DE68910349T2 - Digitales Filter mit integrierter Dezimierung. - Google Patents

Digitales Filter mit integrierter Dezimierung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale Filter und insbesondere auf die digitalen Filter, die ein übergetastetes Signal behandeln, um dieses Signal in Form zu bringen und eine Dezimierung durchzuführen, so daß ein Signal mit einer verringerten Tastfrequenz geliefert wird.
  • Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Datenübertragung über Funkstrecken in einer Form, die man als analog betrachten kann, während beim Empfang die Verarbeitung des in das Basisband gebrachten übertragenen Signals auf digitale Weise erfolgen muß. Die Umwandlung des übertragenen analogen Signals in digitale Form erfolgt also durch Tastung und Kodierung mit einer deutlich höheren Frequenz als die von Shannon angegebene Frequenz abhängig von der Bandbreite des zu kodierenden Signals. Eine solche Übertastung ermöglicht eine einfachere und wirtschaftlichere Herstellung der analogen Tiefpaßfilter, die in jedem Fall der Analog-Digital-Umwandlung vorausgehen müssen. Die Nyquist-Filterung des Übertragungskanals kann außerdem vor der Dezimierung am übergetasteten Signal erfolgen.
  • Die Dezimierung besteht darin, in der hochfrequenten Folge von Tastproben eines digitalen Eingangssignals nur eine Tastprobe je R Tastproben beizubehalten. R ist der Dezimierungsfaktor. Wenn R zu groß bezüglich des Spektrums des Eingangssignals ist, dann zeigt die Analyse, daß die Dezimierung eine Faltung des Spektrums erzeugt, die zu vermeiden ist. Hierzu ist es üblich, das Eingangssignal vor der Dezimierung in Form zu bringen. Es handelt sich um ein Tiefpaßfilter, das das Signal nicht betrifft, das nach der Dezimierung beibehalten werden soll.
  • Das übliche Mittel, um eine solche Filterung des digitalen Signals zu erreichen, ist ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR - Finite Impulse Response), in dem jede Ausgangstastprobe die Summe von N mit geeigneten Koeffizienten versehenen früheren Tastproben des Signals ist. Dieses Filter führt parallel N Multiplikationen durch, deren Ergebnisse verzögert und addiert werden. Die Multiplikationsoperationen sind sehr komplex und die hierfür erforderliche Zeit begrenzt den Durchsatz des Filters. Ein in einer gegebenen Technologie realisiertes Filter besitzt also einen begrenzten Anwendungsbereich.
  • Es ist aber auch bekannt, daß ein FIR-Filter durch die Serien-Kombination eines Vorfilters und eines Entzerrers ersetzt werden kann. Dies ist in dem Aufsatz von J.W. Adams und A.N. Willson mit dem Titel "A new approach for FIR digital filters with fewer multipliers and reduced sensitivity", veröffentlicht in IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-30, Mai 1983, Seiten 277 bis 283, dargelegt. Das Vorfilter ist ein vereinfachtes FIR-Filter, das eine verringerte Anzahl von sehr einfachen Koeffizienten (0, -1, 1, ...) besitzt, die keine Multiplikationen benötigen.
  • Der maximal mögliche Durchsatz eines solchen Filters ist nur durch die Additionsoperationen begrenzt. Er ist deutlich größer als im Fall eines üblichen FIR-Filters. Der Entzerrer ist ebenfalls ein FIR-Filter und hat die Aufgabe, die Transferfunktion des Vorfilters zu korrigieren und dafür zu sorgen, daß die globale Transferfunktion (Vorfilter plus Entzerrer) die gewünschte Form erhält. Da der Entzerrer nur eine Korrektur vornimmt, ist er von verhältnismäßig niedrigem Rang und führt somit nur eine kleine Zahl von Multiplikationen durch. In einer wirklichen Ausführungsform in einer Technologie mit großem Integrationsgrad (VLSI - very large scale integration) führt dies zu einer Ersparnis an der vom Filter eingenommenen Oberfläche. Die Begrenzung der vom Filter akzeptierbaren maximalen Tastfrequenz ist dieselbe wie im Fall des üblichen FIR-Filters.
  • Wie einleitend gesagt wurde, ist die Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf den Fall anwendbar, in dem das übergetastete Signal auch für Zwecke der Übertragung gefiltert werden soll (Nyquist-Filter). Diese Filteroperation erfolgt notwendigerweise vor der Dezimierung. Sie kann natürlich mit der soeben erwähnten Filterfunktion, die für die Dezimierung erforderlich ist, kombiniert werden. Dies führt zu unterschiedlichen Koeffizienten und verschärft im allgemeinen die Probleme der begrenzten höchsten Tastfrequenz in den beiden oben erwähnten Filtermodi.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für diese Probleme in Form eines integrierten Dezimierungsfilters zu liefern, bei dem überhaupt kein Teil Multiplikationen bei der hohen Tastfrequenz des Eingangssignals durchführt.
