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  • 梳状滤波器

    2011-11-17 15:22:14
    描述了梳状滤波器的特性以及其构建和应用。英文资料。。。
  • 请注意,有两种类型的梳状滤波器。 直流阻断器和直流传递器。 要获得 DC-Blocker(DC 上的牙齿),请为标量传入 -1。 要获得 DC-Passer(DC 处为 +6dB),请为标量传入 +1。 默认情况下,如果未通过标量,则假定为...
  • 1.311.3 积分梳状滤波器(CIC)设计下面介绍FPGA在数字通信中的一个应用实例:用FPGA实现级联积分梳状滤波器(CascadeIntegrator Comb,CIC)。CIC滤波器在数字通信、数字电视中有广泛的应用,特别是广泛应用在全数字接收...

    1.3 11.3 积分梳状滤波器(CIC)设计

    下面介绍FPGA在数字通信中的一个应用实例:用FPGA实现级联积分梳状滤波器(Cascade

    Integrator Comb,

    CIC)。CIC滤波器在数字通信、数字电视中有广泛的应用,特别是广泛应用在全数字接收机中。首先了解一下其应用背景。

    1.3.111.3.1 应用背景

    20世纪80年代中后期,全数字接收机以一种新的概念被提出,它把以前通信接收机的模拟处理部分改为数字处理。最基本的全数字接收机是在接收机的解调前进行A/D转换,用全新的数字方式实现调制信号的解调。

    全数字接收机中最重要的组成部分是数字下变频单元。在通信系统中,发射机采用上变频,将已调制的中频信号频谱搬移到射频段;而接收机则使用下变频,将接收到的射频信号频谱搬移到中频,或者零中频。设接收到的射频信号为a(t)cosωct,本地振荡信号为AcosωLt,则将二者相乘可得:

    (11-4)

    用滤波器滤除去和频(ωc+ωL)保留差频(ωc-ωL)即可实现下变频。

    数字下变频原理框图如图11-20所示。

    其中,x(n)为已数字化后的中频信号;NCO为数控振荡器,用以产生数字正、余弦信号;CIC为积分梳妆滤波器,降低信号速率;HB为半带滤波器,也用来降低速率,按2M次降低速率;FIR为有限长脉冲回应滤波器,主要实现低通滤波,提取信号、滤除噪声。

    从图11-20中可以看到,CIC滤波器与HB滤波器共同实现了数字抽取滤波器,从输入的宽带高数据流的数字信号中提取所需的窄带信号,并在低通滤波器的作用下,下变频为数字基带信号。

    CIC滤波器是由Hogenauer引入的,已被证明是在高速抽取或插值系统中非常有效的单元。在下变频中,CIC滤波器可以将中频采样的信号按需要变换到基带。

    1.3.211.3.2 理论算法

    CIC滤波器由积分器(Integrator)和梳状(Comb)滤波器级联而成,根据其结构的不同,可分别实现抽取(Decimation)功能和插值(Interpolation)功能。CIC滤波器与半带(halfband)滤波器相结合,可以实现大动态范围、高倍数的信道抽取。一个CIC滤波器由IIR滤波器和FIR滤波器两部分组成。

    CIC滤波器的冲激回应具有如下形式:

    (11-5)

    式中,M即为CIC滤波器的阶数(或者抽取因子)。由离散时间信号的傅里叶变换可得频率响应H(w)为:

    (11-6)

    对式(11-6)进行Z变换,可得CIC滤波器的传递函数:

    (11-7)

    其中:

    (11-8)

    (11-9)

    它们的实现框图如图11-21所示。

    (a)积分器的实现框图 (b)梳状器的实现框图

    图11-21 CIC滤波器及积分器、梳状器的实现框图

    从框图可以看到,CIC滤波器的积分器HI(z)是一类IIR滤波器,但是它没有前馈,而只有回馈部分。梳状滤波器HC(z)又称为简单整系数FIR滤波器,这种滤波器由于每个抽头系数非“0”即“1”,所以仅需延时器和加法器就可以实现。由HC(z)传递函数可得频率响应为:

    (11-10)

    其幅频特性为:

    (11-11)

    如图11-22所示为梳状滤波器的幅频特性(其中M=4)。

    图11-22 梳状滤波器的幅频特性

    同样,可求积分器HI(z)的频率响应为:

    HI

    (11-12)

    所以,CIC滤波器的频率总响应为:

    (11-13)

