DE2840471C2 - Digitales Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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K. J. Nordling, D. M. Walsh: »Programming a Modem«, Proceedings National Telephone Conference 1976, Seiten 50.2-1 bis 50.2-5, insbesondere aus Fig. 3. Der dort gezeigte Rechner besteht aus einer Zentraleinheit (RALU), die praktisch ein Mikroprozessor ist, und einer externen Recheneinheit (Multiplier, Data Memory, Coefficient Memory) und dient dazu, die bei digitalen Filtern zu bildende Summe aus Produkten

Y₁U₁-X₁ (Fig. la)
zu berechnen·

Dabei sind X₁ aufeinanderfolgende digitalisierte Abtastwerte des zu filternden Signals und a, die Koeffizienten des Filters. Bei dem bekannten Rechner (Fig. 3) wird nach jeder Multiplikation zweier Werte a, und X₁ das Produkt a, · X₁ in die Zentraleinheit (RALU) eingegeben und dort zum Akkumulatorinhalt addiert.

Darauf werden von der Zentraleinheit (RALU) zwei neue Werte a, ₊ i und λ,,, in die beiden Speicher (Data Memory u;id Cceff. Memory) eingespeichert. Dies bedeutet, daß zur Bildung einer Summe, die innerhalb einer Abtastperiode zu erfolgen hat eine Vielzahl von Zugriffen zur Zentraleinheit notwendig ist Dies begrenzt die Arbeitsgeschwindigkeit des digitalen Filters bei einem vorgegebenen Filtergrad, d. L bei einer festgelegten Zahl der Summanden der zu berechnenden Summe. Ein solches digitales Filter ist daher für einen schnellen Datenmodem nicht geeignet

Dazu kommt daß jedes gebildete Produkt auf die Stellenzahl der Zentraleinheit (RALU) begrenzt werden muß, wodurch üblicherweise bei jeder Multiplikation ein Genauigkeitsverlust entsteht

Aus der DE-OS 25 24 749 ist ein digitales Filter bekannt das einer anderen als der angegebenen Gattung angehört

Der Rechner dieses digitalen Filters besteht nämlich nicht aus einer Zentraleinheit (oder Mikroprozessor) und einer externen Recheneinheit, sondern es handelt sich durchweg um einen Spezialrechner, dessen Steuerwerk (Steueranordnung) sämtliche zur digitalen Filterung durchzuführenden Operationen steuert

Aus dem Buch von A. P. Speiser »Digitale Rechenanlagen«, Springer-Ver'.ag 1961, Kapitel IV. 5 auf Seiten 250 bis 251, ist bekannt daß ein Rechner aus einem Rechenwerk und einem Leitwerk besteht

Dieser Grundaufbau eines Rechners ist aber nicht Gegenstand der Erfindung, sondern ein Spezialrechner für ein digitales Filter, der aus einem Mikroprozessor und einer externen Recheneinheit besteht Der aus dem Buch bekannte Rechner-Grundaufbau trifft auch für den Mikroprozessor und die externe Recheneinheit jeweils für sich genommen, zu, da er allgemein für jede Recheneinheit gilt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein digitales Riter anzugeben, das eine schnellere und genauere Signalverarbeitung a!s das bekannte, an erster Stelle genannte digitale Filter ermöglicht

Die Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen digitalen Filters, und

F i g. 2 Taktimpuisfolgen 71 bis 78, die verschiedene Einheiten aus F i g. 1 steuern.

^ι^η"ζ1 E

dem in F i g. 1 gezeigten digitalen Filter in einem Abtast- und Halteglied S/H abgetastet, die Abtastwerte werden darauf in einem Analog-Digitalwandler A/D digitalisiert und einem Mikroprozessor Mp zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Dieser Mikroprozessor Mp erfüllt eine Vielzahl von Funktionen, von denen im folgenden nur diejenigen erläutert werden, die für die digitale Filterung relevant sind.

