-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein FIR-Dezimationsfilter, aufweisend
einen Eingang zum Zuführen
eines überabgetasteten
Signals und einen Ausgang zum Abgeben eines Signals mit gegenüber dem überabgetasteten
Signal um einen Dezimationsfaktor verringerter Abtastrate, sowie
eine Anordnung mit dem FIR-Dezimationsfilter.
-
Finite-Impulse-Response-Filter,
FIR-Filter, zeichnen sich durch eine Impulsantwort mit endlicher Länge aus.
FIR-Filter werden auch als nichtrekursive Filter oder Transversalfilter
bezeichnet.
-
Dezimationsfilter
dienen dazu, bei einem überabgetasteten,
digitalen Signal die Abtastrate zu reduzieren. Überabgetastete Signale entstehen
beispielsweise bei Analog-Digital-Wandlern, welche nach dem Delta-Sigma, ΔΣ-Prinzip
arbeiten. In einem dem ΔΣ-Modulator
nachgeschalteten Dezimationsfilter wird die Datenrate des Bitstroms
verringert, um eine sinnvolle Weiterverarbeitung des Digitalsignals
zu ermöglichen.
Typische Werte der Verringerung der Abtastrate sind beispielsweise
32 bis 512.
-
Zur
Realisierung der Funktionalität
der Dezimation in einem Digitalfilter sind neben FIR-Filtern auch
so genannte IIR-Filter,
Infinite-Impulse-Response-Filter, Sinc-Filter oder Comb-Filter sowie Kombinationen
derselben bekannt.
-
Ein
gattungsgemäßes FIR-Dezimationsfilter sowie
weitere Möglichkeiten
der Dezimation zur Anwendung bei ΔΣ-Umsetzung
sind beispielsweise in dem Dokument ”Delta-Sigma Data Converters” von F.
R. Norsworthy, Kapitel 13, Seiten 408–445, IEEE Press 1996, beschrieben.
Zum Erzielen eines geringen Energieverbrauchs bzw. geringer Chipfläche sind
danach Sinc-Filter oder Comb-Filter am besten geeignet zur Realisierung
eines digitalen Dezimationsfilters.
-
Zusätzlich zu
den bei digitalen Filtern üblicherweise
vorhandenen Multiplikations- und Additions-Bausteinen, üblicherweise
abgekürzt
als MAC, die die Basisoperationen beispielsweise eines FIR-Filters
bilden, benötigen
solche Filter normalerweise noch einen Speicher zum Ablegen von
Filterkoeffizienten sowie einen weiteren Speicher für die Daten.
Während
die Filterkoeffizienten normalerweise in einem nichtflüchtigen
Speicher, wie einem ROM, Read-Only Memory, oder EPROM, Erasable Programmable
Read-Only Memory, abgelegt werden können, ist für den eingehenden Datenstrom
zum Abspeichern der Daten normalerweise ein nichtflüchtiger
Speicher erforderlich. Diese nichtflüchtigen Speicher benötigen jedoch
einen verhältnismäßig großen Aufwand
bei der Integration, beispielsweise im Hinblick auf Chipfläche und
Leistungsaufnahme.
-
Bei
einem FIR-Filter der Filterordnung N müssen normalerweise alle Filterkoeffizienten
sowie die letzten N Werte des eingehenden Datenstroms des überabgetasteten
Signals gespeichert vorliegen, um die notwendigen Berechnungen vornehmen
zu können.
-
Das
Dokument
US 5,550,764 zeigt
ein FIR-Dezimationsfilter, bei dem der Begriff Filterordnung der
Anzahl der Filterkoeffizienten entspricht.
-
In
den Dokumenten
US 5,696,708 und
US 5,278,837 sowie den Aufsätzen Nuttall
A. H.: Some Windows with Very Good Sidelobe Behavior. IEEE Transactions
an Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol. ASSP-29, No. 1,
1981, S. 84–91
und Gerosa A., et al: A Low-Power Decimation Filter for a Sigma-Delta
Converter Based an a Power-Optimized sinc Filter. Proceedings of
the 2004 International Symposium an Circuits and Systems, ISCAS'04, Vancouver, BC,
Canada, Vol. 2, S. 245–248
sind weitere FIR-Dezimationsfilter angegeben.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein FIR-Dezimationsfilter anzugeben,
welches mit geringerem Aufwand integrierbar ist. Dabei soll das FIR-Dezimationsfilter
geeignet sein zur Dezimation eines überabgetasteten Datenstroms,
wie er beispielsweise von einem ΔΣ-Modulator
bereitgestellt wird.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
FIR-Dezimationsfilter gelöst,
welches gegenüber dem
gattungsgemäßen FIR-Dezimationsfilter
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 weitergebildet
ist.
