DE4202090C1 - Digital filter with set amplitude frequency curve - assigns microprocessor, keyboard and measurer to memory allowing stored polar coordinates to be changed - Google Patents

Digital filter with set amplitude frequency curve - assigns microprocessor, keyboard and measurer to memory allowing stored polar coordinates to be changed

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DE4202090C1
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    • H03H17/02Frequency selective networks

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Abstract

This digital filter has a predetermined amplitude-frequency characteristic (3) fixed by several complex pole and complex zero settings for a set scanning frequency (f) of the digital signal to be filtered. The settings are determined by the filter parameters (r,phi), calculated in polar coordinates for the frequency in question (f) and stored in a memory (2). This memory possesses a unit (4, 5, 6) for varying the parameters, according to the equations rx = (1 - rf). f/fx, phix = phif. f/fx, where r is the radius and phi the angle of a pole or a zero setting, of the scanning frequency, rf and phif the radius and the angle calculated with this original scanning frequency, fx the new scanning frequency and rx and phix the radius and the angle for this new scanning frequency. ADVANTAGE - Suitable for any possible scanning frequency for digital signal to be filtered.

Description

Die Erfindung geht aus von einem digitalen Filter laut Oberbegriff des Patentanspruches.The invention is based on a digital filter Preamble of the claim.

Digitale Filter sowie deren Entwurfs- und Berechnungsverfahren sind bekannt.Digital filters and their design and Calculation methods are known.

(AZIZI; Seyed Ali: Entwurf und Realisierung digitaler Filter, Oldenburg-Verlag, München und Wien, 1981, ISBN 3-486-24561-9, S. 164 bis 170;
CHRISTIANSEN, Peter et al.: Variables 1-Bit- Digitalfilter. In: Elektronik 17/23.8.1985, S. 79 bis 82;
BOLTON, Alan G.: Analogue-to-digital transform to preserve the frequency-magnitude characteristics of all-pole filters, In: IEE PROC., Vol. 131, Pt. G, No. 3, JUNE 1984, S. 131 bis 133;
DE 31 32 378 A1;
DE 39 24 504 A1).
(AZIZI; Seyed Ali: Design and implementation of digital filters, Oldenburg-Verlag, Munich and Vienna, 1981, ISBN 3-486-24561-9, pp. 164 to 170;
CHRISTIANSEN, Peter et al .: Variable 1-bit digital filter. In: Electronics 17 / 23.8.1985, pp. 79 to 82;
BOLTON, Alan G .: Analogue-to-digital transform to preserve the frequency-magnitude characteristics of all-pole filters, In: IEE PROC., Vol. 131 , Pt. G, No. 3, JUNE 1984, pp. 131-133;
DE 31 32 378 A1;
DE 39 24 504 A1).

