[发明专利]锚定物理实现滤波器冲激频率响应预定点的设备和方法

说明书

本发明一般涉及滤波器设计，尤其涉及能够提供坚固的物理滤波器构造的采用最少硬件的滤波器设计。

已知对等于采样频率一半(下文称为奈奎斯特折叠频率)的频率分量进行数字采样产生具有相同大小和相反极性的连续采样值。因此，奈奎斯特折叠频率的连续采样值的代数和为零。

还知道，当首先将一个前向时间变化输入信号延迟一给定间隔，然后将其在该间隔上的当前值减去延迟值时，输入信号的直流分量(即，0频率分量)将被从所得到的交流差信号中消除(即，差信号的所有频率分量的频率大于0)。而且，在输入信号包括一周期出现的数字采样值的前向数据流的情况下，已知每一采样值可被延迟一个周期，然后将其从当前采样值减去，从而提供差值的数据流，该数据流已消除了0频率(直流)。关于这一点，参考David L.McNeely等人提交的名称为“直流增益不变滤波器设备”的美国专利5,838,600。具体地，美国专利5,838,600指的是这样一种滤波器设计，它能够以最少的硬件量在所有输入条件下保证与物理滤波器构造误差无关的恒定直流增益。

然而，在为各种系统目的所需的实际物理上可实现数字滤波器设计中存在着其他问题。实际上，在数字滤波器的理论冲激频率响应的数学表述与所需滤波器冲激频率响应的物理构造之间具有区别。在所需应用中为减小滤波器的尺寸、成本、和复杂性而进行工程折衷。

例如，下列折衷是通用的：

1.修改乘法器的系数值以易于实现。

2.常常采用小于数学正确性所需的满精确度的数据路径数值精确度。

3.在该构造的不同部分使用不同的精确度，而非所有路径有相等的冲击函数。

4.使用截短和舍入过程的混合。

5.有时使用简化的非精确的乘法器结构。

这些误差源改变滤波器的频率的时间响应。该响应的某些改变对于系统功能是不重要的，而其他改变在输入条件与滤波器状态的某种组合下(如果时间变化)可能显著降低系统功能。因此，需要一种滤波器设计方法来缓和这些误差源所引起的对系统功能的降低结果。

本发明的目的是提供一种滤波器设计方法，它通过提供一种实际物理上可实现的滤波器结构来缓和前述误差源所带来的问题，该滤波器结构以一个以上的锚定频率的集合来稳定滤波器响应，从而在这些锚定频率上的频率响应不受这些误差源的影响。

更具体地说，本发明涉及一种物理实现的滤波器结构，设计该滤波器结构对施加于其上具有给定频率带宽的前向输入信号具有冲激频率响应，该冲激频率响应实际上等效于一种确定的理论冲激频率响应，其中所述滤波器结构包括一个给定滤波器，它将构造误差引入其频率响应；将附加滤波器结合到物理实现的滤波器结构中减小了这些构造误差的有害作用，这些附加滤波器(1)使给定滤波器在给定频率带宽内在至少包括一个所选频率的集合上不工作，以及(2)把在该集合的一个所选频率邻域的滤波器结构的频率响应值基本上锚定在该集合的一个所选频率邻域的对应理论冲激频率响应值上。

附图的简要描述

图1示意性地示出常规数字FIR或IIR滤波器，具有较大数目的非零乘法系数，这些系数精确地定义一个确定的理论冲激频率向应，该滤波器对施加于其上的前向输入数据流的连续采样值进行操作，以导出前向输出数据流的连续采样值；

图1-1a，1-1b，1-2a，1-2b，和1-3b是作为归一化频率的函数的、涉及图1常规数字滤波器不同理论冲激频率响应的第一、第二和第三实例的冲激频率响应归一化幅度的曲线图；

图2示意性地示出按照本发明原理设计的物理上可实现数字滤波器结构的一个实施例，该物理上可实现的数字滤波器结构可代替图1的常规数字FIR或IIR滤波器提供频率稳定的冲激频率响应，该冲激频率响应基本上等效于图1常规数字FIR或IIR滤波器的理论冲激频率响应；

图2-1a，2-1b，2-2b和2-3b是作为归一化频率的函数的、涉及图2物理上可实现数字滤波器结构的不同频率稳定冲激频率响应的第一、第二和第三实例的冲激频率响应归一化幅度的曲线图，它可代替前述图1常规数字滤波器的第一、第二和第三实例的对应理论冲激频率响应；

图3a示意性地示出图2所示物理上可实现的数字滤波器结构的第一改型，以获得按照本发明原理设计的数字输入/模拟输出混合滤波器结构，以提供一种确定的频率稳定的冲激频率响应；以及

图3b示意性地示出图2所示物理上可实现的数字滤波器结构的第二改型，以获得按照本发明原理设计的数字输入/模拟输出混合滤波器结构，以提供一种确定的频率稳定的冲激频率响应。