存儲在內存中；乘加運算器，從FFT係數存儲邏輯單元中取出各個輸入數據的FFT係數以及各個濾波器的FFT係數，把相應的濾波器FFT係數和輸入數據的FFT係數點乘，把各個點乘的結果矢量相加，最後的結果送回FFT係數存儲邏輯單元；所述FFT/IFFT運算邏輯單元，根據該參數與地址控制器發來的命令，對FFT係數存儲邏輯單元保留的乘加運算結果進行IFFT運算，IFFT運算的結果由FFT運算存儲邏輯進行保存；重疊緩衝器，以每次IFFT運算結果的部分值更新其保存的值；參數與地址控制器，控制輸入數據存儲邏輯單元、FFT/FFT運算邏輯單元和乘加運算器的操作。
所述乘加運算器把IFFT運算的部分結果和重疊緩衝器中保留的上一次運算的結果相加，並且保存回原來的位置。
本發明還提供一種數位訊號處理方法，包括步驟循環計數器的計數J置0，重疊緩衝器清零；選定FFT計算的平均長度N和運算長度FL；判斷循環計數器的計數J和各濾波器衝擊響應Hi值，如果判斷循環計數器的計數J＝0或者濾波器衝擊響應Hi的值發生變化，把濾波器衝擊響應Hi往後補零成為長度為FL的向量，並且對各個濾波器衝擊響應Hi進行FFT運算，得到其FFT係數[hi，0，hi，1，...hi，FL-1]並保留在濾波器衝擊響應的緩衝器中；如果判斷J≠0或者濾波器衝擊響應Hi的值沒有發生變化，則進入下一步驟；對各路輸入信號Xi按時間輸入N個值，往後補零成為運算長度FL，並且對各路輸入信號Xi進行FL點的FFT運算，得到其FFT係數[xi，0，xi，1，...xi，FL-1]，i＝1，2，...M；將各個濾波器衝擊響應Hi的FFT係數[hi，0，hi，1，...hi，FL-1]和各路輸入信號X的FFT係數[xi，0，xi，1，...xi，FL-1]點乘；
由乘加運算器把M個點乘的結果[hi，0xi，0，hi，1xi，1，...hi，FL-1xi，FL-1]進行矢量相加；對矢量相加的結果進行IFFT運算得到時域的FL點輸出Tj；該輸出Tj中的第0點到第Lmax-2點的值加上重疊緩衝器中第0點到第Lmax-2點的值，Lmax是濾波器的最大階數；將該輸出Tj中的第0到第N-1點的值輸出，並將該輸出Tj中的第N點到第N+Lmax-2點的值分別存儲在重疊緩衝器中的0點到第Lmax-2點的位置；回到上述判斷循環計數器的計數J和各濾波器衝擊響應Hi值的步驟，然後重複進行以後的各個步驟，直到完成對所有的輸入信號的處理。
本發明的算法和以往的快速卷積算法相比，IFFT運算減少了M-1次，減少了N-1次的時域加法，減少了M-1次的重疊緩衝器操作，只增加了(M-1)*FL次的複數加法，因此，計算複雜度明顯降低。


圖1是卷積求和運算的示意圖；圖2是快速卷積算法的流程圖；圖3是根據本發明的信號處理方法的流程圖；圖4是根據本發明的信號處理裝置的結構方框圖。
具體實施例方式
考慮在頻域進行M個DFT係數的相加得到Y對應的DFT係數，然後只進行一次IFFT運算得到時域Y信號。這樣就要求所有單個濾波操作(DFT係數相乘)後的DTF係數長度必須相等，即所有快速卷積中的FFT運算長度必須相等。
每個濾波器的輸入都可以表示為矩形加窗之後的信號之和，R(i)=1,0iN0,i00,iN]]>Xi=j=-XiR(i-jN)]]>(4)式中i，j是整數序號，N是矩形窗長。這樣，由於卷積運算為線性運算，輸出Y可以表示為Y=j=-i=0M[XiR(i-jN)]*Hi---(5)]]>設定Tj=i=0M[XiR(i-jN)]*Hi]]>那麼，方程式(5)可簡化為Y=j=-Tj---(6)]]>我們只需要計算各個時段的輸出Tj，然後在時域上疊加各個Tj，就可以得到最終的輸出Y。考慮Tj的計算，由於Hi為因果FIR濾波器的衝擊響應，而各輸入XiR(i-jN)在時間jN之前全部為0，因此Tjk＝0，k＜jN(7)假設濾波器Hi的最大長度為Lmax，那麼Tjk＝0，k≥jN+N+Lmax-1 (8)因此Tj在區間jN≤k＜jN+N+Lmax-1內的輸出值可能不為0，區間的長度為N+Lmax-1。各Tj之間重疊的部分為Lmax-1。
