CN100431266C

CN100431266C - 自适应滤波方法及相关设备

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Publication number: CN100431266C
Application number: CNB018018793A
Authority: CN
Inventors: V·L·戈斯泰恩; G·图尔科尼奇
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2021-04-17
Also published as: WO2001084708A2; JP2003533083A; US7689637B1; KR100791235B1; JP5160712B2; ATE487275T1; EP1281236B1; EP1281236A2; WO2001084708A3; DE60143385D1; CN1386323A; KR20020029898A

Abstract

使用自适应滤波器对输入信号进行滤波，以产生输出信号。从输出信号中导出误差信号。自适应滤波器具有其值可被改变的系数。使用导出的更新量来修改系数值。更新量由输入信号的值、误差信号的极性值和步进增益的乘积得出。步进增益的形式为2^K，K是整数且由误差信号的数值幅度和步进增益参数决定。更新量取决于误差信号的幅度和极性，因此可精确地更新系数。步进增益的特定形式可快速得到乘积结果。

Description

自适应滤波方法及相关设备

技术领域

本发明涉及处理输入信号的方法。还涉及用于实现该方法的相应数据处理设备。

本发明尤其涉及视频或音频数据经通信信道传输时遭受失真而进行的处理。

背景技术

在下文中，符号“A”表示信号A，“A(n)”表示信号A在离散时间n的数字化值。

输入信号Sin可能代表任何类型的数字视频、音频或通信数据。信号Sin代表诸如视频或音频数据。输入信号Sin可能是由基站产生的压缩视频数据所调制的中频。该信号从基站通过地面广播、电缆或卫星信道传输到接收机。在传输期间，信号Sin可能受到不同形式失真的影响。所传输的输入信号Sin可能包括训练序列。接收到的训练序列可能被破坏。为补偿某些类型的失真，使用自适应滤波器F对可能被破坏的输入信号Sin进行滤波。滤波器F是自适应的，因此经过滤波的已接收训练序列与接收机预知的原始训练序列接近。滤波器F有m个可调整系数的集合C，其值为离散时间n处的C0(n)，C1(n)，...，Cm-1(n)。滤波器F产生输出信号Sout，且值Sout(n)由时刻n的滤波器系数值和滤波器F中缓存的输入信号Sin值得到，示于图1A中的公式。

为使滤波器F达到自适应，如图1B所示，从基准信号Sref和信号Sout之差得到误差信号E。基准信号是接收机预知的训练序列。这种自适应滤波或均衡的方法依靠训练序列来调整系数，通常称为“训练均衡”。

系数的调节也可通过所谓的盲均衡来完成。盲均衡并不需要传输训练序列。误差信号E的导出和系数的调节依赖于自适应滤波器输出信号Sout的统计特性。

可能的调节方法包括更新集合C以使误差信号E最小。通常通过从时刻n到时刻n+1时更新每个系数的方法来更新集合C。图1C中给出对时刻n处的系数Cj进行更新的方程形式，其中g是时刻n的数学标量函数，f1是时刻n处误差信号值的数学标量函数，f2是时刻n处滤波器F中缓存的输入信号Sin(n-j)值的数学标量函数，公式中还有系数Cj。

调节公式众所周知的一种形式如图1D所示，涉及最小均方(LMS)算法，目的是调整滤波器F的系数，令滤波器F的输出信号与基准信号之间差异最小。使用控制算法收敛速度的自适应步进参数μ进行系数Cj(n)的更新。

在此引入作为参考的美国专利5,568,411，公开了自适应滤波器中更新系数的一种方法。该方法与众所周知的最小均方更新算法非常类似。这种已知的方法针对系数更新的关系基于极性一致相关器，该相关器基于误差信号的符号和输入信号连续N个时刻样值符号的乘积和。