-
Weiterbildungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind
Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der
Dezimationsfaktor repräsentiert
das Verhältnis
der Abtastrate des überabgetasteten
Signals am Eingang bezogen auf die Abtastrate des Signals am Ausgang
des FIR-Dezimationsfilters. Damit ist der Dezimationsfaktor ein
Maß für die Reduzierung der
Abtastrate.
-
Die
Filterordnung N des FIR-Dezimationsfilters wird durch die Zahl der
Filterstufen des Filters bestimmt. Eine Filterstufe umfasst normalerweise
ein Verzögerungsglied,
Koeffizienten-Multiplizierer
und Addierer für
Summanden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, anstelle verteilter
Summierer je einen globalen Summierer am Eingang und Ausgang oder einen
einzigen globalem Summierer am Ausgang bereitzustellen.
-
Nach
dem vorgeschlagenen Prinzip kann völlig auf die normalerweise
bei FIR-Dezimationsfiltern erforderlichen flüchtigen Speicher verzichtet werden.
Die flüchtigen
Speicher dienen normalerweise zum Zwischenspeichern der Bitfolge
des am Eingang eingehenden, überabgetasteten
Signals. Dieser Zusammenhang wird nachfolgend noch näher erläutert. Somit
kann auf eine Anzahl von N Speicherstellen für die Werte des überabge tasteten
Signals verzichtet werden, die der Filterordnung N des FIR-Dezimationsfilters
entspricht.
-
Nach
dem vorgeschlagenen Prinzip sind demnach zusätzlich zu den Koeffizientenspeichern und
Akkumulatoren in der Multiplizierer-Akkumulator-Stufe keine weiteren
Speicherelemente erforderlich. Hierdurch wird der Aufwand zur Realisierung des
Dezimationsfilters besonders im Hinblick auf Chipflächenbedarf,
Design-Aufwand, Strombedarf und Kosten deutlich reduziert.
-
Der
vorgeschlagene Zusammenhang, nämlich
dass der Dezimationsfaktor gleich der Summe aus der Filterordnung
N des FIR-Dezimationsfilters und
der Zahl 1 ist, wirkt sich bei dem vorgeschlagenen Filter so aus,
dass die Datenrate des überabgetasteten
Signals am Eingang des FIR-Dezimationsfilters das (N + 1)-Fache
bezüglich
der Datenrate des Signals am Ausgang des FIR-Dezimationsfilters
beträgt.
-
Der
Dezimationsfaktor ist bevorzugt gleich der Anzahl der benötigten Filterkoeffizienten
des FIR-Dezimationsfilters. Demnach beträgt auch die Anzahl der benötigten Filterkoeffizienten
die Summe aus der Filterordnung N des FIR-Dezimationsfilters und
der Zahl 1.
-
Nach
dem vorgeschlagenen Prinzip muss die Bitfolge des eingehenden Datenstroms
des überabgetasteten
Signals am Eingang des FIR-Dezimationsfilters nicht zwischengespeichert
werden. Zur digitalen Datenverarbeitung ist es vielmehr nur erforderlich,
einen Multiplikator und Akkumulator und einen Koeffizientenblock
vorzusehen, um den jeweils aktuellen FIR-Filterkoeffizienten hochzuladen.
-
Zum
Zuführen
der Filterkoeffizienten zu dem FIR-Dezimationsfilter ist ein Mittel
zum Zuführen
von Filterkoeffizienten vorgesehen.
-
Das
Mittel zum Zuführen
von Filterkoeffizienten kann intern im Dezimationsfilter vorgesehen
oder extern angeschlossen sein. Dabei können die Filterkoeffizienten
als Festwerte gespeichert oder als veränderliches Datenwort zuführbar sein.
-
Das
Mittel zum Zuführen
der Filterkoeffizienten ist mit einer Multiplikations- und Additionseinrichtung
verbunden.
-
In
dem FIR-Dezimationsfilter ist lediglich eine einzige Multiplikations-
und Additionseinrichtung vorgesehen, die mit dem Mittel zum Zuführen der
Filterkoeffizienten verbunden ist.
