噪聲減小的有限衝激響應濾波器均衡器及其噪聲減小方法

2023-07-30 01:56:46

專利名稱：噪聲減小的有限衝激響應濾波器均衡器及其噪聲減小方法
技術領域：
本發明涉及一種噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器及其噪聲減小方法。
FIR(有限衝激響應濾波器)均衡器結構簡單、易於實現，在HDTV接收機中是均衡器的一個可選方案，尤其在研製初期是首選方案。但100多節的FIR均衡器對噪聲有較大的增強作用，對接收機接收信號十分不利。
自適應FIR均衡器原理如

圖1所示。FIR均衡器實際上就是一個橫向濾波器。Z-1單元是延時單元，將信號延遲一個時鐘周期；CO～CN是節點抽頭係數。各延時信號乘以相應係數，累加起來就得到輸出結果。CO～CN是自適應調節的，e(n)乘以步長a0用以調節各抽頭係數。
FIR均衡器工作原理的數學表達式如下
均衡器輸入
r(KT)
均衡器輸出使用均方誤差最小準則時，誤差的梯度為其無偏估計為
因此可得係數更新算法
Cn(k+1)=Cn(k)-Δekr(kT-nT)
前饋均衡器的優點是①環路總是穩定的。②既可以消除延遲地付徑也可以消除超前的付徑。缺點是①在消除付徑幹擾時，將信號延遲、乘係數、加到原信號中，在這個過程中，噪聲將增大。②在消除一個付徑幹擾時，前饋均衡器會產生另一個時延是原付徑兩倍、幅度為原付徑平方的多徑幹擾。這個次生的付徑幹擾也可以消除，但要產生一系列幅度逐漸變小的次生多徑幹擾。到最後，新產生未被消除的次生幹擾幅度變得很小，類似於信號中的噪聲，可以被糾錯編碼糾正，或在「量化」過程中消失。而要達到這種效果，要求橫向濾波器相當長，具有足夠多的節點和抽頭係數。
例如使用自適應的FIR濾波器作均衡器，均衡器參數自動調節到最佳。當設計多徑信道付徑時延為3，付徑相對主徑幅度為0.1時，FIR均衡器各節點的係數達到穩定收斂時，依此為1,0,0,-0.1,0,0,+0.01,0,0,-0.001,0,0,0.0001,0,0,-0.00001……。係數0.1抵消信道付徑，產生0.01的付徑。抵消0.01的付徑時產生0.001和0.0001的付徑，這個過程不是簡單的重複，即抵消第二個付徑時產生不止一個付徑。
圖2示意了FIR均衡器產生次生付徑的過程。
計算機仿真發現對延時n，幅度為A的付徑，產生一系列延時為了2n,3n,4n,5n,…幅度為A**2,A**3,A**4,A**5…的次生付徑，並依次抵消。
均衡器的節點數目是逐步增加的。在數字微波通信中，用於消除信道失真的均衡器長度為5-6節。在2.4kb/s以上速率的Modem中，用於消除電話信道的均衡器長度一般為十幾節到二十幾節。在HDTV中，為了消除時延較大的鬼影失真，美國大聯盟方案中均衡器的長度第一次超過100級。
使用這麼長的FIR均衡器，帶來的問題主要有①由於FIR濾波器噪聲是積累的，當級數多時信噪比要下降。②級數多時抽頭係數調節步長減小，收斂速度變慢，要訓練更多的輸入信號點抽頭係數才能調節到最佳。③硬體複雜性大大增加。
HDTV中均衡器硬體實現是非常困難的，在分析了①專用信號處理器(DSP)實現，②超大規模現場可編程門陣列(FPGA)實現，③超大規模專用集成電路(ASIC)實現之後，得到的結論是HDTV中均衡器只能使用TMS320C31 DSP加L64240組成的係數可以重新置入的自動均衡器。L64240負責作橫向濾波，DSP負責為L64240提供係數。
L64240是我們目前能夠得到的做橫向濾波器的規模最大的晶片。L64240是為FIR設計的晶片，在其使用手冊中指明用於FIR時可以多片擴展構成長的濾波器，但L64240的使用手冊中沒有說明構成IIR時可以多片擴展構成長的濾波器。可想而知，構成DFE時困難比FIR大許多。因此，使用L64240構成FIR均衡器，是HDTV中均衡器實現的一個重要方案。
本發明的目的是提供一種噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器及其噪聲減小方法。它給均衡器抽頭係數設置一個門限值，小於門限值的抽頭係數都置為零可以顯著地降低噪聲的影響，明顯地減小FIR均衡器帶來的系統門限信噪比的上升，提高FIR均衡器的性能。
按照本發明的一種噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器，它由一個數位訊號處理器(DSP)，第一橫向濾波器和第二橫向濾波器組成，數位訊號處理器(DSP)實現自適應濾波，橫向濾波器實現高速的橫向濾波；數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據取出同步信號，計算出均衡器128個節點的抽頭係數，分別送到第一和第二橫向濾波器的係數輸入端，數位訊號處理器(DSP)還控制著第一和第二橫向濾波器的工作狀態，即提供橫向濾波器控制字；第一橫向濾波器接受來自外部的輸入數據，由其DI0端輸入，外部的輸入數據在第一橫向濾波器中經過64級延時，由其SR端輸出，送到級聯的第二橫向濾波器的DI0輸入端；各個橫向濾波器的節點延時的輸入數據與節點抽頭係數相乘後累加，結果由DO端輸出即完成了橫向濾波；第一和第二橫向濾波器的輸出通過一個加法器相加後即得到均衡器的輸出結果；
