NL192417C - Digitale signaalverwerkingseenheid werkend met continue bitstromen. - Google Patents

Description

1 192(17

Digitale signaalverwerklngseenheld werkend met continue bttstromen

De uitvinding heeft betrekking op een eenheid voor het uitvoeren van een digitale filteibewerking op continue bitreeksen, die lineaire digitale voorstellingen zijn van analoge signalen, bestaande uit een 5 cascadeschakeling van afzonderlijke filtersecties, waaibij elke filtersectie een ingang voor bitreeksen vanaf een voorgaande sectie en een uitgang voor bitreeksen met dezelfde datasnelheid naar de volgende sectie heeft.

Een eenheid van de hiervoor genoemde soort is een algemeen uit de praktijk bekende eenheid op het gebied van digitaal filteren met toepassing van een reeks filtersecties en waarbij analoge signalen 10 voorgesteld worden door bttstromen. De bekende eenheid heeft als bezwaar dat er tot op heden geen eenvoudige en praktische weikwijze was voor het direct op dergelijke bttstromen toepassen van digitale signaalverwerking. De gebruikelijke werkwijze was om een bitstroom door middel van een op-neeitetter om te zetten in digitale woorden en om vervolgens een bekende digitale signaalverwerking met een reeks vermenigvuldigingen en optellingen toe te passen. Als gevolg van de meestal hoge bemonsteringssnelheid 15 vereist deze werkwijze een zeer snelle berekening. Daarom wordt het op deze wijze digitaal filteren meestal in stappen uitgevoerd: in een eerste stap worden de hoogfrequentoomponenten van het signaal verwijderd. Vervolgens wordt een bepaald aantal nieuwe monsteiwaarden verwijderd (het signaal wordt met een lagere bemonsteringssnelheid opnieuw bemonsterd). Daardoor zal de ingangsdatasnelheid naar de volgende filterstap kleiner zijn, waardoor een kleiner rekenvermogen nodig is. Wanneer nodig kan een dergetjjke 20 stapsgewijze herbemonstering over een aantal stappen uitgevoerd worden. Een dergelijke fitterwerfcwijze is ingewikkeld en het ontwerpen van een filter bestaande uit afzonderiijke secties met bepaalde eisen voor elke stap kan ongewenste beperkingen en verbindende flexibiliteit wat betreft het filterontwerp inhouden.

De uitvinding beoogt de bezwaren van de bekende eenheid op te heffen. Daartoe heeft de eenheid van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding als kenmerk dat elke filtersectie voorzien is van: 25 - ten minste één integratie- en vermenigvuldigingsmoduul, dat een bitreeks levert die gelijk is aan de integraal van een ingangsbitreeks vermenigvuldigd met een te kiezen constante; - ten minste één omkeringsmoduul, dat een bitstroom levert die gelijk is aan een ingangsbitstroom vermenigvuldigd met -1; - ten minste één optelmoduul, dat een bitstroom levert die gelijk is aan de som van twee ingangsbitstremen; 30 waarbij het uitgangssignaal afkomstig van deze drie modulen tevens bestaan uit bitreeksen met dezelfde bitsnelheid als de ingangsbitreeksen, en waarbij de modulen zodanig verbonden zijn dat: a) zij een eerste orde filtersectie vormen doordat de ingangsbitreeks aan een ingang van het optelmoduul geleverd wordt en de uitgangsbitreeks van een optelmoduul aan een ingang van het integratie- en vermenigvuldigingsmoduul geleverd wordt waarvan de uitgangsreeks via het omkeermoduul aan de andere 35 ingang van het optelmoduul geleverd wordt; b) of de modulen verbonden zijn voor het vormen van een tweede orde filter doordat de ingangsbitreeks aan een ingang van een eerste optelmoduul geleverd wordt waarvan de uitgangsreeks aan de ingang van een tweede optelmoduul geleverd wordt, de uitgangsbitreeks van deze laatste aan de ingang van een eerste integratie- en vermenigvuldigingsmoduul geleverd wordt waarvan de uitgangsreeks aan de ingang 40 van een tweede integratie- en vermenigvuldigingsmoduul geleverd wordt, en de uitgangsreeks van de twee integratie- en vermenigvuldigingsmodulen afzonderlijk, via de omkeermodulen aan een andere ingang van elk van de twee optelmodulen geleverd worden.

Dtt maakt het ontwerpen van filters zeer gemakkelijk en eenvoudig, terwijl grote zorg aan de oorspronkelijke signaalresolutie door de diverse filtersecties heen als gevolg van het feit dat de bemonsteringssneVieid 45 in alle secties constant gehouden wordt. De filtersecties werken ook op een exacte basis. Bekende digitale filters kennen het probleem van afrondingsfouten van vermenigvuldigingen en optellingen, hetgeen tot filterruis leidt.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de figuren. In de figuren toont: 50 figuur 1 een voorbeeld van een dettamodulator; figuur 2 een bitstroomintegrator met parallelle uitvoer; figuur 3 een bitstroomintegrator en vermenigvuldiger met een bitstroomuitvoer; figuur 4 een bitstroom tweedelerketen; figuur 5 een bitstroomomkeerder; 55 figuur 6 een bitstroomopteller; figuren 7a en 7b de eerste respectievelijk de tweede orde filtersectie; figuur 7c een schematisch voorbeeld van een bekend IIR-filter met een bitstroominvoer; 192417 2 figuur 8 een pulsopteller; en figuur 9 de uitgangstrap volgens de uitvinding.

Een eenheid volgens de uitvinding is goed geschikt voor het verwezenlijken van IIR-filters ("Infinite Impulse 5 Response filters”), die ook recursieve filters genoemd worden. De eenheid bestaat uit een serieschakeling van filtersecties.

