FI94302B - Digitaalinen suodatin integroidulla desimoinnilla - Google Patents

Description

94302

Digitaalinen suodatin integroidulla desimoinnilla - Digitalt filter med integrerad decimering.

Keksintö koskee digitaalista suodatinta digitaalisen signaalin prosessoriseksi, joka on järjestetty muokkaamaan sellaisen signaalin ja suorittamaan desimoinnin muokatun signaalin muodostamiseksi pienemmällä näytteenottotaajuudella.

Keksintö soveltuu erityisesti datan siirtämiseksi radiolla muodossa, jota voidaan pitää analogisena, kun taas vastaanotossa siirretty signaali, joka on transponoitu takaisin perustaa juudelle, on prosessoitava digitaalisesti. Siirretyn analogisen signaalin muuntaminen digitaaliseen muotoon tapahtuu sitten näytteenotolla ja koodauksella nopeudella, joka on paljon suurempi kuin Shannon nopeus, joka vaaditaan koodattavan signaalin kaistanleveydelle. Tällainen ylinäyt-teenotto mahdollistaa analogisen alipäästösuodattimien käytön, jotka ovat halvempia ja yksinkertaisia rakenteeltaan ja joita tarvitaan joka tapauksessa ennen analogia-digitaali-muunnosta. Siirtokanavan Nyqvistin suodatus voidaan myös suorittaa ylinäytteenotetulle signaalille ennen desimointia.

Desimointi on operaatio, jossa vain yksi näyte otetaan R näytteestä digitaalisen tulosignaalin suurinopeuksisesta näytesekvenssistä. R on desimointisuhde. Tutkimukset ovat *j osoittaneet, että jos R on liian suuri suhteessa tulosignaa lin spektriin, johtaa desimointi spektrin taittoon, jota tulisi välttää. Tämän suorittamiseksi on tapana muokata tulo-signaalia ennen desimointia. Muokkaus tehdään alipäästösuo-dattimilla, jotka eivät vaikuta desimoinnin jälkeen käyttöön otettavaan signaaliin.

Normaalisti tällainen digitaalisen signaalin suodatus saadaan aikaan käyttämällä äärellisen vasteen (FIR) suodatinta, jossa jokainen antonäyte on ottosignaalin N aikaisemman näytteen summa sopivin kertoimin painotettuna. Tällainen 2 94302 suodatin suorittaa N rinnakkaista kertolaskua, joiden tulokset viivästetään ja summataan. Kertolasku on monimutkaisempi toimenpide ja kertolaskun vaatima aika rajoittaa suodattimen läpäisykykyä. Tunnetun tekniikan mukaisella suodattimena on siten rajoitettu käyttöalue.

On kuitenkin myös tunnettua, että FIR suodatin voidaan korvata sarjayhdistelmällä, jossa on esisuodatin ja stabiloija. Tämä on selitetty artikkelissa "A new approach to FIR digital filters with fewer multipliers and reduced sensitivity" jonka on kirjoittanut J.w. Adams ja A.N. Willson, joka on julkaistu IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-30, s. 277-283, toukokuu 1983. Esisuodatin on yksinkertaistettu FIR suodatin, joka koostuu pienestä määrästä erittäin yksinkertaisia kertoimia (0, -1, 1, ...), jotta sen ei tarvitse suorittaa kertolaskua.

Tällaisen suodattimen suurinta mahdollista läpäisykykyä rajoittaa yksinomaan yhteenlasku. Tämä läpäisykyky on huomattavasti suurempi kuin tavallisen FIR suodattimen. Stabiloija on myös FIR suodatin ja sen tehtävänä on korjata esisuodat-timen siirtofunktiota ja varmistaa, että kokonaissiirtofunk-tio (esisuodatin plus stabiloija) on vaatimusten mukainen. Koska stabiloija tekee vain yhden korjauksen se on suhteellisen alhaista kertalukua ja suorittaa siksi vain suhteellisen pienen lukumäärän kertolaskuja. Kun käytetään erittäin suuren integroinnin (VLSI) omaavia piirejä vähentää tämä suodattimen varaamaa tilaa. Suodattimen hyväksymän maksimi-näytteenottotaajuuden rajoitus on sama kuin tavanomaiselle FIR suodattimelle.

