DE10131224C1 - Elektrischer Filter mit Sperrverhalten für eine vorbestimmmte Sperrfrequenz - Google Patents
Elektrischer Filter mit Sperrverhalten für eine vorbestimmmte SperrfrequenzInfo
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Abstract
Elektrisches Tiefpassfilter mit Sperrverhalten für eine vorbestimmte Sperrfrequenz, aufweisend eine Reihenschaltung mit einem FIR-Filter und einem IIR-Filter, wobei die Parameter des FIR-Filters im Wesentlichen auf das Sperrverhalten bei der Sperrfrequenz und die Parameter des IIR-Filters im Wesentlichen auf das Tiefpassverhalten abgestimmt sind. Mit einem derartigen Filter lässt sich mit relativ geringem Schaltungsaufwand und mit hoher Stabilität gegenüber Schwingneigung ein gutes Tiefpassverhalten mit sehr starker Dämpfung der zu sperrenden Frequenz erreichen. Ein solches Filter eignet sich beispielsweise als Schleifenfilter einer PLL-Schaltung.
Description
Elektrische Filter mit Sperrverhalten für eine vorbestimmte Sperrfrequenz
werden beispielsweise als Schleifenfilter für PLL-Schaltungen benötigt. Ein
Prinzip-Blockschaltbild einer PLL-Schaltung ist in Fig. 4 gezeigt und weist eine
Mischstufe 11 auf, die einerseits eine Referenzfrequenz und andererseits
eine Oszillatorfrequenz von einem steuerbaren Oszillator (NCO: Numerical
Controlled Oscillator) 13 erhält. Das Mischprodukt wird dem Oszillator 13
über ein Schleifenfilter 15 zugeführt. Das Mischprodukt der Mischstufe 11
enthält eine Summenfrequenz und eine Differenzfrequenz, welche durch
die Summe bzw. die Differenz der beiden der Mischstufe 11 zugeführten
Frequenzen gebildet werden. Praktisch und insbesondere im eingerasteten
Zustand der PLL-Schaltung ist die Summenfrequenz doppelt so groß wie die
Referenzfrequenz.
Das Schleifenfilter 15 hat zwei Aufgaben zu erfüllen. Einerseits soll es die
Summenfrequenz sperren und andererseits soll es die Differenzfrequenz
glätten oder mitteln, um dem Oszillator 13 eine geeignete
Frequenzsteuergröße zuführen zu können.
Bisher hat man als Schleifenfilter entweder ein analoges LC-Filter verwendet
oder ein IIR-Filter, wobei IIR für Infinite Impuls Response steht. Der prinzipielle
Aufbau eines IIR-Filters ist in Fig. 2 gezeigt und ist an sich bekannt. Ein solches
Filter weist n Zeitglieder oder Verzögerungsstufen Z-1, mehrere
Koeffizientenstufen a1-an und b0-bn und zwei Summierglieder auf.
Aufgrund seiner Rückkopplungsstruktur weist das IIR-Filter ungewünschte
Schwingneigung auf. Um sowohl das gewünschte Tiefpaßverhalten als
auch das Sperrverhalten zu erreichen, muß ein solches IIR-Filter mit relativ
viel Stufen aufgebaut werden, was nicht nur eine entsprechend hohe
Anzahl elektronischer Komponenten erfordert sondern die Schwingneigung
erhöht.
Als weiterer Filtertyp ist das FIR-Filter bekannt, wobei FIR für Finite Impuls
Response steht. Der prinzipielle Aufbau eines FIR-Filters ist in Fig. 3 gezeigt.
Bei diesem Filter ist eine Anzahl von Zeit- oder Verzögerungsgliedern Z-1 in
Reihe geschaltet, werden die benötigten Koeffifzienten mit Multiplikatoren
C0-Cn erzeugt und werden die Ausgangssignale der Multiplikatoren in einer
Summierstufe zum Ausgangssignal zusammengefaßt. Da ein derartiges Filter
keine Rückkopplungsstruktur aufweist, ist es unproblematisch hinsichtlich
Schwingneigung. Mit einem solchen Filter läßt sich zwar ein gutes
Sperrverhalten für die Sperrfrequenz, das heißt, die Summenfrequenz,
erreichen. Für ein zufriedenstellendes Tiefpaßverhalten müßte ein derartiges
Filter jedoch mit einer relativ großen Anzahl von Filterstufen aufgebaut
werden, was einen entsprechend hohen Aufwand bedeutet.
Ein digitales FIR-Kerbfilter mit einem Aufbau der in Fig. 3 gezeigten Art ist aus
der JP 04-249913 AA bekannt, wobei mit diesem Filter ein unerwünschtes
Signal eliminiert werden soll.