-
Die
Multiplikations- und Additionseinrichtung ist weiterhin mit dem
Eingang zum Zuführen
des überabgetasteten
Signals gekoppelt. Bei dieser Kopplung ist, wie bereits erwähnt, keinerlei
Zwischenspeicherung der eingehenden Daten erforderlich.
-
Wenn
es sich bei der Codierung des überabgetasteten
Signals am Eingang des FIR-Dezimationsfilters um ein so genanntes
Single-Bit-Signal handelt, so ist die Multiplikations- und Additionseinrichtung
bevorzugt als Akkumulator ausgebildet. Ein Single-Bit-Signal wird
durch einen digitalen Datenstrom der Wortbreite 1 Bit repräsentiert.
In diesem Fall ist lediglich die Akkumulation der gewichteten Eingangsdaten
durchzuführen.
Die Gewichtung der Eingangsdaten erfolgt mit den jeweiligen Filterkoeffizienten.
Eine Multiplikation im eigentlichen Sinne ist nicht erforderlich.
Eine zusätzliche
Zeit verzögerung
im Filter ist ebenfalls nicht nötig;
diese wird vielmehr durch die Abtastrate der eingehenden Bitfolge
des Datenstroms vorgegeben.
-
Wenn
das am Eingang zuführbare, überabgetastete
Signal nicht als Single-Bit-Signal, sondern als Multi-Bit-Signal
vorliegt, so ist eine Multiplikations- und Additionseinrichtung
erforderlich. Dabei kann die Multiplikation jedoch in einfacher
Weise durch so genanntes Shifting und eine Addition im eigentlichen
Sinn ersetzt werden. Bei dem Shifting oder Verschieben eines Datenworts
in einem Register erfolgt ein Verschieben des Datenworts um eine bestimmte
Anzahl signifikanter Stellen nach rechts oder links. Beispielsweise
bei binär
kodierten Daten entspricht eine Verschiebung um eine Stelle nach rechts
oder links einer Verdopplung bzw. Halbierung des Datenwortes. Somit
kann in einfacher Weise eine Multiplikation erfolgen.
-
Falls
im Single-Bit-Fall lediglich ein Akkumulator vorgesehen ist, so
ist dieser bevorzugt ausgebildet mit einem Dateneingang, einem Koeffizienteneingang
und einem Ausgang. Der Dateneingang ist mit dem Eingang zum Zuführen eines überabgetasteten Signals
verbunden. Der Koeffizienteneingang ist zum Zuführen der Filterkoeffizienten
mit dem Mittel zum Zuführen
der Filterkoeffizienten verbunden. Der Ausgang ist an den Ausgang
des FIR-Dezimationsfilters angeschlossen. Weiterhin umfasst der
Akkumulator einen Rückführungseingang,
der mit dem Ausgang des FIR-Dezimationsfilters verbunden ist.
-
Der
Akkumulator ist eingerichtet zum Inkrementieren eines gespeicherten
Wertes um das Produkt aus einem am Dateneingang aktuell anliegenden
Wert des eingehenden, überabgetasteten
Signals und eines Filterkoeffizienten. Dieses Inkrementieren erfolgt
ausgehend von einer Startposition solange, bis jeder Filterkoeffizient
einmal verbraucht ist. Anschließend
wird gemäß der Filtervorschrift
wieder mit dem ersten Filterkoeffizienten fortgesetzt, nach dem
der Inhalt des Akkumulators zurückgesetzt
wurde.
-
Das
Mittel zum Zuführen
der Filterkoeffizienten ist bevorzugt als nichtflüchtiger
Speicher zum Ablegen der Filterkoeffizienten ausgebildet. Die Filterkoeffizienten
können
fest programmiert sein. Die Filterkoeffizienten können aber
auch programmierbar ausgeführt
sein, derart, dass die Filtercharakteristik während des Betriebs oder zwischen
einzelnen Betriebsphasen veränderbar
ist. Der nichtflüchtige
Speicher ist bevorzugt als ROM, Read-Only Memory, ausgebildet.
-
Wie
bereits erläutert,
umfasst das FIR-Dezimationsfilter als Speichermittel lediglich den
nichtflüchtigen
Speicher zum Ablegen der Filterkoeffizienten und die Multiplikations-
und Additionseinrichtung. Ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der
auch als RAM, Random Access Memory bezeichnet wird, zum Zwischenspeichern
der eingehenden digitalen Daten des überabgetasteten Signals ist
hingegen nicht erforderlich.