Een belangrijke en kenmerkende eigenschap van een dergelijke filtersectie is, dat het direct op continue bitstromen werkt, wat betekent dat zowel ingangs· als uitgangssignalen van de filtersectie als continue bitstromen optreden.

10 Een continue bitstroom is in principe een ononderbroken stroom van afzonderlijke signalen, die ook voorgesteld worden door het getal 0 of het getal 1. Fysisch kan een dergelijke bitstroom verzonden worden als een spanning over een paar geleiders, waarbij bijvoorbeeld 0 V het getal 0 kan voorstellen en bijvoorbeeld 5 V het getal 1 kan voorstellen.

Een eenheid volgens de uitvinding is bestemd om te werken op bepaalde soorten continue bitstromen, te 15 weten bitstromen die lineaire digitale voorstellingen van analoge signalen zijn.

Een bekende wijze van digitalisatie van analoge signalen bestaat uit het meten (of bemonsteren) van het slgnaatmereeirbepaatderegetmatigesnelheid (bemonsteringstijd) en elk monster als een digitaatlttoórct met een bepaald aantal bits voor te stellen. Op deze wijze wordt het analoge signaal in een continue stroom van digitale woorden omgezet.

20 Een bezwaar van deze werkwijze is, dat fouten (’’aliasing”) optreden wanneer het analoge signaal frequentiecomponenten bevat die hoger zijn dan de Nyquist-frequentie die gelijk is aan de halve bemon-steringsfrequentie. Ter vermijding van zodanige aliasing kan elk van twee verschillende werkwijzen gebruikt worden: - Het analoge signaal kan zodanig gefilterd worden, dat de ongewenste frequentiecomponenten vooraf-25 gaand aan bemonstering en digitalisering verwijderd worden. Deze werkwijze blijkt vaak duur te zijn omdat afzonderlijke fijnafstemming van de filters nodig kan zijn, vooral wanneer een hoge mate van nauwkeurigheid gevraagd wordt.

- De analoge signalen kunnen als een eerste trap bemonsterd en gedigitaliseerd worden met een verhoogde en voldoend hoge bemonsteringssnelheid. De ongewenste frequentiecomponenten kunnen dan 30 door middel van digitaal filteren verwijderd worden, en daarna kan een bepaald aantal van de nieuwe monsterwaarden verwijderd worden, zodat de overblijvende waarden een digitale voorstelling voimen met een kleinere (en bij voorkeur gewenste) bemonsteringssnelheid. Deze werkwijze vereist snelle elektronische ketens en is daardoor duur en heeft een hoge vermogensopname.

Uit het voorgaande blijkt dat beide werkwijzen bezwaren hebben.

35 Er bestaat ook een derde werkwijze, deltamodulatie genoemd, die niet zo bekend is als de twee andere, maar niettemin een gebruikte techniek is. Een deltamodulator is een digitaliseringseenheid die een continu analoog signaal in een continue bitstroom omzet. Figuur 1 toont de principes van een deltamodutator.

Het inkomende analoge signaal Ui wordt in een spanningsvetgelijker vergeleken met een intem referentiesignaal Ur. Wanneer Ui groter is dan de referentie Ur levert de vergelijker een 1 en anders een 0. 40 Deze stroom enen en nullen wordt regelmatig met een bepaalde kloksnelheid F via een D-kiepketen naar de uitgang van de deltamodulator gebufferd. De uitvoerbitstroom wordt ook intem gebruikt om de telstand van een teller bij te werken die bij ”1” optelt en bij ”0” aftelt. De parallelle uitvoer van deze teller wordt in een digitaal-analoog (D/A-)omzetter omgezet in het analoge referentiesignaal Ur.

Tijdens normale werking, en mits de kloksnelheid F voldoende hoog is, zal de interne referentiespanning 45 Ur steeds en met kleine stappen het ingangssignaal Ui volgen. De op-neertelier zal steeds een digitale voorstelling van het signaal bevatten, en de uitgevoerde bitstroom kan over een enkel paar draden naar een op afstand gebrachte op-neerteller en een D/A-omzetter verzonden worden voor reproductie van het analoge signaal.

In beperkte mate wordt deltamodulatie in telefoonstelsels gebruikt. Hierbij wordt het spraaksignaal 50 omgezet in een bitstroom die naar de zich op afstand bevindende abonnee verzonden wordt en dat in een spraaksignaal terug omgezet wordt. Twee belangrijke voordelen bij deltamodulatie zijn, dat het digitale signaal direct over een enkel paar draden verzonden kan worden, en dat de deltamodulator zelf een eenvoudige goedkope eenheid is die gemakkelijk kan werken met een kloksnelheid die voldoende hoog is om het hiervoor genoemde ”aliasing”probleem te vermijden.

55 Daarom vormen bitstromen als voorstellingen van analoge signalen een aantrekkelijk alternatief voor de bekende voorstellingen door middel van ’’digitale woorden”. Zoals in de inleiding aangegeven bestaat er tot op heden echter geen eenvoudige en praktische werkwijze voor het direct op detgeiijke bitstromen 3 192417 toepassing van digitale signaalverwerking. De uitvinding geeft hiervoor een oplossing.

Er zal een aantal nieuwe eenheden volgens de uitvinding toegelicht worden, die uitgevoerd kunnen zijn als filtersecties en die in serie verbonden kunnen zijn om complete digitale filters te vormen. De invoer en uitvoer naar elke filtersectie worden gevormd door bitstiomen met gelijke bitsnelheden. Er wordt ook een 5 uitvoersectie toegelicht waarvan het gefilterde signaal in de vorm van een bitstroom of in de vorm van bekende hermonsterde digitale woorden afgenomen kan worden.

