《一種任意抽取濾波裝置》是中國電子科技集團公司第四十一研究所於2009年11月20日申請的發明專利，該專利的申請號為2009102232163，公布號為CN101719769A，公布日為2010年6月2日，發明人是張超、許建華、戰雲、孟慶立、周兆運。
《一種任意抽取濾波裝置》包括以下部分：多項式內插濾波器用於實現1～2倍分數倍抽取濾波；級聯的抽取濾波器組用於實現2整數倍抽取濾波，包括級聯的CIC（積分器-梳狀）濾波器和HB（半帶）濾波器，CIC濾波器的輸入端與多項式內插濾波器的輸出端連線，HB濾波器的輸出端與可程式FIR（有限衝激回響）濾波器的輸入端連線；可程式FIR濾波器用於實現脈衝整形。該發明所述的任意抽取濾波裝置，利用多項式內插濾波器和級聯的抽取濾波器組相結合完成任意抽取濾波，利用HB濾波器來補償CIC濾波器引起的通帶下降，分數倍抽取和整數倍抽取之後的FIR濾波器設計時僅考慮脈衝整形，不需要考慮補償抽取濾波器的通帶下降，降低FIR濾波器的抽頭數目和設計複雜度。
2014年11月6日，《一種任意抽取濾波裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種任意抽取濾波裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種任意抽取濾波裝置
- 公布號：CN101719769A
- 公布日：2010年6月2日
- 申請號：2009102232163
- 申請日：2009年11月20日
- 申請人：中國電子科技集團公司第四十一研究所
- 地址：山東省青島市青島開發區香江路98號
- 發明人：張超、許建華、戰雲、孟慶立、周兆運
- 分類號：H03M1/12（2006.01）I
- 代理機構：北京捷誠信通專利事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：魏殿紳、龐炳良
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
軟體無線電是指寬頻A/D、D/A儘可能靠近天線，用數位訊號處理實現儘可能多的無線電功能。隨著模-數轉換器（ADC）技術和高速數位訊號處理（DSP）技術的發展，對於中頻信號和基帶信號處理採用FPGA等硬體邏輯實現數位訊號處理已經成為可能。
對於中頻信號（IF）的數字處理通常包括數字下變頻、抽取濾波器、數字本振信號發生器等信號處理模組。因此，通過抽取濾波器實現對感興趣的窄帶信號選擇和速率變換是相當重要的信號處理過程，而採用可程式硬體器件來實現實時速率變換是高速信號處理的有效方法。
2009年11月，對於實現非整數倍抽取濾波的數字下變頻器，Harris公司製造的器件HSP50214，其最小抽取比為4，不能實現1～4倍任意抽取。該器件採用CIC濾波器和HB濾波器實現整數倍抽取，然後級聯重採樣濾波器實現非整數倍轉換，採用可程式FIR濾波器實現通帶的下降補償。其缺點在於：由於CIC濾波器和HB濾波器造成的處理增益引起數據位數的擴展使得重採樣的實現要相對複雜；同時採用FIR濾波器補償CIC的通帶下降，造成FIR濾波器設計要相對複雜一些；尤其涉及到FIR濾波器作為脈衝整形濾波時，這需要大量的抽頭，設計和實現更加複雜。
對於補償CIC濾波器引起的通帶下降，在專利發明“抽取濾波裝置和方法”（公開日期：2001年2月28號，公開號：CN1285975A）中採用了ISOP濾波器，該方法需要複雜的線性編程設計ISOP濾波器，增加了設計複雜度。
發明內容
專利目的
《一種任意抽取濾波裝置》的目的在於提供一種任意抽取濾波裝置，利用多項式內插濾波器和級聯的抽取濾波器組相結合完成任意抽取濾波，利用HB濾波器來補償CIC濾波器引起的通帶下降，分數倍抽取和整數倍抽取之後的FIR濾波器設計時僅考慮脈衝整形，不需要考慮補償抽取濾波器的通帶下降，降低FIR濾波器的抽頭數目和設計複雜度。