-
Das
Mittel zum Zuführen
der Filterkoeffizienten ist bevorzugt zum Bereitstellen der Filterkoeffizienten
nach der Vorschrift eines so genannten 3-Term-Fensters eingerichtet.
Dabei werden die Filterkoeffizienten nach einer mathematischen Vorschrift
gebildet, welche drei Terme umfasst, wobei die drei Terme unter
Zuhilfenahme trigonometrischer Funktionen als Vielfache von 2π dargestellt
sind, nämlich
bei der Drei-Term-Fenster-Methode
in Abhängigkeit
von 0π,
2π und 4π, also geradzahligen Vielfachen
der Zahl Pi von null bis vier.
-
Selbstverständlich können alternativ
auch andere Methoden zur Berechnung der Koeffizienten von FIR-Filtern
verwendet werden, wie andere Fenster-Methoden oder der Remez-Exchange-Algorithmus. Als
Fenster-Methoden können
die Hamming-Fenster-Methode,
die Hanning-Fenster-Methode, die Blackman-Fenster-Methode oder die
Kaiser-Fenster-Methode verwendet werden.
-
Gegenüber Rechteckfenstern
haben die beschriebenen Fensterfunktionen den Vorteil, dass die Koeffizienten
zum Rand hin sanft reduziert werden, was in einer besseren Approximation
des Wunschfrequenzgangs des FIR-Dezimationsfilters resultiert.
-
Bevorzugt
werden die Filterkoeffizienten nach der Vorschrift W(K)
= 0,375 + 0,5·cos(2πKN ) + 0,125·cos(4πKN )gemäß einem
3-Term-Fenster mit sogenanntem Maximum-Rolloff berechnet. Dabei
repräsentiert
N die Filterordnung des FIR-Dezimationsfilters.
Die Laufvariable K nimmt jeden ganzzahligen Wert im Intervall von
einschließlich –N/2 bis
einschließlich
+N/2 an. Daraus resultieren die einzelnen Koeffizienten W(K) gemäß obiger
Vorschrift.
-
Der
Dezimationsfaktor beträgt
vorliegend bevorzugt 32, 512 oder einen Zwischenwert dieser Werte.
-
In
einer Anordnung mit dem vorgeschlagenen FIR-Dezimationsfilter ist
an dessen Eingang bevorzugt der Ausgang eines ΔΣ-Modulators angeschlossen, der als Analog-Digital-Wandler
dient und das überabgetastete
Signal bereitstellt.
-
Wenn
mehrere Signale verarbeitet werden sollen, so kann ein einziger ΔΣ-Modulator
vorgesehen sein, der zum Arbeiten in einem Multiplex-Betrieb eingerichtet
ist. An diesen kann wiederum bevorzugt ein einziges FIR-Dezimationsfilter
nach dem vorgeschlagenen Prinzip angeschlossen sein. Dabei ist bevorzugt
am Eingang des ΔΣ-Wandlers
und am Ausgang des Dezimationsfilters ein Multiplexer bzw. Demultiplexer
angeschlossen. Bei einer solchen Anordnung hat das vorgeschlagene,
vereinfachte FIR-Dezimationsfilter keinerlei Nachteile gegenüber einem
FIR-Dezimationsfilter mit optimaler Leistungsfähigkeit. Dies ist generell
immer dann der Fall, wenn aufeinanderfolgende Abtastwerte unabhängig voneinander
sind.
-
Eine
weitere, vorteilhafte Verwendung des vorliegenden FIR-Dezimationsfilters
ergibt sich dann, wenn mehrere Analog-Digital-Wandler in einem System implementiert
sind. In diesem Fall können
sich die je nachgeschalteten FIR-Dezimationsfilter nach dem vorgeschlagenen
Prinzip einen gemeinsamen Speicher für die Filterkoeffizienten teilen.
So können beispielsweise
32 Analog-Digital-Wandler, die als ΔΣ-Wandler ausgebildet sind, auf
einem Chip angeordnet sein mit je einem nachgeschalteten Dezimationsfilter,
wobei für
alle Dezimationsfilter lediglich ein gemeinsames Koeffizienten-ROM
als nichtflüchtiger Speicher
nötig ist.
