DE2642139A1

DE2642139A1 - Interpolier-dezimierschaltung zur erhoehung oder erniedrigung einer digitalen abtastfrequenz

Info

Publication number: DE2642139A1
Application number: DE19762642139
Authority: DE
Inventors: Ronald Eldon Crochiere; Lawrence Richard Rabiner
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-09-24
Filing date: 1976-09-20
Publication date: 1977-04-07
Also published as: JPS5240012A; AU1797776A; IL50523A0; US4020332A; ES451825A1; NL7610530A; SE7610420L; BE846447A; FR2326079A1

Description

UMBACH · V\/ESER · BERGEN · KRAMER ZWiRNER · HiRGCH

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconniil G NUinchoii IA Radockoslraße 43 Telefon (039) S856O5/G£36Ü4 Telex 05 ?12313

Ese Wiesb.vlsn: Paientconsul! 62WiPSbOdOn Soan°nb?-rger Slrafie 45 Telefon (G0121) 562943/56199S Telex (M-186237

Western Electric Company

Incorporated $

New York, N.Y., 10007, USA Crochiere, R.E. 2-7

Interpolier-Dezimierschaltung zur Erhöhung oder Erniedrigung
einer digitalen Abtastfrequenz

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsanordnung zur Veränderung einer digitalen Abtastfrequenz mit einer Einrichtung zur Speicherung einer Folge von Q nacheinander auftretenden Signalabtastwerten, mit einem
Multiplizierer zur Multiplikation jedes Signalabtastwertes der gespeicherten Folge von Signal abtastwerten mit einem vorgewählten Koeffizienten g.(n) aus einer entsprechenden Folge von Koeffizienten, und mit einem Akkumulator zur Akkumulierung der Ausgangssignale des Multip!izierers.

Es handelt sich also erfindungsgemäß um eine Anordnung zur Verwirklichung digitaler Inierpolaioren und Dezimatoren, die Schaltungen zur Erhöhung
bzw. Erniedrigung einer digitalen Abtastfrequenz darstellen.

7098U/06BB

Mit zunehmender Anzahl von Anwendungsn digitaler Verfahren bei der Signalverarbeitung hat sich ein Bedürfnis nach einer wirkungsvollen Umsetzung zwischen verschiedenen Abtastfrequenzen "ergeben. Eine Anordnung zur Erhöhung oder Erniedrigung der Abtastrate eines digitalen Systems ist beispielsweise bei der Umwandlung des Codeformais eines Digitalsignais erforderlich, wie beispielsweise bei der Umwandlung aus der Delta-Modulation bei einer ersten Abtastrate in eine Pulscodemodulation mit einer zweiten Abfastrate. Eine andere Anwendung ist die Sprachübertragung in einem Analyse-Synthese-System,, beispielsweise einem Vocoder bei dem eine Herabsetzung der Abtastrate im Hinblick auf eine Übertragung mit hohem Wirkungsgrad und eine Erhöhung der Abtastrate zur empfangsseitigen Wiedergewinnung der Sprache erforderlich sind.

Eine weitere Anwendung^ die von Bellanger, Daguet und Lepagnol in einem Aufsatz "Interpolation, Extrapolation and Reduction of. Computational Speed in Digital Filters" in der Zeitschrift IEEE Transactions on Acoustics^ Speech and Signal Processing^ Band ASSP-22, Nr. 4, August 1974, Seifen 231-235 erläutert wird, ist die wirkungsvolle Realisierung von Digital filtern mit endlichem Impulsansprechen (FIR) durch vielstufige Dezimatoren und Interpolaforen. Bei dem Filter nach Belanger et al wird die Abfastrate zunächst herabgesetzt, das Signal

709814/ΟδδΒ

dann g-sfiUert und danach die Abtaötrate auf die des 'jr?r----.^!i-.!-,lichen Signals erhöhi. Die Verringerung der Ahiashaie ist bei Balang-w ·.·: d ,α'Λ vie!- stufigen Dezimierschcilungen verwirklicht worden, bsi r';^!r>&n es sich um Halbband-Filter handelt, wobei jedes Filter die Abtast rc to mri den Faktor Zwei verringert. Entsprechend der Veröffentlichung von ßeian&er et al wurde die frequenz auf die ursprünoliehe Abrasifrequenz durch ein umgekehrtes Verfahren erhöht, das wied' ;:.'m eine Interpolierung um den Faktor Zwei in jeder Stufe benutzt.

Schafer und Rabiner haben in einem Aufsatz "A Digital Signal Processing Approach to Interpolation" in der Zeitschrift "Proceedings of the IEEE," Band 61, Nr. 6, Juni 1973, Seiten 672-702 gezeigt, daß eine Dezimierung und Interpolierung wirkungsvoll unter Verwendung von FIR-Fiitern erreicht werden kann. Außerdem zeigen Schafer und Rabiner In dem genannten Aufsatz, daß die Umwandlung der Abtastfrequenz zwischen irgendeinem rationellen Verhältnis von Abtasifrequenzen wirkungsvoll in einem zweistufigen Verfahren durchgeführt werden kann, das aus einer ganzzahligen Erhöhung der Abtastfrequenz gefolgt von einer ganzzahl igen Erniedrigung der Abiastfrequenz besteht.