Die komplexen Pole und Nullstellen solcher digitaler Filter, die den Amplitudenfrequenzverlauf bestimmen, sind abhängig von der jeweiligen Abtastfrequenz, sie werden durch Z-Transformation aus dem Analogbereich in den Digitalbereich gewonnen. Bei diesen bekannten Berechnungsverfahren können immer nur einzelne Punkte der gewünschten Filterkurve im Digitalbereich exakt auf vorgegebene Positionen transformiert werden, der restliche Filterverlauf, insbesondere das genaue Verhalten im Übergangsbereich der Filterkurve, ist nicht exakt identisch mit der Filterfunktion im Analogbereich. Um eine optimale Annäherung an den gewünschten Filterverlauf zu erreichen, müssen im Digitalbereich die berechneten Werte für Pole und Nullstellen von Hand nachoptimiert werden. Dieses Berechnungs- und Optimierungsverfahren (Berechnung der Filterübertragungsfunktion mit den jeweiligen Polen und Nullstellen) zur Realisierung von digitalen Filtern mit vorbestimmtem Amplitudenfrequenzverlauf ist vor allem bei frequenzselektiven Filtern relativ kompliziert und zeitaufwendig, deren Filterkurve durch eine Vielzahl von einzelnen Polen und Nullstellen vorbestimmt ist, wie dies beispielsweise bei Bewertungsfiltern der Fall ist, deren Filterkurven durch spezielle Normen exakt vorgegeben sind, beispielsweise Tonfrequenz-Bewertungs­ filter nach DIN mit genormter A-Filterkurve, CCIR-Weighting-Filter, CCITT-Bewertungsfilter oder dgl., bei denen der Übergangsbereich zwischen "Durchlaß"- und "Sperr"-Bereich durch Toleranzschemata definiert ist. Wenn solche Filter zum Filtern von Digitalsignalen benutzt werden sollen, die mit einer anderen Abtastfrequenz zugeführt werden als bei der Berechnung des Filters berücksichtigt ist, müssen solche Filter erneut mit der neuen Abtastfrequenz berechnet und optimiert werden. Die Verwendungsmöglichkeit solcher einmal berechneten digitalen Filter wird dadurch stark eingeschränkt.The complex poles and zeros of such digital Filters that determine the amplitude frequency curve are depending on the particular sampling frequency, they will by Z-transformation from the analog range into the Digital area won. With these known Calculation methods can only use individual points of the desired filter curve in the digital range predetermined positions are transformed, the rest Filter history, especially the exact behavior in the The transition area of the filter curve is not exactly identical with the filter function in the analog range. To an optimal approach  to achieve the desired filter course in the digital domain the calculated values for poles and Zeroing can be fine-tuned by hand. This Calculation and optimization procedures (calculation of the Filter transfer function with the respective poles and Zeros) to implement digital filters with predetermined amplitude frequency response is above all relatively complicated with frequency selective filters and time consuming, its filter curve through a variety is predetermined by individual poles and zeros, as is the case with rating filters, for example whose filter curves are exact thanks to special standards are specified, for example tone frequency evaluation filter according to DIN with standardized A filter curve, CCIR weighting filter, CCITT weighting filter or the like, where the transition area between "pass" and "Blocked" area is defined by tolerance schemes. When such filters are used to filter digital signals should be with a different sampling frequency are supplied as in the calculation of the filter such filters have to be taken into account again with the new sampling frequency can be calculated and optimized. The possibility of using such a once calculated digital filter is severely restricted.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein digitales Filter zu schaffen, das für beliebige Abtastfrequenzen des zu filternden Digitalsignals geeignet ist.It is an object of the invention to provide a digital filter create that for any sampling frequency of the filtering digital signal is suitable.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem digitalen Filter laut Oberbegriff des Patentanspruches durch die im Patentanspruch angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst. This task is based on a digital filter according to the preamble of the claim by the in the claim specified characteristic features solved.  

