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关键词： 无线射频接收机   滤波器   射频系统  

摘要： 无线射频收发机目前在社会生活的各个方面得到广泛应用。滤波器是射频系统中不可缺少的部分,具有选信道、滤波高次谐波、抗混频等功能。该文介绍了射频接收机系统中模拟信道滤波器的作用,就模拟信道滤波器及其设计原型进行了相关的阐述,供相关人员参考。

关键词： 频谱混叠   冲激响应不变法   数字-数字频带变换  

摘要： 采用冲激响应不变法在IIR数字高通和数字带阻滤波器的设计过程中,如果在模拟信号频带之间进行频带变换将会发生频谱混叠失真,如果将频带变换放在数字信号频带中进行则可以消除冲激响应不变法带来的频谱混叠失真问题。通过巴特沃斯数字带阻滤波器的设计实例提出了抗混叠失真的具体设计方法和步骤,由仿真结果可以看出,采用"数字-数字频带变换"的设计方法能够有效避免混叠现象发生,是一种有效可行的设计IIR数字滤波器的方法。

关键词： IIR数字滤波器   双通带   结构优化   演化算法   二阶子系统  

摘要： 数字滤波器能够根据设定要求有效地对传输信号进行过滤处理。它能传输有效频段的信号,滤除无用频段的信号。因此,数字滤波器具有过滤,降噪的特点。随着无线通信技术的飞速发展,数字滤波器已成为许多现代数字系统的关键部件。在数字滤波器中,双通带数字滤波器是一个十分重要部分,引起了广泛的关注。为了设计出一个有良好处理信号能力的双通带IIR数字滤波器,本文提出了新的方法,设计了一个二阶子系统,让其作为双通带数字IIR滤波器的基本单元。随后根据要求,生成一系列的指令,二阶子系统根据指令逐个连接在一起,从而形成一个完整有效的双通带IIR数字滤波器系统。最后提出了一种新的演化算法来设计优化双通带数字滤波器。这种算法基于结构演化的自适应多精英导引复合差分进化算法与移位机制相结合的算法(Adaptive multiple-elites-guided composite differential evolution algorithm with a shift mechanism,DEAMECo)。我们提出的方法不需要使用已知的电路结构,可以直接设计双通带数字滤波器结构,然后用DEAMECo算法优化双通带数字滤波器结构,该算法可以进行有效地搜索,防止个体过早收敛。与现有的方法相比,本文所设计的双通带IIR数字滤波器具有多种结构,并且结构具有随机性、稳定性,能够实现设计要求。本文的研究工作主要分为下五个方面:(1)介绍了现有IIR数字滤波器的实现方法。(2)设计了一个二阶子系统结构和一系列的指令,然后根据指令将二阶子系统依次添加到滤波器系统中,从而形成一个双通带数字滤波器的结构。(3)对双通带数字滤波器的结构进行编码,然后利用DEAMECo算法对已生成的双通带数字滤波器结构进行优化。(4)对双通带数字滤波器进行实验仿真,进行不同参数以及不同演化算法形成的双通带数字滤波器实验,并结果进行比较分析,从而探索最优的双通带数字滤波器设计参数以及优化算法。(5)对设计的双通带数字滤波器做出总结,然后提出了未来的研究展望。通过本文的实验结果分析对比可以验证,基于随机结构生成的双通带数字滤波器,并通过演化算法优化的设计方法基本能够满足实验需求,有较好的性能。根据目标特性,利用设计好的二阶子系统直接设计双通带滤波器结构,无需滤波器阶数、传递函数等先验知识,然后利用DEAMECo算法对形成双通带数字滤波器的结构进行优化,从而得到了较好的效果。本文提出了一种新的双通带IIR数字滤波器设计方法,并且为相关研究提出新的思路,同时该方法也具有普适性,可以应用于其他类似的优化问题。