Beispielsweise liefert der Mikroprozessor Mp den Abtasttakt mit einer Taktperiode 7 für das Abtast- und Halteglied S/H und den Analog-Digitaiwandier A/D. Aufgrund der in Zeitabständen 7regelmäßig auftreten-.

den digitalen Signalwerten X(nT) berechnet ein Rechner, der aus dem Mikroprozessor Mp und einer daran angeschlossenen externen Recheneinheit RE (gestrichelt umrandet) besteht digitale Werte Y(nT), die ebenfalls in Zeitabständen T an seinem Ausgang erscheinen. Diese Werte werden schließlich in einem Digital-Analogwandler D/A in das analoge Fikerausgangssignal A umgewandelt

Im folgenden wird die Berechnung der Werte Y(nT) aufgrund der Werte X(nT) erläutert Der Ausgangswert Y des Mikroprozessors Mp zum Zeitpunkt η 1,2,...). d. h. der Wert Y(nT). setzt sich gemäß

Y(nT)

X ((n-k)T)

aus dem aktuellen Signalwert XInT), der zum Zeitpunkt nT auftritt, und N-X weiteren *·<ι,ausgegangenen Signalwerter. X((n—k)T) (k= !. 2 Λ'.¹ zusammen, die zu Zeitpunkten (n-\)T, (n-:T. (n-Z)T, ... (n-N)T aufgetreten sind. Diese Signalweue X((n—k)T) werden jeweils mit Filterkoeffizienten C(k) multipliziert und addiert so daß der Wert yf/jT'Jentsteht Die Zahl /Vgibt dabei den Grad des digitalen Filters an.

Der Rechner, der diese Rechnung bewerkstelligt, besteht nun aus einer Zentraleinheit genauer gesagt dem Mikroprozessor Mp. und einer daran angeschlossenen externen Recheneinheit RE. die über eine Daten-Sammelleitung (Datenbus) und eine Adreß-Sammelleitung (Adreßbus) miteinander verbunden sind.

Die Aufgabe des Mikroprozessors Mp beschränkt sich ^ei auf eine Bereitstellung der zu verarbeitenden Sign, orte X((n—k)T), auf eine Aktivierung der exter. _n Recheneinheit RE. sowie auf die Übernahme des Ergebnisses. Während der Rechenzeit dieser externen Recheneinheit ist kein Eingriff durch den Mikroprozessor erforderlich, so daß dieser während der gleichen Zeit für weitere Verarbeitungsfunktionen verwendet werden kann.

Die Hauptbausteine der externen Recheneinheit RE sind ein Koeffizientenspeicher KS. ein Signalwertspeicher SWS mit zugehörigen Adressenzählern Z 1 und Z2. ein Multiplizier-Akkumulator-Baustein MA. ein Ergebnisregister R 3 und eine Steuerschaltung S. Zur Speicherung des Filtergrades N dient ein Register R 1 wogegen im Register R 2 eine relative Anfangsadresse i des Adressenzählers Z2 gespeicher' wird, deren Bedeutung noch erläutert wird. Mittels eines Schalters Sch läßt sich die Daten-Sammelleitung und die Adreß-Sammelleitung auftrennen bzw. schließen, so daß der Mikroprozessor im aufgetrennten Zustand dieser Leitungen weitere Funktionen durchführen kann.

Im Ruhezustand der externen Recheneinheit RE ist der Schalter Sch geschlossen, und die Speicher KS. SWS und die Register RI bis /?3 können wie normale Datenspeicher durch den Mikroprozessor angesprochen werden.

Dabei werden folgende Daten in die ejpzelnen Speicher eingelesen:

- in den Koeffizientenspeicher KS:

die Koeffizienten C(k) von C(O) bis C(N) unter den Adressen N bis 0

in dieser Reihenfolge;

- in den Signalwertspeicher SWS:

die Signalwerte X({n-k)T) vonX(nT) bis X((n-N)T) unter den Adressen / bis i+N

in dieser Reihenfolge.