Kuten alussa mainittiin liittyy keksintö erityisesti mutta ei pelkästään tapauksiin, jossa ylinäytteenotettua signaalia myös suodatetaan siirtoa varten (Nyquist suodatin). Tämä suodatus on välttämättä tehtävä ennen desimointia. Se voidaan luonnollisesti yhdistää edellä selostettuun, joka on 3 94302 ominainen desimoinnille. Tämä johtaa eri kertoimiin ja korostaa yleensä ongelmia, jotka liittyvät rajoitettuun maksi-minäytteenottotaajuuteen molemmissa edellä mainituissa suodatustavoissa .

Esillä oleva keksintö pyrkii ratkaisemaan nämä ongelmat de-simointisuodattimella, jossa ei ole osia, jotka suorittavat kertolaskua sillä suurella nopeudella, jolla ottosignaalista otetaan näytteitä.

Keksinnön mukainen suodatin on digitaalinen suodatin integroidulla desimoinnilla käsittäen kaskadikytkettyinä, yksinkertaistetun FIR suodattimen muodossa olevan esisuodattimen, joka ei ole järjestety suorittamaan multi-bitti kerroslasku-ja, sinänsä tunnetun desimointiasteen ja stabiloijan, jolloin mainitun stabiloijan ominaisuudet on sovitettu huolehtimaan desimoinnin vaikutuksesta, jolle signaali altistetaan, ja jossa ainoastaan stabiloija on järjestetty suorittamaan multi-bitti kerroslaskut.

• Keksinnön mukaisessa integroidussa desimointisuodattimessa vastaanottaa stabiloija signaalin näytteenottotaajuudella, jota desimoija on pienentänyt. Se voi siksi olla pienempää kertalukua kuin vaadittaisiin signaalin prosessoimiseen ot-tosignaalin suuremmalla näytteenottotaajuudella, jolloin saavutetaan säästöjä koska voidaan vähentää tarvittavien kerto- « laskujen määrää, jolloin samanaikaisesti voidaan kasvattaa jokaiseen kertolaskuun käytettävissä olevaa aikaa alentuneesta näytteenottotaajuudesta johtuen, jolloin voidaan joko kasvattaa ottosignaaliin käytettävää maksiminäytteenottotaa-juutta tai vähentää kertolaskuihin tarvittavia laitteita.

·· Keksinnön erästä suoritusmuotoa selostetaan oheiseen piirustukseen viitaten, jossa: kuvio 1 esittää FIR suodattimen lohkokaaviota, kuvio 2 esittää suodatinrakennetta, jossa on esisuodatin ja stabiloija, 4 94302 kuv. 3 esittää tavallisen alipäästötulosuodattimen sisältävän desimoijan lohkokaaviota ja kuv. 4 esittää keksinnön mukaisen integroidun desimointisuo-dattimen lohkokaaviota.

Kuvio 1 esittää FIR suodattimen yksinkertaistettua lohkokaaviota. Digitaalinen ottosignaali, josta on otettu näytteitä suurella taajuudella X(nT) tuodaan tällaisen suodattimen ottoon l. Tämä signaali tuodaan N:lie kertojalle 2(0) - 2(N-l), joista jokainen saa sille ominaisen kertoimen h(0) - h(N-i). Signaalin X(nT) näytteen tulo ja kerroin h(0), jonka kertoja 2(0) tuottaa viivästetään näytteenotto-jakson verran viivästyselimellä 3(0) ennen kuin se summataan summaimessa 4(0) seuraavan signaalin X(nT) näytteen ja kertojan 2(1) tuottaman kertoimen h(l) tulon kanssa. Tuloksena saatava summa viivästetään taas vuorostaan yhdellä näyttee-nottojaksolla viivästyselimellä 3(1) ennen kuin se summataan seuraavan kertojan tuottamalla tulolla ja niin edelleen sum-maimelle 4(N-2) asti, joka tuottaa suodatetun digitaalisen antosignaalin Y(nT).