Bei einem erfindungsgemäßen digitalen Filter, das für eine vorbestimmte Abtastfrequenz einmal exakt berechnet und optimiert ist und das beispielsweise durch mehrere komplexe Pole und komplexe Nullstellen definiert ist, muß bei Änderung der Abtastfrequenz nicht mehr neu berechnet und optimiert werden, sondern es genügt, einfach die komplexen Parameter der Pole und Nullstellen im Sinne der Erfindung umzurechnen und dann bei der Filterung der mit der neuen Abtastfrequenz zugeführten Digital­ signale einfach diese umgerechneten komplexen Parameter der Pole und Nullstellen im Filter zu berücksichtigen. Beim erfindungsgemäßen Filter ist die teure und zeitauf­ wendige Berechnung auch von komplizierten Filterverläufen, wie dies beispielsweise für Bewertungsfilter der Fall ist, nur einmal erforderlich, anschließend sind bei eventuellen Änderungen der Abtastfrequenz nur schnell durchführbare Umrechnungen der einmal berechneten und optimierten Filterparameter nötig, was mit geringstmög­ lichem Aufwand relativ schnell durchgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Prinzip ist dabei für alle Arten von Digitalfiltern geeignet, sei es, daß das digitale Filter als Spezialschaltung aus Multiplizierern und Addierern aufgebaut ist und die berechneten komplexen Filterparameter in einem entsprechenden Speicher abge­ speichert sind oder bei einem digitalen Filter, das durch einen Mikroprozessor realisiert ist und bei dem der Filtervorgang durch eine entsprechende Software gesteuert ist, wobei auch in diesem Fall die vorher berechneten komplexen Filterparameter als entsprechende Speicherwerte zur Verfügung stehen. In all diesen Fällen ist es gemäß der Erfindung nur nötig, die gespeicherten komplexen Filterparameter gemäß der erfindungsgemäßen Berechnungs­ vorschrift umzurechnen und als neue Parameter für die nunmehr geltende Abtastfrequenz einzuspeichern, dann kann auch ein Digitalsignal mit neuer Abtastfrequenz mit der gleichen Filterkurve wie anfangs optimal berechnet gefiltert werden.In a digital filter according to the invention, the for a predetermined sampling frequency is calculated exactly once and is optimized, for example by several complex poles and complex zeros is defined, no longer has to be new when changing the sampling frequency be calculated and optimized, but it is enough, simple the complex parameters of the poles and zeros in the sense convert the invention and then in the filtering the digital supplied with the new sampling frequency just signal these converted complex parameters the poles and zeros in the filter. The filter according to the invention is expensive and time-consuming agile calculation even of complicated filter courses, as is the case with rating filters, for example is required only once, then at possible changes in the sampling frequency only quickly feasible conversions of the once calculated and optimized filter parameters necessary, which with the lowest possible Lich effort can be carried out relatively quickly. The principle according to the invention is for all types suitable of digital filters, be it that the digital Filter as a special circuit made up of multipliers and Adders is built and the calculated complex Filter parameters stored in a corresponding memory are stored or with a digital filter that through a microprocessor is implemented and in which the Filtering process controlled by appropriate software is, in this case also the previously calculated complex filter parameters as corresponding storage values be available. In all of these cases, it is appropriate the invention only necessary the stored complex Filter parameters according to the calculation according to the invention  regulation to convert and as new parameters for the now save applicable sampling frequency, then can also be a digital signal with a new sampling frequency with the same filter curve as optimally calculated at the beginning be filtered.

Die Figur zeigt das Prinzipschaltbild eines digitalen Filters, das aus Multiplizierern, Addierern und Speichergliedern als Spezialschaltung 1 aufgebaut ist und es nach bekannten Berechnungsmethoden ermöglicht, in Abhängigkeit von in einem Speicher 2 abgespeicherten komplexen Polen und Nullstellen, die ebenfalls in bekannter Weise berechnet und optimiert sind, ein Digi­ talsignal D mit einer speziellen Filterkurve 3 zu filtern. Das Digitalsignal D wird beispielsweise über einen Ana­ log/Digital-Wandler mit der Abtastfrequenz f erzeugt oder es wird mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz f aus einer anderen mit dem Filter 1 verbundenen Schaltung bereits in digitaler Form zugeführt. Dem Speicher 2 ist ein zusätzlicher Mikroprozessor 4 zugeordnet, der in Abhängigkeit von ihm eingegebenen Daten über die Abtast­ frequenz f des zu filternden Digitalsignals D die im Speicher 2 abgespeicherten komplexen Werte für die Pole und Nullstellen umrechnet.The figure shows the basic circuit diagram of a digital filter, which is constructed from multipliers, adders and memory elements as a special circuit 1 and which, according to known calculation methods, makes it possible, depending on complex poles and zeros stored in a memory 2 , which are also calculated and optimized in a known manner to filter a Digi talsignal D with a special filter curve 3 . The digital signal D is generated, for example, via an analog / digital converter with the sampling frequency f, or it is already supplied in digital form with a predetermined sampling frequency f from another circuit connected to the filter 1 . The memory 2 is assigned an additional microprocessor 4 , which converts the complex values stored in the memory 2 for the poles and zeros as a function of the data entered via the sampling frequency f of the digital signal D to be filtered.