Dies führt
zu einer signifikanten Einsparung von Chipfläche.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines FIR-Dezimationsfilters
nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
-
2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines FIR-Dezimationsfilters in einer Single-Bit-Anwendung,
-
3 ein
noch weiteres Ausführungsbeispiel
eines FIR-Dezimationsfilters
für eine
Multi-Bit-Anwendung,
-
4 eine
beispielhafte Anordnung des FIR-Dezimationsfilters mit einem ΔΣ-Wandler,
-
5 ein
Ausführungsbeispiel
der Anordnung von 4 ausgelegt für Multiplexbetrieb
und
-
6 eine
Anordnung mit mehreren FIR-Dezimationsfiltern und einem gemeinsamem
Koeffizientenspeicher an einem Beispiel.
-
1 zeigt
ein FIR-Dezimationsfilter 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Das Filter hat die Filterordnung N. An einem Eingang 2 ist
ein überabgetastetes
Signal einer Breite von n Bit zuführbar. Die Bitbreite n kann
1 oder größer betragen.
Die Abtastrate des überabgetasteten
Signals ist repräsentiert durch
ein Produkt aus der um 1 erhöhten
Filterordnung N und einer Ausgangs-Abtastrate fS.
Am Ausgang 3 des Filters beträgt die Ausgangs-Abtastrate fS. Demnach beträgt der Dezimationsfaktor des
Filters, der sich aus dem Quotienten der Abtastrate am Eingang zur
Abtastrate am Ausgang berechnet, gerade N + 1 und entspricht damit
der um 1 erhöhten Filterordnung
N.
-
2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Dezimationsfilters 1 für den Fall eines Single-Bit-Signals am
Eingang 2. Die Verhältnisse
der Eingangs-Abtastrate zur Ausgangs-Abtastrate an den Ein- und Ausgängen 2, 3 des
FIR- Dezimationsfilters
ist gleich geblieben. Der Bitstrom des überabgetasteten Signals am
Eingang 2 ist mit INi bezeichnet,
wobei INi eine Folge einzelner Bit und die
Indexvariable i eine Laufvariable repräsentiert. Zwischen einen Eingang 2' und einen Ausgang 3 ist
ein Akkumulator 4 geschaltet, der vom FIR-Dezimationsfilter
umfasst ist. Der Eingang 2' des
Akkumulators 4 ist mit dem Eingang 2 des FIR-Dezimationsfilters
verbunden. Der Ausgang des Akkumulators 4 bildet den Ausgang 3 des FIR-Dezimationsfilters.
Der Akkumulator 4 hat zusätzlich zu dem Dateneingang 2' einen Koeffizienteneingang 5,
der an den Ausgang eines Koeffizientenspeichers 6 angeschlossen
ist. Außerdem
ist ein Rückführungseingang
des Akkumulators 4 vorgesehen, der mit dem Ausgang 3 verbunden
ist zur Bereitstellung des Akkumulationswerts. Der Koeffizientenspeicher 6 ist
als nichtflüchtiger
Speicher ausgebildet und bildet ein Mittel zum Zuführen der
Filterkoeffizienten. Der Koeffizientenspeicher ist ausgelegt zum Speichern
einer Anzahl von N + 1 Filterkoeffizienten, wobei die Anzahl der
Filterkoeffizienten gerade dem Dezimationsfaktor N + 1 des Filters
entspricht, also der um 1 inkrementierten Filterordnung N. Die Koeffizienten
haben eine Breite von m Bit. Das Symbol k repräsentiert eine Indexvariable,
die jeden ganzzahligen Wert im Intervall von –N/2 bis +N/2 annimmt, wobei
das Intervall die Randwerte einschließt. Es gilt die Beziehung,
dass die um 1 erhöhte
Filterordnung gleich der Anzahl der Filterkoeffizienten und damit gleich
der Summe aus 2k + 1 ist, also der um 1 inkrementierten, doppelten
Anzahl der ganzzahligen Werte im Intervall von –N/2 bis +N/2. Der Akkumulator 4 arbeitet
im vorliegenden Beispiel nach einer Akkumulationsvorschrift, nach
der sich ein neuer Akkumulationswert aus der Summe des Akkumulationswertes im
vorangegangenen Schritt und dem Produkt aus dem am Eingang anliegenden
aktuellen Bit INi des Datenstroms des überabgetasteten
Signals und dem jeweiligen Filterkoeffizienten W(k) berechnet. Der
Akkumulationswert wird am Ausgang in einer Bitfolge mit reduzierter
Abtastrate bereitgestellt.