Er zal nu eerst een kenmerkende functie gegeven worden die een continue bitstroom beschrijft. Er wordt aangenomen, dat de kioksnelheid F van de bitstroom zo hoog is, dat beschrijving van de eigenschappen ervan het beste statistisch kan plaatsvinden. De waarschijnlijkheidsfunctie p(t) zal daarom gedefinieerd 10 worden als de waarschijnlijkheid dat een ’Ί” in de bitstroom op een tijdstip t optreedt. Een bitstroom bestaande uit afwisselende enen en nullen zal daarom een waarschijnlijkheidsfunctie p(t) = 0,5 voor alle waarden van t hebben.

Als volgende stap wordt de amplitudefunctie a(t) van een bitstroom gedefinieerd als: a(t) = 2 p(t) - 1.

15 De amplitudefunctie a(t) zal daardoor op alle tijdstippen een waarde tussen -1 en 1 hebben. Een bitstroom van afwisselende enen en nullen zal een amplitudefunctie a(t) = 0 voor alle waarden van t -------------hebbetr----------------

Met deze amplitudedefinitie van een bitstroom kan nu aangetoond worden dat de bitstroom afkomstig van een deltamodulator van figuur 1 een amplitude heeft die evenredig is met de eerste afgeleide van het 20 ingangssignaal Ui. De op-neerteller van figuur 1 werkt als een integrator voor de bitstroom: het behoudt haar waarde met een ingangsamplitude 0 (het telt afwisselend op en neer), het telt monotoon opwaarts met een constante positieve ingangsamplitude (b.v. een bitstroom met allemaal enen) en het telt monotoon neer met een constante negatieve ingangsamplitude (b.v. een bitstroom met allemaal nullen). En omdat de uitvoer van de op-neerteller evenredig is met het analoge ingangssignaal Ui, moet de invoer naar de teller 25 en daardoor de bitstroom evenredig met de afgeleide van Ui zijn.

Daarom, als getoond in figuur 2, kan een op-neerteller gebruikt worden als een integrator voor bit-stromen. Deze integrator heeft een parallelle uitgang. Wat het eerste als bouwsteen in bitstroomfilters gezocht zal worden is een integrator waarvan zowel het uitgangssignaal als het ingangssignaal in de vorm van bitstromen zijn.

30 Een dergelijke signaalintegrator is getoond in figuur 3. De eenheid heeft een signaalintegratiefunctie en bovendien een vermenigvuldigingsfunctie. Het vormt een belangrijke bouwsteen van de nieuwe bitstroomfilters en kan als volgt toegelicht worden: het register K registreert de vermenigvuldigingsconstante van het vermenigvuldigingsdeel. Een geschikt binair getal wordt tijdens het opzetten van het filter in dit register geladen. De uitvoer van het K-register is afhankelijk van het signaal "vrijgeven K” ”K” of ”0”. Het verschil 35 tussen de tellemitvoer en de uitvoer van het K-register wordt geaccumuleerd en in de accumulator opgeslagen. De uitvoerbitstnoom wordt afgenomen van het meest significante bit (MSB) van de accumulator, welk bit als een terugkoppelbesturingssignaal "vrijgeven K” geleverd wordt.

Deze "vrijgeven K” terugkoppeling heeft tot gevolg dat het getal K van de accumulator afgetrokken wordt zodra het meest significante bit ervan gezet is, waardoor de accumulator nooit zal overstromen. Hierdoor 40 heeft de invoer naar de accumulator, na een inlooptijd, een gemiddelde van exact 0. Wanneer de teller-uitvoer l(t) is en de uitgangsbitstroom een waarschijnlijkheidsfunctie p(t) heeft, wordt de volgende vergelijking verkregen: l(t)-p(t).K = 0 of:

45 p(t) = l(t)/K

en de amplitudefunctie: a(t) = 2.l(t)/K - 1 = (l(t) - K/2).2/K.

Dit geeft aan, dat de eenheid van figuur 3 een bitstroom levert met een amplitudefunctie die evenredig is met de integraal l(t) van de ingangsbitstroom (de constante K/2 is hierbij niet essentieel), en dat de 50 vermenigvuldigingsfactor 2/K is.

Met betrekking tot de hiervoor gedane uitspraak dat de terugkoppeling met "vrijgeven K” overstroming in de accumulator vermijdt, moet een voorbehoud gemaakt worden. In geval van verzadiging, d.w.z. dat wanneer de uitvoerbitstroom een amplitudefunctie 1 of -1 bereikt, zal de terugkoppeling onvoldoende zijn om overstroming te vermijden. Net als alle andere signaalverwerkingseenheden zal het stelsel daarom zo 55 gedimensioneerd moeten worden dat verzadiging vermeden wordt.

Een dergelijke dimensionering van het stelsel kan verzorgd worden door het beperken van de amplitude van de ingangsbitstroom, door beperking van het bereik van de ingangsspanning Ui naar de deltamodulator, 192417 4 of door gebruik van een digitale bouwsteen, zoals hierna toegelicht, die een deling van de bitstroom-amplitude door 2 verzorgt.

Een dergelijke "tweedelerbiok” kan een invoerwaarschijnlijkheidsfunctie n(t) en een uitvoerwaarschijnlijk-heidsfunctie q(t) hebben. Het vereiste dat de amplitudefunctie door 2 gedeeld wordt impliceert: 5 2q -1 = (2n-1)/2 q = n/2 + 1/4.