其特徵在於所說數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據中檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度，根據輸入信噪比設定門限值，低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲，把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零，即給抽頭係數設定一個門限值，低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
按照本發明的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的噪聲減小方法，所說有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器由一個數位訊號處理器(DSP)，第一橫向濾波器和第二橫向濾波器組成，數位訊號處理器(DSP)實現自適應濾波，橫向濾波器實現高速的橫向濾波；其特徵在於
所說數位訊號處理器(DSP)將抽頭係數分別送到第一和第二橫向濾波器的係數輸入端並控制著第一和第二橫向濾波器的工作狀態，即提供橫向濾波器的控制字；
所說數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據中檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度，根據輸入信噪比設定門限值，低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲，把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零，即給抽頭係數設定一個門限值，低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。
圖1是自適應FIR均衡器的原理圖。
圖2是FIR均衡器產生次生付徑的示意圖。
圖3是按照本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的原理圖。
圖4是按照本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的方框圖。
圖5是按照本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的詳細結構圖。
下面結合圖3-5對本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器及其噪聲減小方法進行詳細說明。
數字傳輸系統有一個門限信噪比。當傳輸系統輸出的信噪比低於門限信噪比時，信息完全無法傳輸。當傳輸系統輸出的信噪比略高於門限信噪比時，信息就可以很好地傳輸，此時傳輸系統繼續提高信噪比，並不能提高系統傳輸信息的能力。HDTV地面廣播系統門限信噪比為14.9dB。即均衡器輸出的信噪比(有用信號與噪聲、殘餘碼間等有害信號之比)必須高於14.9dB。FIR均衡器有噪聲增強作用，輸入FIR均衡器的白噪聲(不包括碼間幹擾)必須更小，相當於提高了系統的門限信噪比。
理論分析和計算機仿真都說明128節的FIR均衡器在輸入信噪比為16～20dB時輸出信噪比將下降1～2dB。也就是說，使用FIR均衡器要求數據機系統的門限信噪比提高1～2dB。
然而，為了得到14.9dB的門限信噪比，HDTV系統使用了複雜的RS碼的糾錯編碼和碼率為2/3的TCM(格狀編碼調製)，用軟判決Viterbi解碼方法解碼。FIR均衡器1～2dB的門限信噪比損失實在太大了。而且在系統信噪比富餘量小時這會使系統難以正常工作。因此，FIR均衡器的噪聲問題成為阻礙HDTV中均衡器正常工作的關鍵問題，必須解決。
從時域分析，FIR均衡器與判決反饋IIR均衡器工作原理類似，都是利用輸出的衝擊響應函數逐一對消延遲的碼間幹擾。即利用主徑適當延時並乘以係數，對消付徑等碼間幹擾。當係數正確調節時，可以把碼間幹擾消除掉。不同之處在於FIR均衡器要產生次生的付徑，IIR均衡器不產生次生的付徑。
根據HDTV信道的特徵，無線視距傳輸存在反射，折射等，產生付徑，這種付徑的數目是有限的幾條，加拿大通信研究中心在渥太華地區201MHz頻道的實測結果表明，發射機到接收機的傳輸信號的多徑數目平均為3.33條。
