CN1069005C - 具有少量延迟元件的梳状滤波器及具有该滤波器的无线电收发机 - Google Patents

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Abstract

一种具有少量延迟元件的梳状滤波器，其结构为：在和一个1/N稀疏滤波器的因子Nk相关的一级中具有一个在Nk+1个样本构成的每个周期进行清除的数字积分器和一个在输入采样频率的1/N1……Nk下操作并有N/N1……Nk个抽头的转置梳状滤波器；同样，在和一个N倍内插滤波器的因子Nk相关的一级中具有一个在输出采样频率的1/N1……Nk下操作并有N/N1……Nk个抽头的转置梳状滤波器和一个用于保持转置梳状滤波器的输出数据的保持电路。

Description

具有少量延迟元件的梳状滤波器及具有该滤波器的无线电收发机
本发明涉及一种用于稀疏滤波器(thinning filter)和内插滤波器(interpolationfilter)的梳状滤波器，也涉及一种用于移动通信的包括有梳状滤波器的无线电收发机。本发明特别在于试图减小梳状滤波器的尺寸并降低其电力消耗，从而由此提供一种轻型及省电型无线电收发机。
对于数字移动通信的移动式无线电收发机，正在进行一些研究以采用1-位A/D(D/A)转换用的一种Δ-∑A/D(D/A)转换器，从而对接收信号进行A/D转换或对发射信号进行D/A转换。在1-位Δ-∑A/D转换中，将一个模拟信号转换成1-位压缩波(compressional wave)数据。在该1-位Δ-∑D/A转换中，通过1-位压缩波数据的平均量来产生一个模拟信号。
更具体地说，在A/D转换中，产生一个数字信号(压缩波)以至于在一个足够高的采样频率下对一输入信号进行采样，并且通过进行判断在目标数据和前置数据之间的差别而产生0/1数据。之所以能精确地作出判断是因为判断精度仅是1位就足够了。采样频率设置得很高例如大约14.4MHz。
在接收器中，一个进行A/D转换后的信号的频率需要回到数字信号处理的一个正常采样频率下。为此，通过一个稀疏滤波器使信号变得稀疏。
在发射器中，正好相反，需要用一个内插滤波器对信号进行内插，从而向Δ-∑D/A转换器提供一个高采样频率的信号。该Δ-∑D/A转换器根据内插的信号而产生一模拟信号，最后该模拟信号被发射。
图14表示一个采用Δ-∑D/A转换器的接收电路，图15表示一个采用Δ-∑A/D转换器的发射电路。在接收电路中，一个经A/D转换的信号需经正交检波(quadrature detection)然后通过稀疏滤波器使其变得稀疏。在发射电路中，通过一个内插滤波器对数据进行内插，然后需经正交调制(quadrature modulation)，最后经D/A转换为一个模拟信号。
上述每个稀疏滤波器和内插滤波器都包括许多串级连接的梳状滤波器。具有梳状滤波器的一个适当组合的稀疏滤波器能在一个相邻通道、一个次级相邻通道上来抑制信号，而通过接收电路的RF滤波器都不能充分地做到这点。
按如图16中所示的原理，这样一种稀疏滤波器是由二个具有不同采样间隔的FIR(有限持续时间脉冲响应)滤波器Hf(z)和Hs(zN)(附号zN表示N-倍的采样间隔)串级连接而实现，以便在其增益-频率特性上一个滤波器的下凹位于另一个的最大值上，从而抑制了合成滤波器H(z)的增益-频率特性中不需要的部分。
在图16中，假定滤波器Hf(z)是一个采样频率fs的4-抽头梳状滤波器，滤波器Hs(zN)是一个采样频率fs/4的5-抽头三角滤波器。图16中所示的时间轴(t-轴)的波形表示了各自滤波器的脉冲响应。滤波器Hf(z)和Hs(zN)分别具有4/fs和16/fs的脉冲响应长度。滤波器Hf(z)的下凹频率是fs/4的整数倍，也就是脉冲响应长度的倒数(不包括fs的整数倍)。滤波器Hs(zN)的下凹频率是fs/16的整数倍，也就是脉冲响应长度(不包括fs/4的整数倍)的倒数。在串级连接滤波器H(z)的增益-频率特性中，这里H(z)的增益-频率特性是滤波器Hf(z)和Hs(zN)的增益-频率特性的总和，Hf(z)的下凹在采样频率fs/4的整数倍处抑制了Hs(zN)重复的峰值。
