对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的方法和装置

摘要

本发明提供一种对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的方法和装置。所述方法包括：在无限冲激响应(IIR)滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量，实现对所述输入序列的线性预畸变；从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量，得到去线性畸变后的序列；对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移，以消除所述IIR滤波器的小数倍相位偏移。本发明通过对无限冲激响应滤波器的暂态振荡和相位偏移进行补偿，能够在基本上不增加系统复杂度的前提下，实现稳定且无相位偏移的滤波过程。

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，特别涉及一种对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的方法和装置。

背景技术

在信号处理中经常碰到滤波器的应用，随着互补金属氧化物半导体(CMOS)器件和数字信号处理(DSP)技术的飞速发展，数字滤波器得到了广泛的应用。

数字滤波器从实现方法上可分为无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器两种，其中，FIR滤波器没有极点，只有零点，因此系统比较稳定，而且能保证很好的线性相位，但是很难做到较好的通带特性和阻带衰减特性，为了达到好的特性通常阶数非常高，这使得计算量和系统复杂度特别高。

IIR滤波器很容易实现通带特性和带外的衰减特性，并且通常阶数很低，节省系统资源，但是，IIR滤波器的稳定性不好，而且带内相位是非线性的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的方法和装置，使得在基本上不增加系统复杂度的前提下，实现稳定且无相位偏移的滤波过程。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的方法，包括：

在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量，实现对所述输入序列的线性预畸变；

从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量，得到去线性畸变后的序列；

对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移，以消除所述IIR滤波器的小数倍相位偏移。

上述的方法，其中，所述在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量为：

xd(n)＝x(n)-d(n)

其中，x(n)为所述输入序列，d(n)为所述线性预畸变分量，xd(n)为线性预畸变后的输入序列，n＝1，...，N，N为输入序列的长度；

并且，所述线性预畸变分量d(n)为如下的斜坡函数：

$\left(\begin{array}{c}d\left(1\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(1\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(1\right)& x\left(1\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(1\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(N\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(N\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(N\right)& x\left(N\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(N\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(n\right)=d\left(1\right)+\frac{d\left(N\right)-d\left(1\right)}{d\left(N\right)+d\left(1\right)}\times (n-1)\end{array}\right)$

其中，A_thr为门限电平。

上述的方法，其中，所述门限电平A_thr根据对所述斜坡函数的谱泄漏对滤波性能的影响，以及所述IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响进行折中得到。

上述的方法，其中，所述从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量为：

xo(n)＝xf(n)+d(n)

其中，xf(n)为所述IIR滤波器的输出序列，xo(n)为所述去线性畸变后的序列。

上述的方法，其中，所述对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移包括：

估计所述IIR滤波器的相位偏移值；

根据所述相位偏移值对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移。

上述的方法，其中，所述估计所述IIR滤波器的相位偏移值包括：

A1：选取长度为N_p的数据作为训练序列，由所述IIR滤波器对所述训练序列进行滤波后得到第一滤波序列xl(n)，对所述训练序列进行理想滤波后得到第二滤波序列xref(n)；

A2：按照如下公式对所述第一滤波序列xl(n)进行相位偏移：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{xt}\left(n\right)=P\times x1\left(n\right)+(1-P)\times x1(n+1),n=1,...,N_p-1\\ \mathrm{xt}\left(N_p\right)=(2-P)\times x1\left(N_p\right)-(1-P)\times x1(N_p-1)\\ P=P_{\mathrm{ref}}+m/2M,-M<m<M\end{array}\right)$

其中，xt(n)为相位偏移后序列，P为相位偏移因子，P_ref为初始相位偏差，(-M，M)为相位偏移扫描区间；

A3：计算相位偏移后序列xt(n)与第二滤波序列xref(n)的均方误差，并获取其中的最小值；

A4：判断所述最小值是否小于误差门限，若是，将对应的相位偏移因子作为所述相位偏移值，否则，增加M的值后返回步骤A2。

上述的方法，其中，所述根据所述相位偏移值对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{xp}\left(n\right)=P_{\mathrm{opt}}\times \mathrm{xo}\left(n\right)+(1-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}(n+1),n=1,...,N-1\\ \mathrm{xp}\left(N\right)=(2-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}\left(N\right)-(1-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}(N-1)\end{array}\right)$

其中，P_opt为相位偏移值，xp(n)为对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移后的序列。

一种对无限冲激响应IIR滤波器的非线性进行补偿的装置，包括：

线性预畸变单元，用于在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量，实现对所述输入序列的线性预畸变；

去线性畸变单元，用于从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量，得到去线性畸变后的序列；

相位偏移单元，用于对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移，以消除所述IIR滤波器的小数倍相位偏移。

上述的装置，其中，所述在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量为：

xd(n)＝x(n)-d(n)

