滤波装置及级联积分梳状滤波器的滤波方法

摘要

本发明涉及通信领域，公开了一种滤波装置及级联积分梳状滤波器的滤波方法。本发明中，通过对级联积分梳状滤波器中包含的级联积分器和级联梳状滤波器的复用，使得同一个级联积分梳状滤波器既可以作为级联积分梳状抽取滤波器进行工作，也可以作为级联积分梳状插值滤波器进行工作，从而无需在接收通道和发送通道各设置一个级联积分梳状滤波器，在达到性能指标的同时，较好地节省逻辑资源，降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及通信领域中的上、下变频技术。

背景技术

数字下变频(Digital Down Conversion，简称“DDC”)和数字上变频(Digital Up Conversion，简称“DUC”)是通信系统中的关键技术之一。如图1所示，在数字发射机中，基带数据经过DUC，将采样率提高，再经过CFR(波峰因子衰减)和DPD(数字预失真)，然后经过混频和DAC(数模转换器)，将有用信号搬移到RF(射频)进行发送；在接收端，信号经模数转换(AD)后，经过DDC，送至基带处理。

其中，DDC主要包括混频和抽取滤波过程，其中抽取滤波器一般由级联积分梳状滤波器(Cascaded Integrator Comb filter，简称“CIC滤波器”)、半带滤波器(Half Band filter，简称“HB滤波器”)和有限冲激响应滤波器(Finite Impulse Response，简称“FIR滤波器”)构成。抽取滤波器的作用，是降低混频后信号的采样率，并进行频率补偿和低通滤波，从而将有用信号搬移至基带，并使该信号在较低的采样频率，从而极大降低后续基带处理的负担。CIC滤波器具有良好的低通滤波特性。鉴于CIC滤波器具有无需乘法器、无需系数存储单元、结构简单而规则、同一结构可以应用于较宽的频率变换范围，等等优点，CIC滤波器作为DDC的关键单元，常常被用作抽取滤波器的第一级，如图2所示，图2中的NCO表示数控振荡器(Number Controlled Oscillator)。

DDC中的CIC滤波器结构如图3所示，其中模块320为抽取模块，每R个采样中，抽取一个采样，从而完成R倍的下变频，其中R为抽取率，即下变频倍数。模块310为级联积分器，用于对输入信号进行级联积分处理后输出，由N个积分器级联构成，如图4所示。信号采样频率为f_S。其中，N为CIC滤波器的阶数，传输函数为：模块330为级联梳状滤波器，用于对输入信号进行梳状滤波处理后输出，由N个梳状滤波器级联构成，如图5所示。信号采样频率为f_S/R。其中，M为延迟因子，一般为1或2。N为CIC滤波器的阶数，传输函数为：H_C(z)＝(1-z^-M)^N。

DUC为DDC的逆过程。DUC使用CIC插值滤波器进行插值滤波。CIC插值滤波器如图6所示，其中模块620为插值模块，相邻的两个采样值之间插入R-1个0，从而将采样率提高R倍。模块310为上述的级联积分器，模块330为上述的级联梳状滤波器。

在半双工通信中，接收与发送共用一个载波信道，但同一时刻只能发送或只能接收数据。因此，半双工通信设备，发送和接收功能是分时有效的。在发送模式下，发送功能有效；在接收模式下，接收功能有效(如图7所示)。在现有的设计中，设备的发送模式功能和接收模式功能往往分别设计。因此，在发送功能模块中有CIC插值滤波器，在接收功能模块中有CIC抽取滤波器。也就是说，在传统设计中，接收与发送通道中，存在2个CIC滤波器。

然而，本发明的发明人发现，传统的设计中，并没有充分利用CIC插值滤波器和CIC抽取滤波器在特性和结构上的相似性，造成了逻辑资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滤波装置及级联积分梳状滤波器的滤波方法，使得在达到性能指标的同时，较好地节省逻辑资源，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种滤波装置，包含级联积分梳状滤波器，该级联积分梳状滤波器用于当需进行下变频时对输入的信号进行抽取滤波处理后输出；以及用于当需进行上变频时对输入的信号进行插值滤波处理后输出。

