FI87863C - Adaptivt digitalfilter - Google Patents

Description

1 87863

Adaptiivinen digitaalisuodin. - Adaptivt digitalfilter.

Tämän keksinnön kohteena on digitaalisen suodattamisen ala.

Suotimia on käytetty signaalinkäsittelyjärjestelmissä lukuisia vuosia. Yleensä tällaiset suotimet ovat olleet lineaarisia suotimia, koska näitä ymmärretään paremmin ja niitä on helpompi käyttää. Digitaalisen signaalinkäsittelyn käyttöönotto on kuitenkin muodostanut sellaisten suotimien tarpeen, joilla on epälineaariset ominaispiirteet, koska esimerkiksi digitaali-analo-giamuuntimet ja analogia-digitaalimuuntimet muodostavat epälineaarisuuksia, joista voidaan suoriutua joko yhä sofistikoidummalla muuntimen suunnittelulla tai käyttämällä epälineaarisia suotimia tällaisten ilmiöiden kompensoimiseksi.

Digitaalisuotimien eräs suurimmista eduista on se, että ne voivat olla adaptiivisia - tällä tarkoitetaan, että niiden suoda-tusominaispiirteet voidaan sovittaa vastineena virhesignaalille. Digitaalisuodin voi käydä siirtopiiriin jopa silloin, kun siirron käyttöominaisuudet eivät ole täysin tunnettuja. Suotimen malli tehdään kuitenkin monimutkaisemmaksi, jos siirtopiiri sisältää epälineaarisia elementtejä. Vielä enemmän vaikeuksia : · nousee, jos koko piiri myös sisältää lineaarisia dispersioita - * eli lineaaripiiri, joka vaatii muistia suodatinmallissa. Tämän keksinnön kohteena on siksi digitaalisuodin, joka sopii siirto- .·**. piiriin, joka koostuu epälineaarisesta, muistia omaamattomasta ; .·. elementistä ja sitä seuraavasta lineaarisesta dispersiosta.

On tunnettua muodostaa epälineaarinen elementti, jota seuraa lineaarinen dispersio, käyttämällä suurta muistia siihen liitty-*- van siirtorekisterin kanssa. Muistiin on talletettu lukuisia *.* * ennaltalaskettuja ulostuloarvoja, ja siirtorekisteriasteiden • ulostuloja käytetään sopivien muistipaikkojen osoittamiseen .·*·. vaaditun ulostulon muodostamiseksi. Tämän kaltainen järjestelmä on sopiva suhteellisen pienen muistin kanssa, mutta se tulee ' epäkäytännölliseksi, kun tarvitaan suurta muistia. Tällaisen mallin lieähnittn on, että tämäntyyppisen adaptiivisen suotimen sovittaminen kestää paljon kauemmin kuin lineaarisen poikittai sen suotimen.

2 87863

Toinen tunnettu lähestymistapa on muodostaa epälineaarisuus muistin taulukkohakuna ja viedä sitten taulukkohaun ulostulo lineaariseen poikittaiseen suotimeen. Tällainen suodin sopeutuu nopeasti, mutta muistiin talletetut arvot vaativat monia bittejä, jotta epälineaarisuuden ulostulo voitaisiin esittää tarkasti. Tämä ei ole itsessään vaikeata, mutta se vaatisi lineaarisen poikittaisen suotimen suorittavan kertolaskuja hyvin suurilla numeroilla.

Tämän keksinnön erään näkökohdan mukaisesti on muodostettu digataalisuodin, johon kuuluu lukuisia viiveasteita sisääntulo-signaalin vastaanottamiseksi, viivyttämiseksi ja sitten ulos-antamiseksi, lukuisia yksilöllisesti osoitettavia suorasaanti-muistilaitteita vastaavien data-arvojen tallentamiseksi niihin, elimet kuhunkin mainittuun muistilaitteeseen talletettujen data-arvojen osoittamiseksi ja hakemiseksi, kutakin mainittua muistilaitetta osoittavan ja hakevan mainitun elimen ollessa liitetty vastaanottamaan ulostulo vähintään kahdesta mainitusta viiveasteesta, elimet yhdistämään näin osoitetut ulostulot, jotka on luettu mainituista muistilaitteista, antamaan suodin-ulostulosignaali, ja elimet suodinulostulosignaalin käsittelemiseksi antamaan virhesignaali, mitä voidaan käyttää mainittuihin muistilaitteisiin talletettujen data-arvojen sovittamiseen minimoimaan mainittu virhesignaali.