Hieruit volgt, dat de eigenlijke werking van het blok verkregen wordt door verwijdering van elke tweede ”1" in de bitst room, en daarna elke vierde klokperiode toevoegen van een ”1”. Een dergelijke keten is in figuur 4 getoond. De J-K-kiepketen is ingericht als een "wisselkiepketen” (de uitgang Q wisselt van 1 naar 0 10 of van 0 naar 1 bij elke 1 in de bitstroom) en samen met de eerste EN-poort verwijdert dit deel van de keten elke tweede ”1 ” uit de bitstroom. De ”4-teller" en de ermee verbonden OF-poort voegt elke vierde klokperiode een ”1” in, en wanneer door deze menging twee enen samenvallen leveren de D-kiepketen en de laatste OF-poort het bit ema (dat steeds een ”0” is) omgezet in een ”1”.

De hierboven toegelicht ”twee-deler”keten is in de toelichting slechts als voorbeeld opgenomen om aan 15 te geven hoe verzadiging vermeden kan worden en vormt geen essentieel onderdeel van de uitvinding en is daarom niet in de conclusies opgenomen.

die de amplitude van een bitstroom met -1 vermenigvuldigt en het wordt, als getoond in figuur 5 eenvoudig gevormd door een logische omkeerder. Als bewijs daarvan wordt een eerste amplitudefunctie van de 20 invoerbitstroom a(t) = 2p(t) - 1 gedefinieerd. De uitvoerbitstroom moet een amplitude hebben van: ~ (2 P(t) -1) = 1-2 p(t) = 2- 2p(t)-1 = 2(1-p(t))-1.

Hieruit volgt, dat de uitvoerbitstroom een waarschijnlijkheidsfunctie 1 - p(t) moet hebben, welke functie 25 de omgekeerde van de invoerbitstroom is.

De volgende toe te lichten bouwsteen is een eenheid die geschikt is voor het optellen van twee bitstromen en voor het opwekken van een derde bitstroom met een amplitude die gelijk is aan de som van de twee ingangsamplituden. Er wordt aangenomen, dat de invoerbitstromen waarschijnlijkheidsfuncties n(t) en m(t) hebben en dat de uitvoerbitstroom een waarschijnlijkheidsfunctie q(t) heeft. Als vereiste geldt dan: 30 (2n - 1) + (2m -1) = 2 q -1 waardoor. q = n + m - 1/2.

De keten voor deze functie wordt verwezenlijkt met een intem geheugen dat zorg draagt voor een ’’transpoitsignaal” ("carry”) van voorgaande klokperioden. Het blijkt, dat wanneer de ingangssignalen op beide ingangslijnen ”1” zijn, het uitgangsbit ideaal ”1,5” moest zijn. In plaats daarvan wordt gezorgd dat de 35 keten een ”1” uitvoert en tegelijk een overdrachtsteller verhoogd wordt voor het voorstellen van de overdracht van ”0,5”. Wanneer beide ingangslijnen op een ander tijdstip ”0” zijn, moet het uitvoeibit ideaal ”0,5” zijn. Dan wordt gezorgd dat de keten ”0” levert en tegelijk de overdrachtsteller aftelt voor het voorstellen van een overdracht van ”-0,5”. Wanneer, op een derde tijdstip de ingangslijnen ingangsbit ”1” en ”0” hebben, moet het uitgangsbit ideaal ”0,5” zijn. Dan wordt aan de overdrachtsteller overgelaten welk 40 signaal uitgevoerd moet worden: Wanneer het meest significante Ut van de overdrachtsteller gezet is, wordt een ”1” uitgevoerd en wordt de teller verlaagd, en wanneer het meest significante bit niet gezet is, wordt een ”0” uitgevoerd en wordt de overdrachtsteller verhoogd.

De verwezenlijking van een dergelijk bitstroomoptellingsblok is in figuur 6 getoond en werkt op de hierboven toegelichte wijze.

45 Deze drie basisbouwstenen, de integrator-vermenigvuldiger, de omkeerder en de opteUer zijn voldoende voor het ontwerpen van een zeer breed gebied van IIR-filters die direct op continue bitstromen werken.

Bij het ontwerpen van een analoogfiiter of van een digitaal IIR-fitter is de normale procedure om te beginnen met een keuze van de polen en nulpunten in de overdrachtsfunctie. Daarna kan de Laplace-transformatie van de overdrachtsfunctie direct op een productvorm geschreven worden. Daarna kunnen 50 analoge filters op een tamelijk rechtstreekse wijze ontworpen worden door het in serie verbinden van eerste en tweede orde filtersecties. In het geval van bekende digitale IIR-filters moet de ontwerper een wiskundige transformatie van de Laplace-overdrachtsfunctie in het ”s-v!ak” naar een Z-transformatie in het ”Z-vlak” uitvoeren en moet hij uit deze transformatie het ffiter ontwerpen.

Bij het ontwerpen van een bitstroomfilter met de drie toegelichte bouwstenen kan het filter op eenvoudige 55 wijze, net als bij analoge filters direct uit de Laplace-transfomiatie ontworpen worden.

Dit is voorgesteld in de figuren 7a en 7b, die een algemene eerste orde bitstroomfiltersectie respectievelijk een algemene tweede orde bitstroomfiltersectie samen met hun Laplace-transformaties tonen. Zoals in 5 192417 de figuren te zien is zijn de filtersecties verwezenlijkt door exclusief gebruik van integrators (l/s) met vermenigvuldiging (K), omkeerders (-1) en opteller (+1). Door het in serie koppelen en combineren van dergelijke filtersecties kan een onbeperkt aantal polen en nulpunten verwezenlijkt worden.