  • Das integrierte Dezimierungsfilter gemäß der vorliegenden Erfindung enthält in Kaskade ein Vorfilter in Form eines FIR-Filters, das dadurch vereinfacht ist, daß es keine Multiplikation über mehrere Bits durchführt, einen Dezimierer und einen Entzerrer, wobei die Kennzeichen dieses Entzerrers den Dezimierungseffekt auf das angelegte Signal berücksichtigen und nur der Entzerrer Multiplikationsoperationen über mehrere Bits durchführt.
  • Im integrierten Dezimierungsfilter gemäß der Erfindung empfängt der Entzerrer ein Signal mit der durch den Dezimierer reduzierten Tastfrequenz. Es kann so einen niedrigeren Rang haben als das Filter, das ein Signal mit der hohen Tastfrequenz des Eingangssignals bearbeiten müßte, wodurch sich eine Ersparnis durch Verringerung der Anzahl der durchzuführenden Multiplikationen und zugleich eine Verlängerung der für die Durchführung jeder Multiplikation verfügbaren Zeit aufgrund der Verringerung der Tastfrequenz ergibt und damit ein Gewinn bei der maximal zulässigen Tastfrequenz des Eingangssignals oder eine Ersparnis bezüglich der zur Durchführung der Multiplikationen erforderlichen Mittel.
  • Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden nun im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Figur 1 zeigt das allgemeine Schema eines FIR-Filters.
  • Figur 2 zeigt eine Filterstruktur mit einem Vorfilter und einem Entzerrer.
  • Figur 3 zeigt das allgemeine Schaltbild eines klassischen Dezimierers mit einem Tiefpaßfilter am Eingang.
  • Figur 4 zeigt das allgemeine Schaltbild eines erfindungsgemäßen Filters mit integrierter Dezimierung.
  • Figur 1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines FIR-Filters. Am Eingang 1 eines solchen Filters liegt ein digitales Eingangssignal X(nT) mit hoher Tastfrequenz an. Dieses Signal wird an N Multiplizierer 2(0) bis 2(N-1) geliefert, die je einen ihnen eigenen Koeffizienten h(0) bis h/(N-1) zugeführt erhalten. Das Produkt einer Tastprobe des Signals X(nT) mit dem Koeffizienten h(0), das der Multiplizierer 2(0) liefert, wird um eine Tastperiode in einem Verzögerungselement 3(0) verzögert, ehe es in einem Addierer 4(0) mit dem Produkt der nächsten Tastprobe des Signals X(nT) mit dem aus dem Multiplizierer 2(1) kommenden Koeffizienten h(1) addiert wird. Die erhaltene Summe wird ihrerseits um eine Tastperiode durch ein Verzögerungselement 3(1) verzögert, ehe sie mit dem vom nächsten Multiplizierer erneut gelieferten Produkt addiert wird, usw. bis zum Addierer 4(N-2), der ein digitales gefiltertes Ausgangssignal Y(nT) liefert.
  • Die Koeffizienten h(0) bis h(N-1) sind Zahlen, die in mehreren Bits kodiert sind. Die Multiplikationsoperationen dauern daher verhältnismäßig lange. Da ihre Dauer aber nicht eine Tastperiode überschreiten darf, begrenzen die für die Durchführung der Multiplikationen eingesetzten Mittel die maximal zulässige Tastfrequenz für das Eingangssignal oder es müssen, wenn die Tastfrequenz vorgegeben ist, die Mittel in der Lage sein, diese Multiplikationen durchzuführen. In manchen Fällen können diese Zwänge zu praktisch unlösbaren Konflikten führen.
  • Figur 2 zeigt eine Struktur, der das Signal X(nT) zugeführt wird und die in Kaskade ein Vorfilter 5, das das Signal U(nT) liefert, und einen Entzerrer 6 enthält, der das Signal Z(nT) liefert. Eine solche Struktur kann dem Filter aus Figur 1 äquivalent und das Signal Z(nT) kann im wesentlichen dem Signal Y(nT) identisch sein. Diese Struktur wird in dem Aufsatz von J.W. Adams und A.N. Willson mit dem Titel "A new approach for FIR digital filters with fewer multipliers and reduced sensitivity", veröffentlicht in IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-30, Mai 1983, Seiten 277 bis 283 beschrieben. Der Vorteil dieser Struktur liegt darin, daß das Vorfilter ein FIR-Filter ist, dessen Koeffizienten (0, -1, 1, ...) so gewählt sind, daß das Filter keine Multiplikationen durchführt, was diesbezüglich den oben erwähnten Zwang beseitigt, während der Entzerrer ein FIR-Filter mit nur wenigen Koeffizienten ist, derart, daß der Zwang, wenngleich er immer noch besteht, sich nur auf eine beschränkte Anzahl von Multiplizierern erstreckt, was schließlich die Kosten verringert. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Struktur immer noch den oben dargelegten Begrenzungen aufgrund des Vorhandenseins von Multiplizierern unterliegt, was die maximale Tastfrequenz angeht.