Edullisesti digitaalisuodin sisältää myös suorasaantimuistin, joka vastaanottaa sisääntulosignaalin suoraan ilman viivettä.

Digitaalisuodinta voidaan muuntaa siten, että se muodostaa lineaarisen dispersion ennen epälineaarisuutta. Tällaisen suo timen edullisessa toteutuksessa jokainen suorasaantimuisti voidaan osoittaa useammasta kuin yhdestä mainituista viiveasteis-.* ta. Edullisesti jokainen muisti vastaanottaa ulostulon samalta määrältä viiveasteita, ja mainitut asteet, jotka syöttävät yhtä 3 87863 muistia ovat vierekkäisiä asteita.

Keksinnön toisen näkökohdan mukaisesti se on varustettu kaikusal-valla käytettäväksi lähetin/vastaanotin-yksikön yhteydessä, joka on järjestetty lähettämään digitaalitiedosta muodostettuja signaaleja pitkin siirtojohtoa, joka on yhdistetty yksikköön hybri-diliittimellä, ja kaikusalpa on järjestetty muodostamaan kaiun kopiosignaalin hybridiliittimeltä vastaanotetun kaikusignaalin poistamiseksi, jolloin mainittu kaikusalpa koostuu digitaalisuo-timesta, joka on mainitun ensimmäisen näkökohdan mukainen.

Digitaalisuodin voi sisältää siirtorekisterin, jonka jokainen aste on järjestetty osoittamaan yhtä tai useampia suorasaanti-muisteista, joihin on talletettu suotimen kertoimet, ja elimet suorasaantimuisteista luettujen ulostulojen summaamiseksi, jolloin mainitut summatut ulostulot yhdistetään kaikusignaaliin virhesignaalin muodostamiseksi, joka viedään takaisinkytkentä-piiriin mainittujen kertoimien sovittamiseksi mainitussa suora-saantimuistissa siten, että mainittu virhesignaali pienenee. Takaisinkytkentäpiiri voi sisältää skaalauselimiä.

Keksintöä kuvataan nyt esimerkin vuoksi viitaten liitteenä oleviin piirroksiin. Piirroksissa:

Kuva 1 on kaavamainen lohkokaavio siirtopiiristä sisältäen muistittoman epälineaarisen elementin;

Kuva 2 on tietomuuntimen lohkokaavio;

Kuva 3 on digitaalisuodin kuvan 2 muuntimen sovittamiseksi;

Kuva 4 on parannettu digitaalisuodin;

Kuva 5 on edelleen parannettu digitaalisuodin; ja

Kuva 6 on lohkokaavio, joka kuvaa kuvan 4 digitaalisuotimen periaatetta.

4 87863

Kuvassa 1 on esitetty siirtopiiri, joka on tarkoitus sovittaa käyttäen adaptiivista lineaarisuodinta. Suotimen ulostulo vähennetään siirtopiirin ulostulosta virhesignaalin muodostamiseksi. Digitaalisuodin sovittuu sitten vähentääkseen virhesignaalin keskiarvon neliötä.

Ajan mukana vaihteleva signaali x(t) syötetään lineaariseen dis-persiiviseen elementtiin 10, joka muodostaa ajan mukana vaihte-levan signaalin Z^(t), Tämä syötetään epälineaariseen muistit-tomaan elementtiin 11, joka muodostaa ulostulon Z,,(t). Ulostulo Z„(t) epälineaariselta elementiltä 11 viedään toiseen lineaari- t.

seen dispersiiviseen elementtiin 12, joka muodostaa ulotulon y(t).

Käytännön esimerkki piiristä, jota voidaan kuvata tällä mallilla, on tietomuunnin, joka suorittaa kaksisuuntaisen tiedonsiirron kaksijohtimisen analogiaverkon kautta. Tällainen muunnin on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 2. Ensimmäinen lineaarinen dispersiivinen elementti 10 on digitaalisuodin koostuen vähen-nyspiiristä 10, jolla on jokaisen tietosymbolin vastaanottava • positiivinen sisääntulo, ja negatiivinen sisääntulo, joka vas-: taanottaa jokaisen tietosymbolin yksikköviivelaitteen 21 kautta.