其中，x(n)为所述输入序列，d(n)为所述线性预畸变分量，xd(n)为线性预畸变后的输入序列，n＝1，...，N，N为输入序列的长度；

并且，所述线性预畸变分量d(n)为如下的斜坡函数：

$\left(\begin{array}{c}d\left(1\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(1\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(1\right)& x\left(1\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(1\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(N\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(N\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(N\right)& x\left(N\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(N\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(n\right)=d\left(1\right)+\frac{d\left(N\right)-d\left(1\right)}{d\left(N\right)+d\left(1\right)}\times (n-1)\end{array}\right)$

其中，A_thr为门限电平。

上述的装置，其中，所述从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量为：

xo(n)＝xf(n)+d(n)

其中，xf(n)为所述IIR滤波器的输出序列，xo(n)为所述去线性畸变后的序列。

上述的装置，其中，所述相位偏移单元进一步用于：

估计所述IIR滤波器的相位偏移值；

根据所述相位偏移值对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移。

本发明实施例通过对无限冲激响应滤波器的暂态振荡和相位偏移进行补偿，能够在基本上不增加系统复杂度的前提下，实现稳定且无相位偏移的滤波过程。

附图说明

图1为本发明实施例的对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的方法流程图；

图2为本发明实施例中对输入数据进行线性畸变前后的序列示意图；

图3为本发明实施例中相位补偿的原理示意图；

图4为本发明实施例中估计IIR滤波器的相位偏移值的方法流程图；

图5为本发明实施例中对训练序列的均方误差计算结果示意图；

图6为本发明实施例的对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

参照图1，本发明实施例的对无限冲激响应(IIR)滤波器的非线性进行补偿的方法，主要包括如下步骤：

步骤101：在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量，实现对所述输入序列的线性预畸变；

具体地，采用如下公式在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量：

xd(n)＝x(n)-d(n)

其中，x(n)为所述输入序列，d(n)为所述线性预畸变分量，xd(n)为线性预畸变后的输入序列，n＝1，...，N，N为输入序列的长度；

并且，所述线性预畸变分量d(n)采用如下的斜坡函数：

$\left(\begin{array}{c}d\left(1\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(1\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(1\right)& x\left(1\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(1\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(N\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(N\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(N\right)& x\left(N\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(N\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(n\right)=d\left(1\right)+\frac{d\left(N\right)-d\left(1\right)}{d\left(N\right)+d\left(1\right)}\times (n-1)\end{array}\right)$

其中，A_thr为门限电平。

所述门限电平A_thr根据对所述斜坡函数的谱泄漏对滤波性能的影响，以及所述IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响进行折中得到：

若所述斜坡函数的谱泄漏对滤波性能影响较为明显，则降低所述门限电平，直到其影响接近IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响；

若IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响较为明显，则提高所述门限电平，直到其影响接近斜坡函数的谱泄漏对滤波性能的影响。

以长期演进(LTE)系统中信道估计(CHE)频域插值(6X)过程中的抗镜像滤波为例，线性预畸变结果如图2所示。

所述线性预畸变过程完成后，将xd(n)输入到所述IIR滤波器中进行滤波，并且，滤波过程包括去除整数倍相位偏移。也就是说，IIR滤波器的输出序列为已经消除了整数倍相位偏移的序列。

步骤102：从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量，得到去线性畸变后的序列；

具体地，采用如下公式从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量：

xo(n)＝xf(n)+d(n)

其中，xf(n)为所述IIR滤波器的输出序列，xo(n)为所述去线性畸变后的序列。

通过上述步骤，消除了IIR滤波器的暂态响应带来的非理想振荡。经实验验证，暂态响应补偿后的CHE性能跟补偿前的性能相比，均方误差从0.36％降低到了0.0046％。

步骤103：对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移，以消除所述IIR滤波器的小数倍相位偏移。

本步骤中，可以采用公知的方法进行所述相位偏移。

另外，本发明实施例还提供如下的优选方法来进行所述相位偏移：

首先，估计所述IIR滤波器的相位偏移值；

然后，根据所述相位偏移值对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移。

其中，该优选方法进行相位补偿的原理如图3所示：利用序列相邻采样点的相关性来计算无偏值。

参照图4，所述估计所述IIR滤波器的相位偏移值包括如下步骤：

步骤401：选取长度为N_p的数据作为训练序列，由所述IIR滤波器对所述训练序列进行滤波后得到第一滤波序列xl(n)，对所述训练序列进行理想滤波后得到第二滤波序列xref(n)；

步骤402：按照如下公式对所述第一滤波序列xl(n)进行相位偏移：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{xt}\left(n\right)=P\times x1\left(n\right)+(1-P)\times x1(n+1),n=1,...,N_p-1\\ \mathrm{xt}\left(N_p\right)=(2-P)\times x1\left(N_p\right)-(1-P)\times x1(N_p-1)\\ P=P_{\mathrm{ref}}+m/2M,-M<m<M\end{array}\right)$