因此，在只有多徑而無噪聲的情況下，100多級的FIR均衡器工作時抽頭係數只有幾個不為零，其餘絕大多數都應該為零。不為零處就是付徑和次生付徑所在處。計算機仿真證實了理論分析得到的這個結論。
加入噪聲時，計算機仿真發現抽頭係數一般不為零，而是一些小的數值。這是由於噪聲造成的。
HDTV系統中，信道編解碼有相當強的糾錯能力，完全可以對付相當大的噪聲(-15dB以下)以及幅度小於或等於噪聲的付徑等碼間幹擾，因此，均衡器只要設計成能對付幅度相當大(大於-15dB)的付徑即可。
在大的付徑(包括次生付徑)的位置均衡器抽頭係數不為零。其餘近百個均衡器抽頭係數應該為零，不為零也是噪聲的影響，所以可以把沒有付徑出現的所有抽頭係數都強制為零。
具體實現方法是均衡器中使用信號處理DSP檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度，根據輸入信噪比設定門限值，低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲(實際上幅度小的碼間幹擾，其影響就如同噪聲一樣)，把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零。即給抽頭係數設定一個門限值，低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
圖3顯示了本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的原理圖。與圖1比較，差別只是在抽頭係數Cn送到乘法器之前加了一個門限電路，小於門限電平的Cn都變成了零。
圖4顯示了本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的方框圖。它由一個數位訊號處理器(DSP)TMS320C31，第一橫向濾波器(L64240)和第二橫向濾波器(L64240)組成。橫向濾波器(L64240)和數位訊號處理器(DSP)TMS320C31各有優點，前者可以實現高速的橫向濾波，後者可以實現自適應濾波。兩者各完成HDTV中自適應均衡器的一種功能，結合起來才能實現HDTV中的均衡器。數位訊號處理器(DSP)TMS320C31從輸入的數據中取出同步信號，計算出均衡器128個節點的抽頭係數，分別送到第一和第二橫向濾波器(L64240)的係數輸入端。數位訊號處理器(DSP)TMS320C31還控制著第一和第二橫向濾波器(L64240)的工作狀態，即提供橫向濾波器(L64240)控制字。
為了減小噪聲，數位訊號處理器(DSP)TMS320C31還從輸入的數據中檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度，根據輸入信噪比設定門限值，低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲(實際上幅度小的碼間幹擾，其影響就如同噪聲一樣)，把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零。即給抽頭係數設定一個門限值，低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
第一橫向濾波器(L64240)接受來自外部的輸入數據，由其DI0端輸入。外部的輸入數據在第一片橫向濾波器(L64240)中經過64級延時，由其SR端輸出，送到級聯的第二橫向濾波器(L64240)的DI0輸入端。每個各個橫向濾波器(L64240)的節點延時的輸入數據與節點抽頭係數相乘後累加(參見圖3)，結果由DO端輸出即完成了橫向濾波。第一和第二橫向濾波器(L64240)的輸出通過一個加法器相加後即得到本發明的均衡器的輸出結果，所說加法器可以是第二橫向濾波器(L64240)中現成的加法器。
橫向濾波器(L64240)一片可以完成8bit精度，64節點的橫向濾波。因為橫向濾波器(L64240)本身考慮了多片級聯構成更大的濾波器的問題，所以橫向濾波器(L64240)可以很自然地級聯起來完成更長的FIR濾波器。實際電路調試表明兩片橫向濾波器(L64240)級聯組成一個128節的FIR濾波器除了總時延增加一個時鐘周期以外，沒有任何其他困難。
圖5是按照本發明的噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的詳細結構圖。它是一個128節的FIR電路。圖中左邊的數位訊號處理器(DSP)TMS320C31提供係數和控制字給兩片橫向濾波器(L64240)的所有節點。數位訊號處理器(DSP)TMS320C31本身實際上是一個慢速的自適應濾波器。右邊兩片橫向濾波器(L64240)構成128級的高速橫向濾波器。兩片橫向濾波器(L64240)級聯的方法是第一片的SR接第二片的DI，第一片的DO接第二片的PR，第一片的DI是總輸入，第二片的DO是總輸出。接法比較簡單。對抽頭係數Cn的門限判決和置零都是由數位訊號處理器(DSP)TMS320C31的軟體實現的。