Die Lage der komplexen Pole und komplexen Nullstellen eines solchen digitalen Filters sind in bekannter Weise entweder durch Realteil und Imaginärteil-Wertepaare bestimmt oder im Polarkoordinatensystem durch den Radius r und den zugehörigen Winkel Φ. Es sei angenommen, im Speicher 2 seien die für das Filter 1 charakteristischen Wertepaare r/Φ für die Lage von beispielsweise acht Pole und Nullstellen abgespeichert, wie dies beispielsweise für die Kennzeichnung eines Bewertungsfilters mit exakt definiertem Amplitudenfrequenzverlauf erforderlich ist. Es sei ferner angenommen, daß diese im Speicher 2 abge­ speicherten Pole und Nullstellen-Wertepaare für eine Abtastfrequenz f von 100 kHz berechnet wurde. Damit arbeitet das Filter 1 für Digitalsignale D mit dieser Abtastfrequenz von 100 kHz exakt.The position of the complex poles and complex zeros of such a digital filter are determined in a known manner either by the real part and imaginary part value pairs or in the polar coordinate system by the radius r and the associated angle Φ. It is assumed that the value pairs r / Φ for the position of, for example, eight poles and zeros, which are characteristic of the filter 1 , are stored in the memory 2 , as is required, for example, for the identification of an evaluation filter with a precisely defined amplitude frequency curve. It is also assumed that these poles and pairs of zero-values stored in memory 2 have been calculated for a sampling frequency f of 100 kHz. The filter 1 for digital signals D thus works exactly with this sampling frequency of 100 kHz.

Wenn der Benutzer des Filters 1 nunmehr jedoch ein Digitalsignal D filtern will, das durch eine andere Abtastfrequenz f erzeugt ist, so wird diese neue Abtast­ frequenz fx beispielsweise von Hand über eine Tastatur 5 vom Benutzer in den Mikroprozessor 4 eingegeben. Auch eine automatische Berücksichtigung der neuen Abtastfre­ quenz fx ist beispielsweise dadurch möglich, daß in einer Meßeinrichtung 6 automatisch die Abtastrate des zu filternden Digitalsignals D ausgewertet wird und bei Änderung dieser Frequenz automatisch der Mikroprozessor 4 entsprechend angesteuert wird. Durch den Mikroprozessor 4 werden anschließend die im Speicher 2 abgespeicherten Wertepaare r/Φ für die Lage der komplexen Nullstellen und komplexen Pole nach den angegebenen Formeln umge­ rechnet und anschließend wird dann das Filter 1 für die Filterung des Digitalsignale mit der neuen Frequenz fx mit diesen neu berechneten Filterparametern beaufschlagt und so das Digitalsignal D mit der gleichen Filterkurve 3 gefiltert, wie sie für die alte Abtastfrequenz von 100 kHz berechnet und optimiert wurde; rx und Φx sind dabei die für die neue Abtastfrequenz fx sich ergebenden neuen Werte für Radius r und Winkel Φ der komplexen Pole und Nullstellen, rf und Φf sind die für die Ausgangs­ frequenz f von beispielsweise 100 kHz ursprünglich be­ rechneten Werte. However, if the user of the filter 1 now wants to filter a digital signal D that is generated by a different sampling frequency f, this new sampling frequency f x is entered by the user into the microprocessor 4 , for example by hand via a keyboard 5 . Automatic consideration of the new sampling frequency f x is also possible, for example, in that the sampling rate of the digital signal D to be filtered is automatically evaluated in a measuring device 6 and the microprocessor 4 is controlled accordingly when this frequency changes. The microprocessor 4 then converts the value pairs r / Φ stored in the memory 2 for the position of the complex zeros and complex poles according to the formulas given, and then the filter 1 is then used to filter the digital signals with the new frequency f x applied to newly calculated filter parameters and so the digital signal D is filtered with the same filter curve 3 as was calculated and optimized for the old sampling frequency of 100 kHz; r x and Φ x are the new values for radius r and angle Φ of the complex poles and zeros for the new sampling frequency f x , r f and Φ f are the values originally calculated for the output frequency f of, for example, 100 kHz .