其中，xt(n)为相位偏移后序列，P为相位偏移因子，P_ref为初始相位偏差，(-M，M)为相位偏移扫描区间；

步骤403：计算相位偏移后序列xt(n)与第二滤波序列xref(n)的均方误差，并获取其中的最小值；

具体地，均方误差的计算公式为：

$\mathrm{Error}\left(m\right)=\sqrt{\frac{{\Sigma }_{n=0}^{N_p}{(\mathrm{xt}\left(n\right)-\mathrm{xref}\left(n\right))}^2}{N_p}}$

参照图5，不同的m对应不同的均方误差值，扫描所有的均方误差值，从中找出最小的均方误差值，并记录此时m的取值M_a。

步骤404～406：判断所述最小值是否小于误差门限，若是，将对应的相位偏移因子作为所述相位偏移值，否则，增加M的值后返回步骤402。

当所述最小值小于误差门限时，将对应的相位偏移因子作为所述相位偏移值：

$P_{\mathrm{opt}}=P_{\mathrm{ref}}+\frac{M_a}{2M}$

在得到所述相位偏移值后，就可以采用如下的公式对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{xp}\left(n\right)=P_{\mathrm{opt}}\times \mathrm{xo}\left(n\right)+(1-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}(n+1),n=1,...,N-1\\ \mathrm{xp}\left(N\right)=(2-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}\left(N\right)-(1-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}(N-1)\end{array}\right)$

其中，xp(n)为对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移后的序列。

经实验验证，进行相位补偿后的CHE性能跟补偿前的性能相比，均方误差进一步降低到了0.00099％

参照图6，本发明实施例的对无限冲激响应滤波器的非线性进行补偿的装置，包括，线性预畸变单元、去线性畸变单元和相位偏移单元。其中：

线性预畸变单元，用于在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量，实现对所述输入序列的线性预畸变。

具体地，采用如下公式在IIR滤波器的输入序列中增加线性预畸变分量：

xd(n)＝x(n)-d(n)

其中，x(n)为所述输入序列，d(n)为所述线性预畸变分量，xd(n)为线性预畸变后的输入序列，n＝1，...，N，N为输入序列的长度；

并且，所述线性预畸变分量d(n)采用如下的斜坡函数：

$\left(\begin{array}{c}d\left(1\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(1\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(1\right)& x\left(1\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(1\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(N\right)=\left(\begin{array}{cc}0& -A_{\mathrm{thr}}\le x\left(N\right)\le A_{\mathrm{thr}}\\ x\left(N\right)& x\left(N\right)>A_{\mathrm{thr}},x\left(N\right)<-A_{\mathrm{thr}}\end{array}\right)\\ d\left(n\right)=d\left(1\right)+\frac{d\left(N\right)-d\left(1\right)}{d\left(N\right)+d\left(1\right)}\times (n-1)\end{array}\right)$

其中，A_thr为门限电平。

所述门限电平A_thr根据对所述斜坡函数的谱泄漏对滤波性能的影响，以及所述IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响进行折中得到：

若所述斜坡函数的谱泄漏对滤波性能影响较为明显，则降低所述门限电平，直到其影响接近IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响；

若IIR滤波器的暂态振荡对滤波性能的影响较为明显，则提高所述门限电平，直到其影响接近斜坡函数的谱泄漏对滤波性能的影响。

去线性畸变单元，用于从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量，得到去线性畸变后的序列。

具体地，采用如下公式从所述IIR滤波器的输出序列中去除所述线性预畸变分量：

xo(n)＝xf(n)+d(n)

其中，xf(n)为所述IIR滤波器的输出序列，xo(n)为所述去线性畸变后的序列。

相位偏移单元，用于对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移，以消除所述IIR滤波器的小数倍相位偏移。

所述相位偏移单元可以采用公知的方法进行所述相位偏移。

另外，本发明实施例还提供如下的优选方法来进行所述相位偏移：

首先，估计所述IIR滤波器的相位偏移值；

然后，根据所述相位偏移值对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移。

其中，相位偏移值的估计方法可以参照上文方法实施例中的描述以及图4所示。在得到所述相位偏移值后，就可以采用如下的公式对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{xp}\left(n\right)=P_{\mathrm{opt}}\times \mathrm{xo}\left(n\right)+(1-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}(n+1),n=1,...,N-1\\ \mathrm{xp}\left(N\right)=(2-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}\left(N\right)-(1-P_{\mathrm{opt}})\times \mathrm{xo}(N-1)\end{array}\right)$

其中，xp(n)为对所述去线性畸变后的序列进行相位偏移后的序列。

综上所述，本发明实施例通过对无限冲激响应滤波器的暂态振荡和相位偏移进行补偿，能够在基本上不增加系统复杂度的前提下，实现稳定且无相位偏移的滤波过程。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。