关键词： IIR数字滤波器   最小二乘法   图像噪声  

摘要： 我们的生活早已迈入了数字化时代，数字滤波技术也随之成为一门必不可少的学科，也成为一项不可替代的技术，已被应用到很多领域当中，例如在语音和图像处理、通信等领域。对比连续时间系统，离散时间系统有很多优点，例如敏感度低、精度高以及可以实现大规模集成等。正是因为这些优点，所以离散时间系统在体积和重量方面都很有优势，随着时间的推移，人们对数字滤波器的研究愈加浓厚，传统的模拟滤波器在实际应用中逐渐被淡化。因此，如何设计出高性能的数字滤波器成为数字化时代的一个研究热点和重点。　　在灰度连续变化的图像中，如果有个点和周围相邻像素的灰度值相差很大，人眼就很容易感知到这个点的存在，这种情况就认为这个点是一种噪声。灰度突变在频域中表示的是高频分量，而低通滤波器就是滤除高频分量，减少图像噪声。同样，高通滤波器就是减少平滑区域中的灰度级变化，突出边缘灰度级的细节。在图像预处理中，图像滤波是必不可少的处理技术，图像对滤波器的线性相位要求很严格，数字滤波器的性能好坏直接决定了后续图像处理及分析的有效性和可靠性。　　FIR和IIR数字滤波器在信号处理领域中都占有重要的地位。FIR数字滤波器没有闭合形式设计公式，故难以精确控制通带、阻带及边缘频率，设计时需要反复计算，且FIR滤波器没有可控制的极点，所以要达到和IIR数字滤波器相当的滤波特性，需要的阶数更高，导致信号通过系统之后延时增加。IIR数字滤波器是用两个多项式之比的有理分式来逼近频率特性，可用较少的阶数得到很好的滤波特性，相位特性呈非线性，因此设计具有线性相位的IIR数字滤波器对于图像滤波有重要意义。　　本文的主要贡献在于：　　（1）针对IIR数字滤波器系统函数因存在分母所导致的非线性优化问题，提出了一种新的近似方法，能够将其转化为线性优化问题，大大降低了优化难度。　　（2）基于以上思路设计了新的基于最小二乘法的IIR数字滤波器设计方法，利用该方法设计的IIR数字滤波器在满足既定的幅频响应的同时还可以保证线性相位。　　（3）利用本文提出的方法设计了实用的图像滤波器，通过计算并分析滤波后图像的客观评价指标，得出本文方法设计的IIR数字滤波器对图像滤波效果好于典型设计方法。

关键词： 数字滤波器   系数量化   均衡   压缩感知   随机解调系统  

摘要： FIR数字滤波器作为数字信号处理的重要组成部分,以其精确的线性相位和独特的稳定性在无线通信、雷达、声纳、生物医学等领域有着广泛的应用。与此同时,不同的应用领域和标准也对FIR数字滤波器的设计提出了不同的要求。当用数字计算机或专用数字硬件实现时,滤波器系数必须用有限字长来表示,因此截断或舍入效应使得所设计的滤波器特性与期望的有较大差别。当应用于压缩感知的硬件实现随机解调系统上的时候滤波器起到代替积分器的作用,滤波器阶数和截止频率等指标的改变会对恢复的信号质量产生明显影响。针对这些问题,本文主要研究了对量化敏感性不强的滤波器设计方法及其应用,以及滤波器在压缩感知里的优化设计。本文首先介绍了数字滤波器的数学模型、四种线性相位FIR滤波器的区别,以及常见的FIR数字滤波器设计方法。研究了均衡的原理和经典算法,并分析了压缩感知的基本原理。然后,研究了一种具有最小系数灵敏度的FRM滤波器设计方法,针对滤波器系数的有限字长量化会导致性能下降的问题,提出一种基于系数量化误差最小化的直接型滤波器设计方法,来降低滤波器因为系数量化造成的影响。该方法在多个指标上优于连续设计然后直接量化系数的结果。并且并针对数字通信中均衡器系数也面临直接量化后对均衡性能产生明显影响的情况,研究将新的滤波器设计方法应用到均衡器设计上来。仿真实验结果显示,在新的设计思路下均衡效果有明显提升。最后,本文研究了压缩感知的一种硬件实现模型——适用于稀疏频点信号的随机解调系统,并全面分析了随机解调系统中滤波器应用部分对恢复信号的质量影响,提出了压缩感知中滤波器指标的优化设计方法,即通过多种仿真结果搜索寻找最优指标的策略。仿真结果显示在给定相同条件下,本文优化指标下的滤波器相比传统巴特沃斯滤波器具有更高的重构信噪比,且适用更多频点的输入信号,还可以根据具体要求在性能和复杂度之间进行折衷设计等优势,为实际应用提供了指导性参考。

