FI96256B - Menetelmä ja järjestely transponoidussa digitaalisessa FIR-suodattimessa binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi tappikertoimilla sekä menetelmä transponoidun digitaalisen suodattimen suunnittelemiseksi - Google Patents

Description

96256

Menetelmä ja järjestely transponoidussa digitaalisessa FIR-suodattimessa binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi tappikertoimilla sekä menetelmä transponoidun digitaalisen suodattimen suunnittelemiseksi 5

Keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestely transponoidussa digitaalisessa FIR-suodattimessa binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi tappikertoimilla, sekä menetelmä tällaisen suodattimen suunnittelemiseksi. 10 Digitaalinen suodatin on ohjelma tai erityisesti suunniteltu elektroninen piiri, joka käsittelee diskreettejä signaalinäytteitä halutun siirtofunktio-operaation suorittamiseksi tälle signaalille. Digitaalisen eli diskreettiaikaisen FIR (Finite Impulse Response) suodattimen 15 Z-siirtofunktio on yleisessä tapauksessa muotoa

Htz) - Ulf § (1) missä H(z) on suodattimen siirtofunktio, Y(z) ja X(z) ovat vastaavasti suodattimen ulostulo- ja sisääntulo, a^ ovat 20 vakiokertoimia eli tappikertoimia ja z”1 on i:n kellojakson viive. FIR-Suodattimen ominaisuudet riippuvat yksinomaan tappikertoimista a^, joten diskreettiaikasuodattimen syntesointi merkitsee näiden kertoimien määrittämistä siten, että suodatin saa halutut ominaisuudet. Kertoimien 25 määrittämistapoja on monia. Yhtälön (1) mukainen ei-rekur-siivinen diskreettiaikasuodatin esitetään yleensä lohko-kaaviona kuvioiden 1 ja 2 mukaisesti. Kuvio 1 esittää ns. suoramuotoisen FIR (Finite Impulse Response)-suodattimen ja kuvio 2 transponoidun FIR-suodattimen. Molemmat disk-30 reettiaikaiset suodattimet toteuttavat yhtälön (1) mukaisen suodatusfunktion, mutta esillä oleva keksintö liittyy kuvion 2 mukaiseen transponoituun FIR-suodattimeen. Kuten 2 96256 kuvioista 1 ja 2 ilmenee, diskreettiaikasuodatin esitetään lohkokaaviona, jossa neliömäiset lohkot 1 suorittavat informaation viivästyksen yhdellä kellojaksolla z-1, kolmiomaiset lohkot 2 esittävät kertolaskuoperaatioita ja 5 ympyrät 3 ovat summaimia.

Kuten edellä todettiin, suodattimen ominaisuudet riippuvat tappikertoimien a^ arvoista. Eräissä tunnetuissa transponoiduissa FIR-suodattimissa käytetään erillistä kertolaskuyksikköä jokaiselle tappikertoimelle. Tämän to-10 teutuksen haittapuolena on sen vaatima suuri määrä kerto-laskuyksiköitä, jotka vaativat integroidulle piirille toteutettuna paljon piiripinta-alaa ja ovat sen vuoksi kalliita. Eräs tunnettu toteutus on sellainen, jossa tappi-kertoimet ovat yksinkertaisia 2:n potenssin summia, eli 15 kertoimet on rajoitettu muotoon 2~a + 2-^ + 2~c. Tällaisen ratkaisun haittapuolena on rajoitukset mahdollisille toteutettaville kertoimille. Nämä rajoitukset voivat olennaisesti hankaloittaa halutun signaalikäsittelyfunktion H(z) toteuttamista.

