自適應濾波方法及相關設備的製作方法
2023-10-09 12:57:24 2
專利名稱：自適應濾波方法及相關設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及處理輸入信號的方法。還涉及用於實現該方法的相應數據處理設備。
本發明尤其涉及視頻或音頻數據經通信信道傳輸時遭受失真而進行的處理。
在下文中，符號「A」表示信號A，「A(n)」表示信號A在離散時間n的數位化值。
輸入信號Sin可能代表任何類型的數字視頻、音頻或通信數據。信號Sin代表諸如視頻或音頻數據。輸入信號Sin可能是由基站產生的壓縮視頻數據所調製的中頻。該信號從基站通過地面廣播、電纜或衛星信道傳輸到接收機。在傳輸期間，信號Sin可能受到不同形式失真的影響。所傳輸的輸入信號Sin可能包括訓練序列。接收到的訓練序列可能被破壞。為補償某些類型的失真，使用自適應濾波器F對可能被破壞的輸入信號Sin進行濾波。濾波器F是自適應的，因此經過濾波的已接收訓練序列與接收機預知的原始訓練序列接近。濾波器F有m個可調整係數的集合C，其值為離散時間n處的C0(n)，C1(n)，…，Cm-1(n)。濾波器F產生輸出信號Sout，且值Sout(n)由時刻n的濾波器係數值和濾波器F中緩存的輸入信號Sin值得到，示於
圖1A中的公式。
為使濾波器F達到自適應，如圖1B所示，從基準信號Sref和信號Sout之差得到誤差信號E。基準信號是接收機預知的訓練序列。這種自適應濾波或均衡的方法依靠訓練序列來調整係數，通常稱為「訓練均衡」。
係數的調節也可通過所謂的盲均衡來完成。盲均衡並不需要傳輸訓練序列。誤差信號E的導出和係數的調節依賴於自適應濾波器輸出信號Sout的統計特性。
可能的調節方法包括更新集合C以使誤差信號E最小。通常通過從時刻n到時刻n+1時更新每個係數的方法來更新集合C。圖1C中給出對時刻n處的係數Cj進行更新的方程形式，其中g是時刻n的數學標量函數，f1是時刻n處誤差信號值的數學標量函數，f2是時刻n處濾波器F中緩存的輸入信號Sin(n-j)值的數學標量函數，公式中還有係數Cj。
調節公式眾所周知的一種形式如圖1D所示，涉及最小均方(LMS)算法，目的是調整濾波器F的係數，令濾波器F的輸出信號與基準信號之間差異最小。使用控制算法收斂速度的自適應步進參數μ進行係數Cj(n)的更新。
在此引入作為參考的美國專利5,568,411，公開了自適應濾波器中更新係數的一種方法。該方法與眾所周知的最小均方更新算法非常類似。這種已知的方法針對係數更新的關係基於極性一致相關器，該相關器基於誤差信號的符號和輸入信號連續N個時刻樣值符號的乘積和。
本發明的一個目的是提供數據處理設備中易於實現的有效濾波方法。本發明的另一目的是提供可進行高速數據處理的數據處理設備，並提供該設備的低成本實施方案。
為此目的，本發明提供對輸入信號處理的方法。該方法包括下述步驟。輸入信號通過使用可調整係數的濾波器進行濾波以產生輸出信號。從輸出信號中導出誤差信號。對至少一個特定的濾波器係數，從輸入信號的第一個值、取決於誤差信號第三個值極性的二進位信號的第二個值和步進增益的第四個值的乘積可得到更新量。步進增益的形式為2K，K是整數且取決於第三個值的幅值和步進增益參數。隨即使用得到的更新值對特定濾波器係數進行調整。
本發明的處理方法目的是通過調節至少一個特定係數來獲得使誤差信號最小的輸出信號。基於輸入信號的值、誤差信號的極性和2K形式的指定步進增益來實現係數的調節，其中整數K是誤差信號幅值的函數。與基於理論的LMS公式更新係數以進行濾波的已知信號處理方法相比，本發明的方法由於所需乘法次數更少，因而更簡單。此外，與背景技術部分公開的濾波方法相比，本發明的方法不僅包括誤差信號的極性，還包括誤差信號的幅值。因此，本發明的方法允許對濾波器係數進行更精細的調整。此外，涉及的步進增益的形式是2K，易於通過諸如桶形移位器或預先準備的查找表來實現。因此，本發明方法的一個優點是其對於濾波器係數快速有效的更新機制，可避免多次乘法操作。本發明的方法是基於理論算法的方法和背景技術部分描述的低計算性方法的正確性之間的一個很好的折中。