图12A-12C表示了数字稀疏滤波器的原理。图12A表示的一个通常的稀疏波器H(z)被插入以防止进行稀疏时发生的混叠噪声，当滤波器H(z)在输入采样频率fs下进行了滤波以致使带宽变窄到fs0/2或更小之后，就进行了1/N的稀疏而产生一个输出采样频率fs0(=fs/N)的信号。
如果可能将因子N分解为N=N1N2……NL，则滤波器H(z)可以是具有不同系数采样频率的滤波器H0(z)、H1(zN1)、H2(zN1·N2)……HL(zN1……NL)的一个串级连接，正如图12B所示。每个这些滤波器的脉冲响应长度要使得fs-1=N·fs0 -1，且fs0的最后一级滤波器HL(zN1……NL)具有最深的下凹。另外，因为这些滤波器是FIR滤波器，所以甚至通过将一个稀疏器插放到每一级中就可得到一个等效的滤波器，正如图12C所示。结果是每级的滤波器都能够在其系数采样频率下工作。每级滤波器是由一个梳状滤波器组成。
如图1A所示，现有的方式是，每级梳状滤波器，Hk(zN1……NL),k=0……L，包括N/N1N2……Nk-1个延迟元件z-p(p=N1N2……Nk)；一个加法器12，用于将各个延迟元件11的输出加到输入数据上；以及，一稀疏器13，用于以Nk+1∶1的比例将加法器12的输出数据进行稀疏。作为一个采样间隔的p个延迟元件z-1串级连接的延迟元件z-p将输入数据延迟p个采样间隔。这种滤波器有N/N1N2……Nk个抽头。
由于输入到稀疏滤波器的信号的频率fs已经被前级的稀疏器稀疏了，因而梳状滤波器Hk(zN1……Nk)接收采样频率fs/N1N2……Nk的数据。
输入数据被输入到加法器12和第一延迟元件11。通过第一延迟元件11将输入数据延迟输入采样频率fs/N1N2……Nk的一个采样间隔，且所延迟的数据被输入到下一个延迟元件11和加法器12。对每个延迟元件11都进行此类操作，且加法器12在每次采样周期都将等于抽头数N/N1N2……Nk的一个数字数据加起来。在
加法器12输出Nk+1个数据时，稀疏器13就输出一数据给下一级的梳状滤波器Hk+1(zN1……Nk+1)。
另外，如图13A所示，通过将输入信号的每个样本中数据“0”的N-1个样本插放到输入信号中，从而数字内插滤波器将采样频率扩大N倍。于是，内插滤波器H(z)进行滤波来抑制在输入采样频率fs1的整数倍处所出现的不需要的频谱成分，从而产生一个输出采样频率fs0(=N×fsi)。
如果能像在稀疏滤波器的情况一样将因子分解为N=N1N2……NL，则滤波器H(z)可以是具有不同系数采样频率的多个滤波器H0(z)、H1(zN1)、H2(zN1·N2)……HL(zN1……NL)的一个串级连接(见图13B)。每个这些滤波器的脉冲响应长度都使得fsi -1=N·fs0 -1，且fs0的最后一级滤波器HL(zN1……NL)具有最深的下凹。
另外，因为这些滤波器是FIR滤波器，所以甚至通过将一个稀疏器插放到每一级中就可得到一个等效的滤波器，正如图13C所示。结果是，每级的滤波器都能够在其系数采样频率下工作。
每级的梳状滤波器，Hk(zN1……Nk),k=0……L，具有如图9A所示的结构。虽然由于0-插放元件代替了稀疏器而使这些梳状滤波器不同于图1A的梳状滤波器，但是滤波器结构和分别输入到延迟元件和加法器的数据却是相同的。
然而，用于现有的稀疏滤波器和内插滤波器的梳状滤波器需要以高速执行许多加法运算，因此它在硬件上应该满足很高的要求。另外因为加法运算消耗大量电力，所以梳状滤波器就会缩短譬如说移动通信的无线电收发机的电池寿命。
另外，采用大量的零部件使得移动无线收发机很难减小重量和尺寸。
本发明已经解决了上述的问题，因而其目的就是提供一种由少量元件构成的梳状滤波器且在其中只进行少量的计算。本发明的另一目的就是提供一种采用上述梳状滤波器的且降低了电能消耗的轻型、小巧的无线收发机。