Die EP 0 714 201 A2 beschreibt eine digitale Phasenverriegelungsschleife,
die zur Trägerrückgewinnung in einem Signalprozessorsystem für digitale
Fernsehsignale verwendet wird. Die Phasenverriegelungsschleife weist unter
anderem einen Phasendetektor, einen spannungsgesteuerten Oszillator
und ein als FIR-Filter ausgebildetes Kerbfilter auf. Das FIR-Filter bildet zwei
Kerben, mittels welchen die Bildträgerfrequenz und die Farbträgerfrequenz
gesperrt werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter verfügbar zu machen,
das bei relativ geringem Schaltungsaufwand und mit hoher Stabilität
gegenüber Schwingneigung ein gutes Tiefpaßverhalten mit starker
Dämpfung der Sperrfrequenz aufweist und daher insbesondere als
Schleifenfilter für eine PLL-Schaltung gut geeignet ist.
Diese Aufgabe wird mit einem elektrischen Tiefpaßfilter der im
Patentanspruch 1 angegebenen Art gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Tiefpaßfilter zeichnet sich durch eine
Reihenschaltung mit einem FIR-Filter und einem IIR-Filter aus, wobei die
Parameter des FIR-Filters im wesentlichen auf das Sperrverhalten bei der
Sperrfrequenz und die Parameter des IIR-Filters im wesentlichen auf das
Tiefpaßverhalten abgestimmt sind.
Bei Verwendung als Schleifenfilter für eine PLL-Schaltung kommt man bei
einem erfindungsgemäßen Tiefpaßfilter mit einem FIR-Filter mit drei
Zeitgliedern und einem IIR-Filter mit einem Zeitglied aus. Ein solches Filter
weist bei relativ geringem Schaltungaufwand sowohl ein gutes
Tiefpaßverhalten als auch ein gutes Sperrverhalten für die Sperrfrequenz
auf.
Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters als Schleifenfilter in
einer PLL-Schaltung wird die Summenfrequenz, nämlich das Doppelte der
Referenzfrequenz, mit sehr hoher Dämpfung vom Oszillator ferngehalten,
während die dem Oszillator zugeführte Steuergröße aufgrund der
Tiefpaßfilterung durch das Schleifenfilter gut geglättet bzw. gemittelt ist.
Aufgrund der geringen Anzahl der erforderlichen Zeitglieder weist ein
erfindungsgemäßes Filter eine niedrige Zeitkonstante auf, was eine kurze
Einschwingzeit des Filters und bei dessen Verwendung als Schleifenfilter
einer PLL-Schaltung, eine kurze Einrastzeit der PLL-Schaltung mit sich bringt.
Um die gleiche Sperrdämpfung für die Sperrfrequenz zu erreichen wie mit
einem herkömmlicherweise für Schleifenfilter von PLL-Schaltungen
verwendeten IIR-Filter ist bedeutend weniger Schaltungsaufwand und
damit Kostenaufwand erforderlich.
Die Reihenfolge von FIR-Filter und IIR-Filter in der Reihenschaltung eines
erfindungsgemäßen Filters kann beliebig gewählt werden.
Da man erfindungsgemäß zwei Filtertypen hintereinander schaltet, von
denen das eine mehr für Tiefpaßfilterung und das andere mehr für
Sperrfrequenzdämpfung geeignet ist, kann man sich bei jedem dieser
beiden Filter auf die Optimierung hinsichtlich seiner Funktion konzentrieren
und kann somit ein sehr gutes Gesamtfilterverhalten erzielen. Das IIR-Filter
kann man auf die Tiefpaßfilterung optimieren, weil man nicht gleichzeitig
auf Dämpfungserfolg hinsichtlich der Sperrfrequenz achten muß, während
man das FIR-Filter hinsichtlich des Dämpfungsverhaltens bei der
Sperrfrequenz optimieren kann, weil man nicht auf den
Tiefpaßfilterungserfolg achten muß. Da jedes dieser beiden Filter nur nach
einem der beiden Filtergesichtspunkte dimensioniert und optimiert zu
werden braucht, kann jedes dieser beiden Filter mit wenig
Schaltungsaufwand auskommen.
Ein erfindungsgemäßes Filter eignet sich überall dort, wo gleichzeitig ein
gutes Tiefpaßverhalten und eine hohe Sperrdämpfung für eine
Sperrfrequenz erforderlich sind.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filters;
Fig. 2 einen Aufbau eines an sich bekannten IIR-Filters;
Fig. 3 einen Aufbau eines an sich bekannten FIR-Filters;
Fig. 4 einen Aufbau einer an sich bekannten PLL-Schaltung;
Fig. 5 ein Prinzip-Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Filters;
Fig. 6 einen Dämpfungsverlauf eines FIR-Filters;
Fig. 7 einen Dämpfungsverlauf eines IIR-Filters; und
Fig. 8 einen Dämpfungsverlauf eines erfindungsgemäßen Filters.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters
betrachtet, die besonders als Schleifenfilter für eine PLL-Schaltung geeignet
ist, deren Summenfrequenz bei 38 KHz liegt.