-
Man
erkennt, dass am Eingang 2 kein Speicher für die letzten
N Bit der eingehenden Daten INi nötig ist,
um die erforderlichen Rechenoperationen des FIR-Dezimationsfilters
ausführen
zu können.
-
Es
ist vorliegend im Single Bit-Fall auch kein Multiplizierer im eigentlichen
Sinne erforderlich. Das Eingangsbit INi nimmt
nämlich
normalerweise nur zwei Werte an, nämlich +1 oder –1, so dass
zu dem Akkumulationswert des vorangegangenen Schritts der aktuelle
Filterkoeffizient entweder addiert oder subtrahiert wird. Demnach
wird keine Multiplikation durchgeführt.
-
Der
Filterkoeffizientenspeicher 6 ist zum Bereitstellen der
Filterkoeffizienten nach der Vorschrift eines so genannten 3-Term-Fensters eingerichtet. Dabei
werden die Filterkoeffizienten nach einer mathematischen Vorschrift
gebildet, welche drei Terme umfasst, wobei die drei Terme unter
Zuhilfenahme trigonometrischer Funktionen als Vielfache von 2π dargestellt
sind, nämlich
bei der Drei-Term-Fenster-Methode in Abhängigkeit von 0π, 2π und 4π, also geradzahligen
Vielfachen der Zahl Pi von null bis vier.
-
Gegenüber Rechteckfenstern
haben die beschriebenen Fensterfunktionen den Vorteil, dass die Koeffizienten
zum Rand hin sanft reduziert werden, was in einer besseren Approximation
des Wunschfrequenzgangs des FIR-Dezimationsfilters resultiert.
-
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden die Filterkoeffizienten nach der Vorschrift W(K)
= 0,375 + 0,5·cos(2πKN ) + 0,125·cos(4πKN )gemäß einem
3-Term-Fenster mit sogenanntem Maximum-Rolloff berechnet. Dabei
repräsentiert
N die Filterordnung des FIR-Dezimationsfilters.
Die Laufvariable K nimmt jeden ganzzahligen Wert im Intervall von
einschließlich –N/2 bis
einschließlich
+N/2 an. Daraus resultieren die einzelnen Koeffizienten W(K) gemäß obiger
Vorschrift.
-
Der
Dezimationsfaktor beträgt
vorliegend bevorzugt 32, 512 oder einen Zwischenwert dieser Werte.
-
Abgesehen
vom Akkumulator selbst ist, wie erläutert, kein weiterer flüchtiger
Speicher nötig.
Insgesamt ist außer
dem Akkumulator 4 und dem Filterkoeffizientenspeicher 6 kein
weiteres Speichermittel nötig,
um das FIR-Dezimationsfilter nach 2 zu realisieren.
-
3 zeigt
eine Abwandlung der Schaltung von 2 im Falle
eines Multi-Bit-codierten, überabgetasteten
Signals am Eingang 2. Demnach ist die Bitbreite des Datenworts
am Eingang größer als
1. In diesem Fall ist gegenüber 2 anstelle
des Akkumulators 4 ein Multiplikations- und Akkumulationsblock 7 vorgesehen,
der wiederum über
eine k Bit breite Leitung mit dem Koeffizientenspeicher 6 verbunden
ist. Der Eingang 2 ist mit einem Eingang 2'' des Multiplikations- und Akkumulationsblocks 7 verbunden.
Am Ausgang 3 wird wiederum das Signal mit verringerter
Abtastrate bereitgestellt.
-
Demnach
ist bezüglich 2 lediglich
der Akkumulator 4 durch den Multiplikations- und Akkumulationsblock 7 ersetzt.
Es gilt jedoch weiterhin, dass kein flüchtiger Speicher zum Zwischenspeichern
des Eingangsdatenstroms nötig
ist. Auch eine echte Multiplikation im Multiplikations- und Akkumulationsblock 7 ist
nicht nötig.
Diese kann vielmehr durch Kombinationen der beiden Schritte Verschieben
eines Datenworts und Additionen ersetzt werden. So kann beispielsweise
eine Multiplikation bzw. Division mit dem Faktor 2 bei einem binär codierten Signal
durch Verschieben des Datenworts um eine Stelle nach rechts bzw.
links bewerkstelligt werden. Multiplikationen und Additionen um
Potenzen zur Basis 2 werden durch eine Verschiebung um
eine Anzahl von Bit bewirkt, die der Potenz zur Basis 2 entspricht.