本發明還涉及用於處理數字輸入信號的數據處理設備。本發明的設備包括具有可調整濾波器係數的電路，用於對輸入信號進行濾波並產生輸出信號。設備中還包括誤差計算器，用於從輸出信號中導出誤差信號。設備也包括步進增益計算器，用於得到2K形式的步進增益的第一個值，其中K是基於誤差信號第二個值的幅度和步進增益參數的整數。設備還有一個符號單元和更新電路，符號單元用於提供基於誤差信號第二個值極性的二進位信號。對至少一個特定濾波器係數，更新電路得到更新量並使用更新量來調整特定係數。更新量由輸入信號的第三個值、二進位信號的第一個和第四個值的乘積得到。
本發明的設備執行簡單的乘法操作。通常，乘法運算比較佔用處理資源，因此本發明的設備可以高效地使用可用的處理資源和計算時間。
本發明將通過舉例更進一步詳細闡述，其中參考下述附圖圖1A-1K是數學公式；圖2是根據本發明的數據處理設備框圖；圖3是本發明某些部分的流程圖示；圖4是根據本發明的自適應濾波電路框圖，且圖5是根據本發明的更新電路。
圖示中具有相似或相同特性的元件用同樣的編號表示。
圖2是根據本發明的數據處理設備200的實施例的框圖。設備200包括對數字輸入信號Sin進行濾波的濾波電路F，產生數字輸出信號Sout。濾波電路F有一個集合C，由m個在離散時間n處取值為C0(n)，C1(n)，…Cm-1(n)的可調整濾波係數組成。所述的係數可進行調整，意即它們的值可以改變。例如，如下面的示例所示，係數是自適應係數，因此濾波器F為自適應濾波器。
設備200可以是接收機的一部分，該接收機接收由發射器輸出並通過通信信道傳輸的輸入信號Sin。設備200完成對信號Sin的均衡。在訓練均衡中，發射器端對輸入信號Sin進行的發射包括Sin中包括基準信號Sref作為輸入信號Sin的一部分的發射。在接收端，接收到有失真的信號Sref。此信號Sref通常稱作訓練序列。有失真的基準信號Sref通過濾波器F進行濾波並產生經過濾波的有失真基準信號Sref。已濾波的有失真基準信號Sref是輸出信號Sout的一部分。本領域中技術人員可通過從信號Sref和已濾波的有失真基準信號Sref得到誤差信號並使誤差信號最小，且使用該結果來得到輸出信號，從而部分地去除信道失真。在盲均衡中，輸入信號Sin的傳輸不包括基準信號Sref的傳輸。在這種情況下，誤差信號E從輸出信號Sout的統計特性導出。
在本實施方案中，執行訓練均衡。設備200還包括用於從輸出信號Sout和基準信號Sref得到誤差信號的誤差計算器202。在設備200中預先已知基準信號Sref。
在本實施方案中，計算器202有一個比較器，可計算基準信號Sref和輸出信號Sout之間的差異，示於圖1E。量i是正整數，代表計算器202所需的延時以實現誤差信號E的計算。因此，離散時間n處，在計算器202輸出端當前可得的誤差信號E(n)值是與時間n-i處輸出信號Sout及基準信號Sref值有關的誤差值。在本發明的理想實施方案中，此延時i可能實際為0且誤差信號時刻n的取值E(n)與Sout(n)和Sref(n)時刻n的當前值有關。在圖1E中給出的誤差信號E的計算決不受本發明的限制，本領域技術人員可推導任何合適的數學表達式，用來量度初始發送和接收到的基準信號Sref之間的差異。在本發明的另一實施方案中，誤差信號E可以按圖1F中的公式得到。此處，誤差信號E是輸出信號和基準信號各自自乘後的差值的第一個函數G1以及輸出和基準信號之間差值的第二個函數G2的乘積。