Ter vergelijking toont figuur 7c hoe een bitstroomfilter ontworpen zou kunnen zijn bij toepassing van de 5 bekende IIR-filtertechniek. De invoerbitstroom gaat eerst een op-neerteller binnen, die het signaal in parallelle vorm opzet. Daarna gaan de data-woorden door een serie vermenigvuldigers en optellers voordat het gefilterde signaal in parallelle vorm uitgevoerd wordt.

Het duidelijkste verschil tussen de twee technieken is waarschijnlijk dat de nieuwe techniek een architectuur verschaft die zeer goed geschikt is voor toepassingsgerichte verwerking (een enkel 10 toepassingsgericht verwerkingselement voor elke uit te voeren wiskundige bewerking), daar de tussen-verbinding tussen de verwerkingselementen uit een enkele lijn in plaats van een brede bus bestaat. Enkele lijnen worden gemakkelijk geschakeld door ’’programmatisch bestuurde” (’’zacht bestuurde”) vaste-stofschakelaars, zodat veranderingen in filterrangschikking of interne omleiding van signalen zonder verandering van fysische elementen (’’hardware”) kan plaatsvinden.

15 Een ander voordeel is de zeer eenvoudige tijdsregeling; door het gehele stelsel wordt een enkel gelijksignaal gebruikt.

--------- —Bijhetnteuwe^bitstroomconceptzijndesnelhefdsveretstemsok'meergematigdrHetbitstroomfilter vereist één optelling per bemonsteringsperiode, terwijl een bekend IIR-filter de uitvoering van ten minste één vermenigvuldiging per bemonsteringsperiode vereist.

20 Een ander voordeel van het nieuwe bitstroomfilterconcept is, dat alle berekeningen op een exacte basis plaatsvinden. D.w.z., dat bij de berekeningen geen afrondingen gemaakt worden, daar alle soorten "transporten” geaccumuleerd worden en meegenomen worden en niets verforen raakt, in het geval van een bekend IIR-filter leidt elke vermenigvuldiging tot een productterm met een breedte die 2 x de breedte van de invoer is. Het product moet daarom afgerond (afgekapt) worden, waardoor de minst significante bit voor 25 altijd verloren raken, waardoor filterruis optreedt.

In verband met de snelheidsvereisten van een bekend IIR-filter, wordt een dergelijk filter vaak ontworpen met stapsgewijze herbemonstering, d.w.z., dat de bemonsteringssnelheid gaande door de verschillende secties van het filter stapsgewijs verkleind wordt.

Op deze wijze is de strengste snelheidseis slechts van toepassing voor de eerste filtersectie. Bij deze 30 werkwijze kan echter een groot gedeelte van de signaalresolutie verloren raken. Dit is een gevolg van het feit dat een heibemonstering in principe het proces omvat van het opwekken van een nieuw stel bemon-steringswaarden, die elk het gemiddelde zijn van een aantal oudere bemonsteringswaarden. Een dergelijke middeling vergroot de resolutie in elke bemonsteringswaarde maar het aantal bemonsteringswaarden wordt kleinér. Daarom, wanneer de databreedte niet voldoende groter gemaakt wordt door een herbemonstering, 35 wordt signaalresolutie verloren. Dit is vaak het geval bij dergeiijke herbemonsteringen, daar, wanneer de breedte goed toegenomen zou zijn, de snelheidseis na de herbemonstering bijna dezelfde als daarvoor geweest zou zijn en zeer weinig bereikt zou zijn.

Het feit dat het nieuwe bitstroomfilter gebaseerd is op een constante bemonsteringssnelheid door alle filtersecties vormt een zeer goede garantie voor dat de signaalresolutie goed verzorgd wordt.

40 De conclusie is daarom, dat het nieuwe bitstroomfilterconcept in veel toepassingen voordelen biedt, in hoofdzaak met betrekking tot de nauwkeurigheid en een gunstige en flexibele architectuur.

Later zal een universele uitvoer toegelicht worden die geschikt is om continue bitstromen om te zetten in herbemonsterde digitale woorden met aanmerkelijk verbeterde resolutie in vergelijking met de eenheidsstap, d.w.z. een resolutie die zo laag is als fracties van een stap corresponderend met een bit in de bitstroom.

45 Voordat een dergelijke uitgangstrap echter toegelicht wordt, zal een extra bouwsteen toegelicht worden die aan een bistroomfilter toegevoegd moet worden om te verzekeren dat ook de filterruiscomponenten tot fracties van een eenheidsstap veikleind worden.

Het is waar dat een tot hier toegeiicht bitstroomfilter geen afkappingsfouten heeft, maar dit betekent niet dat filterruis geheel vermeden wordt. Computersimulaties tonen aan dat er nog steeds mismechanismen 50 aanwezig zijn, maar ook dat deze effectief onderdrukt kunnen worden. Hierna volgt een toelichting over de wijze waarop de onderdrukking plaatsvindt.

Een voor de hand liggende component van de filterruis bij de uitvinding stamt van de rimpel als gevolg van de afwisselende ”0” en ”1” in de bitstroom. Deze rimpel heeft echter een zeer hoge frequentie en kan gemakkelijk in een digitale uitgangstrap uitgefilterd worden.

55 Er is echter ook een lastiger miscomponent. Ter demonstratie van dit mismechanisme wordt teruggekeerd naar de vergelijking van een bitstroomintegrator (zie boven) te weten: l(t) - P(t) = 0.