发明内容

本发明的一个目的是提供数据处理设备中易于实现的有效滤波方法。本发明的另一目的是提供可进行高速数据处理的数据处理设备，并提供该设备的低成本实施方案。

为此目的，本发明提供对输入信号处理的方法。该方法包括下述步骤。输入信号通过使用可调整系数的滤波器进行滤波以产生输出信号。从输出信号中导出误差信号。对至少一个特定的滤波器系数，从输入信号的第一个值、取决于误差信号第三个值极性的二进制信号的第二个值和步进增益的第四个值的乘积可得到更新量。步进增益的形式为2^k，K是整数且取决于第三个值的幅值和步进增益参数。随即使用得到的更新值对特定滤波器系数进行调整。

本发明的处理方法目的是通过调节至少一个特定系数来获得使误差信号最小的输出信号。基于输入信号的值、误差信号的极性和2^K形式的指定步进增益来实现系数的调节，其中整数K是误差信号幅值的函数。与基于理论的LMS公式更新系数以进行滤波的已知信号处理方法相比，本发明的方法由于所需乘法次数更少，因而更简单。此外，与背景技术部分公开的滤波方法相比，本发明的方法不仅包括误差信号的极性，还包括误差信号的幅值。因此，本发明的方法允许对滤波器系数进行更精细的调整。此外，涉及的步进增益的形式是2^K，易于通过诸如桶形移位器或预先准备的查找表来实现。因此，本发明方法的一个优点是其对于滤波器系数快速有效的更新机制，可避免多次乘法操作。本发明的方法是基于理论算法的方法和背景技术部分描述的低计算性方法的正确性之间的一个很好的折中。

本发明还涉及用于处理数字输入信号的数据处理设备。本发明的设备包括具有可调整滤波器系数的电路，用于对输入信号进行滤波并产生输出信号。设备中还包括误差计算器，用于从输出信号中导出误差信号。设备也包括步进增益计算器，用于得到2^k形式的步进增益的第一个值，其中K是基于误差信号第二个值的幅度和步进增益参数的整数。设备还有一个符号单元和更新电路，符号单元用于提供基于误差信号第二个值极性的二进制信号。对至少一个特定滤波器系数，更新电路得到更新量并使用更新量来调整特定系数。更新量由输入信号的第三个值、二进制信号的第一个和第四个值的乘积得到。

本发明的设备执行简单的乘法操作。通常，乘法运算比较占用处理资源，因此本发明的设备可以高效地使用可用的处理资源和计算时间。

附图说明

本发明将通过举例更进一步详细阐述，其中参考下述附图：

图1A-1K是数学公式；

图2是根据本发明的数据处理设备框图；

图3是本发明某些部分的流程图示；

图4是根据本发明的自适应滤波电路框图，且

图5是根据本发明的更新电路。

图示中具有相似或相同特性的元件用同样的编号表示。

实施方式

图2是根据本发明的数据处理设备200的实施例的框图。设备200包括对数字输入信号Sin进行滤波的滤波电路F，产生数字输出信号Sout。滤波电路F有一个集合C，由m个在离散时间n处取值为C0(n)，C1(n)，...Cm-1(n)的可调整滤波系数组成。所述的系数可进行调整，意即它们的值可以改变。例如，如下面的示例所示，系数是自适应系数，因此滤波器F为自适应滤波器。

设备200可以是接收机的一部分，该接收机接收由发射器输出并通过通信信道传输的输入信号Sin。设备200完成对信号Sin的均衡。在训练均衡中，发射器端对输入信号Sin进行的发射包括Sin中包括基准信号Sref作为输入信号Sin的一部分的发射。在接收端，接收到有失真的信号Sref。此信号Sref通常称作训练序列。有失真的基准信号Sref通过滤波器F进行滤波并产生经过滤波的有失真基准信号Sref。已滤波的有失真基准信号Sref是输出信号Sout的一部分。本领域中技术人员可通过从信号Sref和已滤波的有失真基准信号Sref得到误差信号并使误差信号最小，且使用该结果来得到输出信号，从而部分地去除信道失真。在盲均衡中，输入信号Sin的传输不包括基准信号Sref的传输。在这种情况下，误差信号E从输出信号Sout的统计特性导出。