技術方案
《一種任意抽取濾波裝置》其特徵在於包括以下部分：多項式內插濾波器202，輸出端與級聯的抽取濾波器組201的輸入端連線，用於實現1～2倍分數倍抽取濾波；級聯的抽取濾波器組201，包括CIC濾波器203和HB濾波器204，CIC濾波器203的輸入端與多項式內插濾波器202的輸出端連線，HB濾波器204的輸出端與可程式FIR濾波器205的輸入端連線，用於實現2整數倍抽取濾波；可程式FIR濾波器205，用於實現脈衝整形。
在上述技術方案的基礎上，所述多項式內插濾波器202的傳輸函式為：
Hm（z）表示多相分量，是一個分數延遲採樣的M子帶全通濾波器，增益為1/M。
在上述技術方案的基礎上，所述CIC濾波器203為5級級聯CIC濾波器，所述HB濾波器為5級級聯半帶濾波器；
5級級聯CIC濾波器的系統函式為：
，其中，D為抽取整數因子，差分延遲R取值為1，級數L取值為5；
5級級聯半帶濾波器，每一級在歸一化頻率中，技術指標如下：
通帶：f∈[0，fp]，
阻帶：f∈[0.5-fp，0.5]，
波紋：對於通帶和阻帶分別為δ1和δ2，
條件：第一級到第五級半帶濾波器的通帶截止頻率fp依次為0.0625fp、0.125fp、0.25fp、0.5fp、fp。
改善效果
《一種任意抽取濾波裝置》所述的任意抽取濾波裝置，利用多項式內插濾波器和級聯的抽取濾波器組相結合完成任意抽取濾波，利用HB濾波器來補償CIC濾波器引起的通帶下降，分數倍抽取和整數倍抽取之後的FIR濾波器設計時僅考慮脈衝整形，不需要考慮補償抽取濾波器的通帶下降，降低FIR濾波器的抽頭數目和設計複雜度。
附圖說明
圖1是一般帶有抽取濾波處理的數字下變頻結構的示意圖。
圖2是整個抽取濾波裝置的結構示意圖。
圖3是多項式內插濾波器farrow實現結構。
圖4是多項式內插濾波器頻率回響的示意圖。
圖5是CIC濾波器的結構示意圖。
圖6是5級HB濾波器的結構示意圖。
圖7是CIC濾波器頻率回響的示意圖。
權利要求
《一種任意抽取濾波裝置》其特徵在於包括以下部分：多項式內插濾波器（202），輸出端與級聯的抽取濾波器組（201）的輸入端連線，用於實現1～2倍分數倍抽取濾波；所述多項式內插濾波器（202）的傳輸函式為：
Hm（z）表示多相分量，是一個分數延遲採樣的M子帶全通濾波器，增益為1/M；級聯的抽取濾波器組（201），用於實現2整數倍抽取濾波，其包括包括CIC濾波器（203）和HB濾波器（204），所述CIC濾波器（203）為5級級聯CIC濾波器，所述HB濾波器為5級級聯半帶濾波器；CIC濾波器（203）的輸入端與多項式內插濾波器（202）的輸出端連線，HB濾波器（204）的輸出端與可程式FIR濾波器（205）的輸入端連線，HB濾波器用於補償CIC濾波器引起的通帶下降，同時用於2、4、8、16、32倍的抽取濾波；當實現2、4、8、16、32倍抽取時，由5級HB濾波器實現，5級CIC濾波器設定抽取比為1；當實現大於32倍的2整數倍抽取時，由5級CIC濾波器和5級HB濾波器共同實現，其中5級HB濾波器實現32倍抽取；
可程式FIR濾波器（205），用於實現脈衝整形；所述多項式內插濾波器202是將理想內插濾波器的衝激回響函式ha（t）在每個採樣間隔內採用多項式逼近設計成的離散時間內插濾波器。該衝激回響的時域表達式如下：
其中n＝-N/2，-N/2+1，......，N/2-1，μl∈（-1，1），對於每一個n，單位衝激回響就是一個M次的多項式，多項式的係數cm（n）即為濾波器的固定係數，μ1是唯一一個可調整的參數，5級級聯CIC濾波器的系統函式為：，其中，D為抽取整數因子，差分延遲R取值為1，級數L取值為5；