20 Vielä eräs tunnettu ratkaisu on käyttää nopeaa ker tojaa ja muistia suodattimen toteutukseen. Tällaista ratkaisua on havainnollistettu kuviossa 3, jossa tarvittavat viiveet z~l aikaansaadaan puskuroimalla sisääntulosignaa-lin X(z) arvot RAM-muistiin 41 ennen niiden syöttämistä 25 kertojalle 42, jossa ne kerrotaan lukumuistista (ROM) saatavien valmiiden kertoimien a^ kanssa. Tämän jälkeen ker-tolaskutulokset viedään summaimelle 44, jossa ne summataan suodattimen ulostulon Y(z) kanssa. Tällaisen ratkaisun haittapuolena on nopean kertolaskuyksikön 42 vaatima pin-30 ta-ala. Lisäksi haittapuolina ovat kertolaskuyksikön 42 tehonkulutus ja tietyissä sovelluksissa sen aiheuttamat sähkömagneettiset häiriöt muille piirirakenteille. Lisäksi kertolaskuyksikön rajoitetun nopeuden vuoksi yhdellä ker-tolaskuyksiköllä voidaan kuitenkin toteuttaa vain rajoi-35 tettu määrä kertoimia a^. Monimutkaiset rakenteet vaativat il 3 96256 useita kertolaskuyksiköitä ja monimutkaisen ohjauslogii-kan.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on transponoitu digitaalinen FIR-suodatin, joka voidaan toteuttaa mikro-5 piirille useilla kertoimilla sellaisella tavalla, joka vaatii mikropiiritoteutuksessa olennaisesti vähemmän pii-ripinta-alaa kuin aikaisemmat toteutustekniikat.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on myös suoda-tinrakenne, joka soveltuu suhteellisen korkeille kellotaa-10 juuksille, koska rakenteen nopeus ei riipu tarvittavien kertoimien lukumäärästä.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on edelleen digitaalinen suodatin, joka mahdollistaa mielivaltaisten kertoimien toteuttamisen automaattisesti.

15 Nämä ja muut keksinnön päämäärät ja edut saavute taan menetelmällä transponoidussa digitaalisessa FIR-suo-dattimessa binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi tappikertoimilla, jolle menetelmälle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että kertolaskut suoritetaan käyttäen 20 vähennys- ja/tai yhteenlaskuelementeistä muodostuvaa verkkoa, jossa ainakin yksi elementti osallistuu ainakin kahdella eri tappikertoimella kertomiseen.

Keksinnön toinen piirre on järjestely transponoidussa digitaalisessa FIR-suodattimessa binäärisen sisään-25 tulosignaalin kertomiseksi tappikertoimilla. Järjestelylle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että se käsittää vähiten merkitsevän bitin suuntaan siirtävän ja eniten merkitsevää bittiä kopioivan tai nollalla täyttävän siir-torekisterin, johon suodattimen binäärinen sisääntulosig-30 naali vastaanotetaan ja jolla on ulostulot haluttujen bit-• tipaikkojen sisällön antamiseksi ulostulona, joukon bit- tisarjallisia vähennys- ja yhteenlaskuelementtejä binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi N+l eri tappikertoimella siirtorekisterin ulostulobittejä yhdistelemällä, 35 mainittujen vähennys- ja/tai yhteenlaskuelementtien muo- 4 96256 dostaessa verkon, jossa ainakin yksi vähennys- ja/tai yh-teenlaskuelementti on mukana ainakin kahden eri tappiker-toimen kertolaskuoperaatiossa.

Keksinnön eräs piirre on menetelmä transponoidun 5 digitaalisen suodattimen suunnittelemiseksi, jolle menetelmälle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että määritetään suodattimessa tarvittavat tappikertoimet, suunnitellaan suodattimeen tappikertoimilla kertomisen suorittava vähennys- ja/tai yhteenlaskuelementtien verkko, jossa 10 elementtien lukumäärä minimoidaan tietyt suodattimen suo-ritusarvokriteerit huomioiden siten, että mahdollisimman moni elementti osallistuu useamman kuin yhden eri tappi-kertoimen kertolaskuoperaatioon.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa tap-15 pikertoimet toteutetaan yhdistelemällä 2:n potensseilla jaettuja lukuja bittisarjallisilla yhteen ja/tai vähennys-laskuelementeillä siten, että ainakin osaa yhteen- ja/tai vähennyslaskuelementeistä käytetään useamman kuin yhden kertoimen toteuttamiseen. Kaikki tarvittavat muotoa 2“n 20 olevilla luvuilla kerrotut arvot saadaan keksinnön mukaisesti samanaikaisesti yhdestä siirtorekisteristä. Toisin sanoen tietyllä elementillä muodostettua "osasummaa" tai "osaerotusta" voidaan käyttää yhteen- ja/tai vähennyslas-kuelementtien verkon seuraavalla tasolla samanaikaisesti 25 useiden kertoimien muodostamiseen. Edelleen keksinnön mukaisessa ratkaisussa yhteen- ja vähennyslaskuelementtien käyttö yhdessä kertoimien toteuttamiseen mahdollistaa elementtien (+/- -operaattorien) määrän minimoinnin. Lisäksi on mahdollista minimoida kertoimiin liittyvää pyöristys-30 virhettä "tasapainottamalla" operaattoreita keskenään.