192417 6

Er is gesteld, dat de gemiddelde invoer naar de accumulator exact O moest zijn, zodat de bovengenoemde vergelijking geschreven kon worden. Wanneer echter slechts een begrensd tijdinterval van n klokperioden beschouwd wordt, wordt de volgende vergelijking verkregen: nl(t) - n p(t) K = C

5 Hierin is C een constante die van 0 kan verschillen. Zoals gezegd zal er in de accumulator van figuur 3 nooit een overstroming plaats vinden doordat de "vrijgeven K” terugkoppeling het getal K aftrekt wanneer de accumulator half gevuld is (MSB gezet). De accumulator heeft daarom een minimumwaarde van MSB -K. Er is ook gezegd, dat, wanneer de verzadigingstoestand niet aanwezig is "vrijgeven IC’ voldoende is om de MSB weer terug te zetten, waardoor MSB + K de maximale inhoud van de accumulator is. In boven-10 staande vergelijking is C de verandering van de accumulatorinhoud over n klokperioden, en uit het voorgaande is nu bekend, dat C steeds tussen -2K en 2K zal liggen. Wanneer dit in de bovenstaande vergelijking verwerkt wordt en voor p(t) opgelost wordt ontstaat: p(t) = I (t)/K± 2/n.

De conclusie hieruit is: over n klokperioden is de maximale uitvoerfout (of ruis) in de waarschijnlijkheid-15 functie ± 2/n. Of op een andere manier: onafhankelijk van het aantal klokperioden n is de maximale uitvoerfout ± 2 pulsen.

ruismechanisme moet zijn die met een fout van ± 1 puls bijdraagt.

De aard van dit mechanisme is tamelijk voor de hand liggend wanneer zeer zwakke signalen beschouwd 20 worden, d.w.z. bitstromen bestaande uit lange reeksen van afwisselend ”0” en ”1”, die slechts onregelmatig onderbroken worden door een dubbele ”1” of een ”0”. Wanneer b.v. aangenomen wordt dat de integrator van figuur 3 een dergelijk lange reeks van afwisselend ”0” en ”1” en dan een dubbele ”1" uitvoert, treedt de dubbele ”1” op als een plotseling resultaat van een langzame toename in de accumulator. Juist voor de dubbele ”1” uitvoer verborg de accumulator een signaalfractie die bijna gelijk aan een eenheidsstap was.

25 Hieruit kan de volgende zeer belangrijke conclusie getrokken worden: de ruis heeft een frequentie-inhoud die direct gegeven wordt door de scheiding van de dubbele "enen” of de dubbele "nullen" in de bitstroom. Door het injecteren van extra "enen" in de ingangsbitstroom en het daarbij veranderen van de "gelijkstroom-verschuiving” kan direct de frequentie-inhoud van de ruis bestuurd worden. Wanneer deze werkwijze gebruikt wordt voor het verplaatsen van de mis naar een frequentie boven de van belangzijnde signaal-30 frequenties kan de mis in de uitgangstrap samen met de rimpelmis uitgefilterd worden.

Daarom, wanneer het laagst mogelijke misniveau van het bitstroomfilter geëist wordt, moet een in figuur 8 getoonde bouwsteen toegevoegd worden. De bouwsteen wordt een pulsopteller genoemd en ontvangt een invoerbitstroom en levert een uitvoerbitstroom en ontvangt tevens een pulsinvoer van een pulsgenerator die elke n klokperioden een puls levert, waarbij n in overeenstemming met de voorkeurstoepassing gekozen 35 kan worden. Bij elke puls op de pulsingangslijn mengt de pulsopteller een ”1” in de bitstroom. Wanneer de bitstroom op dat tijdstip reeds een ”1” heeft, wordt de eerstvolgende ”0” in een ”1” omgezet.

Een detgelijke pulsopteller moet direct voorafgaand aan het integratorblok aangebracht zijn. Computersimulaties en praktijkproeven geven aan, dat op deze wijze het misniveau verkleind kan worden tot twee orden van grootte, of 40 dB, beneden de eenheidsstap.

40 Hierna zal de uitgangstrap toegelicht worden. De functie van deze trap is het integreren van de bitstroom, die evenredig is met de afgeleide van het oorspronkelijke ingangssignaal Ui. De uitgangstrap moet ook de hoogfrequentmiscomponenten van het signaal uitfilteren en herbemonsterde digitale woorden leveren met een aanmerkelijk betere resolutie dan de eenheidsstap. Tenslotte verwijdert de uitgangstrap gelijkstroomverschuiving uit het signaal, in verband waarmee zowel een hoog dooriaatfiltersectie als een 45 laag dooriaatfiltersectie aangebracht is.

Figuur 9 toont de uitgangstrap. De uitgangstrap bestaat uit een tweede bitstroomfiltersectie, die gerangschikt is als banddooriaatfilter en die hierna toegelicht zal worden.

Het bovenste gedeelte van de uitgangstrap is een laagdooriaatdeel. Het heeft een afsnijfrequentie juist boven de van belangzijnde signaalfrequentieband en zal daardoor mis met hogere frequenties uitfflteren. De 50 uitvoer van deze filtersectie is niet alleen het meest significante bit van de accumulator, maar de gehele breedte van de accumulator wordt als een parallelle uitvoer genomen. In de accumulator wordt daarom geen informatie "verborgen” zoals het geval was bij de eerder toegelichte filtersecties. Wanneer de accumulator langzaam accumuleert voor een dubbele ”1” uitvoer, wordt alles voortdurend bewaakt via de parallelle uitvoer.