得到的誤差信號E隨後送到符號單元204，產生代表誤差信號E極性的二進位符號信號SGN。當信號E在時刻n處是正值或0時，信號SGN在時刻n的值是0。當信號E在時刻n處是負值時，信號SGN在時刻n的值是1。信號E和信號SGN隨後送到更新電路206。電路206可更新至少一個特定的濾波器係數Cj，將其從時刻n的值Cj(n)變為時刻n+1的新值Cj(n+1)。
為此目的，電路206得到相應的係數更新量DCj(n)，該值為輸入信號Sin的值Sin(n-j-i)、從E(n)值得到的SGN(n)值和以2K形式的步進增益這三項的乘積，其中K為負整數。輸入信號Sin(n-j-i)的值與時刻n-i處的係數Cj相關，導致時刻n處的E(n)值。量K取決於E(n)值的幅度和步進增益參數μ。整數K可以是負整數量K1和正整數量K2的和。量K1可以是μ以2為底的對數，μ優選為2t形式，其中t是負整數。量K2得自誤差信號E當前值的幅度，當誤差信號的幅度增加時K2優選增加。因此，更新係數Cj時，當誤差信號E(n)的幅值增加時，更新量DCj(n)的幅度變大。這樣，當誤差信號的幅度減小時，步進增益M減小。在本發明的實施方案中，在時刻n可以計算K2，是誤差信號E的幅度以2為底的對數值經過四捨五入的最接近整數值。對於誤差信號E的各種幅值，K2可從查找表中存儲的K2值得到。
可能按照如圖1G和圖1H中的公式，隨後將得到的更新量DCj(n)與Cj(n)值相加後得到係數Cj的新值Cj(n+1)。在圖2所示的本發明實施方案中，誤差信號E推導中的延時i是，例如2個離散時間周期。因此誤差信號在時刻n的值E(n)相應於2個離散時間單元以前輸出信號的值Sout(n-2)和基準信號Sref的值Sref(n-2)。在本發明的實施方案中，如圖1H中的更新公式變為如圖1I的公式。
當更新時刻n的係數Cj，電路206可能為濾波器F提供對應值DCj(n)，這樣濾波器F內部將係數Cj的值從Cj(n)更新為Cj(n+1)。在另一實施方案中，電路206可能還從濾波器F中恢復所述Cj(n)值，在所得量DCj(n)的基礎上修改Cj(n)值，然後將新的Cj(n+1)裝入濾波器F，替換值Cj(n)。在本發明的方法中，當時間從n到n+1時，並不需要同時更新整個集合C中的全部係數。當指定係數Cj沒有更新時，時刻n+1處的Cj(n+1)值仍為時刻n的Cj(n)值。
圖3是流程圖300，示出本發明中濾波方法的各個步驟。步驟302包括使用諸如圖2中濾波電路F的帶可調整係數C0，…，Cm-1的濾波器對輸入信號Sin濾波，得到輸出信號Sout。步驟304包括從輸出信號Sout中導出誤差信號E。在訓練均衡中，誤差信號E從輸出信號和參考信號Sref中得到。在盲均衡中，誤差信號從輸出信號Sout的統計特性中得到。下一步驟306包括對至少一個特定濾波器係數Cj，導出與特定濾波器係數Cj有關的更新量DCj，該更新量是輸入信號Sin的值、誤差信號E的符號以及以2K1+K2形式的步進增益M的乘積。量K2是誤差信號幅值的函數。於是，在所得DCj的基礎上，步驟308包括使用所得更新值DCj(n)來修改係數Cj的值Cj(n)。
現詳細解釋濾波器F的機能。濾波器F可能的功能實施方案如圖4所示。濾波器F例如是4抽頭濾波器，這意味著濾波電路F有四個係數C0、C1、C2和C3，在時刻n各自的值C0(n)、C1(n)、C3(n)和C4(n)分別存儲在四個抽頭寄存器400、402、404和406中。濾波電路F還包括四個數據寄存器D1、D2、D3和D4，用於存儲輸入信號Sin的值。在時刻n，Sin(n)、Sin(n-1)、Sin(n-2)和Sin(n-3)分別存儲在寄存器D1、D2、D3和D4中。寄存器D1、D2、D3和D4形成FIFO(「先入先出」)。濾波器F還包括四個乘法器408、410、412和414。