Eine Multiplikation mit dem Faktor 3 erfolgt in einfacher Weise
dadurch, dass nach einer Verschiebung des Datenworts um eine signifikante
Stelle das Datenwort selbst zum Zwischenergebnis noch einmal addiert
wird. Eine Multiplikation bzw. Division um Faktor 4 erfolgt in einfacher
Weise durch Verschieben des Datenworts um zwei signifikante Stellen.
Somit können
beispielsweise Multiplikationen mit Faktoren von –4 bis +4
ohne eigentliche Multiplikation durchgeführt, sondern durch einfaches
Shifting und Addieren ersetzt werden. Somit ist der Rechenaufwand
besonders gering. Auch für
das Beispiel von 3 gilt in Entsprechung zu dem
nach 2, dass die letzten N Datenworte des überabgetasteten
Signals am Eingang 2 nicht zwischengespeichert werden müssen.
-
4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Anordnung des FIR-Dezimationsfilters von 1 und
einen Sigma-Delta, ΔΣ-Modulator 8 ist
als Analog/Digital-Wandler ausgebildet. Der ΔΣ-Modulator 8 arbeitet
mit einer Überabtastung.
Dabei ist der Ausgang des ΔΣ-Modulators 8 an
seinem Ausgang mit dem Eingang 2 des FIR-Dezimationsfilters 2 verbunden
zur Bereitstellung des überabgetasteten
Signals am Eingang 2.
-
Das
FIR-Dezimationsfilter 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip
reduziert die Abtastrate des überabgetasteten
Signals des ΔΣ-Modulators 8 auf einen
zur digitalen Weiterverarbeitung geeigneten Wert der Abtastrate,
wie beispielhaft anhand der 1 bis 3 bereits
erläutert.
-
5 zeigt
die Anordnung von 4, beispielhaft ausgelegt für einen
Multiplex-Betrieb. Hierfür
ist am Eingang des ΔΣ-Modulators 8 der
Ausgang eines Multiplexers 9 angeschlossen, der mehrere Eingänge zur
Zuführung
unterschiedlicher und voneinander unabhängiger Signale A, B, C hat.
Diese Signale werden abwechselnd dem ΔΣ-Modulator 8 zugeführt. Am
Ausgang des FIR-Dezimationsfilters 1, das ebenfalls wie
der ΔΣ-Modulator 8 abwechselnd die
Signale A, B, C verarbeitet, ist ein Demultiplexer 10 angeschlossen,
der die digitalisierte und dezimierte Signalfolge A, B, C wieder
in die jeweiligen Signale A',
B', C' aufspaltet. Bei
einer derartigen Anordnung erreicht das vorgeschlagene FIR-Dezimationsfilter 1 mit
dem besonders einfachen Aufbau und ohne flüchtige Speicher gleich gute
Eigenschaften wie ein optimales FIR-Dezimationsfilter.
-
Ein
weiteres, vorteilhaftes Anwendungsgebiet des vorgeschlagenen FIR-Dezimationsfilters 1 zeigt 6 an
einem Beispiel. Darin sind mehrere FIR-Dezimationsfilter gezeigt.
Die FIR-Dezimationsfilter haben den beispielhaften Aufbau nach 2 mit je
einem Akkumulator 4, jedoch nicht je einen eigenen Koeffizientenspeicher 6,
sondern einen gemeinsamen Koeffizientenspeicher 11. Der
gemeinsame Koeffizientenspeicher 11 ist mit je einem Koeffizienteneingang
der Akkumulatoren 4 verbunden. An jeweiligen Dateneingängen der
Akkumulatoren 4 ist je ein Eingang zum Zuführen eines überabgetasteten Signals
vorgesehen. Durch den gemeinsamen Speicher für Filterkoeffizienten 11 für alle Akkumulatoren 4 kann
die Chipfläche
einer solchen Anordnung deutlich reduziert werden.
-
- 1
- FIR-Dezimationsfilter
- 2
- Eingang
- 2'
- Eingang
- 2''
- Eingang
- 3
- Ausgang
- 4
- Akkumulator
- 5
- Koeffizienteneingang
- 6
- Speicher
für Filterkoeffizienten
- 7
- Multiplikations-
und Akkumulationsblock
- 8
- ΔΣ-Modulator
- 9
- Multiplexer
- 10
- Demultiplexer
- 11
- Koeffizientenspeicher