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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Radarempfänger
und, genauer gesagt, eine Mittellinien-Filtereinrichtung, welche
ein Basisband-Analogfilter in Kombination mit einem Digitalfilter
enthält.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat besonderen Nutzen
in einem Radarempfänger,
der an Bord einer Luft-Luft-Rakete mitgeführt wird. Analoge Mittellinien-Filtereinrichtungen
werden herkömmlicherweise in
dem Empfänger
verwendet, der verschiedene Kanäle
aufweist, die jeweils ein Mittellinienfilter benötigen. Die Mittellinienfilter
müssen
in ihrer Betriebseigenschaft nahezu identisch sein. Eine digitale
Tastung bei der Frequenz fs von koninuierlichen
Signalen resultiert darin, daß die
digitalen Datenwerte für
Harmonische von fs dieselben sind. Man kann
beispielsweise nicht den Unterschied zwischen 0,9fs,
1,9fs, 2,9fs, 3,9fs usw. benennen. Dies wird als Verfälschungsbildung
oder Faltung oder Zweideutigkeit des Spektrums bezeichnet. Das Problem
tritt in zwei typischen Signalfällen
oder Mehrtonfällen
auf, wenn ein hochfrequentes Störsignal
sich in das Spektrum nahe dem oder auf dem gewünschten Signal zurückfaltet
oder eine Verfälschung
bildet. Ein Anti-Verfälschungsfilter
beseitigt die möglicherweise
fälschungsbildenden
Frequenzen vor der digitalen Tastung. Dann kennt der Benutzer die
echte Frequenz des Signales. Eine klassische Mittellinien-Filtereinrichtung
ist wie eine Super-Antiverfälschungs-Filtereinrichtung,
da sie nur einen sehr schmalen Bereich von interessierenden Frequenzen
durchläßt. Daher gibt
es nach der digitalen Tastung keine spektrale Fälschungsbildung.
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Raum-(Baugrößen-)Überlegungen beschränken die
Konstruktion analoger Filter und das langsame Abwickeln von Analogfiltern
macht diese Filterart unbrauchbar als Anti-Verfälschungfilter. Darüberhinaus
sind Analogfilter verhältnismäßig teuer. Herkömmliche
analoge Mittellinien-Filtereinrichtungen arbeiten im Basisband und
eine Verschiebung des Frequenzbandes zu höheren Zwischenfrequenzen wäre schwierig,
da der Q-Wert des Filters zu hoch sein kann. Weiter ist es schwierig,
die Kanalabstimmungsanforderungen zu erfüllen, was auf Frequenzdrift
beruht.
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Das Dokument US-A-4 890 203 offenbart
einen hybriden Analog-Digital-Flter für eine Frequenzaufteilungs-Demultiplexverarbeitung.
Die Dokumente aus 1995 IEEE COMMUNICATIONS MAGAZINE, Band 33, Nr.
5, „The
DSP Bottleneck“,
von R. Baines, Seiten 46 bis 54, und „Analog-To-Digital Converters
and Their Application in Radio Receivers“ von J. A. Wepman, Seiten
39 bis 45, diskutieren die Eigenschaften von schmalbandigen Funkempfängern und
die Konzepte für
Antiverfälschungsfilter
im Bereich von Funksoftware.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es wird eine Mittellinien-Filtereinrichtung
beschrieben, um sämtliche
Frequenzen außer
einer einzigen Frequenzlinie bei fc des
Freqeunzspektrums eines gepulsten Signales auszufiltern, welches
durch eine bestimmte Pulswiederholungsfrequenz (PRF) charakterisiert
ist. Die Mittellinien-Filteeinrichtung enthält ein Basisband-Analogfilter
mit einer Störungsbandbreitencharakteristik,
welche an die Pulswiederholungsfrequenz angepasst ist, um das gepulste
Signal zu filtern, so daß ein
analoges Filtersignal erzeugt wird. Ein Analog-Digital-Umformer
spricht auf das analoge Filtersignal an, um das analoge Filtersignal
in ein digitales Umformersignal umzusetzen, wobei der Umformer das
analoge Filtersignal mit einer hohen Tastungsrate im Vergleich zur
Pulswiederholungsfrequenz tastet, beispielsweise in der Größenordnung
von 30 : 1. Ein Digitalfilter verarbeitet die digitalen Umformersignale
und enthält
Gewichtungsmittel zur Anwendung komplexer Gewichtungen (d. h., mit
einem Realteil und einem Imaginärteil) auf
die digitalen Umformersignale. Das analoge und das digitale Filter
sind in Kombination wirksam, um ein Filter zu bilden, das eine zusammengesetzte
Filteransprechcharakteristik aufweist, welche ein schmales Durchlaßband erzeugt,
das bei fc zentriert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung enthält
die Filtereinrichtung einen Dezimierungsprozessor zur Dezimierung
des Ausgangs des digitalen Filters mit einem vorbestimmten Faktor.