根据本发明，提供一种梳状滤波器，它用在和一个1/N稀疏滤波器的因子Nk相关的一级中，这里N被分解为N=N1……Nk……NL，该梳状滤波器包括：
一个具有释放功能的数字积分器，它在对Nk+1个样本构成的一个周期的输入数据相加后，就进行清除；以及
一个转置的梳状滤波器，它后续于数字积分器并同其串级连接，并且在稀疏滤波器的一个输入采样频率的1/N1……Nk下进行操作。
还提供一种梳状滤波器，它用在和一个N倍内插滤波器的因子Nk相关的一级中，这里N被分解为N=N1……Nk……NL，该梳状滤波器包括：
一个转置的梳状滤波器，它在内插滤波器的一个输出采样频率的1/N1……Nk下进行操作；以及
一个保持电路，它与转置的梳状滤波器串级连接并用于保持Nk+1个样本构成的一个周期的转置的梳状滤波器的输出数据。
另外，提供一种无线电收发机，它交替地重复接收和发射操作，该无线电收发机在和一个1/N稀疏/N倍内插滤波器的因子Nk相关的一级中，这里N被分解为N=N1……Nk……NL，包括：
一个转置的梳状滤波器，它在一个接收或发射采样频率的1/N1……Nk下进行操作，且被共用于接收和发射操作；
一个具有释放功能的数字积分器，它在接收操作中被用作一个积分器且在对Nk+1个样本构成的一个周期的输入数据相加后，就进行清除，以及它在发射操作中被用作一个保持电路以保持Nk+1个样本构成的一个周期的转置的梳状滤波器的输出数据；以及
切换装置，它用于使一个输入信号在接收操作中先流向数字积分器，然后流向转置的梳状滤波器，而在发射操作中的流向顺序同上述的相反。
通过建立由数字积分器和转置的梳状滤波器而和1/N稀疏滤波器的因子Nk有关的级，其中数字积分器在Nk+1个样本构成的每个周期都进行清除，以及转置的梳状滤波器具有N/N1……Nk个抽头并在输入采样频率的1/N1……Nk下工作，从而不论是硬件数量还是电力消耗都减小到1/N，特别是当N很大以致于数字积分器的贡献可以被忽略的时候。同样，通过由转置的梳状滤波器建立与N-倍的内插滤波器的因子Nk有关的级，其中转置的梳状滤波器在输出采样频率的1/N1……Nk下工作且有N/N1……Nk个抽头，以及用于保持Nk+1个样本构成的周期的转置的梳状滤波器的输出数据的保持电路，从而不论是硬件数量还是电力消耗都减小到1/N，特别是当N很大以致于保持电路的贡献可以被忽略的时候。因而在二种情况下，都能减小采用了梳状滤波器的芯片面积以及其电能消耗。
另外，通过以通常方式采用了上述的梳状滤波器且用于一个无线收发机的稀疏滤波器和内插滤波器能减小硬件数量，由此而形成一个轻型、小巧的无线收发机。
图1A-1D表示了按照现有技术和本发明第一实施例的梳状滤波器的结构；
图2A和2B以及图3表示了第一实施例的梳状滤波器的操作；
图4表示了采用了第一实施例的梳状滤波器的稀疏滤波器中的结构；
图5表示了图4的稀疏滤波器的一个具体例子；
图6表示了构成图5的稀疏滤波器的各个梳状滤波器的频率特性；
图7表示了图6中所放大的一部分；
图8表示图5的稀疏滤波器总的特性；
图9A-9D表示按照本发明第二实施例所述的一种梳状滤波器中的结构；
图10表示采用了第二实施例的梳状滤波器的一种内插滤波器；
图11表示了按照本发明第三实施例所述的一种无线收发机的每级稀疏/内插滤波器的结构；
图12A-12C表示了稀疏滤波器的原理；
图13A-13C表示了内插滤波器的原理；
图14表示了接收电路结构的方框图；
图15表示了发射电路结构的方框图；以及
图16表示了二个梳状滤波器组合的特性。
根据本发明第一实施例所述的梳状滤波器是用于稀疏滤波器中。这种梳状滤波器的设计是基于如下考虑而作出的。
图1A中一个通常的滤波器可以转换成如图1B所示的由一个具有采样频率fs/N1……Nk和Nk+1个抽头的梳状滤波器同一个具有采样频率fs/N1……Nk+1和N/N1……Nk+1个抽头的梳状滤波器串级连接的形式。