Anhand der Fig. 6 und 7 wird zunächst das Dämpfungsverhalten
betrachtet, welches sich erreichen läßt, wenn man nur ein FIR-Filter oder nur
ein IIR-Filter verwendet. Mit dem FIR-Filter läßt sich gemäß Fig. 6 eine
schmalbandige und hohe Dämpfung der Summenfrequenz erreichen,
wenn man eine der Nullstellen des FIR-Filters auf die Summenfrequenz legt.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist bis in die Nähe der Summenfrequenz
praktisch keine Tiefpaßfilterung gegeben.
Das in Fig. 7 gezeigte Dämpfungsverhalten des IIR-Filters zeigt reines Tiefpaß-
Dämpfungsverhalten. Kerbenförmige Sperrdämpfungsstellen (in
Übernahme aus dem englischsprachigen Raum auch Notches genannt)
wären nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand und einer nachteiligen
Verlängerung der Filtergruppenlaufzeit möglich.
Das in Fig. 8 gezeigte Dämpfungsverhalten eines erfindungsgemäßen Filters
mit einer Reihenschaltung aus einem FIR-Filter und einem IIR-Filter zeigt eine
hohe Sperrfrequenzdämpfung bei der Summenfrequenz und ein gutes
Tiefpaßfilterverhalten unterhalb der Summenfrequenz.
Dies erreicht man mit einem Filter mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau.
Hinsichtlich des FIR-Filterteils kommt man mit drei Verzögerungsgliedern Z-1,
vier Multiplikatorschaltungen, gekennzeichnet durch ein X, und ein
Summierglied, gekennzeichnet durch ein +, aus. Hinsichtlich des IIR-Filterteils
reicht eine einzige Stufe aus, also ein IIR-Filter erster Ordnung, das lediglich
ein Verzögerungsglied Z-1, zwei Faktor-Multiplikatoren, gekennzeichnet mit
b0 und 1-b0, und ein Summierglied aufweist. Insgesamt benötigt man somit
für das Gesamtfilter nur vier Verzögerungsglieder, so daß das Gesamtfilter
eine kurze Gesamtzeitkonstante aufweist und einen Schaltungsaufwand,
der vergleichsweise gering ist gegenüber herkömmlichen Filterlösungen mit
nur einem Filtertyp.
Bei dem FIR-Filterteil läßt sich die Nullstelle, welche zu der hohen
Sperrdämpfung bei der Summenfrequenz führt, mit den Parametern C0-C3
sehr gut einstellen. Die Mittelungs- oder Glältungsfunktion des IIR-Filterteils
läßt sich durch die Faktoren b0 und 1-b0 einstellen.
Claims (5)
1. Elektrisches Tiefpassfilter mit Sperrverhalten für eine vorbestimmte
Sperrfrequenz, aufweisend eine Reihenschaltung mit einem FIR-Filter
und einem IIR-Filter, wobei die Parameter des FIR-Filters im
Wesentlichen auf das Sperrverhalten bei der Sperrfrequenz und die
Parameter des IIR-Filters im Wesentlichen auf das Tiefpassverhalten
abgestimmt sind.
2. Tiefpassfilter nach Anspruch 1, bei welchem das FIR-Filter mit drei
Zeitgliedern (Z-1) und das IIR-Filter mit einem Zeitglied (Z-1)
aufgebaut sind.
3. Verwendung eines Tiefpassfilters nach Anspruch 1 oder 2 als
Schleifenfilter einer PLL-Schaltung.
4. PLL-Schaltung mit einem Schleifenfilter in Form eines Tiefpassfilters
nach Anspruch 1 oder 2.
5. PLL-Schaltung nach Anspruch 4 mit einer Referenzfrequenzquelle,
einem hinsichtlich der Oszillatorfrequenz steuerbaren Oszillator (13),
einer Mischstufe (11) und dem zwischen Mischstufe (11) und
Oszillator (13) geschalteten Schleifenfilter (15), wobei der
Mischstufe (11) die Referenzfrequenz und die Oszillatorfrequenz
zugeführt werden, die Mischstufe (11) eine Summenfrequenz aus
Referenzfrequenz und Oszillatorfrequenz und eine Differenzfrequenz.
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