本发明的实施方式还提供了一种级联积分梳状滤波器的滤波方法，包含以下步骤：

通过对级联积分器和级联梳状滤波器的复用，在需进行下变频时，级联积分梳状滤波器对输入的信号进行抽取滤波处理后输出，当需进行上变频时，级联积分梳状滤波器对输入的信号进行插值滤波处理后输出。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在需进行下变频时，级联积分梳状滤波器对输入的信号进行抽取滤波处理后输出，当需进行上变频时，级联积分梳状滤波器对输入的信号进行插值滤波处理后输出。由于级联积分器和级联梳状滤波器既可以用于上频变的处理，也可以用于下频变的处理，使得同一个CIC滤波器既可以在接收模式下作为CIC抽取滤波器进行工作，也可以在发送模式下作为CIC插值滤波器进行工作，从而无需在接收通道和发送通道各设置一个CIC滤波器，在达到性能指标的同时，较好地节省逻辑资源，降低了成本。

进一步地，利用若干个数据选择器，实现级联积分器和级联梳状滤波器的复用，使得在需要进行下频变时，CIC滤波器的工作状态等同于CIC抽取滤波器；在需要进行上频变时，CIC滤波器的工作状态等同于CIC插值滤波器，从而以较小的代价实现CIC滤波器的复用。

进一步地，在发生接收模式和发送模式之间的切换和/或需要全局复位时，通过复位模块对级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器、插值模块进行复位，以避免在模式转换过程中，已存储的数据对新的运算操作的影响。

附图说明

图1是根据现有技术中的DDC和DUC的处理示意图；

图2是根据现有技术中的DDC模块的结构示意图；

图3是根据现有技术中的DDC内的CIC滤波器结构示意图；

图4是根据现有技术中的级联积分器的结构示意图；

图5是根据现有技术中的级联梳状滤波器的结构示意图；

图6是根据现有技术中的DUC内的CIC滤波器结构示意图；

图7是根据现有技术中的半双工通信设备接收与发送共用一个载波信道的示意图；

图8是根据本发明第一实施方式的滤波装置结构示意图；

图9是根据本发明第一实施方式中的复位模块的结构示意图。

图10是根据本发明第三实施方式的级联积分梳状滤波器的滤波方法流程图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

由于CIC滤波器的频率特性只受它的3个参数影响：抽取或插值倍数，即前文中提到的R；CIC的阶数，即前文中提到的N；延迟因子，即前文中提到的M。因此，当上述3个参数固定，CIC滤波器的频率特性，或称滤波特性就已固定。也就是说，针对同一种应用，信号带宽是相对固定的，在发送模式下进行的DUC为在接收模式下进行的DDC的逆过程。因此可以使用相同参数(R、N、M)的CIC滤波器。比较参数(R、N、M)相同的CIC插值滤波器和CIC抽取滤波器，可见，两者的级联积分器是相同的，并且工作在相同的时钟频率。同样，两者的级联梳状滤波器也是相同的，并且工作在相同的时钟频率。只是在DUC的过程中，需要使用CIC插值滤波器结构(图6)，并使用一个插值模块620；而在接收模式下，需要使用CIC抽取滤波器结构(图4)，并使用一个抽取模块320。

基于以上分析，在本发明中，通过对级联积分器和级联梳状滤波器的分时复用，使得半双工设备中的同一个CIC滤波器既可以在接收模式下作为CIC抽取滤波器进行工作，也可以在发送模式下作为CIC插值滤波器进行工作。

本发明第一实施方式涉及一种滤波装置，包含CIC滤波器。本实施方式的核心在于，CIC滤波器用于当需进行下变频时对输入的信号进行抽取滤波处理后输出；以及用于当需进行上变频时对输入的信号进行插值滤波处理后输出。

