級聯積分梳狀濾波器及其實現方法
2023-10-05 10:43:49 1
專利名稱：級聯積分梳狀濾波器及其實現方法
技術領域：
本發明涉及一種變採樣數字濾波領域，特別是涉及一種在功耗與面積之間取得平衡以獲得最佳性價比的級聯積分梳狀濾波器及其實現方法。
背景技術：
在數字通信等諸多領域中，通常會使用到數字濾波器來提升通信質量。濾波器的設計指標主要包括過渡帶寬和旁瓣幅度。濾波器的設計通常希望獲得儘量窄的過渡帶寬和較低的旁瓣幅度，然而減小過渡帶寬和抑制旁瓣幅度是不能兼得的，通常是以增加過渡帶寬以換取旁瓣的抑制。例如，可以通過加窗函數來抑制旁瓣幅度，但與此同時卻增加了過渡帶寬，為了減小過渡帶寬，又需增加濾波器的階數，因此，要綜合考慮技術指標以滿足濾波器的要求。
當前，電能計量晶片的數據採集主要是通過Σ-Δ模數轉換器(Sigma-DeltaADC)對模擬電壓和模擬電流進行採樣並轉換成它們的數字形式，以便後面的計量電路來計算電能、功率和有效值等數據。為了提高電能表的精度，一般是通過提高Σ-Λ模數轉換器的精度的方法來實現，根據Sigma-Delta用速度換精度的基本原理，此類模數轉換器ADC比較適合中慢速高精度的應用場合。Σ-Λ模數轉換器包括Σ-Λ調製器(Σ-AModulator)和數字濾波器兩部分，其中，DEC (Decimation)數字抽取濾波是一個重要環節，用於將高速低比特數據轉換為慢速多比特數據，由此能大幅提升信噪比。由於級聯積分梳狀(Cascaded-Integrator-Comb, CIC濾波器)濾波器結構簡單，又無需乘法器支持，實現起來非常簡單，故常會採用CIC濾波器來實現DEC的功能。CIC濾波器本質上實屬一種平均值濾波器，其傳遞函數為
α{=)=±^:-^11ζ 1其中，N表示抽取倍數。在SD-ADC領域，抽取倍數常用過採樣率
N ft:0 Λ l-z 9
(Over-Sampling Rate, OSR)來表示，同時為了易於硬體實現，OSR常取值2的冪次，例如，
25、26、27等。相應地，CIC濾波器的頻譜特性為:(;(,.)=1, 21,其中，w為
N sm(w/ 2)*
角頻率，單位為rad/s。單級CIC濾波器的頻譜特性(N=IO)如圖I所示，由圖I可見，第一旁瓣僅衰減到-13dB。因此，為了獲得更好的帶外衰減，一般在應用中都採取多級的級聯結
構，即採用傳遞函數為=的K級CIC濾波器,其中,K表示級聯級
+ N I--
數，最為常見地，K=3。IIR結構的CIC濾波器如圖2a所示，所述結構要求所有內部寄存器均以最寬的情況為準，最大位寬的參考公式為Btjut=INT[K*log2N+Bin]，其中Bin和Btjut分別代表輸入位寬和輸出位寬；CIC濾波器的功耗則主要以速度來衡量。以K=3為例，在所述經典的IIR結構中，前端的三個積分器環節運行在高速，而後端的三個微分器環節運行在低速，因此，這種IIR結構的CIC濾波器的缺點在於前面的積分環節，既要求最大位寬又要求最快速度，但在信息傳遞過程中，速度是與位寬成類反比關係相對合理，即速度逐漸降低，位寬逐漸增加；速度逐漸增加，位寬逐漸減小。CIC濾波器的的實現結構有多種，較為常見的除了上述經典的無限衝擊響應(IIR)結構，還有多級的有限衝擊響應(FIR)結構。FIR結構的CIC濾波器如圖2b所示，其傳遞函數為
權利要求
1.一種級聯積分梳狀濾波器，其特徵在於，包括位於前端的為有限衝激響應FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器以及位於後端、與所述第一子級聯積分梳狀濾波器串聯、為無限衝激響應IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器。
2.根據權利要求I所述的級聯積分梳狀濾波器，其特徵在於， 第一子級聯積分梳狀濾波器為K階FIR結構； 第二子級聯積分梳狀濾波器為K階IIR結構，包括積分器組、延時器、以及微分器組； 所述積分器組包括級聯而成的K個積分器，K為大於等於2的自然數； 所述微分器組包括級聯而成的K個微分器，K為大於等於2的自然數； 所述延時器串聯在所述積分器組中最後一級積分器的輸出端和所述微分器組中第一級微分器的輸入端之間。
3.根據權利要求I或2所述的級聯積分梳狀濾波器，其特徵在於 所述級聯積分梳狀濾波器的總降頻為OSR ； 所述第一子級聯積分梳狀濾波器實現Ml倍降頻，降採倍數為2的冪次，M1=2m, M為正整數； 所述第二子級聯積分梳狀濾波器實現N倍降頻； 其中，0SR=M1*N。