    式中,sinc(x)=sin(x)/x为抽样函数,且sinc(0)=1,所以CIC滤波器在w=0处的幅值为M。CIC滤波器的幅频特性如图11-23所示,随着频率的增大,旁瓣电平不断减少。为了降低旁瓣电平,可以采用多级CIC滤波器级联的办法,例如,采用S级CIC实现的频率响应为:

    (11-14)

    图11-23 CIC滤波器的幅频特性

    由于多级CIC滤波器的旁瓣抑制好,因此实际应用都采用多级CIC级联。所以,下节就以三级CIC抽取滤波器为实例进行讲解。

    1.3.311.3.3 三级CIC抽取滤波器建模

    在介绍完CIC滤波器的理论知识后,本节以三级CIC抽取器为例,讨论如何用Verilog

    HDL语言来实现。设抽取因子为R,滤波器延迟数值为D(典型值是1、2),N为滤波器的级数,则CIC抽取滤波器的传递函数为:

    (11-15)

    由式(11-15)可得典型CIC抽取滤波器的实现框图,如图11-24所示。

    如果N=3,则为三级CIC,根据前面的讨论可得本例的实现框图,如图11-25所示。

    用FPGA实现CIC抽取滤波器时,还有一个很重要的参数需要确定,那就是寄存器的宽度(或者位数)。只有精心计算寄存器的宽度,才能在运算不溢出的情况下,最大限度地节省FPGA的硬件资源。对于CIC抽取器,最终的梳状器输出增益G等于:

    (11-16)

    在式(11-16)中,R为抽取因子,D为延迟数值,N为滤波器级数。假定我们采用二进制补码,设输入数据宽度为Bin,则内部数据处理的宽度Bout为:

    Bout

    (11-17)

    本例中,我们采用输入数据宽度为8,N=3,R=32,D=2(也即抽取因子为32,延迟为2的三级CIC),则输出字宽W=

    8+3log264 =

    26位,保证不会产生运行时间溢出。因此,我们就可以进一步细化图11-25,如图11-26所示。

    在介绍完CIC抽取滤波器的相关细节后,下面给出Verilog

    HDL的源码。该代码实现了输入数据宽度为8,抽取因子为32,延迟为2的三级CIC,并且输出字宽为26位。

    //三级CIC抽取器实例:cic3_decimator.V

    module cic3_decimator(clk, x_in, y_out);

    parameter STATE_HOLD = 1'b0, STATE_SAMPLE = 1'b1;

    input  clk; //输入时钟

    input  [7:0] x_in; //输入8位数据

    output [25:0]

    y_out; //输出26位数据

    reg state,

    derived_clk;

    reg [4:0] counter;

    //有限状态机,用于实现下采样

    always @(negedge clk) begin: FSM_DECIMATOR

    case(state)

    STATE_HOLD: begin

    if(counter ==

    31)

    state <= STATE_SAMPLE;

    end

    STATE_SAMPLE: begin

    ComReg0[0] <= IntReg[2];

    state <= STATE_HOLD;

    end

    default:

    state <= STATE_HOLD;

    endcase

    if((counter>8)&&(counter<16)) //生成下采样后的时钟

    derived_clk <= 1;

    else

    derived_clk <= 0;

    counter <= counter + 1;

    end

    wire [25:0]

    sxtx; //Sign

    extended input

    assign sxtx =

    {{18{x[7]}},x}; //符号扩展

    reg [7:0] x; //Registered

    input

    reg [25:0] IntReg[2:0];

    //I section

    0,1 and 2

    //积分器实现模块

    always @(posedge clk) begin: INTEGRATOR

    x <= x_in;

    IntReg[0] <= IntReg[0] + sxtx;

    IntReg[1] <= IntReg[1] +

    IntReg[0];

    IntReg[2] <= IntReg[2] +

    IntReg[1];

    end

    reg [25:0]

    ComReg0[2:0],ComReg1[2:0],ComReg2[2:0],ComReg3;

    //梳状器实现模块

    always @(posedge derived_clk)begin:COMB

    ComReg0[1] <= ComReg0[0];

    ComReg0[2] <= ComReg0[1];

    ComReg1[0] <= ComReg0[0] -

    ComReg0[2];

    ComReg1[1] <= ComReg1[0];

    ComReg1[2] <= ComReg1[1];

    ComReg2[0] <= ComReg1[0] -

    ComReg1[2];

    ComReg2[1] <= ComReg2[0];

    ComReg2[2] <= ComReg2[1];

    ComReg3 <= ComReg2[0] - ComReg2[2];

    end

    assign y_out = ComReg3;

