专利名称：级联积分梳状滤波器及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种变采样数字滤波领域，特别是涉及一种在功耗与面积之间取得平衡以获得最佳性价比的级联积分梳状滤波器及其实现方法。
背景技术：
在数字通信等诸多领域中，通常会使用到数字滤波器来提升通信质量。滤波器的设计指标主要包括过渡带宽和旁瓣幅度。滤波器的设计通常希望获得尽量窄的过渡带宽和较低的旁瓣幅度，然而减小过渡带宽和抑制旁瓣幅度是不能兼得的，通常是以增加过渡带宽以换取旁瓣的抑制。例如，可以通过加窗函数来抑制旁瓣幅度，但与此同时却增加了过渡带宽，为了减小过渡带宽，又需增加滤波器的阶数，因此，要综合考虑技术指标以满足滤波器的要求。
当前，电能计量芯片的数据采集主要是通过Σ-Δ模数转换器(Sigma-DeltaADC)对模拟电压和模拟电流进行采样并转换成它们的数字形式，以便后面的计量电路来计算电能、功率和有效值等数据。为了提高电能表的精度，一般是通过提高Σ-Λ模数转换器的精度的方法来实现，根据Sigma-Delta用速度换精度的基本原理，此类模数转换器ADC比较适合中慢速高精度的应用场合。Σ-Λ模数转换器包括Σ-Λ调制器(Σ-AModulator)和数字滤波器两部分，其中，DEC (Decimation)数字抽取滤波是一个重要环节，用于将高速低比特数据转换为慢速多比特数据，由此能大幅提升信噪比。由于级联积分梳状(Cascaded-Integrator-Comb, CIC滤波器)滤波器结构简单，又无需乘法器支持，实现起来非常简单，故常会采用CIC滤波器来实现DEC的功能。CIC滤波器本质上实属一种平均值滤波器，其传递函数为
α{=)=±^:-^11ζ 1其中，N表示抽取倍数。在SD-ADC领域，抽取倍数常用过采样率
N ft:0 Λ l-z 9
(Over-Sampling Rate, OSR)来表示，同时为了易于硬件实现，OSR常取值2的幂次，例如，
25、26、27等。相应地，CIC滤波器的频谱特性为:(;(,.)=1, 21,其中，w为
N sm(w/ 2)*
角频率，单位为rad/s。单级CIC滤波器的频谱特性(N=IO)如图I所示，由图I可见，第一旁瓣仅衰减到-13dB。因此，为了获得更好的带外衰减，一般在应用中都采取多级的级联结
构，即采用传递函数为=的K级CIC滤波器,其中,K表示级联级
+ N I--
数，最为常见地，K=3。IIR结构的CIC滤波器如图2a所示，所述结构要求所有内部寄存器均以最宽的情况为准，最大位宽的参考公式为Btjut=INT[K*log2N+Bin]，其中Bin和Btjut分别代表输入位宽和输出位宽；CIC滤波器的功耗则主要以速度来衡量。以K=3为例，在所述经典的IIR结构中，前端的三个积分器环节运行在高速，而后端的三个微分器环节运行在低速，因此，这种IIR结构的CIC滤波器的缺点在于前面的积分环节，既要求最大位宽又要求最快速度，但在信息传递过程中，速度是与位宽成类反比关系相对合理，即速度逐渐降低，位宽逐渐增加；速度逐渐增加，位宽逐渐减小。CIC滤波器的的实现结构有多种，较为常见的除了上述经典的无限冲击响应(IIR)结构，还有多级的有限冲击响应(FIR)结构。FIR结构的CIC滤波器如图2b所示，其传递函数为
权利要求
1.一种级联积分梳状滤波器，其特征在于，包括位于前端的为有限冲激响应FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器以及位于后端、与所述第一子级联积分梳状滤波器串联、为无限冲激响应IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器。
2.根据权利要求I所述的级联积分梳状滤波器，其特征在于， 第一子级联积分梳状滤波器为K阶FIR结构； 第二子级联积分梳状滤波器为K阶IIR结构，包括积分器组、延时器、以及微分器组； 所述积分器组包括级联而成的K个积分器，K为大于等于2的自然数； 所述微分器组包括级联而成的K个微分器，K为大于等于2的自然数； 所述延时器串联在所述积分器组中最后一级积分器的输出端和所述微分器组中第一级微分器的输入端之间。
3.根据权利要求I或2所述的级联积分梳状滤波器，其特征在于 所述级联积分梳状滤波器的总降频为OSR ； 所述第一子级联积分梳状滤波器实现Ml倍降频，降采倍数为2的幂次，M1=2m, M为正整数； 所述第二子级联积分梳状滤波器实现N倍降频； 其中，0SR=M1*N。