4.根據權利要求3所述的級聯積分梳狀濾波器，其特徵在於 定義代價函數=寄存位寬*運行速度，BP ,Pr ice = Bits * Freq ； 前端為FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器的實現代價為其中，Ml為所述第一子級聯積分梳狀濾波器的降頻，Ml = 2m，M為冪次，K為級聯積分梳狀濾波器的預定級數，Bin為輸入數據的輸入位寬，FS為輸入數據的採樣頻率； 後端為IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器的實現代價為 Price [Hiie] = [K*B0Ut] * [ (N+l) * (FS/OSR)] =[K (FS/OSR) * (N+l) ] * [Bin+K (M+log2N)] 其中，K為級聯積分梳狀濾波器的預定級數，Bin為輸入數據的輸入位寬，Bout為輸出數據的位寬，OSR為所述級聯積分梳狀濾波器的總降頻，N為所述第二子級聯積分梳狀濾波器的降頻； 級聯積分梳狀濾波器的總的實現代價為前端為FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器的代價與後端為IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器的代價之和，即
5.一種級聯積分梳狀濾波器的實現方法，其特徵在於，包括 提供級聯積分梳狀濾波器，包括位於前端的為有限衝激響應FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器以及位於後端、與所述第一子級聯積分梳狀濾波器串聯、為無限衝激響應IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器； 分別獲得與位於前端的為FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器對應的實現代價Price[Hfie]和與位於後端的為IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器對應的實現代價Price [Hiie]，從而獲得所述級聯積分梳狀濾波器的總的實現代價Price [HaJ ； 根據所述級聯積分梳狀濾波器的總降頻及總的實現代價Price [Ha。]，進行仿真，從而確定出獲得最佳性價比的位於前端的為FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器與位於後端的為IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器的降頻分配。
6.根據權利要求5所述的級聯積分梳狀濾波器的實現方法，其特徵在於， 第一子級聯積分梳狀濾波器為K階FIR結構； 第二子級聯積分梳狀濾波器為K階IIR結構，包括積分器組、延時器、以及微分器組； 所述積分器組包括級聯而成的K個積分器，K為大於等於2的自然數； 所述微分器組包括級聯而成的K個微分器，K為大於等於2的自然數； 所述延時器串聯在所述積分器組中最後一級積分器的輸出端和所述微分器組中第一級微分器的輸入端之間。
7.根據權利要求5或6所述的級聯積分梳狀濾波器的實現方法，其特徵在於 所述級聯積分梳狀濾波器的總降頻為OSR ； 所述第一子級聯積分梳狀濾波器實現Ml倍降頻，降採倍數為2的冪次，M1=2m, M為正整數； 所述第二子級聯積分梳狀濾波器實現N倍降頻； 其中，0SR=M1*N。
8.根據權利要求7所述的級聯積分梳狀濾波器的實現方法，其特徵在於 定義代價函數=寄存位寬*運行速度，即，Priee = mis岑Freq ; 前端為FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器的代價為
全文摘要
本發明提供一種級聯積分梳狀濾波器及其實現方法，所述級聯積分梳狀濾波器為包括FIR結構和IIR結構相串聯的複合結構，包括位於前端的為有限衝激響應FIR結構的第一子級聯積分梳狀濾波器，以及位於後端、與所述第一子級聯積分梳狀濾波器串聯、為無限衝激響應IIR結構的第二子級聯積分梳狀濾波器。本發明相對於現有技術，可彌補現有單一結構(FIR結構或IIR結構)的不足，優勢互補以面積換速度，在實現成本和消耗功耗之間取得平衡，從而獲得最佳性價比。
文檔編號H03H17/02GK102780469SQ201210292420
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月16日 優先權日2012年8月16日
發明者張志勇, 張斌陽 申請人:鉅泉光電科技(上海)股份有限公司