高魯棒性低復(fù)雜度數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究.pdf

1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了翻天覆地的變化，同時(shí)也對(duì)能源提出了更高的需求。針對(duì)國(guó)際形勢(shì)的變化，國(guó)家提出了新能源規(guī)劃，鼓勵(lì)社會(huì)各界探索新型能源的應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)指出的是，盡管新能源開(kāi)發(fā)研究是解決當(dāng)前能源危機(jī)的必要手段，節(jié)能減排也是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的重要手段。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了飛速發(fā)展。數(shù)字濾波器作為數(shù)字信號(hào)處理的基本核心內(nèi)容之一，擁有精度高、靈活性大和易于大規(guī)模集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用幾乎無(wú)處不在。相應(yīng)地，數(shù)字濾波器

2、所產(chǎn)生的功耗也是相當(dāng)巨大的。所以，如何設(shè)計(jì)高性能、低功耗的數(shù)字濾波器是當(dāng)代人們研究的熱點(diǎn)之一。
　　數(shù)字濾波器的無(wú)限精度設(shè)計(jì)理論已經(jīng)比較成熟并得到廣泛的應(yīng)用。從理論上講，一個(gè)理想的數(shù)字濾波器可以有許多種完全等價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案。然而，數(shù)字濾波器最終要用物理元器件、模塊或子濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于存在著有限字長(zhǎng)(finite wordlength-FWL)效應(yīng)，濾波器中的實(shí)際性能往往要偏離理想性能。實(shí)際上，濾波器的性能與濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有著密切

3、的關(guān)系，在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，必須考慮FWL對(duì)系統(tǒng)性能的影響。近些年發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論為解決該問(wèn)題提供了一條有效的途徑，得到國(guó)際上越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文以如何提高數(shù)字系統(tǒng)性能的相關(guān)問(wèn)題為背景，著重研究高魯棒性簡(jiǎn)潔數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論及設(shè)計(jì)方法。本文的主要工作和成果如下:
　　1.稀疏正交濾波器結(jié)構(gòu):考慮到狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)不是唯一的，對(duì)一個(gè)特定的輸入均衡實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究?；诰仃嚪纸饫碚摚瑢?duì)其過(guò)渡矩陣進(jìn)行分解從而得到一種正交的

4、高性能稀疏濾波器結(jié)構(gòu)。與最佳實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，對(duì)一個(gè)N階數(shù)字濾波器，新結(jié)構(gòu)只需4N-1個(gè)乘法器，較(N+1)2個(gè)乘法器相比節(jié)約了很大的資源。同時(shí)，無(wú)論是從參數(shù)的靈敏度還是從結(jié)構(gòu)的舍入噪聲增益來(lái)分析，都表明新結(jié)構(gòu)對(duì)有限字長(zhǎng)效益具有很好的魯棒性。
　　2.輸入平衡狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu):與直接型結(jié)構(gòu)相比，級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)受有限字長(zhǎng)的影響較小。在實(shí)際應(yīng)用中往往都是把設(shè)計(jì)好的高階數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換為多個(gè)低階（二階）的子濾波器級(jí)聯(lián)，然后優(yōu)化每個(gè)子濾波器使它們達(dá)

5、到最優(yōu)。本文基于一種特殊的輸入平衡實(shí)現(xiàn)，提出了一種高性能的二階數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在運(yùn)算效率上比CORDIC技術(shù)更加有效。同時(shí)，本文對(duì)歸一化格型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了舍入噪聲增益分析并給出表達(dá)式，結(jié)合全通系統(tǒng)的特點(diǎn)，導(dǎo)出了一種具有很低復(fù)雜度的復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)被分解為兩個(gè)全通子系統(tǒng)再分別用歸一化格型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)對(duì)抗有限字長(zhǎng)效應(yīng)的能力。以上涉及到的兩種結(jié)構(gòu)實(shí)際上都屬于特殊的輸入平衡實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
　　3.高效格型濾波器結(jié)構(gòu):傳統(tǒng)的格

6、型濾波器結(jié)構(gòu)都是依靠系統(tǒng)傳輸函數(shù)而直接確定下來(lái)的，往往不能針對(duì)特定的性能要求（如靈敏度傳遞函數(shù)、舍入噪聲增益等）優(yōu)化。針對(duì)兩類(lèi)格型濾波器結(jié)構(gòu)存在的缺陷，結(jié)合這兩種傳統(tǒng)格型濾波器的特點(diǎn)，我們構(gòu)造出具有自由度的新型簡(jiǎn)潔格型濾波器結(jié)構(gòu)，然后對(duì)所需的性能進(jìn)行優(yōu)化。該結(jié)構(gòu)與直接型一樣只有2N+1個(gè)乘法器，并且具有很低的參數(shù)靈敏度。該結(jié)構(gòu)的提出對(duì)格型濾波器結(jié)構(gòu)本身的發(fā)展具有重要意義。
　　4.格型濾波器結(jié)構(gòu)群:研究表明，五種基本格型單元結(jié)構(gòu)雖