DE4109212C2 - Adaptives Digitalfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein adaptives digitales rekursives Filter, welches einen oder mehrere Multiplizierer aufweist, in welchen verschiedene innerhalb des Filters auftretende Signale mit einem jeweils zugeordneten Filterkoeffizienten multipliziert werden, wobei ein oder mehrere der Filterkoeffizienten variabel ausgelegt sind und in Abhängigkeit der Amplitude des Ausgangssignals des Filters gewählt werden.

Für verschiedene Anwendungsbereiche besteht der Wunsch, digitale Filter zu erhalten, welche ein nichtlineares Verhalten aufweisen. So sind in analogen Schaltungsanordnungen verschiedene analoge Filter bekannt, welche ihre Filtercharakteristik in Abhängigkeit eines Signalpegels ändern. Ein derartiges nichtlineares Verhalten ist insbesondere für verschiede­ ne Rauschunterdrückungsschaltungen, beispielsweise die verschiedenen Dolby-Systeme, bekannt. Aber auch für andere Anwendungen, beispielsweise für die Verarbeitung von Videosignalen, kann ein nichtlineares Verhalten einer Schaltung erwünscht sein. Da nun zunehmend digitale Schaltungen eingesetzt werden, besteht ein Bedarf an digitalen Filtern, welche ursprünglich analoge, jedoch in den digitalen Bereich umgesetzte Signale entspre­ chend den bekannten analogen Schaltungen auf der digitalen Ebene verarbeiten können. Mit anderen Worten muss also eine bekannte analoge Schaltung auf der digitalen Ebene quasi simuliert werden.

Aus "Adaptive Digital Filters and Signal Analysis" von M. G. Bellanger, Marcel Dekker, New York, Seiten 156 bis 161 ist ein rekursives IIR Prediction Filter bekannt, dessen Filterkoeffizienten variabel sind und vom Ausgangssignal des Filters abhängen. Ferner ist aus EP 0401296 A1 eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung von Überläufen bei einem adaptiven rekursiven Wellendigitalfilter bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein adaptives digitales Filter zu schaffen, welches eine möglichst einfache Gewinnung geeigneter variabler Filterkoeffizienten gestattet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Gewinnung jedes der variablen Filterkoeffizienten das Filterausgangssignal in einem Addierer (12, 14) mit einem dem jeweiligen Filterkoeffizienten zugeordneten konstanten Wert addiert und/oder in einem Multiplizierer (11, 13) mit einem dem jeweiligen Filterkoeffizienten zugeordneten Wert multipliziert wird.

Die variable Auslegung einer oder mehrerer der in dem Filter vorgesehenen Filterkoeffi­ zienten führt zu einem nichtlinearen Verhalten des Filters, das im Einzelfall gewünscht sein kann. Die Dimensionierung der Filterkoeffizienten ist selbstverständlich von dem Einsatzzweck abhängig und kann nicht allgemein angegeben werden.

Ein derartiges Filter kann beispielsweise in digitalen Rauschunterdrückungsschaltungen eingesetzt werden. Es kann entweder direkt zur Beeinflussung des bezüglich seines Rau­ schens zu bearbeitenden Signals jeweils vorgesehen sein. Es kann aber auch dazu herange­ zogen werden, eine Art Steuersignal zu erhalten, welches wiederum Filterkoeffizienten eines anderen Filters einstellt.

Die Variabilität der Filterkoeffizienten wird dadurch erreicht, dass für die Gewinnung jedes der variablen Filterkoeffizienten das Filterausgangssignal in einem Addierer mit einem dem jeweiligen Filterkoeffizienten zugeordneten konstanten Wert addiert und/oder in einem Multiplizierer mit einem dem jeweiligen Filterkoeffizienten zugeordneten Wert multipliziert wird.

Im allgemeinsten Fall ist also für jeden der variablen Filterkoeffizienten jeweils ein Addie­ rer und ein Multiplizierer vorgesehen, welche hintereinandergeschaltet sind und welchen das Ausgangssignal des Gesamtfilters zugeführt wird. In dem Addierer wird das ihm zugeführte Signal mit einem konstanten Wert addiert und in dem Multiplizierer das diesem zugeführten Signal mit einem konstanten Wert multipliziert. Es kann dabei auch entweder nur der Addierer oder nur der Multiplizierer vorgesehen sein. In jedem Falle wird erreicht, daß der Filterkoeffizient, der mittels des Addierers und/oder Multiplizierers gewonnen wird, von der Amplitude des Ausgangssignals des Filters abhängig ist. Durch die Wahl der konstanten Werte für den Addierer und/oder Multiplizierer kann beeinflußt werden, in welcher Weise der Filterkoeffizient von dem Filteraus­ gangssignal abhängig sein soll.

Es kann für jeden variablen Filterkoeffizienten jeweils ein zugeordneter Addierer und/oder Multiplizierer vorge­ sehen sein. In vielen Fällen können jedoch mehrere der variablen Filterkoeffizienten identisch ausgelegt sein, so daß dann, wie nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, für ein oder mehrere der variablen Filterkoeffizienten ein gemeinsamer Addierer und/oder Multiplizierer vorgesehen ist, in dem das Filter­ ausgangssignal mit dem gleichen Wert addiert bzw. multi­ pliziert wird.