Nach dem Stand der Technik ist zwar bekannt, daß eine einstufige oder

7098H/0685

mehrstufige Interpolierung und Dezimierung zu einem guten rechnerischen Wirkungsgrad führt, es ist aber keine Interpolier- oder Dezimierschaltung geschaffen worden, die sich durch einen verhältnismäßig einfachen Schaltungsaufbau realisieren läßt. So sind die nach dem Stand der Technik vorgesehenen Verwirklichungen, beispielsweise das FIR-FiIier nach Belanger et al von kompliziertem Aufbau, da dort Signale mit mehreren unterschiedlichen Abtastfrequenzen beteiligt sind und außerdem Schaltmittel benötigt weiden, die eine wirkungsvolle Überwachung ermöglichen, wenn bestimmte Multiplikationen durchgeführt werden müssen. Darüberhinaus sind die bekannten Schaltungen generell für bestimmte Anwendungen ausgelegt worden und waren nicht für eine weit gestreute Verwendung geeignet.

Demgemäß besteht eines der Ziele der Erfindung darin, Dezimier- und Interpolierschaltungen zu realisieren, die bei einer großen Vielfalt von Anwendungen der digitalen Verarbeitung benutzt werden können.

Darüberhinaus besteht ein Ziel der Erfindung in der Verwirklichung von Dezimier- und Interpolierschaltungen, bei denen zur Verwirklichung der erforderlichen Signalmultiplikationen weder komplizierte Schaltungsanordnungen erforderlich sind, die mit verschiedenen Abtastfrequenzen betrieben werden, noch komplizierte logische Schaltungsanordnungen.

70981 4/0685

Zur Erreichui'O dieser Ziele ο<Λ\\ die ilrfind-jng aus von einer Signalverarbeiiungsanordn'jnfj der ein^cin^s gena :x.^\ Art und ist gekennzeichnet durch einen Speicher zur Speicherung von L Folgen von Koeffizienten

g (n) , i =0, 1 ... (L-I), von denen jerie Folge Q Elemente hat und i

das k-te Element für k - 0_r 1 ... (Q-I) = H(KL + (iM) θ L) ist, wobei h die Koeffizienten eines Filters direkter Form mit endlichem Impuisansprechen (FIR-Filfer) und der Ansprechlänge N für Einheitsabtastwerte sind, M eine vorgewählte Konstante der Signalverarbeitungsanordnung darstellt und (iM) Θ L den Wert(iM) ausgewertet für den Modulus L bezeichnet, und durch eine Foigeschaltung zum sequentiellen Anlegen jeder Folge von Koeffizienten g.(n) an einen ersten Eingang des Multiplizierers.

Es handelt sich also erfindungsgemäß um eine Schaltung, die in ihrem Aufbau der direkten Realisierung eines Filters mit endlichem Impulsansprechen (FIR)· ähnelt. Entsprechend der Erfindung sind die Filterkoeffizienten Funktion der gewünschten Dezimier- und Interpolierfaktoren. Genauer gesagt, die Interpolier-Dezimierschaltung nach der Erfindung verwendet L Gruppen von Filterkoeffizienten, wobei L der gewünschte Interpolierfaktor ist und eine bestimmte Gruppe von Koeffizienten benutzt wird, um den Wert jedes Punktes des Ausgangssignals zu bestimmen.

7098U/0685 bad original

2842139

Jede Gruppe von Koeffizienten h* in ~~".:. : L^: _r sichere ipheii gespeichelt, wobei die Koeffiz!onion innerhalb jedar 2γ·.;.;_;·.··3 nach ainar besonderen, vorbestimmten Reihenfolge so ang-xrrdncr ^H. uaß eine sequentielle Adressierung sowohl der Ejngangssigr:tildaren als auch der gespeicherten Koeffizienten möglich ist. Ausführup.fpbeispiele in Form einer einstufigen Interpolator-Dezimatorschaltung sov/ie vie'stufiger Dezimaiorschaltungen und Interpolatorschaltuncfsn zur Verwirklichung eines Schmalband-FIR-Filters sind vorgesehen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Al !zweck- Interpolator-

Dezimatorschaltung zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer einstufigen Interpola-

tor-Dezimatorschaliung nach der Erfindung;

Fig. 3 das Zeitdiagramm der-einstufigen Inferpolotor-Dezi-

matorschaltung nach Fig. 2;

7098U/Ö685

Fig. 4 vielsiufige Ausführungsbeispiele der Erfindung,.

die als Schrnalband-RR-Filter benutzt werden.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Änderung der Abtastfrequenz eines zugeführten Signals um den Faktor L/M. Der Fachmann erkennt,, daß es sich dabei um eine Interpolierschaliung in Reihe mit einer Dezimierschaltung handelt, bei der das Interpolier-Tiefpaßfilter und das Dezimier-Tiefpaßfilfer in einem einzigen Tiefpaßfilter 13 kombiniert worden sind. Da die Schaltung gemäß Fig. 1 zunächst die Abtastfrequenz um einen ganzzahÜ-gen Faktor L erhöht und danach um einen ganzzahligen Faktor M erniedrigt, ergibt sich, daß der Urnwandlungsfakror für die Abtastfrequenz bei dieser Schaltung L/M beträgt. Demgemäß handelt es sich bei der Schaltung nach Fig. 1 um eine allgemeine Interpol ier-Dezimierschaltung, bei der der Interpolier- oder Dezimierfaktor bestimmt ist durch L und M. Wenn demgemäß L = 1 ist, so wird die Schaltung eine aanzzahlige Dezimierschaltung, und wenn M = I ist, so wird die Schaltung eine typische ganzzahlige lnferpolierschaltung„

Im Betrieb wird bei der Schaltung nach Fig. 1 ein digitales Eingangssignal mit einer Abtastfrequenz f an den Eingangsanschluß 11 angelegt. Die Schaltung 12 zur Erhöhung der Abtastfrequenz erhöht die Abtastfrequenz