Kertoimet h(0) - h(N-l) ovat usealla bitillä koodatut luvut. Kertolaskuoperaatiot ovat siksi suhteellisen pitkiä. Koska .· niiden vaatima aika ei voi ylittää yhtä näytteenottojaksoa määrittää kertolaskun suorittavat laitteet maksiminäyttee-nottotaajuuden, jota ottosignaalissa voidaan käyttää, tai vaihtoehtoisesti, jos näytteenottotaajuus on kiinteä määrittää mainittu taajuus laitteet, joita on käytettävä kertolaskujen suorittamiseen. Joissain tapauksissa tällainen rajoitus voi johtaa ristiriitoihin, joita ei voida käytännössä ratkaista.

Kuvio 2 esittää rakennetta, joka saa signaalin x(nT) ja joka käsittää signaalin U(nT) tuottavan esisuodattimen 5 kaskadi-

II

5 94302 kytkennän, ja signaalin Z(nT) tuottavan stabiloijän 6. Tällainen rakenne voi olla yhtäpitävä kuvion 1 suodattimen kanssa, jolloin signaali Z(nT) on pääasiassa identtinen signaalin Y(nT) kanssa. Tätä on selostettu artikkelissa "A new approach to FIR digital filters with fewer multipliers and reduced sensitivity" jonka on kirjoittanut J.w. Adams and A.N. Willson, joka on julkaistu IEE Transactions on Circuits and Systems nimisessä julkaisussa, voi. CAS-30, s. 277-283, toukokuu 1983. Tällä on se etu, että esisuodatin on FIR suodatin, jonka kertoimet ovat sellaisia (0, -1, l,...), että suodatin ei varsinaisesti suorita kertolaskua, jolloin edellä mainittu esisuodattimeen liittyvä rajoitus poistuu, koska stabiloija on FIR suodatin, jolla on pieni määrä kertoimia siten, että vaikkakin kysessä oleva rajoitus koskee sitä, se koskee vain pientä lukumäärää kertojia, joka vähentää kokonaiskustannuksia. On kuitenkin alleviivattava sitä, että tämä rakenne on edelleen edellä selostetun sallittavan maksiminäytteenottotaajuuden rajoituksen alainen, johtuen siitä tosiasiasta, että se sisältää muutaman kertojan.

Kuvio 3 esittää tavallisen desomoijan rakennetta, joka prosessoi ottosignaalia X(nT) ja käsittää kaskadikytketyn ali-päästösuodattimen 7, joka voi muodostua kuvion 2 mukaisesta signaalin Y(nT) tuottavasta suodattimesta, jota seuraa signaalin Z(nT') tuottava desimointiaste 8, joka on sama kuin signaali Y(nT) paitsi sikäli kun vain yksi näyte R näytteestä on pidätetty, jossa R on jaksojen Τ' ja T välinen suhde.

Tässä desimoijassa rajoittaa kertojien läsnäolo edelleen sallittavaa maksimi näytteenottotaajuutta riippumatta siitä onko suodatin 7 kuvion 2 tai kuvion l mukainen.

Lisäksi, jos tätä tavallista desimoijaa aiotaan käyttää ot-tosignaalin suodattamiseen ennen desimointia on sen suoda- 6 94302 tuskertoimia muutettava vastaavasti, ja kertoimia on yleensä lisättävä, jolloin huononnetaan tarkasteltavaa rajoitusta.