Dieser Faktor kann einem ganzzeiligen Wert gleich sein, der das
Vielfache der Pulswiederholungsfrequenz ist, mit welcher der Analog-Digital-Umformer
getastet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der
folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt
ist. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Blockschaltbild eines Radarempfängers, welcher die vorliegende
Erfindung enthält;
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2 die
Beziehung des Ansprechens des Analogfilters, welcher in dem Radarempfänger von 1 enthalten ist, auf die
minimale digitale Tastungsfrequenz gemäß der Erfindung bzw. das Frequenzansprechen
des Analogfilters des Radarempfängers
und seine Beziehung zu den möglichen
verfälschenden
Frequenzen, welche aus dem digitalen Tastungsvorgang resultieren;
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3a eine
beispielsweise Signalimpulsfolge;
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3b die
sinx/x-Umhüllende
des Impulsfolgespektrums um die Träger-Grundfrquenz;
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4 das
jeweilige Frequenzansprechverhalten des Analogfilters und des digitalen
FIR-Filters des Empfängers
von 1 sowie ihr zusammengesetztes
Ansprechen;
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5 beispielsweise
FIR-Filteransprechverhalten als eine Funktion von der auf 3,6 MHz
normalisierten Frequenz;
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6 ein
vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Einkanal-FIR-Filters
des Empfängers
von 1 für das Beispiel
eines 90-Punkt-FIR-Filters mit einer Dezimierung um dreißig; und
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7 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines Digitalfilters mit zwei in Kaskade geschalteten FIR-Filtern
bei Aufspaltung der Dezimierung über
zwei Stufen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Radarempfängers 50,
in welchem die Erfindung verwendet wird. Das Radarsystem enthält eine
Antenne 40, welche empfangene Signale in analoger Form
in den analogen Empfängerabschnitt 50A eingibt.
Bei dieser beispielsweisen Ausführungsform
hat der Empfänger
mehrere Kanäle und
enthält
einen Leistungsaufteiler 52, der das empfangene Signal
aufteilt und auf N Kanäle
verteilt, wobei in 1 nur
einer der Kanäle,
nämlich
der Kanal A, im einzelnen gezeigt ist. In jedem Kanal filtert ein Basisband-Analog-Mittellinienfilter,
beispielsweise das Filter 54A, das empfangene Signal. Wie
in der Technik gut bekannt, ist das Basisband die Basisfrequenz
oder echte Frequenz der Informationssignale. Bei einem Funksender
werden die Signale nach aufwärts
gemischt (oder multipliziert) und auf ein hochfrequentes Trägersignal
für die
Aussendung aufmoduliert. Beim Empfang werden die Signale in ihrer Frequenz
auf das Basis band zurückdemoduliert.
Für diese
beispielsweise Anwendung muß das
Analogfilter wegen der Hochfequenz im Signalgehalt im Basisbandbereich
arbeiten. Die gegenwärtige
Analog-/Digital-Umformertechnologie begrenzt die Anwendung höherer Durchlaßbänder. Im
allgemeinen jedoch kann die Erfindung bei einem Digitalfilter, das auf
ein Bandpaßfilter
(in Richtung auf Basisband oder Tiefpaß) folgt, bei einer ausreichend
raschen Analog-/Digital-Umformung verwendet werden.
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Nach der Filterung durch das Analogfilter 54A wird
das Analogsignal durch den A/D-Umformer 56A in digitale
Form umgewandelt und zu dem digitalen Verarbeitungsabschnitt 50B des
Empfängers 50 weitergeleitet.
Das digitalisierte Signal wird dann durch ein digitales Mittellinienfilter 58A geführt und durch
einen Dezimierungsprozessor 60A dezimiert. Der dezimierte
Ausgang des digitalen Filters gelangt weiter zu einer herkömmlichen
Empfängerverarbeitung.
In einer beispielsweisen Ausführungsform
ist das Digitalfilter 58A ein Filter endlichen Impulsansprechverhaltens
(FIR). Typischerweise ist das an der Antenne 40 empfangene
Signal das aktive Radarecho und ist eine Impulsfolge mit der Sender-Impulswiederholungsfrequenz
oder Impulswiederholungsrate (PRF) Ein herkömmlicher Radarempfänger tastet
die ankommende Impulsleiste oder Impulsfolge mit der Pulswiederholungsfrequenz
oder manchmal mit dem zweifachen der Pulswiederholungsfrequenz, nachdem
die Impulsfolge durch das analogen Mittellinienfilter gelaufen ist.