例如，当N=4,N1=1及N2=2时，图2A和图2B中所示的滤波器对输入数据为a0、a1、a2……来说都产生输出a0+a1+a2+a3、a1+a2+a3+a4，以及a2+a3+a4+a5。
另外，通过将具有采样频率fs/N1……Nk+1的梳状滤波器和1/Nk+1稀疏器13互换一下就可使图1B的滤波器转换到图1C的形式。
在图1C所示滤波器的前级梳状滤波器中，抽头数和稀疏参数都是Nk+1。在此情况下，如图3所示，稀疏器13产生没有输入值重叠的输出a0+a1+a2+a3、a4+a5+a6+a7、a8+a9+a10+a11。
如图1D所示，这种操作可以通过采用具有释放功能的数字积分器14来实现，在对Nk+1个输入数据相加后，就对数字积分器进行清除。
另外，如图1D所示，图1C中的滤波器的后级的梳状滤波器可以被一个由延迟元件15和加法器17和18所构成的转置结构所替代，这种转置的梳状滤波器进行一种流水线运算(pipeline operation)，其中每级的计算结果都传送到下一级。因而，每个加法器17和18在每次所相加的数据量就减少了，从而由此减小了每个加法器的计算负荷。
于是，在此实施例中，如图1D所示，梳状滤波器是由具有释放功能的数字积分器14和转置的梳状滤波器所形成。在图1D的梳状滤波器中，延迟元件的数量等于延迟元件15的数量N/N1……Nk+1-1加上1(数字积分器14)，该数要比图1A中通常的梳状滤波器的延迟元件11的数N/N1……Nk-1小得多。因而采用图1D中的梳状滤波器的芯片面积可以做得很小。
另外，因为占据了电路大部分的转置的梳状滤波器是在被因子1/Nk+1所降低了的采样频率下工作，所以电能消耗也被减小了。
图4表示了该实施例的梳状滤波器用于一种稀疏滤波器的例子：稀疏滤波器的从第0到第L级的每一级都由上述的梳状滤波器所构成。这种稀疏滤波器通过下面方式来形成：确定梳状滤波器的串级连接级数L、将N(=fs/fs0)分解成L个因子N1、N2……NL、以及选择一种硬件数量最小的因子组合。因为在最后一级，采样频率是最低的，所以在需要有最陡特性的最后一级，可以采用一个具有乘法器的DSP(数字信号处理器)。
图5表示了一种稀疏滤波器的具体例子，其中通过采用4级梳状滤波器，将频率从14.4MHz减低到144kHz，即后者是前者的1/100。在这种稀疏滤波器中，从1到3的每级都采用第一实施例的梳状滤波器，第4级H3采用一个DSP。图6表示每级梳状滤波器的频率特性，图7表示放大的图6的一部分。图8表示从第1到第4级串级连接的稀疏滤波器总的特性。从图8可以看出，在十分靠近目标通道(在横轴上“0.0”所表示的地方)的频率范围内，特别是在输出采样频率144 kHz处，得到了衰减。除了目标通道的其它频率峰值可以通过后续于A/D转换级的并具有平缓特性的一种模拟滤波器来去除。
第二实施例目的在于一个内插滤波器所用的梳状滤波器。
在该实施例中，如图9B所示，在通常的稀疏滤波器中每级所用的梳状滤波器(图9A)可以转换成一个具有采样频率fs/N1……Nk+1和N/N1……Nk+1个抽头(前级)的梳状滤波器与一个具有采样频率fs/N1……Nk和Nk+1个抽头(后级)的梳状滤波器串级连接的形式。这种梳状滤波器可以进一步转换成所图9C所示的那种由前级梳状滤波器和0插入元件互换的结构。
图9C所示的前级梳状滤波器在采样频率fs/N1……Nk+1下工作。为了消除在一个采样间隔内N/N1……Nk+1次(抽头数)的加法，它被转换为一种进行流水线运算的转置的结构。
后级梳状滤波器在采样频率fs/N1……Nk下工作并具有Nk+1个抽头。因为来自0插入元件的Nk+1个输入数据(样本)的Nk+1-1个是“0”，所以滤波器的输出数据在Nk+1个样本构成的一个周期中保持不变。因而，后级梳状滤波器的操作等效于在前级梳状滤波器的输出上进行的一个第0次保持操作。于是，后级梳状滤波器可以很容易地被作为像触发器一样的保持电路来使用。
图10表示一种内插滤波器，其中在从第0级到第L级的每级中都采用了第二
实施例的梳状滤波器。