: Keksinnön avulla voidaan bittisarjallisten yhteen- ja vähennyslaskuelementtien verkko optimoida etsimällä tarvittaville kertoimille 2:n potenssien summa ja/tai erotus siten, että tarvittavien laskentaelementtien määrä 35 pienenee huomattavasti tunnettuihin ratkaisuihin verrattu- il 5 96256 na. Esimerkiksi jos vaaditaan 20 bitin kerrointarkkuutta, niin tunnetun tekniikan mukaisella tavalla toteutettuna jokainen kerroin vaatii keskimäärin 10 summainta kerrointa kohden. Keksinnön mukaisella rakenteella on mahdollista 5 toteuttaa kertoimet kolmella yhteen- ja/tai vähennyslas-kuelementillä kerrointa kohden. Samalla tarvittava sar-jaankytkettävien elementtien määrä tyypillisesti pienenee. Keksinnön mukaisella rakenteella voidaan toteuttaa mielivaltaiset kertoimet. Keksinnön etuna on edelleen erittäin 10 pieni looginen syvyys, jolloin maksimitoimintataajuus on erittäin korkea. Integroidulle piirille toteutettuna keksinnön vaatima pinta-ala on alle puolet pinta-alasta, jonka esimerkiksi kuviossa 3 esitetty kertojalla sekä RAM- ja ROM-muisteilla toteutettu suodatin vaatii.

15 Keksintöä selitetään seuraavassa suoritusesimerkki- en avulla viitaten oheiseen piirrokseen, jossa kuvio 1 on lohkokaavio suoramuotoisesta digitaalisesta FIR-suodattimesta, kuvio 2 on lohkokaavio transponoidusta digitaali-20 sesta FIR-suodattimesta, kuvio 3 esittää lohkokaavion tunnetusta digitaalisesta suodattimesta, joka on toteutettu nopealla kertojalla ja muisteilla, kuvio 4 esittää lohkokaavion eräästä keksinnön mu-25 kaisesta digitaalisesta suodattimesta, jossa neljä kerrointa, ja kuvio 5 on bittisarjallisen summainelementin lohko- kaavio.

Nyt viitataan kuvioon 4, jossa on esitetty keksin-30 nön mukaisesti toteutettu 4-kertoiminen transponoitu digi taalinen FIR-suodatin. Suodatin käsittää kolmen suodatin-asteen sarjaankytkennän, jossa kukin suodatinaste käsittää yhden sanan mittaisen (z-1) viivelohkon 58, 59 ja 60 sekä sen jälkeen kytketyn yhteenlaskuelementin 61, 62 ja vas-35 taavasti 63, jolle vastaavan viivelohkon ulostulosignaali 6 96256 syötetään ja jonka ulostulosignaali syötetään seuraavalle viivelohkolle. Viimeisen yhteenlaskuelementin 63 ulostulo muodostaa koko suodattimen ulostulon Y.

Suodattimen binäärinen sisääntulosignaali X syöte-5 tään ensin sarjamuodossa sarja/rinnanmuuntimen 51, josta se kopioidaan sarjamuotoiseen siirtorekisteriin 52. Siir-torekisterin 52 kopioitua lukua voidaan siirtää bitti kerrallaan vähemmän merkitsevän bitin LSB suuntaan. Tällöin siirtorekisteri 52 lisää siirtorekisterin eniten merkitse-10 vään päähän MSB siirtorekisteriin kopioidun luvun X eniten merkitsevää bittiä MSB, mikäli luku X on 2-komplementti-muodossa. Muussa tapauksessa eniten merkitseviksi biteiksi lisätään nollia.

Siirtorekisterissä 52 on ulostulot kaikkien tai 15 haluttujen bittipaikkojen sisällön antamiseksi ulostulona.