5級級聯半帶濾波器中，輸入信號經過第一級半帶濾波器（601）濾波，然後經過2倍抽取，通過選擇器選擇輸入到第二級半帶濾波器（602），第二級半帶濾波器（602）輸出經過2倍抽取後通過選擇器選擇輸入到第三級半帶濾波器（603），第三級半帶濾波器（603）輸出經過2倍抽取後通過選擇器選擇輸入到第四級半帶濾波器（604），第四級半帶濾波器（604）輸出經過2倍抽取後通過選擇器選擇輸入到第五級半帶濾波器（605），第五級半帶濾波器（605）輸出通過2倍抽取後再輸出，選擇器表示每一級HB濾波器輸入均可以選擇前一級輸出信號或者輸入信號，當實現2倍抽取時，由第五級半帶濾波器（605）實現；當實現4倍抽取時，由第四級（604）和第五級半帶濾波器（605）級聯實現；當實現8倍抽取時，由第三級（603）、第四級（604）和第五級半帶濾波器（605）級聯實現；當實現16倍抽取時，由第二（602）級、第三級（603）、第四級（604）和第五級半帶濾波器（605）級聯實現；當實現32倍抽取時，由五級半帶濾波器級聯實現，每一級在歸一化頻率中，技術指標如下：
5級級聯半帶濾波器，每一級在歸一化頻率中，技術指標如下：
通帶：f∈[0，fp]，
阻帶：f∈[0.5-fp，0.5]，
波紋：對於通帶和阻帶分別為δ1和δ2，
條件：第一級到第五級半帶濾波器的通帶截止頻率fp依次為0.0625fp、0.125fp、0.25fp、0.5fp、fp。
將取值為大於等於1的任意有理數的預定抽取比分解為
，其中d∈[1，2]，N1為大於等於0的整數，N2取值僅為1、2、3、4、5，則：d倍抽取由多項式內插濾波器（202）實現，
倍抽取由CIC濾波器（203）實現，
由HB濾波器（204）實現；當（N1+N2）≤5時，N1取值為0，當（N1+N2）大於5時，N取值為5。
實施方式
圖1為一般帶有抽取濾波處理的數字下變頻結構的示意圖。ADC量化後的寬頻中頻信號首先與正交的兩路數字本振信號混頻，把中頻信號變頻到零中頻信號（也稱基帶信號），獲得兩路正交的信號，分別為I通道和Q通道。兩路正交的信號先經過抽取濾波器，再經過FIR濾波器對信號進行濾波處理後輸出。數字下變頻器中，抽取濾波器的作用是改變濾波器頻寬，以達到抑制帶外噪聲，從而從寬頻中頻輸入信號中分離信號的目的。抽取濾波器也用於改變信號的輸出取樣速率，以適應數字調製信號的碼元速率，完成數字調製信號的解調。FIR濾波器用於脈衝整形或匹配濾波。
為了達到任意抽取濾波的目的，該發明給出了一種任意抽取濾波裝置，如圖2所示，包括以下部分：
多項式內插濾波器202，輸出端與級聯的抽取濾波器組201的輸入端連線，用於實現1～2倍分數倍抽取濾波；
級聯的抽取濾波器組201，包括CIC濾波器203和HB濾波器204，CIC濾波器203的輸入端與多項式內插濾波器202的輸出端連線，HB濾波器204的輸出端與可程式FIR濾波器205的輸入端連線，用於實現2整數倍抽取濾波；
可程式FIR濾波器205，用於實現脈衝整形。
在上述技術方案的基礎上，所述多項式內插濾波器202的傳輸函式為：，Hm（z）表示多相分量，是一個分數延遲採樣的M子帶全通濾波器，增益為1/M。
在上述技術方案的基礎上，所述CIC濾波器203為5級級聯CIC濾波器，所述HB濾波器為5級級聯半帶濾波器；
5級級聯CIC濾波器的系統函式為：，其中，D為抽取整數因子，差分延遲R取值為1，級數L取值為5；
5級級聯半帶濾波器，每一級在歸一化頻率中，技術指標如下：
通帶：f∈[0，fp]，
阻帶：f∈[0.5-fp，0.5]，
波紋：對於通帶和阻帶分別為δ1和δ2，
條件：第一級到第五級半帶濾波器的通帶截止頻率fp依次為0.0625fp、0.125fp、0.25fp、0.5fp、fp。