在本实施方案中，执行训练均衡。设备200还包括用于从输出信号Sout和基准信号Sref得到误差信号的误差计算器202。在设备200中预先已知基准信号Sref。

在本实施方案中，计算器202有一个比较器，可计算基准信号Sref和输出信号Sout之间的差异，示于图1E。量i是正整数，代表计算器202所需的延时以实现误差信号E的计算。因此，离散时间n处，在计算器202输出端当前可得的误差信号E(n)值是与时间n-i处输出信号Sout及基准信号Sref值有关的误差值。在本发明的理想实施方案中，此延时i可能实际为0且误差信号时刻n的取值E(n)与Sout(n)和Sref(n)时刻n的当前值有关。在图1E中给出的误差信号E的计算决不受本发明的限制，本领域技术人员可推导任何合适的数学表达式，用来量度初始发送和接收到的基准信号Sref之间的差异。在本发明的另一实施方案中，误差信号E可以按图1F中的公式得到。此处，误差信号E是输出信号和基准信号各自自乘后的差值的第一个函数G1以及输出和基准信号之间差值的第二个函数G2的乘积。

得到的误差信号E随后送到符号单元204，产生代表误差信号E极性的二进制符号信号SGN。当信号E在时刻n处是正值或0时，信号SGN在时刻n的值是0。当信号E在时刻n处是负值时，信号SGN在时刻n的值是1。信号E和信号SGN随后送到更新电路206。电路206可更新至少一个特定的滤波器系数Cj，将其从时刻n的值Cj(n)变为时刻n+1的新值Cj(n+1)。

为此目的，电路206得到相应的系数更新量DCj(n)，该值为输入信号Sin的值Sin(n-j-i)、从E(n)值得到的SGN(n)值和以2^K形式的步进增益这三项的乘积，其中K为负整数。输入信号Sin(n-j-i)的值与时刻n-i处的系数Cj相关，导致时刻n处的E(n)值。量K取决于E(n)值的幅度和步进增益参数μ。整数K可以是负整数量K1和正整数量K2的和。量K1可以是μ以2为底的对数，μ优选为2^t形式，其中t是负整数。量K2得自误差信号E当前值的幅度，当误差信号的幅度增加时K2优选增加。因此，更新系数Cj时，当误差信号E(n)的幅值增加时，更新量DCj(n)的幅度变大。这样，当误差信号的幅度减小时，步进增益M减小。在本发明的实施方案中，在时刻n可以计算K2，是误差信号E的幅度以2为底的对数值经过四舍五入的最接近整数值。对于误差信号E的各种幅值，K2可从查找表中存储的K2值得到。

可能按照如图1G和图1H中的公式，随后将得到的更新量DCj(n)与Cj(n)值相加后得到系数Cj的新值Cj(n+1)。在图2所示的本发明实施方案中，误差信号E推导中的延时i是，例如2个离散时间周期。因此误差信号在时刻n的值E(n)相应于2个离散时间单元以前输出信号的值Sout(n-2)和基准信号Sref的值Sref(n-2)。在本发明的实施方案中，如图1H中的更新公式变为如图1I的公式。

当更新时刻n的系数Cj，电路206可能为滤波器F提供对应值DCj(n)，这样滤波器F内部将系数Cj的值从Cj(n)更新为Cj(n+1)。在另一实施方案中，电路206可能还从滤波器F中恢复所述Cj(n)值，在所得量DCj(n)的基础上修改Cj(n)值，然后将新的Cj(n+1)装入滤波器F，替换值Cj(n)。在本发明的方法中，当时间从n到n+1时，并不需要同时更新整个集合C中的全部系数。当指定系数Cj没有更新时，时刻n+1处的Cj(n+1)值仍为时刻n的Cj(n)值。