Siirtorekisterin 52 valittujen ulostulojen ja sar-jaankytkettyjen suodatinasteiden 58-63 väliin on kytketty yhdistämiselementtien verkko sisääntulosignaalin X kertomiseksi suodattimen tappikertoimilla a^, &2 > a3 3a a4 20 siirtorekisterin 52 ulostulobittejä, ts. 2:n potensseja yhdistelemällä. Verkko muodostuu bittisarjallista aritmetiikkaa käyttävistä bittisarjallisista yhteen- ja vähennys laskuelementeistä, joita on useassa tasossa. Keksinnön perusperiaatteen mukaisesti laskentaelementtien lukumäärä 25 on pyritty minimoimaan suodattimen tietyt suoritusarvokri-teerit huomioiden siten, että samoja laskentaelementtejä käytetään useamman eri tappikertoimen toteutuksessa. Kuvion 5 esimerkkitapauksessa muodostetaan neljä kerrointa käyttäen vain viittä bittisarjallista aritmetiikkaelement-30 tiä 53, 54, 55, 56 ja 57. Esimerkiksi vähennyslaskuelemen-tin 53 sisääntuloina ovat siirtorekisterin 52 bittipaik-kaulostulot 2“® ja 2“^. Vähennyslaskuelementin 53 ulostu-loarvo X-(X/8) muodostaa toisaalta suoraan yhden koko verkon ulostuloarvoista a^x, joka syötetään yhteenlaskuele-35 mentille 63 summattavaksi viivelohkon 60 ulostulon kanssa, il 7 96256 ja toisaalta välituloksen, joka syötetään toiseksi sisääntuloksi yhteenlaskuelementille 54. Yhteenlaskuelementin 54 toinen sisääntulo on siirtorekisterin 52 bittipaikkaulos-tulo 2-5 ja elementin 54 ulostulo muodostaa koko verkon 5 yhden ulostuloarvon a3x, joka syötetään yhteenlaskuelementille 62 summattavaksi viivelohkon 59 ulostulon kanssa. Yhteenlaskuelementin 55 sisääntulot ovat siirtorekisterin 52 2"3 ja 2”5. Yhteenlaskuelementti 55 muodostaa välisum-man, joka syötetään sekä yhteenlaskuelementille 56 että 10 vähennyslaskuelementille 57. Yhteenlaskuelementin 56 toinen sisääntulo on siirtorekisterin 52 bittipaikka 2"10 ja elementin 56 ulostulo muodostaa koko verkon yhden ulostulon a-^x, joka syötetään ensimmäiselle viivelohkolle 58 sarjaankytkennässä. Vähennyslaskuelementin 57 toinen si-

_ Q

15 sääntulo on siirtorekisterin 52 bittipaikkaulostulo 2 ° ja elementin 57 ulostulo muodostaa koko verkon yhden ulostulon a2x, joka syötetään yhteenlaskuelementille 61 summattavaksi viivelohkon 58 ulostulon kanssa. Siten kuvion 4 suodattimessa elementti 53 osallistuu sekä kertoimen a3 20 että kertoimen a4 laskemiseen. Vastaavasti yhteenlaskuelementti 55 osallistuu sekä kertoimen a-[_ että kertoimen a2 toteuttamiseen.

Kuvion 4 mukainen suodatin toimii seuraavasti. Suodattimen diskreettiaikaisen signaalin ensimmäinen binääri -25 nen luku syötetään aluksi sisään sarja/rinnanmuuntimeen 51, josta se kopioidaan sarjamuotoiseen siirtorekisteriin 52 siten, että luvun X vähiten merkitsevä bitti asettuu rekisterin 52 bittipaikkaan 2”°. Sarja/rinnanmuunnin 51 ja siirtorekisteri 52 muodostavat siten eräänlaisen kaksin-30 kertaisen siirtorekisterin, jossa sarja/rinnanmuunnin 51 toimii puskurina, johon edelliseltä signaalinkäsittelyas-teelta tuleva signaali voidaan vastaanottaa sillä aikaa kun siirtorekisterissä 52 olevaa lukua käsitellään keksinnön mukaisella suodattimena. Kun luku X on ladattu siir-35 torekisteriin 52 suoritetaan ensimmäinen laskutoimitus, 8 96256 jolloin suodattimen ulostuloon saadaan luvun Y vähiten merkitsevä bitti. Tämän jälkeen lukua X siirtorekisterissä 52 siirretään yhden bittipaikan verran oikealle eli vähiten merkitsevän bitin LSB suuntaan ja suoritetaan uusi 5 laskutoimitus, jolloin saadaan suodattimen ulostuloon luvun Y seuraava enemmän merkitsevä bitti. Siirtorekisterin 52 siirtämisiä oikealle ja sitä seuraavia laskutoimituksia jatketaan muodostaen suodattimen ulostuloon lukuun Y lisää bittejä, kunnes saavutetaan haluttu tarkkuus. Tämän jäl-10 keen sarja/rinnanmuuntimesta 51 ladataan seuraava luku siirtorekisteriin 52.