Epälineaarisuuden 11 saa aikaan digitaali/analogiamuunnin 22, -·- toisen lineaarisen dispersion 12 saa aikaan nelijohdin/kaksi- johdin-hybridi 23 ja siirtolinja 24. Järjestelmään kuuluu lisäk-;·/ si kaikusalpa 25, jonka täytyy muodostaa malli kohinasta sisääntuloväylälle 26 moduloidun ulostulon siirrosta johtuen. Kaiku-salpa leoostuu digitaalisuotimesta, joka on adaptiivinen ja vas-V-j taanottaa virhesignaalin vähennyspiiristä 27.

: [·. Palataksemme kuvan 1 yleiseen järjestelmään, on tunnettua, että ".λ epälineaarisesta järjestelmästä ei voida muodostaa mallia käyttämällä lineaarista poikittaista suodatinta, ja että tarvitaan jonkinlainen muistinhakutaulukko. .Suotimen täytyy myös olla ’/: adaptiivinen, minkä vuoksi hakutaulukko muodostetaan suorasaanti- 5 87863 muistista. Ensimmäinen lähtökohta on varustaa koko järjestelmä suurella suorasaantimuistilla (RAM) vastaavine siirtorekisterei-neen. RAM tulee kuitenkin erittäin suureksi, jos lineaariset dispersiot sisältävät monia viive-elementtejä.

Vaihtoehtoinen malli on esitetty kuvassa 3, ja siinä vain epälineaarisuudesta ? on muodostettu malli RAMrilla 30, ensimmäisen lineaarisen dispersion 10 malli on muodostettu poikittaisella lineaarisella suodattimena 31, ja toisen lineaarisen dispersion 13 malli on myös muodostettu poikittaisella lineaa-risuotimella 33. '.''uutimella 31 on yksi viive 33 (ja siksi k «aksi. kerrointa 34) ja suotimella 32 on kaksi viivettä 35 (ja siksi kolme kerrointa 36), mutta viiveiden todellinen määrä käytännön järjestelmässä riippuu järjestelmästä, jonka mallia muodostetaan. Sisääntuloarvojen x(t), x(t-T) ja kerrointen 34 tulos muodostetaan kertoimilla 37 suotimessa 31. Nämä tulot lasketaan sitten yhteen summauspiirissä 38 osoitteen Z^(t) muodostamiseksi RAM:iin 30. Suotimessa 32 viiveistettyjen sisääntulojen Z2(t) ja kertoimien 36 tulokset muodostetaan kertoimilla 39 ja lisätään summauspiiriin 40. Kuvassa 3 esitetyn järjestelmän yhteydessä esiintyvät ongelmat ovat siinä, että ulostulo Z-?(t) RAM: ilta 30 sisältää monia bittejä, jotta epälineaarisuuden ;;/ muodostamat arvot voidaan esittää tarkasti. Tämän seurauksena kertoimien 39 täytyy kertoa erittäin suuria numeroita.

: Ulostulo RAM:ista 30 on Ζ^(ΐ), joka riippuu hetkellisestä ar- :.V vosta Z1(t) ja riippuu siitä epälineaarisen funktion kuvaamalla tavalla siten, että: * · · z?(t) = giZjit)] • : : Ulostulo y(t) on Z0(t):n, Z_(t-T):n, Z,,(t-2T):n lineaarinen funktio, missä T on yksikköviiveen 35 kesto. Siksi: y(t) - f [Z?(t), Zp(t-T), Z?(t-2T)] f on kuitenkin lineaarinen funktio, ja siksi tämä voidaan kir joittaa 6 87863 y(t) . f1[Z2(t)>f2[Z2(t-T)]+f3[Z2(t-2T)] missä f , f2 ja f^ ovat erilaisia lineaarisia funktioita. Tämän jälkeen voimme sijoittaa saadaksemme y(t):n 7, (t):n avulla siten, että: y(t) = f1Cg(Z1(t))D ♦ f2[giZj(t-T)}] ♦ f3[g(Z1(t-2T))]

Lineaarinen ja epälineaarinen funktio voidaan sitten yhdistää, jotta saataisiin sarja epälineaarisia funktioita siten, että y(t) = g1(Z1(t)) ♦ g2(Z1(t-T)) ♦ g3(Z1(t-2T))

Kuvassa 3 esitetty rakenne voidaan siksi korvata kuvassa 4 esitetyllä rakenteella. Jokainen viiveistä 41 koostuvan poikittaisen suotimen valiotto muodostaa osoitteen RAM:iin 42. Jokaisen RAM:in ulostulo summataan sitten summauspiirissä 43. Jokainen . .·. RAM 42 on samanlainen kuin kuvan 3 RAM 30, mutta kertoimet 39 : .·, on poistettu.