图3是流程图300，示出本发明中滤波方法的各个步骤。步骤302包括使用诸如图2中滤波电路F的带可调整系数C0，…，Cm-1的滤波器对输入信号Sin滤波，得到输出信号Sout。步骤304包括从输出信号Sout中导出误差信号E。在训练均衡中，误差信号E从输出信号和参考信号Sref中得到。在盲均衡中，误差信号从输出信号Sout的统计特性中得到。下一步骤306包括对至少一个特定滤波器系数Cj，导出与特定滤波器系数Cj有关的更新量DCj，该更新量是输入信号Sin的值、误差信号E的符号以及以2^K1+K2形式的步进增益M的乘积。量K2是误差信号幅值的函数。于是，在所得DCj的基础上，步骤308包括使用所得更新值DCj(n)来修改系数Cj的值Cj(n)。

现详细解释滤波器F的机能。滤波器F可能的功能实施方案如图4所示。滤波器F例如是4抽头滤波器，这意味着滤波电路F有四个系数C0、C1、C2和C3，在时刻n各自的值C0(n)、C1(n)、C3(n)和C4(n)分别存储在四个抽头寄存器400、402、404和406中。滤波电路F还包括四个数据寄存器D1、D2、D3和D4，用于存储输入信号Sin的值。在时刻n，Sin(n)、Sin(n-1)、Sin(n-2)和Sin(n-3)分别存储在寄存器D1、D2、D3和D4中。寄存器D1、D2、D3和D4形成FIFO(“先入先出”)。滤波器F还包括四个乘法器408、410、412和414。

在时刻n，乘法器408接收寄存器D1中存储的输入信号值Sin(n)和寄存器400中存储的C0(n)值。乘法器408随后为加法器416提供Sin(n)与C0(n)值的乘积。在时刻n，乘法器410接收寄存器D2中存储的Sin(n-1)值和寄存器402中存储的C1(n)值。乘法器410随后为加法器416提供Sin(n-1)与C1(n)值的乘积。在时刻n，乘法器412接收寄存器D3中存储的Sin(n-2)值和寄存器404中存储的C2(n)值。乘法器412随后为加法器416提供Sin(n-2)与C2(n)值的乘积。类似地，乘法器414接收寄存器D4中存储的Sin(n-3)值和寄存器406中存储的C3(n)值。乘法器随后为加法器416提供Sin(n-3)与C3(n)值的乘积。

加法器416按照如图1J所示的乘积和，得到输出信号在时刻n的值Sout(n)。

当时间从n增加到n+1时，时刻n处的系数值C0(n)、C1(n)、C2(n)和C3(n)可以通过分别向寄存器400、402、404和406装入新的值C0(n+1)、C1(n+1)、C2(n+1)和C3(n+1)来进行调整。当时间从n增加到n+1时，集合C并不需要全部更新，可能只有一个系数在时刻n与n+1之间有更新。例如，在本实施方案中，系数C1根据图1K的公式进行更新，其中SGN(n)是值E(n)＝Sout(n-2)-Sref(n-2)的极性。

图5是本发明的电路206的一种可能实施方案的框图。更新电路206首先包括反相单元500，用于得到与信号Sin幅值相同但极性相反的信号。在本发明的此实施方案中，设备500将输入信号Sin乘以-1。电路206还包括一个复用器502。在时刻n，当更新指定系数Cj时，复用器接收时刻n的值Sin(n-j-i)和单元500的输出-Sin(n-j-i)。复用器502还接收时刻n的信号SGN值。根据信号SGN的值，复用器502提供带符号的信号SSin，在时刻n其值为Sin(n-j-i)或Sin(n-j-i)的负值。时刻n时，SGN(n)值为0，SSin(n)的值为Sin(n-j-i)。当SGN(n)值为1时，SSin(n)的值为-Sin(n-j-i)。