Aus der Speicherbelegung ist zu entnehmen, daß die Zahl der Speicherplätze in KS und SWS größer oder gleich Λ/+1 sein muß. Ferner gilt für den Speicher SWS aufgrund der relativen Anfangsadresse / eine zyklische Adressierung mit 0+1=0, D+2 = l usw.. wenn D die höchste Adresse dieses Speichers ist.

Die Funktionsweise des Rechners nach Fig. t wird nun im Zusammenhang mit den Taktimpulsfolgen Π bis TS aus F i g. 2 erläutert Die einzelnen Speicher und

ίο Register seien wie beschrieben belegt Nach Eingabe des letzten Signalwertes X(nT) in den Speicher SWS legt der Mikroprozessor Mp eine bestimmte Adresse (Bitkombination) über die Adreß-Sammelleitung an die Steuerschaltung San und aktiviert diese damit (Start).

Darauf erscheint am Ausgang Ti der Steuerschaltung S ein Taktimpuls Ti. der den Schalter Sch öffnet und dadurch die Sammelleitungen vom Mikroprozessor trennt und das Einlesen der Registerinhalte von R 1, nämlich N, und von R 2, nämlich i. in die Adressen?.^ hler Zl und Z2 bewirkt. Der unter der Adresse / im Signalwertspeicher SlVS gespeic'ierte Signalwert X(nT) wird darauf mit dem ersten T.xtimpuls der Taktimpuisfolge 7"4 in den Multiplizierer-Af'kumulator MA eingelesen. Anschließend wird mit dem ersten

2ö Taktimpuls der Taktimpulsfolge T5 der unter der Adresse N im Koeffizientenspeicher gespeicherte Koeffizient C(O) in den Multipiizierer-Akkumulator übernommen und dieser gleichzeitig aktiviert Zum gleichen Zeitpunkt wird der Stand des Adressenzählers Z 2 durch den ersten Impuls der Taktimpulsfolge TI um eins erhöht, d. h. von /auf/+1, und der Inhalt X/(n—\)T) dieses Speicherplatzes von SlVS wird mit dem zweiten Taktimpuls der Taktimpulsfolge 7*4 in den Multiplizierer-Akkumuiator MA cingciesen. Zeitgleich mit diesem

3ö Taktimpuls Γ4 wird mit dem ersten Taktimpuls der Taktimpulsfolge 7*7 der Stand des Adressenzählers Zl um eins erniedrigt d. h. von A'auf N— 1, so daß mit dem zweiten Taktimpuls der Taktimpuisfolge 7"5 der unter der Adresse N— 1 im Koeffizientenspeicher KS gespeicherte Koeffizient C(I) in den Multiplizierer-/ kkumulator eingelesen wird.

Md jedem Arbeitszyklus wird somit der Adressenzähler Z2 um eins erhöht, während der Adressenzähler Z1 um eins erniedrigt wird, crrf icht der Adressenzähler Z1

⁴"i den Stand Null, so sind alle N+1 Werte aus den Speichern SWS und KS verarbeitet und er gib', an einem Ausgang einen Taktimpuls TS an die Steuerschaltung 5. Nach Abwarten einer gewissen Zeit bis zum Abschluß der Rechnung im Multipiizierer-Akkumulator

>» MA gibt die Steuerschaltung S darauf Taktimpulse Tb und 7"3 an den Multipiizierer-Akkumulator MA bzw. an das Ergebnisregister R X wodurch das Rechene^rgebnis vom Multiplizierer-Akkumulator aus gelesen und in das Er.febrisregister /?3 eingespeichert wird. Anschließend setzt die S euerschaltung das Taktsignal Ti zurück, wodurch der Schaber S geschlossen wird und die Steuerschaltung in ihreii oben beschriebenen R-ihezustand zurückkehrt (Stop in F i g. 2). Der Mikroprozessor kann nun das Ergebnis Y(nT) aus dem Ergebnisregister zur weiteren Verarbeitung auslesen.