具体地说，该CIC滤波器的结构如图8所示，该CIC滤波器包含：

级联积分器310，用于对输入信号进行级联积分处理后输出。

抽取模块320，用于对输入信号进行抽取采样后输出，该抽取模块的变频倍数为R1。

级联梳状滤波器330，用于对输入信号进行梳状滤波处理后输出。

插值模块620，用于对输入信号进行插值后输出，该插值模块的变频倍数为R2。

第一数据选择器810，用于在CIC滤波器前级电路的输出信号和插值模块的输出信号中，选择一种作为级联积分器的输入信号。

第二数据选择器820，用于在级联积分器的输出信号和低电平中，选择一种作为抽取模块的输入信号。

第三数据选择器830，用于在抽取模块的输出信号和CIC滤波器前级电路的输出信号中，选择一种作为级联梳状滤波器的输入信号。

第四数据选择器840，用于在级联梳状滤波器的输出信号和级联积分器的输出信号中，选择一种作为CIC滤波器的输出信号。

复位模块，用于对级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器、插值模块进行复位。该复位模块在发生接收模式和发送模式之间的切换和/或需要全局复位时，对级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器、插值模块进行复位。

具体地说，数据选择器810、820、830和840均根据用于表示当前处于接收或发送状态的标识信号，进行选择。在本实施方式中，以标识信号为0时，表示当前处于发送模式，当标识信号为1时，表示当前处于接收模式为例，进行具体说明。

如果标识信号为1，说明当前处于接收模式，则第一数据选择器810选择CIC滤波器前级电路的输出信号作为级联积分器的输入信号；第二数据选择器820选择级联积分器的输出信号作为抽取模块的输入信号；第三数据选择器830选择抽取模块的输出信号作为级联梳状滤波器的输入信号；第四数据选择器840选择级联梳状滤波器的输出信号作为CIC滤波器的输出信号。

如果标识信号为0，说明当前处于发送模式，则第三数据选择器830选择CIC滤波器前级电路的输出信号作为级联梳状滤波器的输入信号，级联梳状滤波器的输出信号为插值模块的输入信号；第一数据选择器810选择插值模块的输出信号作为级联积分器的输入信号；第四数据选择器840选择级联积分器的输出信号作为CIC滤波器的输出信号。第二数据选择器820选择低电平作为抽取模块的输入信号。

如图8所示，发送模式和接收模式共用的连线和模块，使用加粗线条标识；只在发送模式下使用的连线和模块，使用虚线标识；只在接收模式下使用的连线和模块，使用实线标识。图8中的rec_tran信号表示标识信号，发送模式和接收模式的选择由该rec_tran信号控制。图8中的reset信号表示复位信号(低电平有效，使相关电路复位；高电平，电路正常工作)。data_in信号是数据输入信号，来自该CIC滤波器的前级电路的数据输出信号。data_out信号为数据输出信号，该data_out信号经过一个1路-2路数据分配器850去往该CIC滤波器的后级电路。比如说，如果是在接收模式下(即rec_tran信号为1)，则该CIC滤波器等同于一个CIC抽取滤波器，那么data_out信号将输入到现有技术中的CIC抽取滤波器的后级电路；如果是在发送模式下(即rec_tran信号为0)，则该CIC滤波器等同于一个CIC插值滤波器，那么data_out信号将输入到现有技术中的CIC插值滤波器的后级电路。也就是说，本实施方式中的CIC滤波器的输出信号将经过一个1路-2路数据分配器，由该1路-2路数据分配器选择将该CIC滤波器的输出信号作为CIC抽取滤波器的后级电路的数据输入信号，或将该CIC滤波器的输出信号作为CIC插值滤波器的后级电路的数据输入信号。

值得一提的是，在本实施方式中，利用复位模块在全局复位和在模式转换过程中，给出复位信号reset，可有效避免在模式转换过程中，已存储的数据对新的运算操作的影响。在实际应用中，该复位模块仅用两个D触发器和极少的组合逻辑电路即可实现，如图9所示，其中，rst_n信号为全局复位信号(低电平有效，使相关电路复位；高电平，电路正常工作)，模块910和920均为D触发器，模块930为异或门，模块940为非门，模块950为与门。当rst_n为低电平，或者rec_tran发生反转变化时，reset产生低电平信号，作为复位信号输出给级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器和插值模块；当rst_n为高电平，并且rec_tran保持不变时，reset信号为高电平，级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器和插值模块正常工作。