Bei einem erfindungsgemäßen Filter kann also auch bei Änderung der Abtastrate des zu filternden Digitalsignals dessen Filterung mit der gleichen Filterkurve durchgeführt werden, ohne daß ein kompliziert neuer Berechnungs- und Optimierungsvorgang für das Filter durchgeführt werden muß, es genügt, die einmal berechneten und optimierten Filterparameter im Verhältnis der alten und neuen Abtastfrequenz umzurechnen, was sehr schnell ohne zusätzlichem Schaltungsaufwand durchgeführt werden kann. Auf diese Weise ist beispielsweise ein Niederfrequenz-Be­ wertungsfilter realisierbar, das in einem breiten Bereich von beispielsweise 30 bis 700 kHz Abtastrate stets eine Bewertung mit dem gleichen Amplitudenfrequenzverlauf ermöglicht.With a filter according to the invention, it can also be used for Change the sampling rate of the digital signal to be filtered its filtering is carried out with the same filter curve be without a complicated new calculation and Optimization process for the filter can be carried out must, it suffices, the once calculated and optimized Filter parameters in the ratio of the old and new To convert sampling frequency, which is very quick without additional circuitry can be performed. In this way, for example, is a low frequency loading Rating filter can be implemented in a wide range for example 30 to 700 kHz sampling rate always one Evaluation with the same amplitude frequency curve enables.

Claims (1)

Digitales Filter mit einem vorbestimmten Amplituden­ frequenzverlauf (3), der für eine vorbestimmte Abtast­ frequenz (f) des zu filternden Digitalsignals (D) durch mehrere komplexe Pole und komplexe Nullstellen vorbestimmt ist, die durch in einem Speicher (2) abgespeicherte und für die vorbestimmte Abtastfrequenz (f) in Polar­ koordinaten berechnete Filterparameter (r, Φ) bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicher (2) eine Einrichtung (4, 5, 6) zugeordnet ist, mit welcher die im Speicher (2) abgespeicherten Polar­ koordinaten-Filterparameter (r, Φ) nach folgender Beziehung veränderbar sind:
rx = (1-rf)·f/fx,
Φx = Φf·f/fx,
wobei r der Radius und Φ der Winkel eines Pols oder einer Nullstelle, f die bei der Berechnung des Filters berück­ sichtigte Abtastfrequenz, rf und Φf die mit dieser ur­ sprünglichen Abtastfrequenz f berechneten Radien und Winkel, fx die neue Abtastfrequenz und rx und Φx Radien und Winkel für die neue Abtastfrequenz fx sind.
Digital filter with a predetermined amplitude frequency response ( 3 ), which is predetermined for a predetermined sampling frequency (f) of the digital signal to be filtered (D) by a plurality of complex poles and complex zeros, which are stored in a memory ( 2 ) and for the predetermined Sampling frequency (f) filter parameters (r, Φ) calculated in polar coordinates are determined, characterized in that the memory ( 2 ) is assigned a device ( 4 , 5 , 6 ) with which the polar coordinates stored in the memory ( 2 ) Filter parameters (r, Φ) can be changed according to the following relationship:
r x = (1-r f ) f / f x ,
Φ x = Φ f · f / f x ,
where r is the radius and Φ the angle of a pole or a zero, f is the sampling frequency taken into account when calculating the filter, r f and Φ f are the radii and angles calculated with this original sampling frequency f, f x is the new sampling frequency and r x and Φ x are radii and angles for the new sampling frequency f x .
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