DE19844699A1

DE19844699A1 - Digitale Signalverarbeitungseinrichtung mit CORDIC-Prozessor

Info

Publication number: DE19844699A1
Application number: DE1998144699
Authority: DE
Inventors: Xiaoning Nie
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2000-03-30
Also published as: FR2786967A1; FR2786967B1

Abstract

Die Einrichtung weist eine Vielzahl von CORDIC-Stufen (C1...Cn) zur iterativen Bestimmung der Phase aus Eingangssignalen (X1, Y1...Xn, Yn) auf. Zusätzlich ist am Ausgang jeder der CORDIC-Stufen (C1...Cn) ein Frequenzwert abgreifbar, welcher beginnend aus einem der ersten CORDIC-Stufe (C1) zugeführten Initialisierungswert bestimmt wird, wobei der am Ausgang jeder CORDIC-Stufe (C1...Cn) abgreifbare Frequenzwert (omega...omegan) durch den dieser CORDIC-Stufe (C1...Cn) zugeführten Frequenzwert abzüglich eines Korrekturwertes gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Signalverarbeitungsein richtung mit einem CORDIC-Prozessor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Digitale Signalverarbeitungseinrichtungen werden dank der Re duzierung der Hardwarekosten mittlerweile in großem Umfang in der Kommunikationselektronik eingesetzt. So finden digitale Signalverarbeitungsverfahren immer häufiger in der Consumere lektronik Anwendung. Ein mittlerweile bekannter Rechenalgo rithmus in der Signalverarbeitung ist der sogenannte CORDIC- Algorithmus. Detaillierte Beschreibungen hierzu finden sich z. B. in dem Artikel "CORDIC-Based VLSI Architectures for Di gital Signal Processing", erschienen in der Zeitschrift IEEE Signal Processing Magazine, July 1992 auf den Seiten 16 bis 35.

Prozessoren, die den CORDIC-Algorithmus anwenden, können zur Berechnung von Phasen eingesetzt werden und sind daher für Farbdecoder in Fersehempfängern zur Frequenzdemodulation von SECAM-Fernsehsignalen bestens geeignet. Dabei ist es erfor derlich, die Phaseninformation aus den SECAM-Signalen X und Y zu berechnnen und durch eine aηschließende Differentiation die Frequenz zu bestimmen. Bei den bisher bekannten SECAM- Dekodersystemen wird die Phasenberechnung und die Differntia tion sequentiell nacheinander durchgeführt.

Ein Problem bei dieser Vorgehensweise liegt vor allem in den unterschiedlichen dynamischen Bereichen der Phasen und Fre quenzen. Für die Phasenberechnung müssen in der Regel 3+n Bits bereitgestellt werden, um nach der Differentiation eine Genauigkeit von n Bits zu erhalten. Ein weiteres Problem ist das "Phase-Unwrapping".

Hier setzt die vorliegende Erfindung an.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine Signalverarbeitungseinrichtung mit einem CORDIC-Prozessor an zugeben, bei welcher mit vermindertem Aufwand ohne abschlie ßender Differentiation eines berechneten Phasensignals das Frequenzsignal bestimmt wird.

Diese Aufgabe wird durch eine digitale Signalverarbeitungs einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, die Itera tionen des CORDIC-Algorithmus auch auf die Frequenz- Berechnung abzubilden. Hierdurch ist vorteilhafterweise wäh rend der gesamten Signalverarbeitung die Bitbreite n ausrei chend. Es müssen nicht zusätzliche Bits für die Phasenberech nung bereitgehalten werden. Ebenso ist der Aufwand für Pha sen-Unwrapping überflüssig. Der Verarbeitungsaufwand der Si gnalverarbeitung ist hierdurch deutlich reduziert.

Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsge mäßen Signalverarbeitungseinrichtung ist die Frequenzdemodu lation von SECAM-Signalen in einem Fernsehfarbdecoder.