Die Tastung der ankommenden Impulsfolge kann mit der Pulswiederholungsfrequenz
geschehen und die Verwendung einer Verarbeitung mit phasengerechter
Lage und Quadraturlage (IQ) bewirkt eine Aliasbildung bei der Pulswiederholungsfrquenz.
Einfachere Systeme mit einer mathematischen Verarbeitung im Reellen
müßten mit dem
Zweifachen der Pulswiederholungsfrequenz tasten, um eine Aliasbildung
bei der Pulswiederholungsfrequenz zu erhalten. Der zu treffende
Kompromiß besteht
darin, daß bei
I/Q-Systemen zwei A/D Umformer je Kanal erforderlich sind, während nur eine
A/D-Umformer bei einer reellen Verarbeitung notwendig ist. Das vorliegende
System gemäß der Erfindung
verwendet in der beispielsweisen Anwendung eine I/Q Verarbeitung,
doch ist die Erfindung nicht von einer I/Q-Verarbeitung abhängig.
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Eine solche Verarbeitung hat lediglich
Einfluß auf
die erforderliche A/D-Umformgeschindigkeit und die Anzahl von A/D-Umformern,
welche erforderlich ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird das empfangene Signal von dem A/D-Umformer SGA mit einer sehr
hohen Tastungsrate fs getastet. In der vorliegenden
beispielsweisen Ausführung
ist dies eine Tastungsrate von annähernd dem Dreißigfachen
der Pulswiederholungsfrequenz. Die Tastungsfrequenz fs des
herankommenden Signales für
den A/D-Umformer wird durch die Abdämpfung des Analogfilters diktiert,
welches unerwünschte
Hochfrequenzsignale beseitigt, um eine Fälschungsbildung nach der Tastung
fern zu halten, wie in 2 dargestellt
ist. Die Tastungsfrequenz fs ist so gewählt, daß das Analogfilter 54A Signale
an den Mittellinienfilter von +fs und –fs eleminiert hat. Dies geschieht vor einer
Tastung, um die Bereiche möglicher
Fälschunsbildung
zu beseitigen. Es gibt höhere
Bereiche (2fs, 3fs,
usw.), doch deutlich liegt die erste Harmonische bei fs am
nächsten
und ist am kritischsten. Dies bestimmt den Minimalwert von fs. Der ausgewählte Wert fs ist
in einer beispielsweisen Ausführungsform
die niedrigste Harmonische der Pulswiederholungsfrequenz (NXPRF), die
größer ist
als fs Minimum. Die Wahl von fs als PRF-Vielfaches
größer als
fs Minimum geschieht aus Zweckmäßigkeit
beim Dezimieren des digitalen Filterausgangs zurück auf eine gewünschte PRF-Rate für die weitere
Verarbeitung, welche typischerweise nicht dieselbe ist, wie die
Pulswiederholungsfrequenz der Einganssignalfolge. Die für die weitere Verarbeitung
bestimmte Pulswiederholungsfrequenz könnte dieselbe wie die Pulswiederholungsfrequenz der
Einganssignalfolge sein, doch sind die beiden Pulswiederholungsfrequenzen
im allgemeinen verschieden, da die Taktrate am Signalsender unterschiedlich
von derjenigen ist, die im Empfänger
verwendet wird.
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Bei der vorliegenden beispielsweisen
Ausführungsform
ist die Taktrate CLK des Analog-/Digital-Umformers 56A annähernd das
Dreißigfache
der Pulswiederholungsfrequenz der Einganssignalfolge. Wenn die Pulswiederholungsfrequenz
der Eingangssignalfolge beispielsweise 130 kHz ist, dann ist die A/D-Tastungsrate
etwa 3,75 MHz. Bei dieser hohen Tastungsfrequenz ist die Abwicklung
des Analogfilters kombiniert mit der sinx/x-Spektraldämpfung ausreichend,
so daß Fälschungsbildungen
kein Problem sind. Somit wird ein herkömmliches Analogfilter, dessen
Störungsbandbreite
auf die Pulswiederholungsfrequenz abgestimmt ist, dazu verwendet,
als ein Anti-Fälschungsbildungsfilter
zu arbeiten, wenn es kombiniert mit einer Übertastung und nachfolgender
digitalen Filterung eingesetzt wird.