Um zur Berechnung eines neuen Wertes Y((n+ \)T) zum Zeitpunkt (n+1)7 nicht wieder sämtliche Λ/+1 Signalwerte X((n+\)T) bis X((n+\-N)T) in. den Signalwertspeicher SlVS einlesen zu müssen, wird die relative Adresse / um eins im Register R 2 erniedrigt, und der zur ursprünglichen Folge im nächsten Abtästzyklüs neu hinzukommende Signalwert X((n+\)T) wird unter der Adresse /—t in SWS

eingelesen. Da die Gesamtzahl N+1 der zu verarbeitenden Signalwertc konstant bleibt, werden im nachfolgenden Berechnungsgang nur die unter den Adressen /— I bis i—\+N des Signalwertspeichers gespeicherten Signalwerte verarbeiten d, h. der noch unter dec Adresse /+ Ngespeicherte Signalwert X((n—N)⁷)wrd nicht mehr berücksichtigt. Dieser Zyklus ist in Fig.2 nicht mehr dargestellt

Bemerkt sei noch, daß statt konstanter Koeffizienten wie oben beschrieben, auch zeitlich veränderliche

Koeffizienten verwendet werden können, die der Mikroprozessor von Zeit zu Zeit neu in den Koeffizientenspeicher einspeichern kann.

Außerdem hat der Mikroprozessor die Möglichkeit, die Ergebnisse Y(nT), die er aus dem Ergebnisregister R 3 über die Daten-Sammelschiene ausliest und als Ausgangssignal an den Digital-Anaiogwandler gibt, gleichzeitig für die Filterung nachfolgender Abtasiwerte zu verwenden und somit ein rekursives Filter zu realisieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: 28 40

1. Digitales Filter mit einem aus einem Mikroprozessor und einer externen Recheneinheit bestehenden Rechner zur Bildung einer Summe von Produkten, die durch Addition von durch Koeffizienten gewichteten Signalwerten entsteht, wobei der Mikroprozessor die Signalwerte und Koeffizienten zur Produktbildung in der externen Recheneinheit bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß .die externe Recheneinheit (RE) einen Signalwertspeicher (SWS) und einen Koeffizientenspeicher (KS) aufweist, in denen sämtliche zur Bildung einer Summe Y(nT) benötigten Signalwerte und Koeffizienten speicherbar sind, daß eine Steuerschaltung (S). die ein sequentielles Auslesen der Signalwerte und Koeffizienten aus dem Signal- und aus dem Koeffizientenspeicher (SWS bzw. KS), die Multiplikation jeweils eines ausgelesenen Signalwerles mit einem ausgelesenen Koeffizienten und die Addition der gebildete Produkte in einem Multipliziererund Akkumulator (MAjsieuzn, und daß die Steuerschaltung (S) während der Rechenzeit der externen Recheneinheit (Rh) die Verbindungsleitungen zwischen dieser und dem Mikroprozessor (Mp) mittels eines Schalters (Sch)auftrennt

2. Digitales Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (Mp) für jede neu zu bildende Summe einen neuen Signalwert in den Signalwertspeicher (SWS) der externen Recheneinheit (RE) einspeichert und daraufhin diese aktiviert

3. Digitales Filternach Anspruch I oder2,dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte X(nT) digitalisierte Abtastwerte des anp.io_ben Filtereingangssilfid

4. Digitales Filternach Anspruch 1 oder2,dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte die digitalisierten Abtastwerte des analogen Fiiterausgangssignals und rückgeführte digitale Ausgangswerte Y(nT) des "o Rechners sind.

5. Digitales Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Koeffizientenspeicher (KS) und dem Signalwertspeicher (SWS) jeweils ein Adressenzähler(Z i, Z 2) « zugeordnet ist, deren Adressen von dem Mikroprozessor (Mp) auf einen Anfangswert einstellbar sind und beim Betrieb der externen Recheneinheit (RE) von deren Steuerschaltung (S) v/eitergeschaltet . werden (77. 72).