In praktischen Anwendungen wird es insbesondere so sein, daß die bzw. das innerhalb des Filters rekursiv zurückge­ führte Signal mit einem ersten Filterkoeffizienten beauf­ schlagt werden soll und daß es gleichzeitig ausreichend ist, nur einen weiteren variablen Filterkoeffizienten vorzusehen, der dann für alle übrigen Signale vorgesehen ist. Dazu ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vor­ gesehen, daß für die innerhalb des Filters auftretenden rekursiv zurückgeführten Signale ein gemeinsamer variabler Filterkoeffizient vorgesehen ist und daß die übrigen variablen Filterkoeffizienten untereinander identische Werte aufweisen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die variablen Filterkoeffizienten, die für innerhalb des Filters auftretende rekursiv zurückgeführte Signale vorgesehen sind, einen Betrag aufweisen, der kleiner als eins ist.

Eine derartige Auslegung der Filterkoeffizienten für die innerhalb des Filters rekursiv zurückgeführten Signale hat insbesondere Vorteile für die lineare Stabilität des Gesamtfilters.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Summe des für die innerhalb des Filters rekursiv zurückgeführten Signale vorgesehenen Filterkoeffizienten und des für die übrigen vorgesehenen Filterkoeffizienten unabhängig von der Amplitude des Filterausgangssignals etwa konstante Werte aufweist.

Diese Auslegung der Filterkoeffizienten hat zur Folge, daß die statische Gesamtverstärkung des Filters konstant ist. Durch die variablen Filterkoeffizienten wird dann nur noch, bezogen auf den Zeitbereich, das dynamische Verhalten der Schaltungsanordnung bzw., bezogen auf den Frequenzbereich, die Grenzfrequenz der Filterkurve des Filters beeinflußt.

Um Stabilitätsproblemen unter nichtlinearen Bedingungen aus dem Wege zu gehen, kann das Filter vorteilhafterweise, wie nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, als Wellendigitalfilter ausgelegt sein.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines in der sogenannten Direkt­ form I aufgebauten adaptiven digitalen rekursiven Filter.

In dem Filter gelangt das in der Figur mit s(n) bezeichnete Eingangssignal zum einen auf einen ersten Multiplizierer 1, in dem es mit einem variablen Filter­ koeffizienten a₀ multipliziert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 1 gelangt auf einen Eingang eines Addierers 2. Das Eingangssignal s(n) des Filters gelangt ferner auf ein Verzögerungsglied 3, in dem es um eine Abtasttaktperiode verzögert wird. Das Ausgangssignal dieses Verzögerungsgliedes 3 ist auf einen Multipli­ zierer 4 geführt, in dem dieses Signal ebenfalls mit dem variablen Filterkoeffizienten a₀ multipliziert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 4 gelangt auf einen weiteren Eingang des Addierers 2. Das Ausgangssignal des Addierers 2, das auch das Ausgangssignal des Gesamtfilters darstellt und das in der Figur mit w(n) bezeichnet ist, gelangt innerhalb des Filters an ein weiteres Verzögerungsglied 5, in dem das ihm zugeführte Signal ebenfalls um eine Abtasttaktperiode verzögert wird. Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 5 ist auf einen Multiplizierer 6 geführt, in dem das ihm zugeführte Signal mit einem variablen Filterkoeffizienten b₁ beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 6 gelangt auf einen weiteren Eingang des Addierers 2.

Diese Schaltungsanordnung weist also einen rekursiven Teil auf, in welchem das Ausgangssignal des Addierers 2 über das Verzögerungsglied 5 und den Multiplizierer 6 auf einen Eingang des Addierers 2 zurückgeführt wird. Für dieses rekursive Signal ist der variable Filterkoeffizient b₁ vorgesehen. Für die übrigen Signale, welche in den Multi­ plizierern 1 und 4 mit Filterkoeffizienten beaufschlagt werden, ist ein gemeinsamer variabler Filterkoeffizient a₀ vorgesehen. Eine derartige Auslegung mit einem gemeinsamen variablen Filterkoeffizienten ist im allgemeinen aus­ reichend, es könnte jedoch für die beiden Multiplizierer 1 und 4 auch jeweils ein anderer variabler Filterkoeffizient vorgesehen sein. Ferner bestünde die Möglichkeit, wenigstens für einen der Multiplizierer 1, 4 oder 5 einen festen Filterkoeffizienten vorzusehen und nur die übrigen Filterkoeffizienten variabel auszulegen.

Der für die Multiplizierer 1 und 4 gemeinsam vorgesehene Filterkoeffizient a₀ wird ebenso wie der Filter­ koeffizient b₁ für das rekursiv innerhalb des Filters zurückgeführte Signal variabel ausgelegt. Dazu werden beide variablen Filterkoeffizienten a₀ und b₁ in Abhängig­ keit des Ausgangssignals w(n) des Filters gewonnen.