Kuviossa 5 on esitetty erään bittisarjallisen sum-mainelementin lohkokaavio. Summainelementti muodostuu 1-bittisestä viive-elementistä 61, joka on esimerkkitapauk-15 sessa toteutettu D-kiikulla, sekä summaimesta 62, joka laskee yhteen kaksi databittiä ja antaa ulos summan ja muistinumerobitin cQut. Kaikki kuvioon 6 piirretyt signaalit ovat yksibittisiä, eli toteutettavissa kukin yhdellä signaalij ohtimellä.

20 Kuvion 5 summainelementti toimii seuraavasti. Sum mattavat luvut tuodaan summaimeen 62 sarjamuodossa vähiten merkitsevä bitti (LSB) ensimmäisen. Kahden bitin a ja b ja muistinumerobitin c^n summauksesta saadaan tulokseksi yksi summabitti sum ja muistinumerobitti cout, joka talletetaan 25 viive-elementtiin 61 seuraavien bittien summausta varten.

Viive-elementti 61 nollataan kahden peräkkäisen n-bittisen luvun summauksen välillä käyttäen nollauslinjan reset.

Bittisarjallinen vähennyslaskuelementti voidaan toteuttaa samalla tavoin. Erona on vain, että summaimen 62 30 sijasta käytetään vähentäjää. Lisäksi viive-elementti 61 asetetaan kahden peräkkäisen n-bittisen luvun vähentämisen välillä arvoon 1.

Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityis-35 kohdiltaan keksinnön mukaiset menetelmät ja suodatin voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteessa.

Claims (5)

1. 9 96256
2. 1. Menetelmä transponoidussa digitaalisessa FIR-suodattimessa binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi 5 tappikertoimilla, tunnettu siitä, että kertolaskut suoritetaan käyttäen bittisarjallisista vähennys- ja/tai yhteenlaskuelementeistä muodostuvaa verkkoa, jossa ainakin yksi elementti osallistuu ainakin kahdella eri tappikertoimella kertomiseen. 10 2. Järjestely transponoidussa digitaalisessa FIR- suodattimessa binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi tappikertoimilla (a^, a2, &2· a4)t tunnettu siitä, että järjestely käsittää vähiten merkitsevän bitin suuntaan siirtävän ja 15 eniten merkitsevää bittiä kopioivan tai nollalla täyttävän siirtorekisterin (51, 52), johon suodattimen binäärinen sisääntulosignaali vastaanotetaan ja jolla on ulostulot haluttujen bittipaikkojen sisällön antamiseksi ulostulona, joukon bittisarjallisia vähennys- ja yhteenlasku-20 elementtejä (53-57) binäärisen sisääntulosignaalin kertomiseksi N+l eri tappikertoimella siirtorekisterin (51, 52) ulostulobittejä yhdistelemällä, mainittujen vähennys-ja/tai yhteenlaskuelementtien muodostaessa verkon, jossa ainakin yksi vähennys- ja/tai yhteenlaskuelementti on mu-25 kana ainakin kahden eri tappikertoimen kertolaskuoperaa-tiossa.
3. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että siirtorekisteri on kaksiosainen siirtorekisteri (51, 52).
4. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että siirtorekisterin ensimmäinen osa on puskurina toimiva rinnan/sarjamuunnin (51), johon vastaanotettu luku ladataan rinnakkaismuodossa siirtorekisterin toiseen osaan (52).
5. 5. Menetelmä transponoidun digitaalisen suodattimen 10 96256 suunnittelemiseksi/ jossa menetelmässä määritetään suodat-timessa tarvittavat tappikertoimet, tunnettu siitä, että suunnitellaan suodattimeen tappikertoimilla kertomisen suorittava bittisarjallisten vähennys- ja/tai yh-5 teenlaskuelementtien verkko, jossa elementtien lukumäärä minimoidaan tietyt suodattimen suoritusarvokriteerit huomioiden siten, että mahdollisimman moni elementti osallistuu useamman kuin yhden eri tappikertoimen kertolaskuope-raatioon. li 11 96256