本發明帶來的效果是非常明顯的。根據計算機仿真結果，只要適當選取門限值，被抬高的門限信噪比的升高值的70％以上都可以降回去。例如信噪比為16dB的輸入信號，經過FIR均衡器後輸出信噪比為15.5dB左右。如果均衡器抽頭係數門限定為
，則輸出信號的信噪比為15.5dB左右。又如，信噪比為20dB的輸入信號，經過FIR均衡器後輸出信噪比為19dB左右。如果均衡器抽頭係數門限定為
，則輸出信號的信噪比為19.7dB左右。
在實際的HDTV功能樣機系統中，均衡器採用上述方法得到了很好的效果，可以看到均衡器輸出噪聲明顯降下來了。
權利要求
1，一種噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器，它由一個數位訊號處理器(DSP)，第一橫向濾波器和第二橫向濾波器組成，數位訊號處理器(DSP)實現自適應濾波，橫向濾波器實現高速的橫向濾波；數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據取出同步信號，計算出均衡器128個節點的抽頭係數，分別送到第一和第二橫向濾波器的係數輸入端，數位訊號處理器(DSP)還控制著第一和第二橫向濾波器的工作狀態，即提供橫向濾波器控制字；第一橫向濾波器接受來自外部的輸入數據，由其DI0端輸入，外部的輸入數據在第一橫向濾波器中經過64級延時，由其SR端輸出，送到級聯的第二橫向濾波器的DI0輸入端；各個橫向濾波器的節點延時的輸入數據與節點抽頭係數相乘後累加，結果由DO端輸出即完成了橫向濾波；第一和第二橫向濾波器的輸出通過一個加法器相加後即得到均衡器的輸出結果；
其特徵在於所說數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據中檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度，根據輸入信噪比設定門限值，低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲，把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零，即給抽頭係數設定一個門限值，低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
2，一種有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器的噪聲減小方法，所說有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器由一個數位訊號處理器(DSP)，第一橫向濾波器和第二橫向濾波器組成，數位訊號處理器(DSP)實現自適應濾波，橫向濾波器實現高速的橫向濾波；其特徵在於
所說數位訊號處理器(DSP)將抽頭係數分別送到第一和第二橫向濾波器的係數輸入端並控制著第一和第二橫向濾波器的工作狀態，即提供橫向濾波器的控制字；
所說數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據中檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度，根據輸入信噪比設定門限值，低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲，把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零，即給抽頭係數設定一個門限值，低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
全文摘要
一種噪聲減小的有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器及其噪聲減小方法,所說有限衝激響應濾波器(FIR)均衡器由一個數位訊號處理器(DSP),第一橫向濾波器和第二橫向濾波器組成,數位訊號處理器(DSP)實現自適應濾波,橫向濾波器實現高速的橫向濾波;其特徵在於:所說數位訊號處理器(DSP)從輸入的數據中檢測碼間幹擾(付徑、帶內波動等)的強度,根據輸入信噪比設定門限值,低於這個門限值的碼間幹擾都判為噪聲,把沒有付徑而只有噪聲的抽頭係數都固定為零,即給抽頭係數設定一個門限值,低於門限值的抽頭係數都用零係數代替。
文檔編號H03H17/02GK1213898SQ98117980
公開日1999年4月14日 申請日期1998年9月11日 優先權日1998年9月11日
發明者宋杭賓, 王匡, 歸琳 申請人:國家科學技術委員會高技術研究發展中心