Weitere Anwendungsfelder sind aufgrund der linearen Kennlinie der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinrichtung Phasen diskriminatoren für Farbträger-PLLs in PAL/NTSC-Farbdecodern. In TV-Audio-Prozessoren kann die erfindungsgemäße Signalver arbeitungseinrichtung zur AM/FM-Demodulation und/oder zur QPSK-Demodulation eingesetzt werden. Eine AM/FM-Demodulati on ist auch in Radioempfängern möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einem Aus führungsbeispiel und Figuren weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild zur Frequenzdemodulation von SECAM-codierten Eingangssignalen X, Y nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 das Prinzipschaltbild einer bekannten CORDIC-Stufe;

Fig. 3 ein erstes Blockschaltbild zur Frequenzdemodulation von SECAM-codierten Eingangssignalen X, Y nach der Erfindung mit modifizierten CORDIC-Stufen;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer CORDIC-Stufe, wie diese in dem Blockschaltbild von 3 Verwendung findet; und

Fig. 5 ein detailliertes Blockschaltbild einer CORDIC- Stufe gemäß Fig. 3 oder 4,

Fig. 6 eine rückgekoppelte CORDIC-Stufe nach der Erfin dung, und

Fig. 7 eine Schaltung für eine Überlaufarithmetik.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist das Blocksschaltbild einer an sich bekannten Decodereinrichtung, z. B. zur Farbdecodierung von SECAM- Fernsehsignalen, dargestellt. Aus den Eingangssignalen X, Y wird in einer ersten Verarbeitungsstufe 10 mit konventionel len CORDIC-Stufen C1 . . . Cn, iterativ die Phaseninformation ϕ berechnet. Dieses Phasensignal ϕ wird in einer zweiten Verar beitungsstufe durch Differentiation in das gesuchte Frequenz signal f umgewandelt. Wesentlich bei diesem bekannten Deko dierverfahren ist die Tatsache, daß in der ersten Verarbei tungsstufe 10 zunächst das zu bestimmende Phasensignal ϕ ite rativ bestimmt wird, um dieses durch eine Vielzahl von Re chenoperationen ermittelte Phasensignal ϕ letzlich frequenz zuwandeln.

Jede der CORDIC-Stufen C1 . . . Cn arbeitet folgendermaßen:

Gegeben sei das Wertepaar X, Y. Zur Berechnung der Phase ϕ

dieses Wertepaares läßt sich der CORDIC-Algorithmus z. B. wie folgt darstellen:

x_i+1 = x_i-y_i.2^-i.τ_i
y_i+1 = y_i+ x_i.2^-i.τ_i; i = 0, 1, 2 . . . N (2)

wobei

x₀ = x; y₀= y; τ_i= sign (x_i).sign (y₀) (3)

Die Folge

approximiert ϕ mit zunehmendem N immer genauer.

Die obige Gleichung (2) läßt sich durch eine bekannte CORDIC- Stufe realisieren, wie diese in Fig. 2 dargestellt ist. Hier bei sind zwei Addierstufen 60, 61 vorgesehen. Der Addierstufe 61 wird der Wert X_i und der Wert Y_i zugeführt, wobei aus schließlich Y_i mit dem in Formel (2) genannten Faktor -2^-i σ_i gewichtet wird. Mit dem Faktor 2^-i σ_i wird der Wert x_i gewich tet und einem Eingang der zweiten Addierstufe 62 zugeführt. Dem anderen Eingang wird der Wert Y_i zugeführt. An den Aus gängen sind dann die Signale X_i+1 und Y_i+1 abgreifbar.

Das Blockschaltbild von Fig. 3 zeigt die nach der Erfindung modifizierte Demodulationseinrichtung. Es fällt auf, daß eine nachgeschaltete zweite Verarbeitungsstufe zur Differentiation wie in Fig. 1 nicht erforderlich ist. Eine Zeit- und speicher aufwendige Differenzierung ist nicht notwendig. Dies wird da durch erreicht, daß die notwendigen Iterationschritte des CORDIC-Algorithmus auch auf die Berechnung der Frequenz f an gewandt werden.

Hierfür stellen die einzelnen CORDIC-Stufen C1 . . . Cn ausgangs seitig neben den Amplitudensignalen X1, Y1 bis Xn, Yn auch einen digitalen Frequenzwert ω0 . . . ωn zur Verfügung, der mit Zunahme der jeweiligen CORDIC-Stufe immer genauer wird.