考慮Tj的計算Tj=i=0M[XiR(i-jN)]*Hi]]>1)[XiR(i-jN)]*Hi的計算可以使用快速卷積算法，其快速卷積中FFT的長度必須大於等於N+Li-1。
2)考慮到各個快速卷積運算中FFT運算長度必須一致，所選的長度必須大於等於N+Lmax-1。而且為了FFT運算的方便，選擇一個大於等於N+Lmax-1的2的整數次方的一個數作為FFT的運算長度FL，即FL≥N+Lmax-1FL＝2k，k為整數。
(9)3)為了節省計算量，把計算Tj時的時域加法轉換為頻域的加法；4)因為Tj與Tj+1之間有Lmax-1的重疊，必須把Tj的FL點輸出(其中第N+Lmax-1到第FL-1點數值為0)中的第N點到第N+Lmax-2點保存在緩衝器中，以便和Tj+1的值相加得到正確輸出。為了避免Tj和Tj+2之間的重疊，可以設定FFT計算的平均長度N＞Lmax-2 (10)下面結合圖3說明信號處理的步驟。
假定有M個輸入信號X1至XM。
1.置J＝0，重疊緩衝器清零，J是循環計數器的計數；2.根據表示式(10)FFT計算的平均長度N＞Lmax-2，根據運用中實時性的要求、緩衝器大小等情況確定FFT計算的平均長度B的大小；3.根據表示式(9)，運算長度FL≥N+Lmax-1和運算長度FL必須為2的整數次方確定FFT的運算長度FL。
4.對各濾波器衝擊響應Hi，如果判斷J＝0或者濾波器衝擊響應Hi的值發生變化，把濾波器衝擊響應Hi往後補零成為長度為FL的向量，並且對各個濾波器衝擊響應Hi進行FFT運算，得到其FFT係數[hi，0，hi，1，...hi，FL-1]並保留在濾波器衝擊響應的緩衝器中；如果判斷J≠0或者濾波器衝擊響應Hi的值沒有發生變化，則進入下一步驟。
5.對各個輸入信號Xi按時間輸入N個值，往後補零成為長度為FL的向量，並且對Xi進行FL點的FFT運算，得到其FFT係數[xi，0，xi，1，...xi，FL-1]。
6.對各個濾波器衝擊響應Hi的FFT係數[hi，0，hi，1，...hi，FL-1]和各個輸入信號Xi的FFT係數[xi，0，xi，1，...xi，FL-1]點乘，得到點乘結果[hi，0xi，0，hi，1xi，1，...hi，FL-1xi，FL-1]。此運算需要FL次複數乘法，但假如濾波器衝擊響應Hi和輸入信號Xi都為實數，根據DFT係數的對稱性，則只需要進行FL/2+1次複數乘法運算。
7.把M個點乘結果[hi，0xi，0，hi，1xi，1，...hi，FL-1xi，FL-1]進行矢量相加，得到p=[i=1Mhi,0xi,0,...i=1Mhi,FL-1xi,Fl-1].]]>此運算需要(M-1)*FL次複數加法，但是對於濾波器衝擊響應Hi和輸入信號Xi都為實數的情況，需要進行(M-1)*(FL/2+1)次複數加法。
8.對p進行IFFT運算得到時域的FL點輸出Tj，Tj的第B+Lmax-1到第FL-1點的值為零。
9.Tj的第0點到第Lmax-2點的值加上重疊緩衝器中第0點到第Lmax-2點的值。
10.Tj的第N點到第N+Lmax-2點分別存儲在重疊緩衝器中的0點到第Lmax-2點。
11.輸出Tj的第0到第N-1點。
12.循環計數器的計數J遞增1，即J＝J+1，回到步驟4，重複以後的各個步驟，直到對M個輸入信號的上述處理完成。
下面以具體的例子進行說明信號處理的過程。
假設共有3路輸入信號X1，X2，X3，H1為34階FIR濾波器，H2為99階FIR濾波器，H3為59階FIR濾波器，即Lmax＝99，，計算濾波結果Y＝X1*H1+X2*H2+X3*H3，在計算過程種，H1，H2，H3的數值恆定。