709814/0685

auf den Wert Lf , indem sie L-I Abtastwerte mit dem Wert Null zwischen r

die Abiastwerte des Eingangssignals x(n) einfügt. Das sich ergebende Signal, das in Fig. 1 mit w(n) bezeichnet ist, durchläuft das Tiefpaßfilter 13 zur Erzeugung des mit v(n) bezeichneten Signals. Das Tiefpaßfilter 13 ist vorzugsweise ein FIR-Filter, das in üblicher direkter Form verwirklicht wird, da sich auf diese Weise Einsparungen bei der Berechnung erzielen lassen. Wenn das Filter 13 ein FIR-Filfer ist, so steht das Signal v(n) zum Signal w(n) durch folgende Gleichung in Beziehung

N-I
v(n)=2 himMn-m), (1)

^m=o

wobei hfm), Hi=O, 1, ...., N-I die Filterkoeffizienten und N die Dauer für das Ansprechen des Filters 13 bei Einheitsabtastwerten sind.

Die Schaltung 14 zur Verringerung der Abtastfrequenz erzielt diese Verringerung im Effekt dadurch, daß jeder M-te Abtastwert des interpolierten Signals v(n) ausgewählt wird. Demgemäß besitzt das zum Ausgangsanschluß 16 gegebene Signal die Abtastfrequenz (L/M)f , wobei L und M so gewählt werden können, daß sich eine Dezimierung oder Interpolierung um jede rationelle Zahl ergibt.

7098U/0B85

Mt

Aus Gleichung (1) laßt sich erkennen, dall die Berechnung eines Ausgangspunktes allein auf vergangenen und gegenwärtigen Weiten von v/(n) und nicht von vergangenen Werten irgendweicher internen FÜtervariablen abhängt. Demgemäß brauchen die Filterberechnungen nur für jedes M-te Ausgangssignal durchgeführt werden. Außerdem muß, da das Signal w(n) nur für jeden L-ten Eingangspunkt nicht Null ist, nur eine einzige Multiplikation und Addition für jeden L-ten Eingangspunkt durchgeführt werden. Demgemäß ist bei der Interpolier-Dezimierschalfung nach Fig. 1 die tatsächliche Anzahl der von der Schaltung durchgeführten Multiplikationen und Additionen gleich N/(LM) je Ausgangsabfastwert anstelle von N, wie man anhand einer oberflächlichen Prüfung von Gleichung (I) annehmen würde.

Die Interpolier-Dezimierschaltung nach Fig. 1 könnte zv/ar unter Verwendung von bekannten Interpolier-Dezimier- und Filterschaltungen realisiert werden, aber eine solche Verwirklichung ist im allgemeinen außerordentlich kompliziert, da Signale unterschiedlicher Abtastfrequenzen beteiligt sein würden und außerdem eine Verfolgung der jeweils erforderlichen speziellen Multiplikationen nötig wäre.

Unter Anwendung der Grundgedanken der Schaltung nach Fig. 1 wurde

709814/0685

-ff

festgestellt, daß eine genereile Interpoliep-Dezimierschaltung durch einen verhältnismäßig einfachen Schaltungsaufbau realisiert werden kann, der der direkten Verwirklichung eines FIR-Filters entspricht. ■ Wenn die Ansprechdauer des Tiefpaßfilters 13 für Einheitsabtastwerte N Abtastwerte betragt, so haben L-I von jeweils L Abtastwerten des Signals w(n) den Wert Null, so daß die Berechnung proportional zu N/L ist, da das Einheitsabtastwert-Ansprechen etwa N/L von Null abweichende Abtastwerte umfaßt. Wenn N zu N=QL gewählt wird, wobei Q eine vorbestimmte ganze Zahl ist, dann umfaßt das Einheitsabtastwert-Ansprechen genau Q von Null abweichende Abtastwerte des Signals w(n) für jeden Filterzyklus. Man erkennt, daß diese Bedingung leicht erfüllt werden kann, da an h(n) eine kleine Anzahl von Koeffizienten mit dem Wert Null angehängt werden kann, bis N=QL ist. Definiert man N auf diese Weise, so stellt man fest, daß jeder Ausgangspunkt y(n) die Form .

Q-I

y{n) = £ h(kL + (nM) Φ L) χ(ΐψ^] ~ k) .{2)

k=0 ^L

hat, wobei (nM) © L steht für nM modulo L, G~^J steht für ~ _t aufgerundet auf die nächstgrößere ganze Zahl, und die Folge h(n), η = 0, 1, , N-I die Koeffizienten des FIR-Filters direkter Form

7098U/0685

4t

(oder in äquivalenter Weise die Abtcstwerte seines impulsansprechens) enthält.

• Aus Gleichung (2) läßt sich entnehmen, daß zur Berechnung jedes Ausgangspunktes y(n) das Signal x(n) sequentiell für Q seiner Werte adressiert wird und daß fiVi+1 )M/L| - [nM/Lj neue Eingangsabtastwerte für die Berechnung des nächsten Ausgangspunktes y(n)+l erforderlich sind. Prüft man den Ausdrück für h(n) in Gleichung (1), so zeigt sich, daß bei der Berechnung jedes Ausgangsabtastwertes y(n) der Ausdruck h(n) adressiert werden muß durch (l<L+(nM) Θ L). Demgemäß kann h(n) nur dann sequentiell adressiert werden, wenn die Abtastwerte von h(n) in einer geeignet verwürfelten Reihenfolge gespeichert sind. D.h., zur Bestimmung von y(0) wird die Folge von Q Abtastwerten g_n(n) = h(0), h(L) .. ., h((Q-1 )L) erforderlich. Zur Bestimmung von y(l ) ist die Folge von Q Abtastwerten g_] (n) = h(M Θ L), h(L+M Θ L, .. .h((GH )L+M Θ L) erforderlich, während zur Berechnung von y(L~l) die Folge von Q Abtastwerten g ^ (n)=h(((L-I)M) θ L), h(L+((L-l )M) Θ L), ...., h((Q-l)L + ((L-I)M) θ L) benötigt wird. Schließlich ist zur Berechnung von y(L) wiederum die Folge g^(n) erforderlich, und derZyklus wiederholt sich.