In Fig. 4 ist das Prinzipschaltbild der nach der Erfindung modifizierten Signalverarbeitungseinrichtung gezeigt. Wie er kennbar, werden in jeder CORDIC-Stufe C1, C2 . . . Cn ausgangs seitig neben Wertepaaren X1, Y1, X2, Y2 usw. auch Phasenwerte ϕ0 bis ϕn bereitgestellt. Die Frequenz zum Takt n ist bei ausreichend hoher Abtastfrequenz

ω(n) ≈ ϕ_N(n) - ϕ_N(n-1) (4)

Wendet man den CORDIC Algorithmus auf jeden Takt an, so er hält man:

ω(n) ≈ ω_N(n) = ϕ_N(n) - ϕ_N(n-1) (5)

und

ω_i(n) = ϕ_i (n) - ϕ_i(n-1); mit i = 1, 2, 3 . . . N (6)

Hieraus resultiert eine neue Iterationsformel, nämlich

x_i+1 (n) = x_i(n) - y_i (n).2^-i.τ_i (n);
y_i+1 (n) = y_i(n) + x_i (n).2^-i.τ_i (n);
τ_n+1 (n) = sign (x_i+1(n)).sign (y(n));
ω_i+1 (n) = ω_i - arctan (^2-i)[τ_i (n) - τ_i (n-1)]; (7)

Da σ_i+1(n) nur die Werte -1, 0, 1 annehmen kann, ist σ_i(n) -σ_i(n-1) -2, 0, 2 oder -1, 0, 1, wenn ω_i(n)/2 durch Rekursion ermittelt wird. Bei SECAM-Applikationen kann ω(n) zwischen -π/2 und π/2 angenommen werden. Mit einer geeigneten Über laufarithmetik für den Addierer 70 läßt sich hieraus der richtige Wert für ω(n) finden.

Angenommen, die gesuchte Frequenz ω(n) hat den Wert ω|∼(n), dann ist die Approximation

Bei SECAM-Applikationen kann

vorausgesetzt werden. Mit einer geeigneten Überlauf- Arithmetik läßt sich stets der richtige Wert für ω|∼(n) be rechnen. Die Überlauf-Arithmetik wird auf die Addition in der in Fig. 7 gezeigten Schaltung angewandt. Soll ω_i(n) mit 8 bits im Zweierkomplement dargestellt werden, so wird ω_i(n) durch ω_i(n)-2⁸ bzw. ω_i(n)+2⁸ korrigiert, je nach dem, ob Over flow bzw. Underflow aufgetreten ist.

Aus dieser neuen Iterationsformel (7) läßt sich eine Schal tungsanordnung für eine CORDIC-Stufe realisieren, wie diese in Fig. 5 dargestellt ist.

Die Schaltungsanordnung weist zunächst die aus der bekannten CORDIC-Stufe (vgl. Fig. 2) bekannten Schaltungskomponenten auf, also Addierstufen 61 und 62 mit Gewichtungsstufen 63, 64. Zusätzlich können zur Zwischenspeicherung der Werte Regi ster 65, 66 ausgangsseitig an die Addierstufen 61, 62 ge schaltet werden.

Zur iterativen Frequenzberechnung ist die CORDIC-Stufe unter Berücksichtigung der obigen Formeln folgendermaßen erweitert: Das Frequenzsignal ω_i wird einem ersten Eingang einer weite ren Addierstufe 70 zugeführt. Dem zweiten Eingang der Addier stufe 70 wird ein Signal K zugeführt, das eines der drei un terschiedlichen Werte, nämlich "0", arctan (2^-i) oder -arctan (2^-i), auswählt. Zweckmäßigerweise sind diese drei Werte in einem Festwertspeicher (ROM) gespeichert und werden bedarfs weise abgerufen. zur Auswahl ist ein Umschalter 80 vorgese hen.

Das Umschaltsignal K bestimmt sich zu

K = τ_i(n) - τ_i(n-1); (8)

Zur Realisierung wird gemäß Fig. 5 das MSB-Bit des Wertes x_i(n) und das MSB-Bit des Startwertes Y0(n) einem EXOR-Gatter 82 zugeführt. An dessen Ausgang ist σi(n) abgreifbar. Von diesem Wert wird der zuvor in einem Register 81 gespeicherte Wert σ_i(n-1) in einer Subtraktionsstufe 73 subtrahiert und schließlich als Schaltsignal K bereitgestellt. Am Ausgang der Addierstufe 70 ist ebenfalls noch ein Register 75 vorgesehen.