    //输出

    endmodule

    1.3.411.3.4 程序说明

    在上面的三级CIC抽取器的程序代码中,由下面几个模块组成。

    有限状态机模块(FSM):实现下采样功能。设积分器的采样频率为 ,则经过抽取后,梳状器的采样频率降为

    。本例中R=32。

    符号扩展:由于输入是8位数据,而内部数据是26位字宽,所以必须进行符号扩展。

    积分器:实现了3个积分器。

    梳状器:实现了3个梳状器。

    对于上面的实例,其实输出字宽可以取小于26位,这取决于精度要求。例如,如果取9位,则最后一条连续赋值语句作如下修改即可。

    assign y_out = ComReg3[25:17]; //输出

    接下来,我们对上面的Verilog

    HDL代码进行验证。首先,我们在MATLAB中输入以下程序。该程序输入一个幅值为100的阶跃信号x(n),经过11.3.3节描述的一个CIC抽取器,输出序列y(m)。如图11-27所示,图(a)是输入x(n),图(b)是输出y(m)。

    (a)输入阶跃序列x(n)

    (b)输出序列y(m)

    图11-27 MATLAB下的仿真

    M = 2; %

    延迟数值

    N = 3; %

    滤波器级数

    R = 32; %

    抽取因子

    x =

    100.*ones(1,300); %幅值为100的阶跃序列

    q =

    quantizer([8

    0],'fixed'); % 输入信号属性

    y =

    cicdecimate(M, N, R, x, q); %调用CIC抽取器

    然后,对cic3_decimator程序代码进行仿真,仿真结果如图11-28所示(综合、仿真都是在Quartus

    II软件下完成的)。

    图11-28 Quartus Ⅱ下的仿真波形

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  • 2D梳状滤波器和3D梳状滤波器

    千次阅读 2010-03-19 16:18:00
    尽管简单的垂直梳状滤波器比传统的水平带通带阻滤波器效果好一些,但当相邻两行的图形信息相差较大时,就会产生 hanging-dots,我们可以采用二维自适应梳状滤波器——水平的带通带阻滤波器和具有权重的垂直自适应...

          尽管简单的垂直梳状滤波器比传统的水平带通带阻滤波器效果好一些,但当相邻两行的图形信息相差较大时,就会产生 hanging-dots,我们可以采用二维自适应梳状滤波器——水平的带通带阻滤波器和具有权重的垂直自适应梳状滤波。
          图像的3D的概念即水平X轴,竖直Y轴,还有时间Z轴。不管是梳状滤波器(位于视频解码器中),还是SCALER中的De-interlace,都有3D的概念。帧间的图像处理就是所谓的第3D,以缓冲器为基础的3D de-interlacing是以场为单位进行隔行转逐行的,也就是把几场的信息先临时保存起来,然后通过这保存的几场计算出所插行的各像素点的信息,这么一来所插行各像素点的信息就更加准确,从而消除了锯齿现象,就是因为这种方式是通过计算所插行前后、左右、上下点的信息得来的,所以用空间学来讲就是3D Frame  Buffer;而LineBuffer方式只是通过前一行的数据得来所插行的信息。

          肉眼区别2D跟3D的最明显方式就是抖动,2D的静态画面会抖动,因其画面是补上去的,3D的画面是整幅输出故没有抖动。对应的2D图像在高频如多波群部分会有亮色互串生成彩影,这是2D不可更改的缺陷。
          3D梳状滤波器进一步改善了图像静态区域的Y/C分离。当图像静止时,帧间(时间轴)的图像像素一样,只是色度的调制相位相反(相差180度),所以我们可以通过简单的对帧间的像素进行加减便可以达到Y/C分离。当图像该区域存在运动时,此时帧间的像素不再相同,我们需要采用二维自适应梳状滤波器。所以我们必须采用运动检测,来判定图像该区域是否存在运动,也即3D应包括2D处理,通过判断图像来决定使用2D还是3D处理。

          

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    这是用梳状滤波器产生回声效果的matlab试验程序,matlab是运用非常广泛的软件工具之一,回声滤波器的制作
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    梳状滤波器学习整理

    目录

    梳状滤波器学习整理

    1. 梳状滤波器定义

    2. 梳状滤波器仿真

    (1)matlab函数:

    (2)仿真实例


    1. 梳状滤波器定义

    梳状滤波器是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带,只让某些特定频率范围的信号通过,由于其特性曲线象梳子一样,故称为梳状滤波器。梳状滤波器被用于分离色度信号的两个正交分量U色差信号与V色差信号,一般由延时、加法器、减法器、带通滤波器组成。对于静止图像,梳状滤波在帧间进行,即三维梳状滤波或3D梳状滤波器。对活动图像,梳状滤波在帧内进行,即二维梳状滤波或2D梳状滤波器。
    ————————————————
    版权声明:本文为CSDN博主「DBOY」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
    原文链接:https://blog.csdn.net/zhandoushi1982/article/details/5137236