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Ein angepaßtes Filter maximiert das Signal-/Rauschverhältnis des
Eingangssignales zum System. Ein Eingangsimpuls einer Zeitdauer
t hat eine zugehörige
Störungsbandbreite
proportional 1/t, beispielsweise 1 μs zugehörig zu 1 MHz. Einfach ausgedrückt gestattet
ein Filter mit einer größeren Bandbreite
als der Signalbandbreite den Zutritt von mehr Störung als von Signal. Ein schmäleres Filter schneidet
sowohl die Störung
als auch das Signal ab. Das angepaßte Filter leistet die bestmögliche Arbeit.
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Das hereinkommende Signal läuft durch
das Analogfilter 54A und wird dann von dem A/D-Umformer 56A,
nämlich
beispielsweise einem 12-Bit-Analog-/Digital-Umformer, mit annähernd 3,75 MHz für eine Pulswiederholungsfrequenz
von 130 kHz getastet. Das Digitalfilter 58A ist ein scharf
ausblendendes Filter, welches sämtliche
unerwünschten
Sprektrallinien beseitigt. Eine Impulsfolge hat ein Spektrum von Linien,
welche mit der Pulswiederholungsfrequenz beabstandet sind, die eine
sinx/x-Umhüllende
abdämpfen,
mit einer Null bei 1/t. Die Impulsfolge oder Impulsleiste ist in 3a gezeigt. Die sinx/x-Umhüllende mit
dem abgedämpften
Spektrum der Spektrallinien ist in 3b gezeigt.
Die Mittellinie befindet sich am Ort der Linie fo (Trägergrundwelle).
Die anderen Spektrallinien sind nicht erwünscht. Das digitale Filter 58A läßt nur die
Mittellinie durch, während
die anderen unerwünschten
Frequenzlinien zurückgewiesen
werden.
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4 ist
eine Graphik, welche das Frequenzansprechen des analogen Mittellinienfilters 54A, dasjenige
des FIR-Filters 58A und das zusammengesetzte Frequenzansprechen
der beiden Filter 54A und 58A darstellt. Man erkennt,
daß das
zusammengesetzte Ansprechen bei Verwendung komplexer FIR-Gewichtungen
durch das digitale FIR-Filter ein nicht symmetrisches FIR-Durchlaßband sowie
auch ein nicht symmetrisches zusammengesetzes Durchlaßband erzeugt.
Ein Filter-Durchlaßband
wird durch eine Grenzfrequenz oder Abschneidfrequenz definiert,
im allgemeinen die –3
dB Punkte (Punkte halber Leistung) relativ zum Maximum im Band-Verstärkungsgewinn
(Druchlaßband).
In 4 jedoch ist gezeigt,
daß die
Grenzfrequenz oder Abschneidfrequenz der Grenzpunkt ist. Da das
Analogfilter 54A im Durchlaßband bereits die richtige
angepaßte
Filtercharakteristik hat, liegt die obere Grenzfrequenz des Durchlaßbandes
des digitalen Filters beliebig höher als
diejenige das analogen Filters. Das zusammengesetzte oder sich aus
der Kaskadenschaltung ergebende Filter-Durchlaßband ist schmäler als
das Durchlaßband
des analogen Filters oder des digitalen Filters. Der Ausgang des
FIR-Filters 58A wird dann dezimiert, wie durch das Dezimierungs-Blocksymbol
60 angedeutet ist, d. h., nur jeder n-te FIR-Filterausgang wird
verwendet, so daß die
Datenrate in der nächsten,
herkömmlichen
Verarbeitungsstufe des Empfängers
identisch zu derjenigen des üblichen
Radarempfängers
mit einem herkömmlichen analogen
Mittellinienfilter ist. Während
die Dezimierung als eine gesonderte Funktion dargestellt ist, welche
in dem digitalen Verarbeitungsabschnitt 50B ausgeführt wird,
kann sie auch mit der FIR-Funktion in der digitalen Verarbeitung
ausgeführt
werden, wie für
den Fachmann erkennbar ist.
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Es wurde eine Simulation durchgeführt, um zu
demonstrieren, daß ein
Digitalfilter, mit einem Analogfilter in Kaskade geschaltet, die
gewünschten Ergebnisse
erzielt. Für
die Simulation wurde das Ansprechverhalten des Analogfilters in
einer digitalen Simulation reproduziert und dann wurden verschiedene
unterschiedliche Digitalfiltermodelle ausprobiert. Ein Digitalfiltermodell
war ein einfaches Filter mit endlichem Impulsansprechen (FIR) von
90 Punkten, wobei eine Dezimierung am Ausgang erfolgte. Der Analog-/Digital-Umformer 56A tastet
Spannungen, welche zeitlich kontinuierlich veränderliche Signale (analog)
sind und gibt eine Zahl an bestimmten zeitlichen Punkten aus (digital).
