本發(fā)明涉及降采樣濾波器，尤其涉及一種大尺度降采樣的級聯(lián)數(shù)字濾波裝置。

背景技術(shù)：

1、空間引力波探測采用三星編隊方案，基于邁克爾遜激光外差干涉原理，通過對相距數(shù)百萬公里和十幾萬公里星間慣性基準(zhǔn)的距離微變化進(jìn)行測量，從而反演引力波事件，測量精度為皮米量級。對星間慣性基準(zhǔn)的距離微變化進(jìn)行測量的電子學(xué)有效載荷稱為“相位計”，其核心功能是高精度相位測量，指標(biāo)要求在0.1mhz~1hz頻段內(nèi)，其測量精度需要達(dá)到/（對應(yīng)/）。由于星間多普勒效應(yīng)，星間干涉信號頻率的動態(tài)范圍為2mhz-20mhz，為了對干涉信號的相位信息進(jìn)行高精度測量，星上相位測量系統(tǒng)的處理頻率一般不低于80mhz，又由于星間時鐘噪聲傳遞、星間測距等功能需要，此外考慮三顆衛(wèi)星的相位測量科學(xué)數(shù)據(jù)需要匯聚到一顆衛(wèi)星整合后再發(fā)送到地面，因此星間需要具備通信功能。考慮長時間科學(xué)觀測的數(shù)據(jù)量巨大，以及其他科學(xué)系統(tǒng)所需要10hz~100hz量級、地面對相位測量信息的處理需求的hz量級，因此需要對幾十mhz處理頻率的相位測量信息進(jìn)行大尺度的降采樣處理。

2、為了防止降采樣過程中潛在的高頻噪聲混疊至測量頻段，需要一種降采樣處理方法，既能完成大尺度的降采樣處理，又能使降采樣后的數(shù)據(jù)滿足系性能要求，使其對相位測量影響最小。而目前并沒有完善的可應(yīng)用于相位測量系統(tǒng)中的大尺度降采樣技術(shù)，因此已有的技術(shù)方案可分為以下兩個角度：（1）應(yīng)用于相位測量的大尺度降采樣方面，目前l(fā)isa（laser?interferometer?space?antenna)團(tuán)隊在lisa-metrologysystem?finalreport一文中提出了對相位測量信息分幾個步驟進(jìn)行抽取，而完成大量抽取工作是采用單一的級聯(lián)積分梳狀（cascaded?integrated?comb，cic）濾波器，即將80mhz采樣速率的數(shù)據(jù)降采樣至約610hz，再用一般的fir抽取濾波器連續(xù)三次抽取至102hz、10hz、3.4hz，根據(jù)不同功能用途輸出給其他系統(tǒng)。（2）此外多級的數(shù)字抽取濾波器組方面，目前常見的多級數(shù)字抽取濾波器多用于sigma?delta?adc中，對sigma?delta調(diào)制器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣操作，且多為三級結(jié)構(gòu)，即cic濾波器、補償濾波器、半帶濾波器級聯(lián)而成的數(shù)字抽取濾波器，其中補償與半帶均進(jìn)行2倍抽取。

3、常見三級數(shù)字抽取濾波器技術(shù)發(fā)方案具有一定局限性，首先其降采樣的倍數(shù)不大，通常只有幾十或幾百；其次由于三級數(shù)字抽取濾波器的最后一級多為半帶濾波器，而半帶濾波器只適用于2倍降采樣，因此希望輸出特定采樣頻率時（如奇數(shù)倍）會比較困難。

4、此外現(xiàn)有的相位測量數(shù)據(jù)大尺度降采樣方法采用單一cic濾波器進(jìn)行大范圍降采樣，然后進(jìn)行簡單抽取至目標(biāo)頻率，存在的問題是：由于一階積分梳狀濾波器第一旁瓣的阻帶衰減只有13.46db，為了提高抑制混疊噪聲的能力通常要增加其階數(shù)，但階數(shù)越高的同時也會增加通帶內(nèi)衰減，對測量頻帶內(nèi)的相位測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整度產(chǎn)生影響。并且系統(tǒng)中輸出的初始高速率數(shù)據(jù)的采樣頻率可能會隨著系統(tǒng)要求而改變，現(xiàn)有的降采樣方式只是針對采樣頻率最高情況下的80mhz，不夠全面。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問題，提供一種大尺度降采樣的級聯(lián)數(shù)字濾波裝置。

2、本發(fā)明目的在于提供一種大尺度降采樣的級聯(lián)數(shù)字濾波裝置，包括四級級聯(lián)的數(shù)字濾波器組，即第一級可變抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組、第二級固定抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組、第三級補償濾波器和第四級抽取濾波器組；

3、將初始信息作為第一級可變抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組的輸入端，經(jīng)過第一級可變抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組的初步降采樣后，將降采樣數(shù)據(jù)輸出至第二級固定抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組；

4、第二級固定抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組包括依次連接的三個16倍抽取級聯(lián)積分梳狀濾波器，用于完成高倍數(shù)的降采樣，并將降采樣后數(shù)據(jù)輸出至第三級補償濾波器；

5、第三級補償濾波器用于補償上一級級聯(lián)積分梳狀濾波器組產(chǎn)生的通帶衰減并增加阻帶衰減，之后將數(shù)據(jù)輸出至第四級抽取濾波器組；