不难发现，在本实施方式中，由于级联积分器和级联梳状滤波器既可以用于上频变的处理，也可以用于下频变的处理，使得同一个CIC滤波器既可以在接收模式下作为CIC抽取滤波器进行工作，也可以在发送模式下作为CIC插值滤波器进行工作，从而无需在接收通道和发送通道各设置一个CIC滤波器，在达到性能指标的同时，较好地节省逻辑资源，降低了成本，可应用于低压电力线载波通信芯片。也就是说，使用如图8所示的CIC滤波器，相对于传统的设计节省了一个CIC滤波器的级联积分器和级联梳状滤波器的资源，即节省了2N个B位的加法器和(N+NM)个D触发器的资源。

而且，通过利用若干个数据选择器，实现级联积分器和级联梳状滤波器的复用，使得在需要进行下频变时，CIC滤波器的工作状态等同于CIC抽取滤波器。在需要进行上频变时，CIC滤波器的工作状态等同于CIC插值滤波器，从而以较小的代价实现CIC滤波器的复用。具体分析如下：

以通信中常用的CIC滤波器(12比特输入，12比特输出，N＝6)为例，如果使用full precision模型(全精度模型，即在设计过程中，每一级均使用最大有效位宽的寄存器，从而避免溢出现象)，即CIC滤波器中间各级均使用最大位宽46bit，在输出端口data_out处做truncation(切断)，则4个数据选择器在芯片hejian 0.18um 3.3V lib中占用的资源约为0.56K门(复位模块所占资源非常小，可忽略不计)，而节省的1个CIC滤波器，在芯片hejian 0.18um 3.3V lib中占用的资源约为9.6K门，也就是说，收益为9.6K门-0.56K门，约为9K门。

以通信中常用的CIC滤波器(12比特输入，12比特输出，N＝6)为例，如果使用min bit-width模型，即CIC中间各级均使用rounding and truncation(舍入和截位)，以减小资源占用，则4个数据选择器在芯片hejian0.18um 3.3V lib中占用的资源约为0.28K门(复位模块所占资源非常小，可忽略不计)，而节省的1个CIC滤波器，在芯片hejian 0.18um 3.3V lib中占用的资源约为6.2K门，也就是说，收益为6.2K门-0.28K门，约为6K门。

通过以上分析比较可知，使用本实施方式，可以节省大约1个CIC filer电路的资源。在常用的设计中，该节省的资源大约为6K门到9K门。并且，随着设计中所需的CIC滤波器的级数N的增加，该节省的资源将成正比增加。

本发明第二实施方式涉及一种滤波装置。第二实施方式与第一实施方式基本相同，区别主要在于：

在第一实施方式中，标识信号为0时，表示当前处于发送模式，当标识信号为1时，表示当前处于接收模式。而在本实施方式中，标识信号为0时，表示当前处于接收模式，当标识信号为1时，表示当前处于发送模式。

也就是说，当rec_tran信号为0时，说明当前处于接收模式，则第一数据选择器810选择CIC滤波器前级电路的输出信号作为级联积分器的输入信号；第二数据选择器820选择级联积分器的输出信号作为抽取模块的输入信号；第三数据选择器830选择抽取模块的输出信号作为级联梳状滤波器的输入信号；第四数据选择器840选择级联梳状滤波器的输出信号作为CIC滤波器的输出信号。

当rec_tran信号为1，说明当前处于发送模式，则第三数据选择器830选择CIC滤波器前级电路的输出信号作为级联梳状滤波器的输入信号，级联梳状滤波器的输出信号为插值模块的输入信号；第一数据选择器810选择插值模块的输出信号作为级联积分器的输入信号；第四数据选择器840选择级联积分器的输出信号作为CIC滤波器的输出信号。第二数据选择器820选择低电平作为抽取模块的输入信号。

本发明第三实施方式涉及一种CIC滤波器的滤波方法。在本实施方式中，利用第一数据选择器、第二数据选择器、第三数据选择器和第四数据选择器，实现对级联积分器和级联梳状滤波器的复用。其中，第一数据选择器在CIC滤波器前级电路的输出信号和插值模块的输出信号中，选择一种作为级联积分器的输入信号；第二数据选择器在级联积分器的输出信号和低电平中，选择一种作为抽取模块的输入信号；第三数据选择器在抽取模块的输出信号和CIC滤波器前级电路的输出信号中，选择一种作为级联梳状滤波器的输入信号；第四数据选择器在级联梳状滤波器的输出信号和级联积分器的输出信号中，选择一种作为CIC滤波器的输出信号。第一数据选择器、第二数据选择器、第三数据选择器和第四数据选择器，均根据用于表示当前处于接收或发送状态的标识信号，进行选择。在本实施方式中，以标识信号为0时，表示当前处于发送模式，当标识信号为1时，表示当前处于接收模式为例，进行具体说明。