Jede Zahl vom Ausgang des Analog-/Digital-Umformers wird als ein Punkt
bezeichnet. 5 zeigt
das Ansprechen von drei 90-Punkt-FIR-Filtern als eine Funktion der
normalisierten Frequenz relativ zu 3,6 MHz, wobei sich die Filter
nur durch die Anzahl von Bits in den Gewichtungen unterscheiden.
So sind die Ansprechverhalten der FIR-Filter mit durch 12 Bit definierten
Gewichtungen, mit durch 14 Bit definierten Gewichtungen und mit
Gleitkommagewichtungen (veränderliche
Anzahl von Bits) dargestellt.
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6 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung eines beispielsweisen
Einkanal-FIR-Filters, wobei das FIR-Filter 90 Punkte hat und eine
Dezimierung von 30 vorgenommen wird. Drei parallele FIR-Filter 5824A, 5826A und 5828A sind
in diesem Beispiel erforderlich. Im allgemeinen ist die Anzahl der
erfolderlichen FIR-Filter, d. h., die minimale Anzahl, die kleinste
ganze Zahl, welche größer als
die Anzahl von Punkten, dividiert durch den Dezimierungsfaktor ist.
Die FIR-Gewichtungen sind komplexe Werte, welche das Durchlaßband des
FIR-Filters verschieben, wie in 4 gezeigt
ist. Die Konstruktion des digitalen Filters mit komplexen Gewichtungen gestattet,
daß analoge
Videobandbreiten-Asymmetrien beseitigt werden, was bei Verwendung
analoger Filterkonstrukionen nicht möglich ist.
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6 zeigt
die ersten 90 Datentastungseingänge
zu dem FIR-Filter. Die Datentastungen werden ohne Verzögerung in
das erste Filter 5824A eingeführt, wo die Datentastungen
mit der komplexen Gewichtung multipliziert werden. Eine erste Verzögerung 5820A wird
zur Einwirkung auf eine Wiederholung der Tastungen gebracht, bevor
die wiederholten Tastungen in das zweite FIR-Filter 5826A eingeführt werden,
wobei die Tastungen für
eine Zeitdauer gleich derjenigen verzögert werden, die zur Erzeugung
von 30 Tastungen benötigt
wird, d. h. eine 30-Tastungs-Verzögerung. Ein zweite Verzögerung 5822A wirkt
auf eine weitere Wiederholung der Tastungen ein, wobei diese Verzögerung 60
Tastungsdauern beträgt,
bevor die verzögerten
Tastungen in das dritte FIR-Filter 5828A eingeführt werden.
Jedes FIR-Filter wirkt mit einer komplexen Gewichtung auf jede Tastung
ein, so daß das
Durchlaßband
des Filters, wie in 4 gezeigt,
verschoben wird. Jeweilige Akkumulatoren 5830A, 5832A und 5834A akkumulieren
90 Tastungen der jeweiligen Ausgänge
der FIR-Filter. Die Dezimierung geschieht am Ausgang jedes Akkumulators
in dem Sinne, daß nur
ein Ausgang je 90 Tastungen von jedem Akkumulator erzeugt wird.
Bei drei FIR-Filtern wird also nur eine Tastung von dem digitalen
Mittellinienfilter 58A für je 30 Tastungen erzeugt,
welche durch den Analog-/Digital-Umformer 56A genommen
werden. Dies ist eine Datentastungsrate äquivalent zu denjenigen von
herkömmlichen
analogen Mittellinienfiltern und Empfängern, die eine Tastung mit
der Pulswiederholungsfrequenz vornehmen. Da die Digital-/Analog-Tastungsrate
bei dieser Ausführungsform
das Dreißigfache der
Pulswiederholungsfrequenz war und nur eine Ausgangstastung für je 30
Eingangstastungen erzeugt wird, ist die Ausgangs-Datenrate gleich
der Pulswiederholungsfrequenz.
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7 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines digitalen Filters mit zwei in Kaskade geschalteten FIR-Filtern 58A1 und 58A2,
wobei die erforderliche Dezimierung über die beiden Stufen aufgespalten
ist. Das erste FIR-Filter 58A1 ist ein 18-Punkt-Filter, dessen
Ausgang durch sechs dezimiert wird, gefolgt von einem 20-Punkt-FIR-Filter 58A2,
dessen Ausgang durch fünf
dezimiert wird. Die Gesamtdezimierung in diesem Ausführungsbeispiel ist
6 × 5
= 30.