7098U/0885

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem unier Verwendung der oben erläuterten Grundgedanken eine Allzweck-Interpolier-Dezimierschaltung verwirklicht wird. Gemäß Fig. 2 werden Q Abtastwerte des Eingangssignals im Schieberegister 27 und die Koeffizienten in der oben angegebenen verwürfelten Reihenfolge im Speicher 41, beispielsweise einem Festwertspeicher (ROM) bekannter Art gespeichert.

Ein bestimmter Ausgangsabtastwert y(n) wird berechnet, indem sequentiell ein Eingangsabtastwert vom Schieberegister 27 und der entsprechende Koeffizient vom Speicher 41 zu den Eingangsanschlüssen des Multiplizierers 29 gegeben werden. Das Produkt aus dem Eingangsabtastwert und dem Koeffizienten wird zum Akkumulator 31 übertragen, der eine übliche Akku- . mulatorschaltung sein kann, die normal erweise einen Addierer und ein Register enthält. Dabei wird der im Register enthaltene Wert zv dem ankommenden Signal addiert und die sich ergebende Summe wieder im Register gespeichert. Der Multiplizierer 29 kann irgendeine Multiplizierschaltung bekannter Art sein, die das im jeweiligen Ausführungsbeispiel verwendete Digitalformat verarbeiten kann.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2 läßt sich am besten verstehen, wenn man annimmt, daß ein bestimmter Ausgangsabtastwert y(n -1) gerade

7098U/ÖS85

bestimmt worden ist und die Schaltung in die Folge zur Bestimmung des Ausgangsabtastwertes y(n) eintritt. Zu Beginn jeder solchen Folge sind die Signalabtastwerte, die während der Berechnung von y(n-l) eingetroffen sind, im Pufferspeicher 22 enthalfen, der irgendeine Speicherschaltung bekannter Art mit ausreichender Kapazität sein kann. Beim Einspeichern jedes der am Eingangsanschluß 21 ankommenden Signale im Speicher 22 v/ird ein Zähler 23 um einen Zählwerf weitergeschalfet und eine Adressenschaltung 24 überträgt jeden Eingangsabfastwert zu einer getrennt adressierbaren Speicherstelle im Pufferspeicher 22. Zu Beginn jeder gegebenen Folge enthält also der Zähler 23 die Anzahl der Eingangsabtastwerfe, die im Pufferspeicher 22 enthalten sind und für die neue Berechnungsfolge in das Schieberegister 27 eingegeben werden müssen. Außerdem hat am Ende der vorhergehenden Folge der Q-Zähler 38 der Folgeschaltung 32 den Zählwert Q erreicht und veranlaßt die Wählerschaltung 26, den Eingang des Schieberegisters 27 mit dem Pufferspeicher 22 zu verbinden.

Die Berechnungsfolge wird durch die Rückwärtszählschaltung 35 eingeleitet, die von der (an den Anschluß 34 angelegten) Haupttaktfrequenz Lf der Anlage nach rückwärts zählt, um ein Signal der Frequenz τ·, f zu liefern, d.h., die Rückwärtszählschaltung 35 zählt M Abtastwerte

7098U/0685

von der Haupffaktfrequenz nach rückwärts« Dem Fachmann ist eine Vielzahl solcher Rückwärtszählsehalfungen bekannt. So können beispielsweise logische Gatter direkt mit dem Haupttakfgeber der Anlage verbunden werden, um einen einzigen impuls jedesmal dann zu erzeugen, wenn der Haupttakt einen vorbestimmten Zählwerf erreicht. Der Ausgangsimpuls der Rückwärfszählschalfung 35 leitet die Berechnungsfolge durch ti>erf ragung der Daten aus dem Pufferspeicher 22 in das Schieberegister 27 ein. Diese Übetfragung wird durch den Taktgeber 25 und den Zähler 30 bewirkt, die mit dem Zähler 23 und der Adressenschaltung 24 zusammenarbeiten. Der Ausgangsimpuls der Rückwärtszäh !schaltung 35 startet den Taktgeber 25, dessen Frequenz hoch genug ist, um wenigstens sovieIe Taktimpulse wie die Maximalzahl von Eingangscbtastwerten zu erzeugen, die in das Schieberegister 27 eingegeben werden müssen, bevor der Q-Takfgeber 37 zu arbeiten beginnt. Jeder Taktimpuls des Taktgebers 25 schaltet die Adressenschaltung 24 weifer und veranlaßt den Pufferspeicher 22, ale in ihm enthaltenen Datenabtastwerre zum Schieberegister 27 zu übertragen. Diese Datenabfasfwerfe werden zum Schieberegister in derfenigen Reihenfolge überfragen, in welcher sie am Eingangsanschluß 21 angekommen sind. Die vom Taktgeber 25 erzeugten Taktimpulse werden vom Zähler 30 gezählt. Wenn der Zählwert den im Zähler 23 gespeicherten Zählwerf erreicht, wird der letzte Abtast-

709814/0685

werf zum Schieberegister 27 übertragen und der Zähler 30 hält den Taktgeber 25 an und stellt den Zähler 23 zurück auf Null. Zusätzlich schal- fet der Ausgangs impuls der RUckwärtszählschaltung 35 den bistabilen Multivibrator 36 um, der wiederum den Q-Taktgeber 37 startet. Dabei handelt es sich um einen üblichen Taktgeber, dessen Frequenz hoch genug ist^ um Q Impulse v/ährend der Zeitspanne M/(Lf ) zu erzeugen. Der Multivibrator 36 ist ein üblicher Multivibrator, der mit einer genügend großen Verzögerung arbeitet, um die Beendigung der oben beschriebenen Übertragungsfolge zu ermöglichen.