  • Figur 3 zeigt eine übliche Dezimierstruktur, die ein Eingangssignal X(nT) verarbeitet und in Kaskade ein Tiefpaßfilter 7, das das Filter aus Figur 2 sein kann und das Signal Y(nT) liefert, und eine Dezimierstufe 8 enthält, die ein Signal Z(nT') liefert. Letzteres Signal ist nichts anderes als das Signal Y(nT), aus dem nur eine von R Tastproben beibehalten wurde im Verhältnis zwischen den Perioden T' und T.
  • In diesem Dezimierer ist die maximal zulässige Tastfrequenz ebenfalls aufgrund des Vorhandenseins von Multiplizierern begrenzt, unabhängig davon, ob das Filter 7 in der in Figur 2 gezeigten Form oder in der in Figur 1 gezeigten Form realisiert ist.
  • Wenn im übrigen dieser bekannte Dezimierer auch für das Filtern des Eingangssignals vor der Dezimierung verwendet werden soll, dann genügt es, die Filterkoeffizienten entsprechend zu ändern und im allgemeinen einige hinzuzufügen, was den erwähnten Zwang nur noch verstärken kann.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Mittel vor, um sich diesem Zwang im wesentlichen zu entziehen. Diese Lösung ist in Figur 4 gezeigt, die ein Filter mit integriertem Dezimierer gemäß der Erfindung darstellt. Dieses Filter enthält ein Vorfilter 5 gleich dem aus Figur 2, dem das Eingangssignal X(nT) zugeführt wird und das das Signal U(nT) liefert, und eine Dezimierungsstufe 8 ähnlich dem Dezimierer aus Figur 3, die ein Signal V(nT') liefert, dessen Periode im Verhältnis R reduziert ist. Dieser Dezimierstufe folgt ein Entzerrer 9, der bezüglich der Signalverarbeitung dieselbe Aufgabe gegenüber dem Signal V(nT') erfüllt wie der Entzerrer 6 in Figur 2 bezüglich des Signals U(nT). Das Signal W(nT'), das vom Entzerrer geliefert wird, kann durch Wahl geeigneter Koeffizienten für das Filter 9 im wesentlichen dem Signal Z(nT') aus Figur 3 gleichen. Die Berechnung dieser Koeffizienten unter Berücksichtigung der verringerten Tastfrequenz ist dem Fachmann wohl bekannt. Man kann jedoch darauf hinweisen, daß bezüglich der Struktur aus Figur 2 der Entzerrer mit einer durch den Quotienten R geteilten Tastfrequenz arbeitet, so daß die Multiplikationsoperationen eine um den Faktor R vergrößerte Rechenzeit für ein gleiches Eingangssignal zur Verfügung haben oder daß die Tastfrequenz des Eingangssignals entsprechend erhöht werden kann. Außerdem zeigt die Analyse, daß der Entzerrer in diesem Fall einen niedrigeren Rang haben und daher eine verringerte Anzahl von Multiplizierern aufweisen kann.
  • Durch die vorliegende Erfindung, nämlich die Verwendung einer Filterstruktur mit einem Signale mit der hohen Tastfrequenz des Eingangssignals verarbeitenden Vorfilter ohne Multiplizierer und einer Vervollständigung der Verarbeitung in einem Entzerrer nach dem Dezimieren bei einer reduzierten Tastfrequenz, ist es also möglich, den Zwang bezüglich der Tastfrequenz des Eingangssignals zu umgehen und eine deutliche Ersparnis in den Entzerrerkreisen zu erzielen.

Claims (1)

1. Digitales Filter mit integrierter Dezimierung, das ein übergetastetes Signal verarbeitet, um es in Form zu bringen und eine Dezimierung durchzuführen, die ein Signal mit einer verringerten Tastfrequenz liefert, wobei das Filter in Kaskade ein Vorfilter (5) in Form eines so vereinfachten FIR-Filters, daß es keine Multiplikationen über mehrere Bits erfordert, eine Dezimierstufe (8) und einen Entzerrer (9) aufweist, dessen Kennwerte unter Berücksichtigung des Dezimierungseffekts auf das an ihn angelegte Signal angepaßt sind, und daß der Entzerrer alleine Multiplikationsoperationen über mehrere Bits durchführt.
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