在時刻n，乘法器408接收寄存器D1中存儲的輸入信號值Sin(n)和寄存器400中存儲的C0(n)值。乘法器408隨後為加法器416提供Sin(n)與C0(n)值的乘積。在時刻n，乘法器410接收寄存器D2中存儲的Sin(n-1)值和寄存器402中存儲的C1(n)值。乘法器410隨後為加法器416提供Sin(n-1)與C1(n)值的乘積。在時刻n，乘法器412接收寄存器D3中存儲的Sin(n-2)值和寄存器404中存儲的C2(n)值。乘法器412隨後為加法器416提供Sin(n-2)與C2(n)值的乘積。類似地，乘法器414接收寄存器D4中存儲的Sin(n-3)值和寄存器406中存儲的C3(n)值。乘法器隨後為加法器416提供Sin(n-3)與C3(n)值的乘積。
加法器416按照如圖1J所示的乘積和，得到輸出信號在時刻n的值Sout(n)。
當時間從n增加到n+1時，時刻n處的係數值C0(n)、C1(n)、C2(n)和C3(n)可以通過分別向寄存器400、402、404和406裝入新的值C0(n+1)、C1(n+1)、C2(n+1)和C3(n+1)來進行調整。當時間從n增加到n+1時，集合C並不需要全部更新，可能只有一個係數在時刻n與n+1之間有更新。例如，在本實施方案中，係數C1根據圖1K的公式進行更新，其中SGN(n)是值E(n)＝Sout(n-2)-Sref(n-2)的極性。
圖5是本發明的電路206的一種可能實施方案的框圖。更新電路206首先包括反相單元500，用於得到與信號Sin幅值相同但極性相反的信號。在本發明的此實施方案中，設備500將輸入信號Sin乘以-1。電路206還包括一個復用器502。在時刻n，當更新指定係數Cj時，復用器接收時刻n的值Sin(n-j-i)和單元500的輸出-Sin(n-j-i)。復用器502還接收時刻n的信號SGN值。根據信號SGN的值，復用器502提供帶符號的信號SSin，在時刻n其值為Sin(n-j-i)或Sin(n-j-i)的負值。時刻n時，SGN(n)值為0，SSin(n)的值為Sin(n-j-i)。當SGN(n)值為1時，SSin(n)的值為-Sin(n-j-i)。
信號SSin隨後送到桶形移位器504，用於提供更新量DCj(n)，該更新量是SSin(n)值與步進增益M的乘積。時刻n的步進增益M由時刻n的誤差信號幅值得到。由於步進增益M的形式為2(K1+K2)，所以通過桶形移位器504得到乘積。移位器504包括，例如，5個移位單元506、508、510、512和514對不同的K1+K2值實現信號SSin(n)在時刻n的不同的二進位右移位。例如，移位單元506、508、510、512和514可以作為總線連接器實現，並完成比特重排序。在本實施方案中，單元506可對信號SSin右移一位，單元508可對信號SSin右移兩位。桶形移位器504還包括一個復用器516，用於產生更新量，該更新量是根據所提供的值K＝K1+K2，移位單元506、508、510、512、514之一的輸出。在本發明的本實施方案中，更新電路包括查找表存儲器MEM，用於對於誤差信號E的幅值和步進增益參數值μ的不同組合存儲整數K值。在本發明的另一實施方案中，查找表MEM可能在電路206外實現，可能有多個查找表MEM。例如，不同的查找表可能對應步進增益參數μ的不同值、輸入信號Sin傳輸時的各種信道條件、係數更新的方式是訓練還是盲模式、錯誤率等等…因此，根據K值，桶形移位器504提供時刻n處的校正量DCj(n)。
電路206包括一個加法器518，用得到的DCj(n)更新係數Cj，從而提供一個新的Cj(n+1)值。
應當指出，關於所描述的方法，可能並在不脫離發明的範圍的情況下提出修改或改進。例如，顯然此處理方法可以以多種方式實現，例如通過有線電子電路或存儲在計算機可讀介質中的指令集，所述指令取代至少所述電路中的一部分並可在計算機或數字處理器的控制下執行，目標是完成所述被替換電路實現的相同功能。
權利要求