信号SSin随后送到桶形移位器504，用于提供更新量DCj(n)，该更新量是SSin(n)值与步进增益M的乘积。时刻n的步进增益M由时刻n的误差信号幅值得到。由于步进增益M的形式为2^(K1+K2)，所以通过桶形移位器504得到乘积。移位器504包括，例如，5个移位单元506、508、510、512和514对不同的K1+K2值实现信号SSin(n)在时刻n的不同的二进制右移位。例如，移位单元506、508、510、512和514可以作为总线连接器实现，并完成比特重排序。在本实施方案中，单元506可对信号SSin右移一位，单元508可对信号SSin右移两位。桶形移位器504还包括一个复用器516，用于产生更新量，该更新量是根据所提供的值K＝K1+K2，移位单元506、508、510、512、514之一的输出。在本发明的本实施方案中，更新电路包括查找表存储器MEM，用于对于误差信号E的幅值和步进增益参数值μ的不同组合存储整数K值。在本发明的另一实施方案中，查找表MEM可能在电路206外实现，可能有多个查找表MEM。例如，不同的查找表可能对应步进增益参数μ的不同值、输入信号Sin传输时的各种信道条件、系数更新的方式是训练还是盲模式、错误率等等…因此，根据K值，桶形移位器504提供时刻n处的校正量DCj(n)。

电路206包括一个加法器518，用得到的DCj(n)更新系数Cj，从而提供一个新的Cj(n+1)值。

应当指出，关于所描述的方法，可能并在不脱离发明的范围的情况下提出修改或改进。例如，显然此处理方法可以以多种方式实现，例如通过有线电子电路或存储在计算机可读介质中的指令集，所述指令取代至少所述电路中的一部分并可在计算机或数字处理器的控制下执行，目标是完成所述被替换电路实现的相同功能。

Claims

1.一种处理输入信号的方法，该方法包括以下步骤：

●使用具有可调整滤波器系数的滤波器对输入信号滤波以产生输出信号；

●从输出信号导出误差信号；

●对至少一个特定的滤波器系数，从输入信号的一个值、取决于误差信号的一个值极性的二进制信号的一个值和形式为2^K的步进增益的一个值的乘积得到更新量，其中K是整数且取决于误差信号的所述值的幅度和步进增益参数；

●使用更新量来调整所述特定的滤波器系数。

2.一种用于处理输入信号的数据处理设备，包括：

●具有可调整滤波器系数的滤波电路，用于对输入信号滤波并产生输出信号；

●误差计算器，用于从输出信号导出误差信号；

●步进增益计算器，用于得到形式为2^K的步进增益的一个值，其中K是整数且取决于误差信号的一个值的幅度和步进增益参数；

●符号单元，用于提供取决于误差信号的所述值极性的二进制信号；

●包括步进增益计算器并且耦合到所述误差计算器以及符号单元的更新电路，用于对至少一个特定的滤波器系数，从输入信号的一个值、步进增益的所述值以及二进制信号的一个值的乘积得到更新量，并用更新量调整所述特定系数。

3.如权利要求2的设备，所述更新电路还包括一个数字部件，所述部件包括至少一个桶形移位器，用来执行由步进增益特定值的相乘。

4.如权利要求2的设备，其中K为K1+K2的形式，K1和K2是整数且设备包括一个用于存储对于误差信号的不同幅值的K2值的存储器电路。

5.如权利要求2的设备，其中K为K1+K2的形式，K1和K2是整数且设备包括一个用于存储对于步进增益参数的不同值的K1值的存储器电路。

6.如权利要求2的设备，其中在离散时刻n，更新量由误差信号在时刻n-m的值和输入信号在时刻n-m的值得到，此处m代表处理延时。

7.如权利要求2的设备，其中滤波器包括具有可调整系数的数字滤波器。

8.如权利要求2的设备，其中输入信号已经过数字化。