[发明专利]基于1比特数字信号进行运算的自适应滤波器及其应用

说明书

基于1比特数字信号进行运算的自适应滤波器及其应用，自适应滤波器包括数字信号处理运算模块，数字信号处理运算模块使用1比特数字流信号直接进行自适应滤波操作之后输出。本发明还提供了基于1比特数字信号进行运算的自适应滤波器在自适应系统辨识中的应用，在F‑x LMS自适应信号抵消中的应用以及在F‑e LMS自适应信号抵消中的应用。本发明可以直接在PDM信号上进行自适应滤波运算而无需变换至多比特的数字幅度编码信号，能够省去额外的PDM到PCM转换硬件，降低了复杂度，减小了处理延时。同时可以将所有乘法器全部省去，大幅降低整个系统复杂度，增大系统时钟速度的时序裕量。

技术领域

本发明属于集成电路领域，涉及基于1比特数字信号进行运算的自适应滤波器及其应用。

背景技术

随着电子信息技术和集成电路技术的发展，越来越多的领域需要将模拟信号转换为数字信号以便进一步利用数字信号处理技术进行进一步处理。因此，数模转换器、模数转换器的研究和设计量产是数字技术领域的一个重要技术范畴，而如何精确、高效的进行数字域到模拟域的转换一直是该领域最受关注的热点技术方向。比较常用的数字信号表示方法包括1比特数字流电平信号(例如PDM和PWM)以及多比特脉冲编码调制信号(PCM)。

随着数字硅基微电子机械系统(MEMS)传感器的迅速发展和普及，对传感器技术以及相应的数字信号处理技术的发展起到了极大的助推作用，使得以更小的体积、更低的功耗、更优的价格就能够实现功能更强大的信号采集、调理、处理模块。

例如，近些年来迅速发展的数字硅麦克风技术可以将一个集成了模拟前端和数字采样功能的模拟麦克风做到米粒大小，使得一个普通智能手机可以使用数个这样的麦克风组成传感器阵列借助信号处理技术实时的完成语音消噪、波束成形等高级传感器阵列算法处理功能，极大提升了手机的性能和科技水平，为更多基于硅微传感器的应用带来了无限的可能性。为了进一步减少硅微传感器到主运算单元的信号线数量，目前比较流行的方法是使用I2S总线(3线总线)或者PDM方式(2线总线)，PDM本身是一种介于模拟和数字信号之间的一种调制方式，属于1比特数字流电平信号的一种。传感器中通过集成一个简单的sigma-delta调制器即可直接输出一个1比特数字信号给处理单元使用，这种方式比使用SAR ADC具有更低的复杂度和功耗，因此PDM逐渐成为了低功耗MEMS传感器流行的数字接口方式。

另一方面，PDM信号有一个缺点是不能像脉冲编码调制(PCM)信号那样可以直接进行数字运算，现代数字电路技术的运算单元全部是基于PCM信号运算的，没有直接支持PDM信号的数字处理单元。因此在使用PDM信号进行基于数字运算的算法处理之前必须将其转换成幅度编码的具有一定位宽的数字信号(如PCM)形式，这种转换过程称之为PDM解码，一般是通过多级数字滤波和多级降采样抽取完成的，不光需要单独的硬件资源来完成，而且还引入了相应的处理延时，这些延时是无法以任何方式进行补偿的，而且解码器在设计时为了减小处理延迟会以牺牲输出信号质量作为代价，不可两者兼得。因此，在很多要求实时处理传感器信号的应用中，例如基于麦克风阵列的自然语言处理中的声学前端处理算法、基于传感器阵列波达方向(DOA)的实时估计、基于自适应滤波器原理的前馈或反馈式主动降噪应用—PDM解码延时成为了限制以上应用性能的瓶颈，需要一种低延迟的PDM信号处理方法来改善目前面临的两难问题，这也是业界普遍关注的一个技术挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中PDM信号处理在不影响输出信号质量的前提下减小处理延迟的问题，提供一种基于1比特数字信号进行运算的自适应滤波器及其应用，可以直接在PDM信号上进行自适应滤波运算而无需变换至多比特的数字幅度编码信号。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于1比特数字信号进行运算的自适应滤波器，包括数字信号处理运算模块，数字信号处理运算模块使用1比特数字流信号直接进行自适应滤波操作之后输出。