Die Takfimpulse vom Q-Taktgeber 37 werden zum Schieberegister 27 und zur Adressenhinweisschaitung 39 gegeben* Wie die nachfolgende Erläuterung zeigt, ist die Adressenhinweisschaltung 39 am Ende der vorhergehenden Berechnungsfolge automatisch auf den Speicherplatz des richtigen Koeffizientenblockes eingestellt worden. Wenn beispielsweise bei der vorhergehenden Berechnungsfolge der Ausgangsabtastwert y(0) bestimmt worden ist, würde die Adressenhinweisschaltung 39 zu Anfang auf den letzten Koeffizienten im Block 43 der Speichereinheit 41 eingestellt sein, um die Berechnung des Ausgangsabtastwertes y(l) zu beginnen. In diesem Fall würde das Schieberegister 27 die Eingangsabtastwerfe

709814/0685

Zh

), χ(£Μ/ΰ-ΐ), ..·/ X(CMAl- (Q-I))

enthalten. Man beachte, daß unabhängig davon, welcher Ausgangs-.abtastwert berechnet worden ist, das Schieberegister 27 die richtigen Eingangsabtastwerte in geordneter Reihenfolge enthält, und zwar auf grund der oben erläuterten Arbeitsweise des Speichers 22, der Zähler . 23, 30, der Adressenschaltung 24 und des Taktgebers 25.

Während der Berechnung jedes Ausgangsabtastwertes y(n) übertragen Taktimpulse vom Q-Taktgeber 37 sequentiell Eingangsabtasiwerte x(£nM/Lj ~ und Koeffizienten h(kL + (nM) θ L) zum Multiplizierer 29. So überträgt beispielsweise bei der Berechnung des Ausgangsabtastwertes y(l ) der erste Taktimpuls vom Q-Taktgeber 37 den Eingangsabtastwert x( CM/LI -(Q-I )) zu einem Eingang des Multiplizierers 29, während der Koeffizient h((Q~l )L + M θ L) zum zweiten Eingangsanschluß des Multiplizierers 29 gegeben wird. Da der Wähler 26 durch den Multivibrator 36 gleichzeitig mit dem Q-Taktgeber 37 erregt worden ist, läuft jeder Eingangsabtastwsrt zum Eingangsanschluß des Schieberegisters 27 zurück, wenn er zum Eingang des Multiplizierers 29 übertragen wird. Mit jedem Taktimpuls vom Q-Taktgeber 37 wird der nächste Eingangsabtastwert zu einem Eingangsanschluß des Multiplizierers 29 übertragen und

7098U/0685

die Adressenhinweisschaltung 39 auf den nächsten Speicherplatz im Speicher 41 weitergeschaltet, um den richtigen Koeffizienten zum zweiten Eingangsanschluß des Multiplizierers 29 zu liefern.

Der Q-Zähler 38, der ein üblicher Zähler ist, zählt die Anzahl der vom Q-Taktgeber 37 erzeugten Taktimpulse. Wenn Q Taktimpulse erzeugt worden sind, so ist die Berechnung des Ausgangsabtastwertes beendet und dessen Wert wird im Akkumulator 31 gespeichert. Bei Erreichen des Zählwertes Q veranlaßt der Q-Zähler 38 die Rückstel (ung des bistabilen Multivibrators 36, sperrt den Q-Taktgeber 37 und veranlaßt gleichzeitig, daß der Wähler 26 den Eingangsanschluß des Schieberegisters 27 mit dem Ausgangsanschluß des Pufferspeichers 22 verbindet. Beispielsweise wird bei der Berechnung des Ausgangsabtastwertes y(l) nach dem (Q-I )-ten Taktimpuls die Adressenhinweisschaltung 39 auf den Koeffizienten h(M @ L) im Koeffizientenblock 43 des Speichers eingestellt sein und der Eingangsabtastwert x([]M/L] ) wird sich in der letzten Stufe des Schieberegisters 27 befinden. Der Q-te Taktimpuls wird dann diesen Eingangsabtastwert und diesen Koeffizienten zum Multiplizierer 29 übertragen, und das Produkt wird vom Akkumulator 31 zur Summe der vorhergehenden Produkte addiert. An diesem Punkt ist die Berechnung eines einzigen Ausgangsabtastwertes beendet und

709814/0685

dessen Wert ist im Akkumulator 31 gespeichert. Man beachte, daß der Q-te Taktimpuls des Taktgebers 37 die Adressenhinweisschalrung 39 auf den letzten Koeffizienten der nächsten Ausgangsfolge g^n) einstellt und • den letzten Eingangsabtastwert des berechneten Intervalls im Schieberegister 27 umlaufen läßt. Beispielsweise wird bei der oben erläuterten Bestimmung von y(1) die Adressenhinweisschalrung 39 auf den letzten Koeffizienten im Koeffizientenblock g„(n) im Speicher 41 eingestellt, d.h., auf h((Q-l )L + (2M) θ L), und das Schieberegister 27 beinhaltet die Eingangsabtastwerte x( [M/L]), x([M/L{ -1), ...,χ([ΜΛ] ~ (Q"¹)).