6、第四級抽取濾波器組包括多個有限長單位沖激響應(yīng)抽取濾波器和/或半帶濾波器，用于對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級抽取和繼續(xù)降采樣，最終從第四級抽取濾波器組的輸出端輸出低頻速率的信號。

7、優(yōu)選的，第一級可變抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組包括一個2倍抽取cic濾波器、一個4倍抽取cic濾波器、兩個8倍抽取cic濾波器、兩個信號連接模塊及兩個選擇器；

8、輸入信號分成三路，兩路信號分別作為2倍抽取cic濾波器和8倍cic濾波器的輸入端，第三路信號、2倍抽取cic濾波器的輸出和8倍cic濾波器的輸出分別輸入至第一信號連接模塊，并通過第一信號連接模塊將信號整合并輸出至第一選擇器；從第一選擇器輸出的信號再次分為三路，兩路信號分別作為4倍抽取cic濾波器和8倍cic濾波器的輸入端，第三路信號、4倍抽取cic濾波器的輸出和8倍cic濾波器的輸出分別輸入至第二信號連接模塊，并通過第二信號連接模塊將信號整合并輸出至第二選擇器；從第一選擇器輸出的信號作為第一級可變抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組的輸出。

9、優(yōu)選的，第一信號連接模塊和所述第二信號連接模塊均為多路復(fù)用器；所述選擇器為3輸入端選擇器。

10、優(yōu)選的，在所述第一級可變抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組和所述第二級固定抽取因子級聯(lián)積分梳狀濾波器組中的cic濾波器均為遞歸型三階級聯(lián)積分梳狀濾波器；

11、所述遞歸型三階級聯(lián)積分梳狀濾波器包括三個依次相連的積分器、一個抽取器和三個依次相連的差分器；所述初始信息從第一個積分器的輸入端輸入、從第三個積分器的輸出端輸出至所述抽取器，再由所述抽取器輸入至第一個差分器，最后從第三個差分器的輸出端輸出至下一級濾波器。

12、優(yōu)選的，積分器和所述差分器均由延遲單元和加法器組成；

13、在所述積分器中，加法器輸入端設(shè)有兩個端口，一個端口連接延遲單元輸出端，另一個端口作為所述積分器的輸入端，加法器的輸出端作為延遲單元的輸入端，同時也為積分器的輸出端；

14、在所述差分器中，所述差分器輸入端分別連接延時單元輸入端和加法器輸入端，延時單元輸出端連接加法器輸入端，所述差分器的輸入端和延時單元的輸出端分別作為加法器的正輸入和負(fù)輸入，而加法器輸出端作為所述差分器的輸出端。

15、優(yōu)選的，第三級補償濾波器包括n+1個加法器、n個系數(shù)乘法器和2n-1個延遲單元，n≥2；第三級補償濾波器的輸入和第2n-1個延遲單元的輸出端分別連接第1個加法器的輸入端，第1個加法器的輸出端連接第1個系數(shù)乘法器的輸入端；第1個延遲單元的輸出端和第2n-2個延遲單元的輸出端分別連接第2個加法器的輸入端，第2個加法器的輸出端連接第2個系數(shù)乘法器的輸入端；依次連接好n個加法器、n個系數(shù)乘法器和2n-1個延遲單元，再將n個系數(shù)乘法器的輸出端分別連接第n+1個加法器的輸入端；第n+1個加法器的輸出即作為第三級補償濾波器的輸出。

16、優(yōu)選的，第四級抽取濾波器組中的有限長單位沖激響應(yīng)抽取濾波器用于完成奇數(shù)倍抽取，半帶濾波器用于完成偶數(shù)倍抽取。

17、優(yōu)選的，第四級抽取濾波器組包括依次相連的3倍有限長單位沖激響應(yīng)抽取濾波器、5倍有限長單位沖激響應(yīng)抽取濾波器、2倍半帶濾波器和3倍有限長單位沖激響應(yīng)抽取濾波器，用于分別實現(xiàn)3倍、10倍和3倍的抽取，最終從第四級抽取濾波器組的輸出端輸出低頻速率的信號。

18、優(yōu)選的，初始信息為相位測量的高采樣頻率初始信息；所述大尺度降采樣的級聯(lián)數(shù)字濾波裝置整體的降采樣倍數(shù)為一千倍以上。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠取得如下有益效果：

20、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點提出一種四級級聯(lián)的大尺度降采樣的級聯(lián)數(shù)字濾波裝置，結(jié)構(gòu)功能上能夠完成對高頻初始信息的大尺度降采樣處理，降采樣倍數(shù)可達(dá)千倍以上如220倍；并且能夠適應(yīng)范圍內(nèi)不同速率的輸出輸入信息，同時進(jìn)行更具體的低頻采樣率輸出。性能要求上：具有更好的抗混疊效果，對原數(shù)據(jù)測量的精度影響更??；具有更小的通帶衰減，對通帶內(nèi)目標(biāo)信息的衰減影響更小，能夠保證通帶內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確度。綜上，采用四級濾波器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過各級降采樣濾波器間的相互補足，可以將幾十兆赫茲（mhz）量級高采樣率的初始信息降采樣至十幾赫茲甚至幾赫茲后輸出，同時滿足系統(tǒng)性能要求。