1.一種處理輸入信號的方法，該方法包括使用具有可調整濾波器係數的濾波器對輸入信號濾波以產生輸出信號；●從輸出信號導出誤差信號；●對至少一個特定的濾波器係數，從輸入信號的第一個值、取決於誤差信號第三個值極性的二進位信號的第二個值和形式為2K的步進增益的第四個值的乘積得到更新量，其中K是整數且取決於第三個值的幅度和步進增益參數；●使用更新量調整濾波器的特定係數。
2.一種用於處理輸入信號的數據處理設備，包括●具有可調整濾波器係數的濾波電路，用於對輸入信號濾波並產生輸出信號；●誤差計算器，用於從輸出信號導出誤差信號；●步進增益計算器，用於得到形式為2K的步進增益的第一個值，其中K是整數且取決於誤差位號的第二個值的幅度和步進增益參數；●符號單元，用於提供取決於誤差信號第二個值極性的二進位信號；●更新電路，用於對至少一個特定的濾波器係數，從輸入信號的第三個值、二進位信號的第一個值和第四個值的乘積得到更新量，並用更新量調整特定係數。
3.如權利要求2的設備，還包括一個數字部件，所述部件包括至少一個桶形移位器，用來執行由步進增益特定值的相乘。
4.如權利要求2的設備，其中K為K1+K2的形式，K1和K2是整數且設備包括一個用於存儲對於誤差信號的不同幅值的K2值的存儲器電路。
5.如權利要求2的設備，其中K為K1+K2的形式，K1和K2是整數且設備包括一個用於存儲對於步進增益參數的不同值的K1值的存儲器電路。
6.如權利要求2的設備，其中在離散時刻n，更新量由誤差信號在時刻n-m的值和輸入信號在時刻n-m的值得到，此處m代表處理延時。
7.如權利要求2的設備，其中濾波器包括具有可調整係數的數字濾波器。
8.如權利要求2的設備，其中輸入信號已經過數位化。
9.一種存儲介質，包括用於存儲在處理器控制下可執行的一組指令的軟體模塊，並可執行處理數字輸入信號的處理方法中的至少一個步驟，該方法包括●使用具有可調整濾波器係數的濾波器對輸入信號濾波以產生輸出信號；●從輸出信號導出誤差信號；●對至少一個特定的濾波器係數，從基於輸入信號的第一個值、基於取決於誤差信號第三個值極性的二進位信號的第二個值和基於形式為2K的步進增益的第四個值的乘積得到更新量，其中K是整數且取決於第三個值的幅度和步進增益參數；●使用更新量調整特定的濾波器係數。
10.處理器控制下可執行的並可完成處理數字輸入信號方法中的至少一個步驟的一組指令，該方法包括●使用具有可調整濾波器係數的濾波器對輸入信號濾波以產生輸出信號；●從輸出信號導出誤差信號；●對至少一個特定的濾波器係數，從基於輸入信號的第一個值、基於取決於誤差信號第三個值極性的二進位信號的第二個值和基於以2K形式的步進增益的第四個值的乘積得到更新量，其中K是整數且取決於第三個值的幅度和步進增益參數；以及●使用更新量調整特定的濾波器係數。
11.一種電子文檔，可下載處理器控制下可執行的一組指令，該組指令可完成處理數字輸入信號方法中的至少一個步驟，該方法包括●使用具有可調整濾波器係數的濾波器對輸入信號濾波以產生輸出信號；●從輸出信號導出誤差信號；●對至少一個特定的濾波器係數，從基於輸入信號的第一個值、基於取決於誤差信號第三個值極性的二進位信號的第二個值和基於形式為2K的步進增益的第四個值的乘積得到更新量，其中K是整數且取決於第三個值的幅度和步進增益參數；以及●使用更新量調整特定的濾波器係數。
全文摘要
使用自適應濾波器對輸入信號進行濾波,以產生輸出信號。從輸出信號中導出誤差信號。自適應濾波器具有其值可被改變的係數。使用導出的更新量來修改係數值。更新量由輸入信號的值、誤差信號的極性值和步進增益的乘積得出。步進增益的形式為文檔編號H03H21/00GK1386323SQ01801879
公開日2002年12月18日 申請日期2001年4月17日 優先權日2000年5月4日
發明者V·L·戈斯泰恩, G·圖爾科尼奇 申請人:皇家菲利浦電子有限公司