如上所述，該發明採用多項式內插濾波器202（實現1～2倍抽取）和級聯的抽取濾波器組201（實現2倍抽取）相結合完成任意抽取濾波。輸入信號首先通過多項式內插濾波器202，然後通過級聯的抽取濾波器組201，最後通過可程式FIR濾波器205完成脈衝整形後輸出。其中級聯的抽取濾波器組202由5級CIC濾波器203和5級HB濾波器204組成，HB濾波器用於補償CIC濾波器引起的通帶下降，同時用於2、4、8、16、32倍的抽取濾波。
5級CIC濾波器203和5級HB濾波器204共同實現2整數倍抽取濾波，具體實施是：當實現2、4、8、16、32倍抽取時，由5級HB濾波器實現，5級CIC濾波器設定抽取比為1；當實現大於32倍的2整數倍抽取時，由5級CIC濾波器和5級HB濾波器共同實現，其中5級HB濾波器實現32倍抽取。
該發明所述多項式內插濾波器202是將理想內插濾波器的衝激回響函式ha（t）在每個採樣間隔內採用多項式逼近設計成的離散時間內插濾波器。該衝激回響的時域表達式如下：
其中n＝-N/2，-N/2+1，......，N/2-1，μl∈（-1，1）。從式中可以看出對於每一個n，單位衝激回響就是一個M次的多項式。多項式的係數cm（n）即為濾波器的固定係數。μ1是唯一一個可調整的參數。由衝激回響的表達式可知，該內插濾波器可以採用Farrow結構來實現，圖3是顯示多項式內插濾波器farrow實現結構。該發明中，多項式內插濾波器只需要完成1～2倍抽取即可，圖4是顯示多項式內插濾波器頻率回響的示意圖。
如圖2所示，級聯的抽取濾波器組採用5級CIC濾波器203和5級HB濾波器204共同實現。可程式FIR濾波器（205）僅用於脈衝整形或匹配濾波。圖5是顯示5級CIC濾波器的結構示意圖。該發明所示的5級CIC濾波器的系統函式為：
由系統函式可知，5級CIC濾波器的結構如圖5所示。
圖6是顯示5級HB濾波器的結構示意圖。輸入信號經過第一級半帶濾波器（601）濾波，然後經過2倍抽取，通過選擇器選擇輸入到第二級半帶濾波器（602），第二級半帶濾波器（602）輸出經過2倍抽取後通過選擇器選擇輸入到第三級半帶濾波器（603），第三級半帶濾波器（603）輸出經過2倍抽取後通過選擇器選擇輸入到第四級半帶濾波器（604），第四級半帶濾波器（604）輸出經過2倍抽取後通過選擇器選擇輸入到第五級半帶濾波器（605），第五級半帶濾波器（605）輸出通過2倍抽取後再輸出。選擇器表示每一級HB濾波器輸入均可以選擇前一級輸出信號或者輸入信號。
該發明所述的5級HB濾波器的工作過程如下：當實現2倍抽取時，由第五級半帶濾波器605實現；當實現4倍抽取時，由第四級604和第五級半帶濾波器605級聯實現；當實現8倍抽取時，由第三級603、第四級604和第五級半帶濾波器605級聯實現；當實現16倍抽取時，由第二602級、第三級603、第四級604和第五級半帶濾波器605級聯實現；當實現32倍抽取時，由五級半帶濾波器級聯實現。
圖7是顯示5級CIC濾波器頻率回響的示意圖。CIC濾波器的系統函式是：
其中，D為抽取整數因子，差分延遲R取值為1，級數L取值為5。CIC濾波器的頻寬比例因子b＝ω1/（2π/D），w1表示信號可用頻寬。（參考：楊小牛，樓才義，徐建良，“軟體無線電原理與套用”一書第47頁，電子工業出版社，2006年9月第6次印刷）。根據傳輸函式，當頻寬比例因子小於1/32時，信號可用頻寬w1內通帶衰減小於0.07dB。
該發明中當CIC濾波器抽取比大於1時，後級必然採用了5級半帶濾波器完成32倍抽取，因此頻寬比例因子小於1/32，通帶衰減小於0.07dB。當通帶衰減指標不滿足設計要求時，可以增加半帶濾波器的級數。採用多少級CIC濾波器和多少級半帶濾波器視抽取系統性能要求而定。這樣在末級的可程式FIR濾波器在滿足套用系統性能的要求下，可以不需要考慮抽取濾波器造成的通帶性能下降，對於多標準通信系統中，降低了FIR濾波器設計的複雜度，從而設計出滿足不同過渡頻寬和不同形狀的整形濾波器。