首先，根據(10)式和(9)式選定FFT計算的平均長度N＝128，運算長度FL＝256，N和FL的數值由控制信號輸入端進入參數與地址控制器確定，重疊緩衝器的大小不小於Lmax-1＝98，初始值為0。數據信號分別由輸入端輸入h1的濾波器係數，輸入數據存儲邏輯根據控制器送來的補零數分別把係數補零成256位，FFT/IFFT運算邏輯單元從數據存儲邏輯取數後進行FFT運算，由FFT係數存儲邏輯單元存儲其FFT係數；分別對h2，h3進行類似的運算，h1，h2，h3的FFT係數分別記為FH1，FH2，FH3。輸入128位信號X1的值，補零成256位之後，由FFT/IFFT運算邏輯單元進行FFT運算之後，由FFT係數存儲邏輯單元存放其FFT係數值。對信號X2，X3進行相應的操作，信號X1，X2，X3的FFT係數分別記為FX1，FX2，FX3。由乘加運算器計算FFT係數的乘加結果FS＝FX1*FH2+FX2*FH2+FX3*FH3，由FFT係數存儲邏輯單元存儲運算結果FS(256位復係數)。FFT/IFFT運算邏輯對FS進行IFFT運算，由FFT係數存儲邏輯對結果S進行保存。通過乘加運算器把結果S的第0個值到第97個值與重疊緩衝器中的第0個值到第97個值相加，結果保存在結果S的相應位置，即S
＝S
+重疊緩衝器
，...，S[97]＝S[97]+重疊緩衝器[97]。S
，...，S[127]位計算結果進行輸出。把S[128]，...，S[128+(98-1)]保存到重疊緩衝器中的重疊緩衝器
到重疊緩衝器[97]的位置。然後回到對各個濾波器衝擊響應Hi和各路輸入信號Xi補零以及FFT運算的步驟，並重複進行以後的各個步驟，直到信號X1，X2，X3的輸入結束為止。
圖4是根據本發明的信號處理裝置的結構方框圖。
輸入數據存儲邏輯單元存儲輸入的各路信號數據與濾波器數據，根據參數與地址控制端送來的補零個數對輸入數據進行補零操作。FFT/IFFT運算邏輯單元，根據輸入數據存儲邏輯單元提供的數據和參數與地址控制器提供的命令對輸入數據進行FFT運算，然後把運算結果送到FFT係數存儲邏輯單元。FFT存儲邏輯單元在參數與地址控制器的控制下把FFT係數存儲到內存的某個位置。當各個輸入數據的FFT運算及存儲完成時，由乘加運算器從FFT係數存儲邏輯單元中取出各個輸入數據的FFT係數以及各個濾波器的FFT係數，把相應的濾波器FFT係數和輸入數據的FFT係數點乘，把各個點乘的結果矢量相加，最後的結果送回FFT係數存儲邏輯單元。此後，FFT/IFFT運算邏輯單元根據參數與地址控制器的命令對FFT係數存儲邏輯單元保留的乘加運算結果進行IFFT運算，IFFT運算的結果由FFT運算存儲邏輯單元進行保存。最後乘加運算器把IFFT運算的部分結果和重疊緩衝器中保留的上一次運算的結果相加，並且保存在回原來的位置。重疊緩衝器的值更新為IFFT運算結果的部分值。輸出的運算結果為IFFT運算結果的一部分值。這裡沒有對硬體執行此種計算的各個步驟進行詳細說明，因為硬體的步驟和前面已經詳述的算法步驟是一一對應的。
本發明以具體的實施例結合附圖進行了說明，但是具體的實施例不是用來限定本發明，本領域的技術人員可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下進行修改、變更或替換。
權利要求
1.一種信號處理方法，包括以下步驟循環計數器的計數J置0，重疊緩衝器清零；選定FFT計算的平均長度N和運算長度FL；判斷循環計數器的計數J和各濾波器衝擊響應Hi值，如果判斷循環計數器的計數J＝0或者濾波器衝擊響應Hi的值發生變化，把濾波器衝擊響應Hi往後補零成為長度為FL的向量，並且對各個濾波器衝擊響應Hi進行FFT運算，得到其FFT係數[hi，0，hi，1，...hj，FL-1]並保留在濾波器衝擊響應的緩衝器中；如果判斷J≠0或者濾波器衝擊響應Hi的值沒有發生變化，則進入下一步驟；對各路輸入信號Xi按時間輸入N個值，往後補零成為運算長度FL，並且對各路