Esillä olevassa keksinnösssä on laitteisto, jolla voidaan lähes kokonaan välttää tämä rajoitus. Tämä ratkaisu on esitetty kuviossa 4, joka esittää integroidun desimoijan sisältävän keksinnön mukaisen suodattimen. Tämä suodatin sisältää, signaalin X(nt) vastaanottavan ja signaalin U(nT) tuottavan, kuvion 2 mukaisen esisuodattimen 5, ja kuten kuvion 3 mukainen desimoija desimointiasteen 8, joka tuottaa signaalin V(nT), jonka jakso on lyhennetty suhteella R. Tätä desi-mointiastetta seuraa stabiloija 9, joka signaalin prosessoinnin näkökulmasta suorittaa signaalille V(nT) saman toiminnon kuin kuvion 2 stabiloija 6 suorittaa signaalille U(nT). Tämän stabiloijan tuottama signaali W(nT') voidaan saattaa oleellisesti yhdenmukaiseksi kuvion 2 signaalin Z(nT') kanssa antamalla suodattimelle 9 sopivat kertoimet. Tällaisten kertoimien määrittäminen on hyvin tunnettua ottamalla huomioon alhaisempi näytteenottotaajuus. Tässä on painotettava sitä, että kuvion 2 rakenteeseen verrattuna toimii tämä stabiloija näytteenottotaajuudella, joka on jaettu R:llä siten, että kerolaskuille jäävä aika annetulle otto-signaalille kerrotaan R:llä, tai muutoin on mahdollista nostaa oton näytteenottotaajuutta vastaavasti. Tämän lisäksi ; tutkimukset osoittavat, että tässä tapauksessa stabiloija voi olla alempaa kertaluokkaa, joka tarkoittaa, että sillä voi olla pienempi lukumäärä kertojia.

Käyttämällä suodatinrakennetta, joka sisältää esisuodatuk-sen prosessoitavalle signaalille ottosignaalin suurella näytteenottotaajuudella, käyttämättä minkäänlaisia suodatti- t mia, jota seuraa pienemmällä näytteenottotaajuudella desi-moinnin jälkeen prosessoiva stabiloija mahdollistaa esillä oleva keksintö molempien ottosignaalin näytteenottotaajuuteen liittyvien rajoitusten välttämisen ja sillä aikaansaadaan myös olennainen säästö stabiloijan piireissä.

Il

Claims (1)

1. 7 94302 Patenttivaatimus: Digitaalinen suodatin digitaalisen signaalin prosessointi-seksi, joka on järjestetty muokkaamaan sellaisen signaalin ja suorittamaan desimoinnin muokatun signaalin muodostamiseksi pienemmällä näytteenottotaajuudella, tunnettu siitä, että tämä suodatin on digitaalinen suodatin integroidulla desimoinnilla käsittäen kaskadikytkettyinä, yksinkertaistetun FIR suodattimen muodossa olevan esisuodattimen (5), joka ei ole järjestetty suorittamaan multi-bitti kerroslas-kuja, sinänsä tunnetun desimointiasteen (8) ja stabiloijän (9), jolloin mainitun stabiloijän ominaisuudet on sovittu huolehtimaan desimoinnin vaikutuksesta, jolle signaali altistetaan, ja jossa ainoastaan stabiloija (9) on järjestetty suorittamaan multi-bitti kerroslaskut. Patentkrav; Digitalt filter för processering av en digital signal, vilket är anordnat att bearbeta en sädan signal och utföra decimering för att ge en bearbetad signal med lägre samp-lingsfrekvens, kännetecknat därav, att detta filter är ett digitalt filter med integrerad decimering omfattande kas-kadkopplat, ett förfilter (5) i form av ett förenklat FIR ' filter, vilket inte är anordnat att utföra multi-bit mul- tiplikationer, ett i och för sig känt decimeringssteg (8) och en stabilator (9), varvid nämnda stabilators egenskaper är anpassade att hälla reda pä decimeringens verkning, för vilken signalen utsätts, och där enbart stabilatorn (9) är anordnad att utföra multi-bit multiplikationerna.