55 De bitstroomuitvoer van het bovenste filterdeel, d.w.z. het MSB, wordt ook als invoer naar het onderste filterdeel, dat het hoogdoorlaatdeel is, genomen. Het heeft een afsnijfrequentie beneden de van belangzijnde signaalband, en het hoofddoel van dit deel is het verwijderen van de gelijkstroomverschuiving. De

Claims (6)

7 192417 op-neerteller van dit filterdeel wordt echter ook apart als integrator voor de bitstroom uit het bovenste filterdeel gebruikt, waardoor de breedte van het parallelle uitvoeiwoord aanmerkelijk veigroot wordt. Samenvattend: de uitvoertrap is een tweede orde banddoorlaatbitstroomfilter. De met een banddooriaat gefilterde bitstroomuitvoer is het MSB uit de bovenste accumulator van figuur 9. De uitvoeibitstroom wordt 5 geïntegreerd in de onderste op-neerteller voor het leveren van een met een banddooriaat gefilterde en geïntegreerde parallelle uitvoer, die het meest significante deel van het parallelle uitvoerwoord vormt. Ter verhoging van de uitvoerresolutie wordt de uitvoer van de bovenste accumulator genomen als toename van de woord lengte van het uitgevoerde datawoord, waardoor het het minst significante deel van het uitgevoerde woord vormt. 10 In het algemeen wordt het complete uitgevoerde datawoord gevormd door een gewogen som van het meest significante deel en het minst significante deel. Bij geschikte keuze van de constante K1 van het bovenste filter is het echter mogelijk om een zodanige weegfactor aan te passen, dat het minst significante deel een directe bitvergroting van het meest significante deel vormt. Dit is het geval wanneer K1 gelijk gekozen wordt aan 2 verheven aan een gehele macht N. 15 Op eenvoudige wijze beheerst de constante K2 van het onderste filter de vaste gelijkstroomverschuiving in het uitgevoerde woord. Door K2 gelijk te kiezen aan 2 verheven tot een gehele exponent N, zal de vaste gelijkstroomverschuiving 2 verheven tot de macht N-1 zijn. Dit kan gunstig zijn, daar WfN-1 dan als een tekenbit genomen kan worden en er blijkbaar geen gelijkstroomverschuiving is. In de gehele beschrijving is tot hier aangenomen dat de bitstroom evenredig is met de eerste afgeleide 20 van het analoge ingangssignaal Ui. Dit zal echter niet altijd het geval zijn. Er zijn deltamodulators die bitstromen leveren die evenredig zijn met de tweede afgeleide van het ingangssignaal, en zogenaamde delta-sigmamodulators die bitstromen leveren die direct evenredig zijn met het ingangssignaal. Het toegelichte bistroomfilter en de toegeiichte uitgangstrap zijn beide geschikt voor dergelijke signalen. De enkele uit te voeren verandering moet binnen de uitgangstrap plaatsvinden. Hierin moet een extra integratie-25 of afleidingsfunctie toegevoegd worden. Gelukkig zijn de enkele veanderingen die uitgevoerd moeten worden echter slechts het veranderen van de filterconstanten K1 of K2. Wanneer een extra integratiefunctie nodig is, wordt K1 zodanig gewijzigd dat de afsnijding van boven de van belang zijnde signaalband naar beneden die band verschoven wordt. Dit leidt tot een extra verlaging van 6 dB per octaafverzwakking in de signaalband, of met andere woorden: een extra integratie-eigenschap. 30 Op gelijke wijze, wanneer een extra afleidingseigenschap gewenst is, wordt K2 zodanig gewijzigd, dat de afsnijding van beneden de van belang zijnde signaalband naar boven de band verplaatst wordt. Dit leidt tot een extra verhoging van 6 dB per octaafverzwakking in de signaalband, of met andere woorden: een extra afgeleidekarakteristiek. De uitvinding is in de eerste plaats bestemd voor gebruik bij seismische data-aquisitie op zee. Een 35 dergelijke toepassing vereist dat van tot een duizendtal hydrofoons afkomstige signalen in zich in de zee bevindende elektronische modules gefilterd en gedigitaliseerd worden en dan digitaal via een kabel naar een onderzoekschip verzonden worden. De eisen met betrekking tot ruimte en vermogen zijn zeer streng, en ook de eisen met betrekking tot nauwkeurigheid en dynamisch bereik. De nieuwe bitstroomtechniek is echter evenzo goed geschikt voor een groot aantal andere toepassingen, 40 b.v. telecommunicatie en digitale hi-fi geluidsregistratie en -reproductie. Het toegelichte bitstroomfilter kan zeer goed verwezenlijkt worden als een monolytisch geïntegreerde keten, d.w.z. dat een compleet filtemetwerk met een uitgangstrap in een enkel siliciumschijfje gevormd kan worden. Het filtemetwerk kan dan met een flexibele architectuur ontworpen worden, waarbij programmatisch bestuurde vaste-stofschakelaars opgenomen kunnen zijn, zodat de filterinrichting door middel van program-45 mering van het schijfje en door programmering van de filterconstante K ingesteld kan worden. Het is gebleken, dat 12 filtersecties, elk met een K-registerlengte van 22 bits en met een kloksnelheid van 10 MHz verwezenlijkt kan worden als een CMOS keten op een relatief klein schijfoppervlak (7x7 mm). Dit filter kan ingericht zijn met tot 6 tweede-oide secties, tot 12 eerste-orde secties of elke combinatie daarvan, en de uitvoerresolutie kan tot 44 bits gaan. Rekeninghoudend met het ruisniveau zal het aantal nuttige bits 50 afhankelijk van de toepassing beperkt worden tot tussen 24 en 32 bits.