Für die Gewinnung des variablen Filterkoeffizienten a₀ wird das Ausgangssignal w(n) des Filters auf einen Multipli­ zierer 11 geführt, in dem dieses Signal mit einem konstanten Wert k₃ multipliziert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 11 gelangt auf einen Addierer 12, in dem das ihm zugeführte Signal mit einem konstanten Wert k₁ addiert wird. Das Ausgangssignal des Addierers 12 stellt den variablen Filterkoeffizienten a₀ dar, der den Multipli­ zierern 1 und 4 zugeführt wird.

Zur Gewinnung des variablen Filterkoeffizienten b₁ wird das Ausgangssignal w(n) des Filters einem Multiplizierer 13 zugeführt, in dem dieses Signal mit einem konstanten Wert k₄ multipliziert wird. Das Ausgangssignal des Multi­ plizierers 13 wird in einem diesem nachgeschalteten Addierer 14 mit einem konstanten Wert k₂ addiert. Das Ausgangssignal des Addierers 14 stellt den variablen Filterkoeffizienten b₁ dar, der dem Multiplizierer 6 zugeführt wird.

Insbesondere, um Stabilitätsproblemen aus dem Wege zu gehen, ist der konstante Wert k₄, der dem Multiplizierer 13 zugeführt wird, als negativer Wert ausgelegt. Dies bedeutet, daß das Ausgangssignal quasi invertiert und mit einem Faktor multipliziert wird. Der konstante Wert k₂, mit dem das Ausgangssignal des Multiplizierers in dem Addierer 14 addiert wird, ist so ausgelegt, daß der Betrag des variablen Filterkoeffizienten b₁ immer kleiner als eins ist. Dies ist insbesondere für die lineare Stabilität des Filters von Vorteil.

Das Filter weist folgende Übertragungsfunktion auf:

in der gilt: T = 1/F, F = Abtastfrequenz des digitalen Audiosignals.

Es ist ferner vorteilhaft, die weiteren Konstanten k₁, k₂ und k₃ so auszulegen, daß die Summe der beiden Filter­ koeffizienten a₀ und b₁ bei jeder Amplitude des Ausgangs­ signals w(n) konstant ist. Eine derartige Auslegung hat insbesondere zur Folge, daß die Schaltungsanordnung im Durchlaßbereich des Filters eine konstante statische Gesamtverstärkung aufweist. Durch die variablen Filter­ koeffizienten wird dann bezogen auf den Frequenzbereich nur noch der Einsatzpunkt der Filterkurve verschoben. Bezogen auf den Zeitbereich bedeutet dies, daß die variablen Filterkoeffizienten das dynamische Verhalten des Filters beeinflussen.

Infolge der Abhängigkeit der variablen Filter­ koeffizienten a₀ und b₁ vom Ausgangssignal w(n) des Filters erhält das Filter ein nichtlineares Verhalten. Die Art der Nichtlinearität kann durch die Wahl der konstanten Werte k₁ bis k₄ beeinflußt werden. Ferner ist es möglich, für die Gewinnung der Filterkoeffizienten jeweils nur einen Addierer oder einen Multiplizierer vorzusehen.

Claims (7)

1. Adaptives digitales rekursives Filter, welches einen oder mehrere Multiplizierer aufweist, in welchen verschiedene innerhalb des Filters auftretende Signale mit einem jeweils zuge­ ordneten Filterkoeffizienten multipliziert werden, wobei ein oder mehrere der Filterkoeffi­ zienten variabel ausgelegt sind und in Abhängigkeit der Amplitude des Ausgangssignals des Filters gewählt werden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gewinnung jedes der variablen Filterkoeffizienten das Filterausgangssignal in einem Addierer (12, 14) mit einem dem jeweiligen Filterkoeffizienten zugeordneten kon­ stanten Wert addiert und/oder in einem Multiplizierer (11, 13) mit einem dem jeweiligen Filterkoeffizienten zugeordneten Wert multipliziert wird.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein oder mehrere der variablen Filterkoeffizienten ein gemeinsamer Addierer (12) und/oder Multiplizierer (11) vorgesehen ist, in dem das Filterausgangssignal mit den gleichen Werten addiert bzw. multipliziert wird.

3. Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass für die innerhalb des Filters auftretenden rekursiv zurückgeführten Signale ein gemein­ samer variabler Filterkoeffizient vorgesehen ist und
dass die übrigen variablen Filterkoeffizienten untereinander identische Werte aufweisen.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die variablen Filterkoeffizienten, die für innerhalb des Filters auftretende rekursiv zurückgeführte Signale vorgesehen sind, einen Betrag aufweisen, der kleiner als eins ist.

5. Filter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe des für die innerhalb des Filters rekursiv zurückgeführten Signale vorgese­ henen Filterkoeffizienten und des für die übrigen vorgesehenen Filterkoeffizienten unab­ hängig von der Amplitude des Filterausgangssignals etwa konstante Werte aufweist.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter als Wellendigitalfilter aufgebaut ist.

7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Filter um ein Tiefpassfilter handelt.