第三实施例目的在于无线收发机每级稀疏/内插滤波器所用的一种设备，其中第一实施例(对1/N稀疏)的梳状滤波器和第二实施例(对N-倍内插)的梳状滤波器都被用作普通的硬件且按时间划分来操作。
在TDM传输或TDD传输中、接收和发射会受到在不同时间点传递脉冲串数据(burst data)的影响。因而在接收过程中稀疏滤波器的操作和在发射过程中内插滤波器的操作可以通过切换相同的硬件来进行。
如图11所示，该设备包括一个接收信号Rin被输入其中的加法器28、用于当接收“0”时选择稀疏接收操作而当接收“1”时选择内插发射操作的选择器21和26、一个具有释放功能的数字积分器27、以及包括有延迟元件22和加法器24和25的一个转置的梳状滤波器。
这种设备按如下的方式进行操作。在接收过程中，选择器21和26接收“0”且选择稀疏操作。在此情况下，一接收信号Rin经过了加法器28和选择器26，然后在积分器27中进行相加。在Nk+1次相加后从积分器27输出一次和值，该和值经过加法器28和选择器21被输入到包括延迟元件22和加法器24和25的转置的梳状滤波器。于是，从该梳状滤波器得到一输出信号Rout。
另一方面，在发射过程中，发射信号Tin经过选择器21、转置的梳状滤波器和选择器26被输入到积分器27并在积分器27中保持一给定周期。于是从积分器27得到一输出信号Tout。
在上述的方式中，接收过程中采样数据的稀疏和发射过程中采样数据的内插可以通过相同的硬件来进行。
应当注意，本发明实施例的梳状滤波器不仅仅可用于移动通信的无线收发机，也可用于目前采用了梳状滤波器的各种装置，诸如音频-视频产品以及测量仪器。
从上面实施例的描述中显而易见，本发明的梳状滤波器电能消耗低、可以实现小面积芯片、且提供了易于生产的硬件。
另外，用这样一种梳状滤波器构成稀疏滤波器和内插滤波器的无线收发机要比那种对稀疏滤波器和内插滤波器分别地提供梳状滤波器的情况采用更少量的硬件，于是使装置(无线收发机)的尺寸减小。

Claims (3)

1、一种梳状滤波器，它用在和一个1/N稀疏滤波器的因子Nk相关的一级中，这里N被分解为N=N1……Nk……NL，其特征在于，所述梳状滤波器包括：
一个具有释放功能的数字积分器，它在对Nk+1个样本构成的一个周期的输入数据相加后，就进行清除；以及
一个转置的梳状滤波器，它后续于所述数字积分器并同其串级连接，并且在所述稀疏滤波器的一个输入采样频率的1/N1……Nk下进行操作。
2、一种梳状滤波器，它用在和一个N倍内插滤波器的因子Nk相关的一级中，这里N被分解为N=N1……Nk……NL，其特征在于，所述梳状滤波器包括：
一个转置的梳状滤波器，它在所述内插滤波器的一个输出采样频率的1/N1……Mk下进行操作；以及
一个保持电路，它与所述转置的梳状滤波器串级连接并用于保持Nk+1个样本构成的一个周期的所述转置的梳状滤波器的输出数据。
3、一种无线电收发机，它交替地重复接收和发射操作，其特征在于，所述无线电收发机在和一个1/N稀疏/N倍内插滤波器的因子Nk相关的一级中，这里N被分解为N=N1……Nk……NL，包括：
一个转置的梳状滤波器，它在一个接收或发射采样频率的1/N1……Nk下进行操作，且被共用于接收和发射操作；
一个具有释放功能的数字积分器，它在所述接收操作中被用作一个积分器且在对Nk+1个样本构成的一个周期的输入数据相加后，就进行清除，以及它在所述发射操作中被用作一个保持电路以保持Nk+1个样本构成的一个周期的转置的梳状滤波器的输出数据；以及
切换装置，它用于使一个输入信号在所述接收操作中先流向所述数字积分器，然后流向所述转置的梳状滤波器，而在所述发射操作中的流向顺序同上述的相反。
CN96109903A 1995-09-08 1996-07-22 具有少量延迟元件的梳状滤波器及具有该滤波器的无线电收发机 Expired - Fee Related CN1069005C (zh)

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