Während dieser Berechnungsfolge haben der Zähler 23 und die Adresseneinheit 24 eine Anzo.hl von ankommenden Eingangsabtastwerten gezählt und jeden eintreffenden Abtastwert im Pufferspeicher 22 gespeichert. Man beachte, daß die Frequenz des Q-Taktgebers.37 hoch genug ist, um sicherzustellen, daß jede Berechnung beendet ist, bevor ein Ausgangsimpuls von der Rückwärtszählschaltung 35 kommt, d.h., die Q Berechnungen, die zur Bestimmung eines bestimmten-Ausgangsabtastwertes erforderlich sind, sind in einer Zeitspanne beendet, die kürzer ist als L/Mf . Abhängig von der Frequenz des Q-Taktgebers 37 sind dann also die zur Berechnung des nächsten Ausgangsabtastwertes erforderlichen Eingangsabtastwerte am Eingangsanschluß 21 eingetroffen

70 9 8U/06 85

oder nicht, wenn die Berechnung eines bestimmten Ausgangsabtastwertes beendet ist. Auf jeden Fall v/erden die Abtastwerte ankommen, bevor ein Ausgangs im pul s von der Rückwärtszählschaltung 35 erzeugt wird. Wenn die Rückwärtszählschaltung 35 den Zählwert M erreicht, hält sie den Zähler 23 und die Adressenschaltung 24 an, die, wie oben beschrieben, in Verbindung mit dem Taktgeber 25 und dem Zähler 30 sequentiell die Eingangsabtastwerte im Pufferspeicher 22 in das Schieberegister 27 übertragen. Gleichzeitig stellt die Rückwärtszählschaltung 35 den bistabilen Multivibrator 36 ein, der den Q-Taktgeber 37 startet, so daß die Berechnung des nächsten Ausgangsabtastwertes beginnt.

Es zeigt sich, daß die Anzahl der vom Pufferspeicher 22 zum Schieberegister 27 zu übertragenden Abtastwerte sich nicht nur mit dem speziellen Interpolator-Dezimatorverhältnis — ändert, sondern auch während der Berechnung eines bestimmten Ausgangsabtastwertes für ein gegebenes

L M

Verhältnis r-. schwanken kann. Beispielsweise läßt sich zeigen, daß, wenn τ-, größer als 1 ist, d.h., die Schaltung ein Interpolator ist, entweder keiner oder ein neuer Eingangsabtastwert für die Berechnung jedes Ausgangspunktes y(n) erforderlich ist. Im Falle eines Dezimators können jedoch mehrere Eingangsabtastwerte erforderlich sein, um das System für eine bestimmte Berechnung auf den neuesten Stand zu bringen.

7098U/0685

Vc

Demgemäß wird die Speicherkapazität des Pufferspeichers 22 durch das Verhältnis L/M eines bestimmten Ausführungsbeispiels bestimmt.

Diese Beziehung und die Arbeitsfolge des Systems soll zusätzlich anhand von Fig. 3 erläutert werden, die die Operationen für L/M = 2/9 darstellt. In Rg. 3 ist f die Abtastfrequenz des digitalen Systems, d.h., mit jedem Impuls des Signals f kommt ein Eingangsabtastwert am Eingangsanschluß 21 an. Wie oben angegeben, wird das Ausgangssignal der Rückwärtszählschaltung 35, das in Fig. 3 mit f . .. bezeichnet ist, vom Haupttaktsignal Lf des Systems durch Rückwärtszählen (Teilen) durch den Faktor M abgeleitet. Entsprechend Fig. 3 wird das Q-Taktsignal f _ durch jeden Ausgangsimpuls f . .. eingeleitet und das Ausgangssignal f.-_ des Q-Zählers schaltet den Q-Takigeber 37 aus, nachdem Q Taktimpulse erzeugt worden sind.

Man erkennt, daß Fig. 3 demjenigen Zeitintervall entspricht, in welchem zwei Ausgangsabtastwerte berechnet werden. Während des ersten Teil interval Is t_ bis t. kommen vier Eingangsabtastwerte am, Eingangsanschluß 21 an und werden im Pufferspeicher 22 aufgenommen. Zum Zeitpunkt t. werden daher diese vier Abtastwerte in das Schieberegister 27 eingeschoben, um das System für die Berechnung des nächsten Ausgangsabtast-

7098U/0685

wertes auf den neuesten Stand zu bringen. Während das System diesen Ausgangsabtastwert berechnet, d.h., während der Zeitspanne von L bis zum Zeitpunkt t ' zu dem der Q-Zähler 38 den Zählwert Q erreicht, treffen drei Eingangsabtastwerte am Eingangsanschluß 21 ein und werden im Pufferspeicher 22 gespeichert. Während der Zeitspanne zwischen t ' und r~ (wenn der nächste Impuls durch die Rückwärtszählschaltung 35 erzeugt wird) treffen zwei weitere Impulse am Eingangsanschluß 21 ein und werden im Pufferspeicher 22 aufgenommen. Unabhängig davon, ob die Eingangsabtastwerte während der Berechnungsfolge oder in dem Intervall zwischen dem Ende der Berechnungsfolge und dem nächsten Impuls von der Rückwärtszählschaltung 35 eintreffen, zählt der Zähler 23 die ankommenden Eingangsabtastwerte. Demgemäß hat der Zähler 23 zum Zeitpunkt t_ den Zählwert 5 erreicht und der Ausgangsimpuls von der Rückwärtszählschaltung 35 (der kurz nach dem Zeitpunkt r_ auftritt) veranlaßt den Taktgeber 25 und den Zähler 30,die fünf Eingangsabtastwerte (in der Reihenfolge des Eintreffens am Eingangsanschluß 21) in das Schieberegister 27 einzugeben. Man erkenntn also, daß unabhängig von dem Verhältnis L/M und der entsprechenden Änderung für die Anzahl der erforderlichen neuen Eingangsabtastwerte, beispielsweise vier Abtastwerte zum Zeitpunkt t. in Fig. 3 und fünf Abtastwerte zum Zeitpunkt t«, der Pufferspeicher 22 immer die richtige Anzahl von Eingangsabtastwerte η

709814/0685

beinhaltet, um das System am Anfang jeder neuen Berechnungsfolge auf den neuesten Stand zu bringen.