Ulostulo suotimesta 31 on Z^t), joka voidaan esittää x(t):n funktiona, eli '0 Zj(t) = f[(x(t), x(t-T)] missä f on sellainen lineaarinen funktio, että

Zj(t) - fj (x(t)) ♦ f2(x(t-T)) Tämä voidaan sijoittaa y(t):n yhtälöön siten, että: 7 87863 y(t) « g1[f1(x(t)*f2(x(t-T))> g2Cf1(x(t-T)+f2(x(t.2T))3* g3[f1ix(t-2T))+f2(x(t-3T))] Tästä voidaan määritellä uudet kahden muuttujan epälineaariset funktiot, eli y(t) e g4[x(t), x(t-T)]+ g5[x(t-T), x(t-2T)]+ g6[x(t*2T), x(t-3T)] Tämä johtaa kuvassa a esitettyyn rakenteeseen, jossa jokaisen ΚΛΜ: in kokon on suurennettu, mutta kertoimet on poistettu, .Jokainen RAM 60 vastaanottaa kahden viivelaitteen 61 ulostulon. Kaikkien RAM:ien 60 ulostulot viedään sitten summauspiiriin 62. Kuvan 5 mallia voidaan verrata kuvan 3 vastaavaan. Sisääntulojen määrä jokaiseen RAM:iin 60 on sama kuin kertoimien 34 määrä suotimessa 31. Viiveiden 61 määrä perustuu suotimen 32 viiveiden 35 määrään.

Kuvassa 1 esitettyä mallia voidaan myös analysoida seuraavasti: Kvantisoitu sisääntulosignaali x(t) esitetään:

L

Z(t) = ^ ajXjft) (1) 1-1 missä tiettynä ajanhetkenä t yksi ja vain yksi termeistä x^(t) ·’·’ on erisuuri kuin nolla, ja missä kerroin esittää mielivaltaista epälineaarisuutta, joka kohdistuu kvantisoituun signaa-: liin. Epälineaarisuus määritellään yksinkertaisesti amplitudis- V - ta riippuvana vahvistusterminä. Lopulliseksi ulostuloksi tulee : \ sitten: 8 87863 y(t) .)> h(T) . · ^t-T) i2) t x*l Tämä voidaan osittaa:

Xj(t)---- X|^(t) y(t) J Xj(t-l) a2 (3)

Zjft-N+l) xL(t-N*l) aL

=HT(X A)

Kuvassa 3 tulo (XA) muodostetaan ensin, mutta ei ole mitään syy-

T

tä, miksi tuloa (H X) ei voitaisi muodostaa ensin siten, että seurauksena olisi kuvassa 6 esitetyn muotoinen järjestely. Tässä tapauksessa kertoimet a^ voidaan yhdistää lineaarisiksi H vektoreiksi mallin jokaisella kanavalla. Havaitaan, että epälineaarisuus NL tässä tapauksessa on dekooderi muistisolun valintapiiriä * varten, ja lisäksi havaitaan, että jokainen paino kuvan 4 suoti- - ·'. men kosketinkentiissä on muistihaku. Havaitaan siten, että muis- tihaut saadaan aikaan kuvan 1 RAMreilla ja sopivat ulostulotu-.**·. lokset yhdistämällä jokaiselta RAM: ilta luetut ulostulot sijain- - tia vastaten, joka osoitetaan jokaisen viiveasteen ulostulolla.

• * Ylläoleva analyysi voidaan laajentaa yleiseen lohkomalliin, joka esitettiin piirrosten kuvassa 2.