关键词： PDAP   LUT乘法   FIR数字滤波器   近似计算  

摘要： 随着数字集成电路的不断发展,电路规模与集成度不断增大,而面积却不断减小,这一因素催生出了许多便携式与可穿戴式设备等小型产品,这也意味着如今集成电路设计需要同时兼顾面积,延迟与功耗。例如在小型便携式无线通讯设备中,电路不仅需要面积小,且需要满足较高的工作速率,以及一定的功耗要求。上述指标在本文中使用了功耗面积延迟积(Power-Delay-Area Product,PDAP)来衡量,PDAP越小意味着电路的能效越高。有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)数字滤波器作为数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)系统中的基本单元,在诸多领域都有着广泛的应用,由于FIR数字滤波器的功耗在许多DSP系统中,尤其是通讯类DSP系统,占了较大的比重,因此提高该类滤波器的能效对于设计高能效的DSP系统而言具有重要作用。在众多FIR数字滤波器的实现结构中,基于查找表(Look-Up-Table,LUT)乘法的FIR数字滤波器有着工作速率高且动态功耗低的特点,因此已被广泛应用于如通讯领域等的便携式设备中。本文以基于LUT乘法的FIR数字滤波器为基础,重新设计了滤波器内部乘法运算单元的结构,并提出了一种针对LUT乘法运算的优化方法,即高位近似存储(Approximate Most-significant-Multiples Storage,AMMS)方法。AMMS方法主要采用了进行近似截位技术对LUT的存储位宽进行压缩,并结合了新型LUT存储方案对LUT的存储容量进行优化。本文随后以AMMS方法为基础设计了一种新型的LUT近似乘法器,并以该乘法器为基础进一步设计并实现了 FIR数字滤波器。本文的所有设计均使用了Verilog语言进行编码,并采用了180nm CMOS工艺的数字标准单元库进行综合。与此同时,本文使用了自建1.2V低电压数字标准单元库,对所设计的FIR数字滤波器进行了二次综合优化与后端版图实现,并完成了版图流片前的所有检查工作。根据本文实验结果,AMMS方法对LUT乘法器与FIR数字滤波器能效的提升是巨大的,当LUT乘法器的规模为16×16比特时,基于AMMS方法设计的乘法器比基于传统方法设计的乘法器能效高很多,前者的PDAP只有后者的25%左右。而在输入与固定系数位宽均为8比特,滤波器阶数为16阶的FIR数字滤波器中,基于AMMS方法设计的FIR数字滤波器同样比基于传统LUT乘法的FIR数字滤波器能效要高,前者的PDAP约为后者的70%。

关键词： 二维有限冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器   Minimax设计   频域不等式约束   时域等式约束   矩阵基算法  