Zur Initialisierung wird der ersten CORDIC-Stufe C1 der Frequenzwert ω₀ = 0 zugeführt.

Werden eine Vielzahl von solchen modifizierten CORDIC-Stufen hintereinander geschaltet, z. B. 4, 7 oder 11, ist das fre quenzdemodulierte Signal am Ausgang der letzten CORDIC-Stufe bis auf einen festen Faktor unmittelbar abgreifbar, so auch die Signalamplitude. Dies deshalb, weil der gemäß CORDIC- Algorithmus bewegte Vektor gedehnt um einen Faktor auf der Y- oder X-Koordinate liegt. Es gilt nämlich

| y_n| = k . Momentamplitude (9)

Zusätzlich zur FM-Demodulation ist mit der modifizierten CORDIC-Stufe eine AM-Demodulation möglich.

Für Echtzeitanwendungen wird regelmäßig eine fest vorgegebene Anzahl von Iterationen durchgeführt, wobei ein anwendungsspe zifisches Kriterium erfüllt werden muß (z. B. sin-Verhalten).

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die einzelnen CORDIC- Stufen hintereinander zu schalten, bietet sich auch eine Lö sung mit einem rückgekoppelten CORDIC-Stufe an. Diesen Ansatz zeigt Fig. 6. Es sind lediglich eingangsseitig geeignete Mul tiplexschaltungen 90, 91, 92 erforderlich, durch welche die Ausgänge auf die Eingänge rückgekoppelt sind.

Bezugszeichenliste

10

erste Verarbeitungsstufe

20

zweite Verarbeitungsstufe

60

Addierstufe

61

Addierstufe

63

Gewichtungsstufe

64

Gewichtungsstufe

65

Register

66

Register

70

Addierstufe

73

Addierstufe

75

Register

80

Festwertspeicher

81

Register

82

EXOR-Gatter

90

Multiplexer

91

Multiplexer

92

Multiplexer

100

Überlaufkorrektureinheit
C1 . . CnCORDIC-Stufen
Xi, YiWertepaare
ω_i

Frequenzwerte

Claims

1. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung zur Frequenzde modulation mit einer Vielzahl von CORDIC-Stufen (C1 . . . Cn) zur interativen Bestimmung der Phase aus Eingangssignalen (X1, Y1 . . . Xn, Yn), dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang jeder der CORDIC-Stufen (C1 . . . Cn) ein Freguenzwert abgreif bar ist, welcher beginnend aus einem der ersten CORDIC-Stufe (C1) zugeführten Initialisierungswert bestimmt wird, wobei der am Ausgang jeder CORDIC-Stufe (C1 . . . Cn) abgreifbare Frequenzwert (ω0 . . . ωn) durch den dieser CORDIC-Stufe (C1 . . . Cn) zugeführten Frequenzwert abzüglich eines Korrekturwertes gebildet wird.

2. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrek turwert für jede CORDIC-Stufe (C1 . . . Cn) bis auf einen festen Faktor bestimmt ist durch arctan(2^-i+1), wobei das Vorzeichen durch x_i bzw. y_i bestimmt wird.

3. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h. net, daß der Initialisierungswert durch ω₀(n) = 0 vorgegeben ist.

4. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von CORDIC-Stufen hintereinander geschaltet sind.

5. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der CORDIC-Stufen rückgekoppelt ausgebildet sind.

6. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überlaufkorrektureinheit (100) vorgesehen ist zur Summation des Korrekturwertes.

7. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese zum Einsatz in einem SECAM-Farbdecoder zur Frequenzdemodulation oder als Phasendiskriminator für Farbträger-PLL in PAL /NZTSC-Farbdecodern vorgesehen ist.

8. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem Audio-Prozessor zur AM/FM- oder QPSK-Demodulation eingesetzt ist.

9. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ω_i(n) einer Addierstufe (70) zugeführt wird und sowohl ω_i(n) als auch das Ausgangssignal der Addierstufe (70) eine konstante Bitbreite aufweist.