.·' : Tässä tapauksessa ulostulo y(t) saadaan kaavasta: 87863

M

yit) = >_ h. g(T~ x(t-l-j)w.) (4)

1 f J

missä g(.) on määrittelemätön epälineaarinen funktio. Yhtälö (4) voidaan hajoittaa seuraavalla tavalla siinä erikoistapauksessa, että M=2.

yit) = hj g(Wj x(t) ♦ w2x(t-l)) + hp g{wJ x(t-l) +w2x(t-2)) + hN g(wj xCt-N+1) + w2xf t-N)) Tässä tapauksessa vektori X(t) (yhtälö 3) voidaan muodostaa joukosta ortooonnalisiä signaalitasoja, jotka nn muorlnstfftn x(t):.;t/i ! Ja x(t-l):stä uiton, että:

Xjit.t-l) Xj(t-l,t-2)... Xjit-N+l,t-N) * · · ' XT(t)= X2(t,t-1) xL(t,t-l) . xL(t-N+l),t-N) - Nämä tasot x^t.t-l) jne. ovat yksinkertaisesti osoitteet, jotka , ·. on muodostettu ottamalla kaikki bitit x(t):stä ja x(t-l):stä yh-; ·" teen. Järjestelmässä oleva epälineaarisuus esitetään sitten kertoimilla a^, jotka kertovat jokaisen x^(.):een. Jos vektori B määritellään siten, että 10 87863 B 1 (bj ... ) ja on joku epälineaaristen kertoimien a^ ja lineaaristen dis-persiokertoimien w1 ja w2 yhdistelmä.

y(t) « BT XT(t) H ^ Tästä yhtälöstä voidaan nähdä, että suodin, joka toimii tämän yhteyden mukaisesti, on muodoltaan kuvassa 5 esitetyn kaltainen.

# • » m

Claims (6)

11 87863

1. Digitaalisuodin, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lukuisia viiveasteita (41,61) sisääntulosignaalin (x(t), Zi(t)) vastaanottamiseksi, viivyttämiseksi ja sitten ulosantamiseksi, lukuisia yksilöllisesti osoitettavia suorasaantimuistilaitteita (42,60) vastaavien data-arvojen tallentamiseksi niihin, elimet (43;62) kuhunkin mainittuun muistilaitteeseen (42,60) talletettujen data-arvojen osoittamiseksi ja hakemiseksi, kutakin mainittua muistilaitetta (42,60) osoittavan ja hakevan mainitun elimen (43,62) ollessa liitetty vastaanottamaan ulostulo vähintään kahdesta mainitusta viiveasteesta (41,61), elimet (43,62) yhdistämään näin osoitetut ulostulot, jotka on luettu mainituista muistilaitteista (42,60), antamaan suodinulostulosignaa-li (y(t)), ja elimet (27) suodinulostulosignaalin (y(t)) käsittelemiseksi antamaan virhesignaali, mitä voidaan käyttää mainittuihin muistilaitteisiin (42,60) talletettujen data-arvojen sovittamiseen minimoimaan mainittu virhesignaali.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen digitaalinen suodin, tunnettu siitä, että kutakin muistilaitetta (42,60) osoitetaan samalta määrältä viiveasteita (41,61) tulevalla ulostulolla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen digitaalisuodin, tunnettu siitä, että kutakin muistilaitetta (42,60) osoitetaan viereisestä viiveasteesta (41,61) tulevalla ulostulolla.

4. Lähetin/vastaanottoyksikkö, joka sisältää jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen digitaalisuotimen, tunnettu siitä, että mainittu suodinulostulosignaali (y(t)) muodostaa kaiun kopiosignaalin kohinan poistamiseksi vastaanottimessa, joka kohina johtuu lähettimestä tulevasta ulostulosta. 12 87863

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen lähetin/vastaanotinyksikkö, tunnettu siitä, että digitaalisuotimen kutakin suora-saantimuistia (60) osoitetaan useilla vierekkäisillä viiveas-teilla (61).

6. Digitaalinen suodinmenetelmä, tunnettu siitä, että siihen kuuluu vaiheet: digitaalisen sisääntulosignaalin x(t) vastaanottaminen ja viivästäminen antamaan sen viivästettyjen versioiden jono x(t-T), x(t-2T), x(t-3T)..., missä T on ennalta määritetty aikajakso, vähintään kahden sellaisen signaalin x(t), x(t-T), x(t-2T), x(t-3T)... käyttäminen osoittamaan RAM:issa (60) talletettuja data-arvoja ja antamaan useita osoitettuja RAM ulostuloja; ja mainittujen osoitettujen RAM ulostulojen yhdistäminen (62) antamaan mainitun sisääntulosignaalin x(t) digitaalisesti suodatettu ulostuloesitysmuoto y(t). 13 87863