     

    2. 梳状滤波器仿真

    (1)matlab函数:

    [b, a] = iirnotch(Wo, BW, Ab)

        Wo:要清除频率;

        BW:带宽;

        Ab:带宽边缘处增益值,单位dB,缺省值-3dB。

        2,[b, a] = iircomb(N, BW, Ab, ‘TYPE’);

        N:滤波器阶数;

        BW:带宽;

        Ab:增益值;

        Type:字符串,’ notch’ 或者 ’ peak’,对应陷波滤波器或者峰值滤波器。

         两个函数输出相同,给出的都是数字滤波器直接型II表示形式中的系数b和a。有了b和a,滤波器滤波特性就确定了。要对信号滤波调用filter函数即可。
     

    (2)仿真实例

    1,iirnotch举例

        设计一个数字滤波器,滤除信号中频率为60Hz的频谱成分。设信号采样频率为300Hz,滤波器品质因素为35。

        MATLAB代码如下

        Fs = 300;

        Fo = 60;

        Q  = 35;

        Wo = Fo/(Fs/2);

        BW = Wo/Q;

        [b, a] = iirnotch(Wo, BW);

        freqz(b, a, 1024);

       执行结果如下图所示。上图为滤波器幅频特性,下图为相频特性。

    2,iircomb举例

        要求同上,设计一个10阶的梳状滤波器。MATLAB代码如下

        Fs = 300;

        Fo = 60;

        Q = 35;

        Wo = Fo/(Fs/2);

        BW = Wo/Q;

        [b, a] = iircomb(10, BW, 'notch');

        freqz(b, a, 1024);

       执行结果如下图所示。上图是幅频特性,下图是相频特性。 

    ————————————————

    版权声明:本文为CSDN博主「SeamusWEI」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
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  • 反馈梳状滤波器差分方程为 b0x(n)+y(n)b*z-M*(-aM)=y(n)=b0x(n)-aMy(n-M) 传输函数为 H(z)=b01+aMz-M 反馈梳状滤波器是IIR滤波器的特例,因为有从延迟输出到输入的反馈。反馈梳状滤波器可以看作是一系列回声的...

     

    FBCF的结构图

    反馈梳状滤波器差分方程为

    b0x(n)+y(n)b*z-M*(-aM)=y(n)=b0x(n)-aMy(n-M)

    传输函数为

    H(z)=b01+aMz-M

    反馈梳状滤波器是IIR滤波器的特例,因为有从延迟输出到输入的反馈。反馈梳状滤波器可以看作是一系列回声的计算物理模型,呈指数衰减,时间间隔均匀。如下特例

    y(n)=x(n)+gy(n-M)

    对两边做Z变换,然后解出H(z)≜Y(z)/X(z),反馈梳状滤波器的传输函数可以表示为

    H(z)=11-gz-M

    所以振幅响应是

    G(ω)≜H(e)=11-ge-jωM , -π≤ω≤π

    响应曲线如下图

     

    图FBCF幅度响应H(z)=1/(1-gz-M)相当于y(n)=b0x(n)-aMy(n-M)b0=1-aM=g,其中M=5g=0.1,0.5,0.9a)线性幅度 b)分贝幅度

    g=1时,反馈梳状幅度响应变为

    G(ω)=12sin(ωM/2)

    当g=-1时,则为

    G(ω)=12cos(ωM/2)

    当增益g=1时,可以完全反转前馈梳状滤波器FFBCF的幅值响应。

    注意,当g>0时,产生共振峰ωk=2πkM,k=0,1,2,⋯,M-1;然而当g<0时,共振峰出现在这些值的中间。

    是一个理想平面波在两平行壁面之间来回弹跳的计算模型;在这种模型中,g表示总的往返衰减(两次墙到墙的穿越,包括两次反射)。

    为了稳定性,反馈系数aM必须在大小上小于1,即aM<1。否则,如果aM>1,每一个回声都会比之前的回声更大,产生无穷无尽、不断增长的回声。

    有时输出信号是从延迟线的末端而不是从延迟线的开始取的,在这种情况下,差分方程就变成了

    y(n)=bMx(n-M)-aMy(n-M)

    这种输出选择只会使输出信号延迟M个样本。

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  • 在Matlab中设计梳状滤波器

    千次阅读 2020-02-10 14:48:48
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空空如也

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