具体流程如图10所示，在步骤1000中，判断当前的工作模式，如果当前工作在接收模式，则标识信号为1；如果当前工作在发送模式，则标识信号为0。

如果标识信号为1，说明当前处于接收模式，则第一数据选择器选择CIC滤波器前级电路的输出信号作为级联积分器的输入信号，进入步骤1001。如果当前处于发送模式，如果标识信号为0，说明当前处于发送模式，则第三数据选择器选择CIC滤波器前级电路的输出信号作为级联梳状滤波器的输入信号，进入步骤1007。

在步骤1001中，由级联积分器对CIC滤波器前级电路的输出信号进行级联积分处理。

接着，在步骤1002中，第二数据选择器选择级联积分器的输出信号作为抽取模块的输入信号，由抽取模块对级联积分器输出的信号进行抽取采样。该抽取模块的变频倍数为R1。

接着，在步骤1003中，第三数据选择器选择抽取模块的输出信号作为级联梳状滤波器的输入信号，由级联梳状滤波器对抽取模块输出的信号进行梳状滤波处理。

接着，在步骤1004中，第四数据选择器选择级联梳状滤波器的输出信号作为CIC滤波器的输出信号输出。该CIC滤波器的输出信号经过一个1路-2路数据分配器，通过该1路-2路数据分配器将该CIC滤波器的输出信号输出给CIC抽取滤波器的后级电路。也就是说，在接收模式下(即标识信号为1)，该CIC滤波器等同于一个CIC抽取滤波器，那么CIC滤波器的输出信号将输入到现有技术中的CIC抽取滤波器的后级电路。

接着，在步骤1005中，判断是否发生了接收模式和发送模式之间的切换和/或需要全局复位，如果发生了模式切换和/或需要全局复位，则进入步骤1006，对级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器及插值模块进行复位，并在复位后进入步骤1000。如果未发生模式切换并且也不需要全局复位，则回到步骤1001。

在步骤1007中，由级联梳状滤波器对CIC滤波器前级电路的输出信号进行梳状滤波处理。

接着，在步骤1008中，由插值模块对级联梳状滤波器的输出信号进行插值，该插值模块的变频倍数为R2。在本实施方式中，抽取模块的变频倍数R1可以等于插值模块的变频倍数R2，也可以不等于插值模块的变频倍数R2。

接着，在步骤1009中，第一数据选择器选择插值模块的输出信号作为级联积分器的输入信号，由级联积分器对插值模块输出的信号进行级联积分处理。

接着，在步骤1010中，第四数据选择器选择级联积分器的输出信号作为CIC滤波器的输出信号。第二数据选择器选择低电平作为抽取模块的输入信号。该CIC滤波器的输出信号经过一个1路-2路数据分配器，通过该1路-2路数据分配器将该CIC滤波器的输出信号输出给CIC插值滤波器的后级电路。也就是说，在发送模式下(即标识信号为0)，该CIC滤波器等同于一个CIC插值滤波器，那么CIC滤波器的输出信号将输入到现有技术中的CIC插值滤波器的后级电路。

接着，在步骤1011中，判断是否发生了接收模式和发送模式之间的切换和/或需要全局复位，如果发生了模式切换和/或需要全局复位，则进入步骤1012，对级联积分器、抽取模块、级联梳状滤波器、插值模块进行复位，并在复位后进入步骤1000。如果未发生模式切换并且也不需要全局复位，则回到步骤1007。

不难发现，本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种级联积分梳状滤波器的滤波方法。第四实施方式与第三实施方式基本相同，区别主要在于：

在第三实施方式中，标识信号为0时，表示当前处于发送模式，当标识信号为1时，表示当前处于接收模式。而在本实施方式中，标识信号为0时，表示当前处于接收模式，当标识信号为1时，表示当前处于发送模式。

不难发现，本实施方式是与第二实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

需要说明的是，本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。