假設預定抽取比為D，D為大於等於1的任意有理數。D分解為，其中d∈[1，2），N1為大於等於0的整數，N2取值僅為1、2、3、4、5。d倍抽取由多項式內插濾波器（202）實現，倍抽取由CIC濾波器（203）實現，由HB濾波器（204）實現。當（N1+N2）≤5時，N1取值為0，當（N1+N2）大於5時，N2取值為5。
整體抽取濾波器設計舉例一：
當ADC的取樣速度固定為Fs＝100Msps，希望抽取濾波裝置的數據輸出速率為1.75Msps。此時所希望的抽取因子D＝100/1.75＝400/7。將抽取因子分解為D＝（25/14）×32。將多項式內插濾波器（202）設定成（25/14）倍的抽取，由於32等於2，所以將CIC濾波器（203）抽取比設定為1，5級HB濾波器組（204）設定成32倍抽取，可程式FIR濾波器（205）用於脈衝整形。
整體抽取濾波器設計舉例二：
數位化中頻的頻譜分析儀中，設計要求是中頻濾波器頻寬（在頻譜分析儀中通常稱為解析度頻寬）可根據用戶自由設定，在FPGA中通過該抽取濾波裝置可以任意改變採樣速率，從而改變中頻濾波器頻寬。
歸一化頻率中，抽取系統技術指標要求：抽取比範圍：1～65536；通帶截止頻率：0.4；阻帶截止頻率：0.5；通帶波紋：0.2dB；阻帶抑制：＞80dB。
可以按照級聯濾波器的設計原則，分配每一級濾波器的通帶和阻帶技術指標。該專利涉及的CIC濾波器（202）是5級，因此通帶波紋為0.07dB。
抽取濾波器設計完成，在抽取系統套用過程中，當需要抽取比在[1，2）倍時，將多項式內插濾波器（202）設定為抽取比[1，2），CIC濾波器（203）和HB濾波器（204）設定為旁路。FIR濾波器設計為頻譜分析儀中要求的高斯回響濾波器。
當需要抽取比在[2，4）倍時，將多項式內插濾波器（202）設定為抽取比[1，2），CIC濾波器（203）設定為旁路，HB濾波器（204）設定為2倍抽取。FIR濾波器設計為頻譜分析儀中要求的高斯回響濾波器。例如抽取比D＝3.47，則HB濾波器（204）設定為2倍抽取，多項式內插濾波器（202）設定為D/2＝3.47/2＝1.735倍抽取。
當需要抽取比分別為[4，8）倍、[8，16）倍、[16，32）倍、[32，64）倍時，將多項式內插濾波器（202）設定為抽取比[1，2），CIC濾波器（203）設定為旁路，HB濾波器（204）設定分別為4倍、8倍、16倍、32倍抽取。FIR濾波器設計為頻譜分析儀中要求的高斯回響濾波器。
當需要抽取比在大於64倍時，將多項式內插濾波器（202）設定為抽取比[1，2），CIC濾波器（203）設定抽取比為2（N為整數），HB濾波器（204）設定為32倍抽取。FIR濾波器設計為頻譜分析儀中要求的高斯回響濾波器。例如希望抽取比為800。將抽取因子分解為D＝（25/16）×16×32。將多項式內插濾波器（202）設定成（25/16）倍的抽取，將CIC濾波器（203）抽取比設定為16，5級HB濾波器組（204）設定成32倍抽取。
抽取濾波器包括：多項式內插濾波器，用於實現（1～2）分數倍抽取濾波；CIC濾波器和HB濾波器，用於實現2倍抽取濾波；HB濾波器，用於補償CIC濾波器引起的通帶下降，同時用於2、4、8、16、32倍的抽取濾波；可程式FIR濾波器，用於脈衝整形。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種任意抽取濾波裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