Der Fachmann erkennt, daß häufig mit Vorteil ein mehrstufiger Interpolator oder Dezimator anstelle einer einstufigen Anordnung verv/endet wird. Das gilt insbesondere bei Anwendungen, bei denen große Änderungen der Abtastfrequenz erforderlich sind, da mehrstufige Anordnungen im allgemeinen nicht nur zu einer geringeren Zahl von Schaltungsberechnungen, sondern auch zu weniger strengen Filterbedingungen führen, d.h., die Filteranforderungen für jede Stufe einer vielstufigen Anordnung sind weniger streng als bei einem einzigen Filter einer einstufigen Anordnung.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine mehrstufige Ausführungsform der Erfindung, bei der η Stufen mit j-. <ζ 1 (η Dezimatoren) in Reihe geschaltet sind mit η Stufen mit v-.> 1 (n Interpolatoren), um ein Schmalband-FIR-Filter zu realisieren. D.h., Fig. 4 stellt ein Schmal band-FIR-Filter dar, das aus zwei η Schaltungen entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zusammengesetzt ist, wobei die Stufen 1=1,2 ..., η

L.
die Abtastfrequenz um den Faktor -ττ -ζ 1 und die Stufen i = n+1, n+2, ...,

i L

2n die Abtastfrequenz um den Faktor -j- y] ändern. Generell ist

M.

bei einem solchen FIR-Filter die Abtastfrequenz des Ausgangssignals am

7098U/0685

Anschluß 32 identisch mit der Abtastfrequenz des Eingangssignal am An-

L. _2n M.

Schluß 21. Demgemäß gilt in den meisten Fällen ΊΤ ττ- =ΤΓ -r-^-.

i=l ι ι=η+1 ι Entsprechend der Darstellung in Fig. 4 beträgt die"an den Anschluß 34-i

der i-ten Dezimierstufe angelegte Haupttaktfrequenz L.f ., wobei

n-1 ^Li ' "

f . = IT r-r- . Die Haupttaktfrequenz jeder Dezimierstufe kann na-

i=l i
tUrlich von einer einzigen Haupttaktfrequenz L.f . dadurch abgeleitet werden, daß die an die Stufe (i-1) angelegte Taktfrequenz um den Faktor M. geteilt wird. Auf entsprechende Weise können die Haupttaktfrequenzen, jeder der η Interpolierstufen von der Taktfrequenz der vorhergehenden Interpolierstufe durch Teilung um den entsprechenden Faktor M. abgeleitet werden.

Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält {ede Dezimier-Interpolierstufe einen Pufferspeicher 22-i, einen Multiplizierer 29-i, einen Akkumulator 31 -i und einen Koeffizientenspeicher 41 -i. Da jede der η Dezimierstufen und jede der η Interpolierstufen außerdem Folgeschalteeinrichtungen entsprechend der Darstellung für das Ausführungsbeispiel der einstufigen Interpolier-Dezimierstufe gemäß Fig. 2 aufweist, arbeiten die Schaltungen unabhängig voneinander. D.h., die (i+1 )-te Stufe verarbeitet gleichzeitig die vorhergehenden Datenausgangssignale der i-ten Stufe, während diese die Signalabtasfwerte des nächsten Verarbeitungsintervalls bearbeitet. Eine solche Anordnung wird gewöhnlich mit "Pipeline"" -Anordnung bezeichnet.

709814/0685

Claims

BLUM BACH · WESER · BERGEN . KRAMER ZWIRNER'· HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

. Postadresse München: Palenlconsull S München 60 RadBCkestraße 43 To]r:fon (089) 8836037883604 Telex.05-217313 Postadresse Wiesbaden: Patentccnsul: 62 Wiesbaden Sorir.örtberger Straße 43 Telefon (06121) 56 2943/561998 Telex 04-186237

PAT ENT ANS PRÜ C HE

Signalverarbeitungsanordnung zur Veränderung einer digitalen Abtastfrequenz mir einer Einrichtung zur Speicherung einer Folge von Q nacheinanderauftretenden Signalabtastwerten, mit einem Multiplizierer zur Multiplikation jedes Signalabtastwertes der gespeicherten Folge von Signalabtastwerten mit einem vorgewählten Koeffizienten g. (ri) aus einer entsprechenden Folge von Koeffizienten,

und mit einem Akkumulator zur Akkurnuiierung der Ausgangssignale ■des-MuIHpI izierers,
gekennzeichnet durch

einen Speicher zur Speicherung von L Folgen von Koeffizienten g.(n), i=GV I ..., .(L-I"), von denen Jede Folge Q Elemente hat und das k-te Element für k=0, 1... _v (Q-I} gleich h(kL + (?M) θ L) ist, wobei h die Koeffizienten eines Filters direkter Form mit endlichem Impulsansprechen (FlR-Filter) und der Ansprechlänge