4.根据权利要求3所述的级联积分梳状滤波器，其特征在于 定义代价函数=寄存位宽*运行速度，BP ,Pr ice = Bits * Freq ； 前端为FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器的实现代价为其中，Ml为所述第一子级联积分梳状滤波器的降频，Ml = 2m，M为幂次，K为级联积分梳状滤波器的预定级数，Bin为输入数据的输入位宽，FS为输入数据的采样频率； 后端为IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器的实现代价为 Price [Hiie] = [K*B0Ut] * [ (N+l) * (FS/OSR)] =[K (FS/OSR) * (N+l) ] * [Bin+K (M+log2N)] 其中，K为级联积分梳状滤波器的预定级数，Bin为输入数据的输入位宽，Bout为输出数据的位宽，OSR为所述级联积分梳状滤波器的总降频，N为所述第二子级联积分梳状滤波器的降频； 级联积分梳状滤波器的总的实现代价为前端为FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器的代价与后端为IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器的代价之和，即
5.一种级联积分梳状滤波器的实现方法，其特征在于，包括 提供级联积分梳状滤波器，包括位于前端的为有限冲激响应FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器以及位于后端、与所述第一子级联积分梳状滤波器串联、为无限冲激响应IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器； 分别获得与位于前端的为FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器对应的实现代价Price[Hfie]和与位于后端的为IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器对应的实现代价Price [Hiie]，从而获得所述级联积分梳状滤波器的总的实现代价Price [HaJ ； 根据所述级联积分梳状滤波器的总降频及总的实现代价Price [Ha。]，进行仿真，从而确定出获得最佳性价比的位于前端的为FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器与位于后端的为IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器的降频分配。
6.根据权利要求5所述的级联积分梳状滤波器的实现方法，其特征在于， 第一子级联积分梳状滤波器为K阶FIR结构； 第二子级联积分梳状滤波器为K阶IIR结构，包括积分器组、延时器、以及微分器组； 所述积分器组包括级联而成的K个积分器，K为大于等于2的自然数； 所述微分器组包括级联而成的K个微分器，K为大于等于2的自然数； 所述延时器串联在所述积分器组中最后一级积分器的输出端和所述微分器组中第一级微分器的输入端之间。
7.根据权利要求5或6所述的级联积分梳状滤波器的实现方法，其特征在于 所述级联积分梳状滤波器的总降频为OSR ； 所述第一子级联积分梳状滤波器实现Ml倍降频，降采倍数为2的幂次，M1=2m, M为正整数； 所述第二子级联积分梳状滤波器实现N倍降频； 其中，0SR=M1*N。
8.根据权利要求7所述的级联积分梳状滤波器的实现方法，其特征在于 定义代价函数=寄存位宽*运行速度，即，Priee = mis岑Freq ; 前端为FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器的代价为
全文摘要
本发明提供一种级联积分梳状滤波器及其实现方法，所述级联积分梳状滤波器为包括FIR结构和IIR结构相串联的复合结构，包括位于前端的为有限冲激响应FIR结构的第一子级联积分梳状滤波器，以及位于后端、与所述第一子级联积分梳状滤波器串联、为无限冲激响应IIR结构的第二子级联积分梳状滤波器。本发明相对于现有技术，可弥补现有单一结构(FIR结构或IIR结构)的不足，优势互补以面积换速度，在实现成本和消耗功耗之间取得平衡，从而获得最佳性价比。
文档编号H03H17/02GK102780469SQ201210292420
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者张志勇, 张斌阳 申请人:钜泉光电科技(上海)股份有限公司