摘要： 二维数字滤波器广泛应用于图像处理、机器人和计算机视觉、地震信号处理、雷达信号处理和天文信号处理等各个领域。有限冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)数字滤波器很容易得到线性相位且始终是稳定的,因而得到了国内外学者的广泛关注。二维滤波器优化设计问题本质上是一个二元函数的逼近问题。因为二元函数逼近理论不完备,且二维滤波器的设计系数随滤波器的阶数平方增加,所以二维滤波器设计问题比较复杂。传统的二维滤波器设计算法把二维滤波器的待求系数排列成一个向量,然后再把一维滤波器设计算法扩展到二维滤波器设计问题中,这导致了高计算复杂性并且占用了大量计算机内存。最近的一些算法利用二维滤波器待求系数的矩阵特性求解二维滤波器设计问题,有效地减少了计算量并节省了计算机存储空间。但是这些算法并不能直接求解二维数字滤波器的约束Minimax设计问题。矩形对称二维FIR数字滤波器是应用最广泛的二维线性相位FIR数字滤波器。本文以矩形对称二维FIR数字滤波器为基础,研究了二维线性相位FIR数字滤波器的约束入Minimax设计问题。本文主要考虑了频域不等式约束和时域等式约束这两种约束条件。首先,论文在矩阵形式下建立了二维线性相位FIR数字滤波器Minimax设计问题的数学模型。已知的基函数、加权函数、期望频率响应、约束条件和待求参数都以矩阵形式给出。待求参数矩阵的元素和滤波器的单位脉冲响应有着一定的关系。然后,论文提出了一种有效的矩阵基算法来求解二维FIR数字滤波器的频域不等式约束Minimax设计问题。该算法把约束Minimax设计问题转化为一系列无约束加权Minimax设计问题,其加权函数在每次迭代中进行更新。无约束加权Minimax设计问题不能用解析法求解,故采用矩阵基迭代重加权最小二乘(Iterative Reweighted Least-Squares,IRLS)算法求解。同时,论文证明了该算法在有解的情况下能够快速收敛到原问题的最优解。最后,论文研究了二维FIR数字滤波器的时域等式约束Minimax设计问题。通过矩阵变换和引入一些新的矩阵变量,论文将包含一个矩阵变量的约束Minimax设计问题转化为包含三个矩阵变量的无约束Minimax设计问题,并提出了一种新的矩阵基IRLS算法求解该问题。所提出的IRLS算法包括两个循环:外循环用来更新权值,内循环用来求解加权最小二乘(Weighted Least-Squares,WLS)子问题。通过定义作用于二维滤波器系数矩阵的线性算子,WLS子问题的最优性条件被表述成一个线性算子方程。于是,提出了一种矩阵基广义共轭梯度算法求解该线性算子方程。由线性算子理论可知,该算法是收敛的。紧接着,论文将二维FIR数字滤波器的时域等式约束设计算法扩展到二维线性相位FIR半带滤波器设计问题中,得到了一种高效的二维线性相位FIR半带滤波器Minimax设计算法,该算法能快速收敛到最优解。仿真实验说明,本论文提出的矩阵基算法比现有的算法计算效率更高,所需的内存空间更小,并且能够精确地求解矩形对称二维FIR数字滤波器的约束Minimax设计问题。另外,这些矩阵基算法可以进一步扩展应用到其他二维线性相位FIR数字滤波器的设计中。

关键词： Level crossings reconstruction   Amplitude sampling   Event driven sampling   Chromatic derivatives   Chromatic expansions  

摘要： A novel, highly accurate signal reconstruction algorithm for signal recovery from 2-level amplitude sampling is proposed. Our method is non-iterative and exploits high fidelity local signal approximation properties of special, numerically robust differential operators known as chromatic derivatives and the associated chromatic signal expansions. Algorithms are proposed to obtain highly accurate timing information from 2-level amplitude sampling followed by signal reconstruction from thus obtained non-uniform time stamps. Numerical simulations with synthetic sinusoidal and standard speech inputs verify signal reconstruction accuracy better than 200 dB and 100 dB, respectively, in terms of the mean square error (MSE). With level crossings corresponding to two amplitude levels that are very closely placed and asymmetric (i.e., either on only the positive or the negative side of the signal), the proposed algorithm can still reconstruct synthetic and speech signals with MSE accuracies better than 175 dB and 100 dB, respectively. Experimental results with fixed-point quantized time stamps are also presented, along with a comprehensive comparison with state of the art methods in literature. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.

关键词： FIR滤波器   幅频响应   相频响应   二分法   椭圆误差约束   迭代重加权技术  

摘要： 多数信号滤波应用,对滤波器幅频响应的要求高于相频响应.本文研究了满足幅频响应约束的有限脉冲响应(Infinite Impulse Response,FIR)数字滤波器设计,提出了最大加权相位误差最小化方法.用凸的椭圆误差约束代替非凸的幅值误差约束,将设计问题转化为凸问题;通过与二分技术结合,提出了给定权函数的幅值误差约束最大加权相位误差最小化设计的求解算法.以此算法为核心,构建了迭代重加权最大加权相位误差最小化算法,其中的权函数不再固定,而是基于修改的群延迟误差包络线在迭代中不断更新.权函数收敛后,所得滤波器具有近似等纹波的群延迟误差,最大群延迟误差得到了有效减小.仿真实验表明,与现有相位误差约束最大幅值误差最小化方法相比,得到的FIR滤波器具有更小的最大相位误差和最大群延迟误差.

关键词： IIR数字滤波器   数字信号处理   巴特沃斯法   切比雪夫法  

摘要： IIR数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单位组成,主要是对输入的数字信号代码进行分析和运算,进而实现变化输入信号的频谱。本文中我们首先研究了模拟滤波器,然后在MATLAB中进行IIR数字滤波器的设计与仿真实现,包括基于巴特沃斯法直接设计IIR数字滤波器和基于切比雪夫法直接设计IIR数字滤波器。