705314/0685

-25--

N für Einheitsctbfastwerte sind, M eine vorgewählte Konstante der Signalverarbeitungsanordnung darstellt und (iM) Θ L den Wert (iM) ausgewertet für den Modulus L bezeichnet,, und durch eine Folgeschaltung zum sequentiellen Anlegen jeder Folge von Koeffizienten g.(n) an einen ersten Eingang des Multiplizierers. . .
2. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, zur Umwandlung der

Abtastfrequenz eines Digitalsignals von f auf τ-.f _r wobei L und M . ganze Zahlen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Folgeschaltung so ausgelegt ist, daß sie sequentiell jeden der Q Abtastwerte an einen zweiten Multiplizierereingang überträgt, derart, daß der k-te Eingangsabtastwert und das k-te Element der Koeffizientengruppe gleichzeitig zum Multiplizierer gegeben werden,

und daß ein Akkumulator vorgesehen ist, der die vom Multiplizierer gelieferten Produkte zur Bildung eines Ausgangssignals über den Bereich k=0 bis k-GH summiert.

7098H/0685
3» Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 2_t dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Speicherung von Signalabtastwerten eine Einrichtung zur Speicherung der Gruppe von Q Signalabtastwer-

ten X(L^ ), X(LxJ--!)..-.", X(It^ ""(GH», enthält, wobei Q eine vorbestimmte ganze Zahl ist und die eckigen Klammern den nächstgrößeren ganzzahligen Wert des eingeklammerten Wertes bezeichnen,

daß die Folgeschaltung so ausgelegt ist, daß sie gleichzeitig das k-te Element der i-ten Gruppe von Koeffizienten und den k-ten gespeicherten Eingangsabtastwert als erstes und zweites Multiplizierer-Eingangssignal liefern, wobei i eine nicht negative ganze Zahl ist, für die gilt 0~· i ^ L-I,

und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Einrichtung zur Speicherung der Signalabtastwerte mit denjenigen Eingangssignafabfastwerten auf den neuesten Stand bringt, die innerhalb eines Zeitabschnittes von M/(Lf ) nach dem Eingangsabtastwert

χ(φ).
4. Signalverarbeitungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

709814/0685

daß Q = N/L ist und das FIR—Filter mit endlichem Impulsansprechen eine Länge N für das Ansprechen auf Einheitsabi astwerte besitzt, die durch die Koeffizienten g.(k) definiert ist.
5. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die die Einrichtung zur Speicherung der Abtastwerte auf den neuesten Stand bringt, eine Speicherschaltung enthält, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Speicherschaltung zu adressieren, sowie ein Zähler, um die Anzahl der Eingangsabtastwerte zu bestimmen, die während des Zeitabschnittes M/(Lf ) eintreffen.
6. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgeschaltung eine Taktschaltung zur Erzeugung von Q-Taktimpulsen innerhalb des Zeitintervalls M/(Lf ) aufweist, daß jeder der Taktimpulse den k-ten Eingangsabtastwert und das k-te Koeffizientenelement zum Multiplizierer liefert, und daß die Folgeschaltung ferner eine Einrichtung zum Anhalten der Taktschaltung nach Erzeugung der Q-Taktimpulse sowie eine Ein-

709814/0685

richtung zum Neustorten der Taktschaltung zu Beginn des nächsten Zeitintervalls M/(Lf ) aufweist.
7. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zur Vergrößerung von η um eine Einheit, so daß die Folgeschaltung, der Multiplizierer und der Akkumulator sequentiell jeden Ausgangsabtastwert y(n), y(n-M), y(n+2), ... bestimmen.
8. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsabtastwert-Speichereinrichtung ein Schieberegister mit Q Speicherstellen ist, daß die Einrichtung, die die Abtastwert-Speichereinrichtung auf den neuesten Stand bringt, eine Speicherschaltung enthält, die so verbunden ist, daß sie die [}—~—J-J.—T~\ neuen Signalabtastwerte aufnimmt, ferner einen Zähler für die neuen Signalabtastwerte und eine Adressenschaltung, die jeden neuen Signalabtastwert in eine getrennte Speicherstelle der Speicherschaltung während der Bestimmung des Ausgangssignals y(n) abspeichert, und daß die Adressenschaltung abhängig von dem Zähler die neuen Signal-

709814/0685

abtastwerfe sequentiell zum Schieberegister überträgt, während die Abtastwert-Speichereinrichtung auf den neuesten Stand gebracht wird.
9. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgeschaltung einen Taktgeber mit einer Frequenz von wenigstens QMf /L, ferner eine Einrichtung, die den Taktgeber jedesmal dann erregt, wenn die Abtastwert-Speichereinrichtung auf den neuesten Stand gebracht wird und eine Einrichtung aufweist, die den Taktgeber jedesmal dann abschaltet, wenn Q Taktimpulse erzeugt worden sind,

daß jeder der Q Taktimpulse die Eingangsabtastwert-Speichereinrichtung und die Koeffizienten-Speichereinrichtung adressierend veranlaßt, den k-ten Eingangsabtastwert und den k-ten Koeffizienten zum Multiplizierer zu liefern,

daß die Einrichtung zur Umwandlung der Abtastfrequenz eine digitale Wählerschaltung aufweist, die unter Ansprechen auf die Folgeschaltung den Eingangsanschluß des Schieberegisters mit dem Ausgangsanschluß der Speicherschaltung während derjenigen Zeitspanne verbindet, in welcher der Taktgeber abgeschaltet ist.

7098U/0S8B

und daß die Wählerschaltung darüberhinaus unter Ansprechen auf die Folgeschaltung einen Umlaufweg zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Schieberegisters während derjenigen Zeitspanne herstellt, in welcher der Taktgeber die Q-Impulse erzeugt.

7098U/0685