1. Eenheid voor het uitvoeren van een digitale filterbewerking op continue bitreeksen, die lineaire digitale voorstellingen zijn van analoge signalen, bestaande uit een eascadeschakeling van afzonderlijke filtersecties, waarbij elke filtersectie een ingang voor bitreeksen vanaf een voorgaande sectie en een uitgang 192417 8 voor bitreeksen met dezelfde datasnelheid naar de volgende sectie heeft, met het kenmeik, dat elke filtersectie voorzien is van: - ten minste één integratie- en vermenigvuldigingsmoduul, dat een bitreeks levert die gelijk is aan de integraal van een ingangsbitreeks vermenigvuldigd met een te kiezen constante; 5. ten minste één omkeringsmoduul, dat een bitstroom levert die gelijk is aan een ingangsbitstroom vermenigvuldigd met -1; - ten minste één optelmoduul, dat een bitstroom levert die gelijk is aan de som van twee ingangsbit-st romen, waarbij het uitgangssignaal afkomstig van deze drie modulen tevens bestaan uit bitreeksen met dezelfde 10 bitsnelheid als de ingangsbitreeksen, en waarbij de modulen zodanig verbonden zijn dat: a. zij een eerste orde filtersectie vormen doordat de ingangsbitreeks aan een ingang van het optelmoduul geleverd wordt en de uitgangsbitreeks van een optelmoduul aan een ingang van het integratie- en vermenigvuldigingsmoduul geleverd wordt waarvan de uitgangsreeks via het omkeermoduul aan de andere ingang van het optelmoduul geleverd wordt; 15 b. of de modulen verbonden zijn voor het vormen van een tweede orde filter doordat de ingangsbitreeks aan een ingang van een eerste optelmoduul geleverd wordt waarvan de uitgangsreeks aan de ingang_________ van een tweede optelmoduul geleverd wordt, de uitgangsbitreeks van deze laatste aan de ingang van een eerste integratie- en vermenigvuldigingsmoduul geleverd wordt waarvan de uitgangsreeks aan de ingang van een tweede integratie- en vermenigvuldigingsmoduul geleverd wordt, en de uitgangsreeks 20 van de twee integratie- en vermenigvuldigingsmodulen afzonderlijk, via de omkeermodulen aan een andere ingang van elk van de twee optelmodulen geleverd worden.

2. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het integratie- en vermenigvuldigingsmoduul een optel/aftelteller omvat die door een ”1” in de ingangsbitreeks verhoogd wordt en die door een ”0” in de ingangsbitreeks verlaagd wordt, alsmede een register waarin een programmeerbaar getal K opgeslagen is, 25 waarbij het uitgangswoord van het register ”K” of ”0” is ais functie van een stuursignaal, en de uitgang van de optel/aftelteller gecombineerd is met de uitgang van het register, een accumulator die, voor elke klokperiode van het stelsel, de gecombineerde uitgang van de teller en van het register bij zijn vorige geaccumuleerde inhoud voegt en zijn meest significante bit als uitgangsbitreeks uitvoert en tegelijk het uitgangsbit naar het K register terugvoert via een stuurlijn voor het vrijgeven van de uitgang van dit register 30 bij een ”1” of voor het blokkeren ervan bij een ”0”.

3. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het optelmoduul, dat twee bitreeksen optelt, logische poorten en een optel/afteltransportteller omvat, die zodanig gerangschikt zijn dat: - als de twee ingangen ”1” zijn de uitgang ”1” is en de transportteller tot verhogen gedwongen wordt; - als de twee uitgangen ”0” zijn de transportteller tot vetlagen gedwongen wordt; 35. de uitgangen ”1” en ”0” zijn, en wanneer het meest significante bit van de transportteller actief is, de uitgang ”1” is en de transportteller tot verlagen gedwongen wordt; - als de ingangen ”1” en "0" zijn en het meest significante bit van de transportteller gewist is de uitgang ”0” is en de transportteller tot verhogen gedwongen wordt.

4. Eenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elke filtersectie bovendien ten minste één pulsoptel-40 moduul omvat met een bitreeksingang, een pulsingang en een bitreeksuitgang, waarbij dit moduul direct voor een integratie- en vermenigvuldigingsmoduul veibonden is en logische poorten en een bistabiele keten omvat, die zodanig gerangschikt zijn dat de uitgangsbitreeks gelijk is aan de ingangsbitreeks behalve dat steeds wanneer een puls aan de pulsingang herkend wordt de volgende ”0’’ in de ingangsbitreeks omgezet wordt in een ”1” in de uitgangsbitreeks.

5. Eenheid volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat één van de tweede orde filtersecties uitgevoerd is als een uitgangstrap met banddooriaateigenschappen, omvattende bij voorkeur ten minste één pulsoptelmoduul, dat direct voor elk integratie- en vermenigvuldigingsmoduul verbonden is, waarbij de filtersectie bovendien parallelle uitgangslijnen van de accumulator van het eerste integratie- en vermenigvuldigingsmoduul en van de optel/aftelteller van het tweede integratie- en vermenigvuldigings-50 moduul omvat, die parallelle uitvoeren alsmede bitreeksuitvoeren vanuit de uitgangstrap leveren.

6. Eenheid volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmeik, dat een bepaald aantal integratie-en vermenigvuldigingsmodulen, een bepaald aantal omkeringsmodulen, een bepaald aantal optelmodulen voor bitreeksen en, facultatief een bepaald aantal pulsoptelmodulen gerealiseerd zijn op een enkele monolrtisch geïntegreerde programmeerbare keten met programmatisch stuurbare monolitische schakelaars, 55 die aangebracht zijn voor het selecteerbaar schakelen van de modulen, zodanig dat de gebruiker geprefe- 9 192417 reerde filtersecties kan kiezen door het programmeren van de geïntegreerde keten, waarbij de inhouden ”K” van de registers voor elke filtersectie bepaald worden en verschillende filtersecties in cascade gecombineerd worden voor het verschaffen van een door de uitgangstrap afgesloten geprefereerde filterconfiguratie. Hierbij 5 bladen tekening