輸入信號Xi進行FL點的FFT運算，得到其FFT係數[xi，0，xi，1，...xi，FL-1]，i＝1，2，...M；將各個濾波器衝擊響應Hi的FFT係數[hi，0，hi，1，...hi，FL-1]和各路輸入信號X的FFT係數[xi，0，xi，1，...xi，FL-1]點乘；由乘加運算器把M個點乘的結果[hi，0xi，0，hi，1xi，1，...hi，FL-1xi，FL-1]進行矢量相加；對矢量相加的結果進行IFFT運算得到時域的FL點輸出Tj；該輸出Tj中的第0點到第Lmax-2點的值加上重疊緩衝器中第0點到第Lmax-2點的值，Lmax是濾波器的最大階數；將該輸出Tj中的第0到第N-1點的值輸出，並將該輸出Tj中的第N點到第N+Lmax-2點的值分別存儲在重疊緩衝器中的0點到第Lmax-2點的位置；回到上述判斷循環計數器的計數J和各濾波器衝擊響應Hi值的步驟，然後重複進行以後的各個步驟，直到完成對所有的輸入信號的處理。
2.根據權利要求1的信號處理方法，其中所述選定FFT計算的平均長度是根據下式確定的N＞Lmax-2和運算長度根據以下公式確定FL≥N+Lmax-1，FL＝2k，k為整數，Lmax是濾波器的最大階數。
3.根據權利要求1的信號處理方法，其中所述各路輸入信號Xi的FFT係數與濾波器衝擊響應Hi的FFT係數的點乘步驟進行FL次；其中所述矢量相加運算步驟需要進行(M-1)*FL次。
4.根據權利要求3的信號處理方法，其中在濾波器衝擊響應Hi的FFT係數和所述各路輸入信號Xi的FFT係數都是實數的情況下，需要進行FL/2+1次複數乘法運算和(M-1)*(FL/2+1)次複數加法運算。
5.一種信號處理裝置，包括輸入數據存儲邏輯單元，用於存儲輸入的各路信號數據與濾波器數據，根據參數與地址控制端送來的補零個數對輸入數據進行補零操作；FFT/IFFT運算邏輯單元，根據輸入數據存儲邏輯單元提供的數據和參數與地址控制器提供的命令對輸入數據進行FFT運算，然後把運算結果送到FFT係數存儲邏輯單元；FFT係數存儲邏輯單元，在該參數與地址控制器的控制下把FFT係數存儲在內存中；乘加運算器，從FFT係數存儲邏輯單元中取出各個輸入數據的FFT係數以及各個濾波器的FFT係數，把相應的濾波器衝擊響應的FFT係數和輸入數據的FFT係數點乘，把各個點乘的結果矢量相加，最後的結果送回FFT係數存儲邏輯單元；所述FFT/IFFT運算邏輯單元，根據該參數與地址控制器發來的命令，對FFT係數存儲邏輯單元保留的乘加運算結果進行IFFT運算，IFFT運算的結果由FFT運算存儲邏輯進行保存；重疊緩衝器，以每次IFFT運算結果的部分值更新其保存的值；參數與地址控制器，控制輸入數據存儲邏輯單元、FFT/FFT運算邏輯單元和乘加運算器的操作。
6.根據權利要求5的信號處理裝置，其特徵在於所述乘加運算器把IFFT運算的部分結果和重疊緩衝器中保留的上一次運算的結果相加，並且保存回原來的位置。
7.根據權利要求5的信號處理裝置，其特徵在於所述FFT/IFFT運算邏輯單元對由乘加運算器進行矢量相加的結果進行IFFT運算，所述矢量相加的結果是將各個濾波器衝擊響應的FFT係數和各路輸入信號的FFT係數點乘的各個點乘結果進行矢量相加得到的。
全文摘要
本發明的信號處理裝置包括輸入數據存儲邏輯單元；FFT/FFT運算邏輯單元；FFT係數存儲邏輯單元；乘加運算器；重疊緩衝器和參數與地址控制器。本發明的信號處理方法包括步驟循環計數器的計數J置0，重疊緩衝器清零；選定FFT計算的平均長度N和運算長度FL；判斷循環計數器的計數J和各濾波器衝擊響應H
文檔編號H03H17/00GK1688104SQ20051007758
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月20日 優先權日2005年6月20日
發明者林中松 申請人:北京中星微電子有限公司