NL8303205A - In segmenten verdeeld transversaal filter. - Google Patents

Description

·» 4 \

In segmenten verdeeld transversaal filter.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een transversaal filter en in het bijzonder op een transversaal filter dat gebruikt wordt voor het verwerken van een digitaal audiosignaal.

5 De werking van een digitaal audiosignaal dat gemoduleerd wordt door een pulscodemodulatiestelsel, dat hierna eenvoudig een PCM-stelsel genoemd zal worden wordt gewoonlijk verkregen door het regelen van de frequentiekarakteristiek van het PCM-signaal dat bemonsterd wordt met een constante monster-10 frequentie. Om een dergelijke regeling te verkrijgen worden gewoon lijk een digitaal filter met onbepaalde impulsresponsie (hierna "IIR" genoemd) en een digitaal filter met bepaalde iapulsresponsie (hierna "FIR" genoemd) gebruikt. Het digitale IIR-filter heeft het voordeel dat de ontwerpformule in gesloten vorm 15 gebruikt kan worden om een IIR-filter te ontwerpen waarbij varia bele frequenties gekozen kunnen worden. Een dergelijk ontwerp verwaarloost echter de fasekarakteristiek van het filter. Daarom is het moeilijk voor een IIR-digitaalfilter om zowel een gewenste amplitudekarakteristiek als een gewenste fasefrequentiekarakteris-20 tiek te verkrijgen.

Wanneer anderzijds een transversaal filter dat gebruik maakt van een stel FIR-filters ontworpen moet worden met een gewenste frequentiekarakteristiek over een frequentieband- breedte die zich uitstrekt van lage frequentie tot een frequentie 25 nabij f /2, waarbij f een monsterfrequentie is is een onaanvaard- s s bare hoge orde van filterontwerp nodig. Als gevolg heeft het transversale filter het nadeel te ingewikkeld te zijn in vergelijking met het digitale IIR-filter. Om dit nadeel op te heffen werd voorgesteld om de frequentieband te verdelen in enkele 30 frequentiebanden beneden fg/2. De transversale filters worden dan gebruikt voor de frequentiebanden. Een vooruit bepaalde frequentiekarakteristiek wordt dan verkregen door de filterfrequentie-karakteristieken van de respectievelijke filters te synthetiseren i, _ . _ ..· * * - 2 - waarbij de ingewikkeldheid van de inrichting verminderd wordt.

Het wordt echter moeilijk om de overspreekfrequentiekarakteristiek in iedere frequentieband te ontwerpen omdat in de lage frequentie- band, in aanvulling op het bemonsteren bij de bemonsteringsfre- 5 quentie £g, een subbemonstering ook bewerkstelligd wordt bij een subbemonsteringsfrequentie f ', welke lager is dan de bemon- steringsfrequentie f . Het is verder ook moeilijk om de orde van s het filter te ontwerpen wanneer een filter met een willekeurige frequentiekarakteristiek verkregen moet worden.

10 Het is daarom een doel van de uitvinding een transversaal filter te leveren met een filtercoeffi cLentvolgorde verdeeld in een aantal transversale filterstukken, bijvoorbeeld drie filterstukken, waarbij de afmeting van de filtercoefficient-volgorde verminderd wordt welke ingenomen wordt door een enkel 15 transversaal filtergtuk. in de eerste en tweede stukken van de drie transversale filterstukken wordt een convolutionele bewerking uitgevoerd op een gedecimeerde filtercoefficientvolgorde en de ingangssignaalrij overeenkomend met de gedecimeerde filtercoefficientvolgorde. Verder wordt een compensatie ingevoerd voor-.-20 de energie van de filtercoefficienten die uitgevallen zijn door een dergelijke decimering van de filtercoefficientvolgorde. Als gevolg kan het aantal handelingen verminderd worden met een factor overeenkomend met het aantal filtercoefficienten dat gedecimeerd is uit de volgorde. Bij gebruikmaking van de uitvinding kan een 25 vooruit bepaalde frequentiekarakteristiek van de amplitude en fasen verkregen worden, waarbij de ingewikkeldheid van het filter verminderd is en het ontwerp van de overspreekfrequentiekarak-teristiek en de filtercoefficienten vergemakkelijkt wordt.

De uitvinding zal aan de hand van de tekening 30 worden toegelicht.

Figuur 1 is een blokschema dat een eerste uitvoering toont van een transversaal filter volgens de uitvinding.

Figuur 2(a) is een grafiek die een transversale filtercoefficientrij Hl toont.

35 Figuur 2(b) is een grafiek die toont hoe de ·% · 3 eindtransversale filtsrcoefficientvolgorden HI^' en HI2', verkregen worden door de volgorde Hl uit figuur 2(a) te verdelen, waarbij de eindvolgorden HI^ en HI^ gedecimeerd worden en de energie van de gedecimeerde elementen van HI^ en HI2 gecompenseerd 5 worden.

Figuur 3 is een blokschema dat een tweede uitvoering van de uitvi iding toont.

Gedetailleerde beschrijving van de preferente uitvoeringen.

10 Figuur 1 toont de vijf principe-elementen van deze uitvoering: een eerste transversaal filterstuk 1, een tweede transversaal filterstuk 2, een derde transversaal filterstuk 3, een vierde transversaal filterstuk, en een optelstelsel 5. Het vierde filter ontvangt een reeks x(n) van een ingangssignaal en 15 elimineert alle frequentiecomponenten boven fs'/2 uit de reeks x(n) en geeft als uitgang de reeks x^(n). Het derde transversale filterstuk 3 ontvangt de ingangssignaalreeks x(n). Wanneer D het aantal gedecimeerde of geelimineerde coëfficiënten is uit de filtercoefficientreeks dan is f ’/2 gelijk aan f /2(D+1).

s s 20 In figuur 2(a) is de amplitudeverdeling aangege ven uitgezet als een functie van de tijd voor de elementen van de filtercoefficientreeks Hl, wat de reeks is voor hij gedecimeerd werd. Deze elementen zijn ook aangegeven met de gehele getallen 0 tot N-l, waarbij N de lengte is van de niet gedecimeerde reeks 25 Hl.

Figuur 2(b) geeft in samenhang met figuur 2(a) de amplitudeverdeling aan voor de gedecimeerde filtercoefficientreeks die beschreven moet worden.

In figuur 2(a) is de niet gedecimeerde filter-30 coefficientreeks getoond met N-elementen, terwijl figuur 2(b) de gedecimeerde filtercoefficientreeks toont die n elementen heeft maar waarbij de nummering van de niet gedecimeerde reeks gehandhaafd wordt zoals bij de gedecimeerde reeks.

De gedecimeerde filtercoefficientreeks HI^1 35 overeenkomend met het eerste transversale filter 1 heeft q ele- ft * * - 4 - menten en heeft elementen genummerd tussen O en Q-l. Zowel n als q zijn willekeurige gehele getallen. N moet echter groter zijn dan Q. Het derde transversale filterdeel heeft een filtercoeffi-cientreeks HI^ van Q tot (N-Q-l) zoals getoond in ( ) uit figuur 5 2(a) en 2(b). Zoals getoond in (-^ ) in figuur 2(b) is de gedeci meerde filtercoefficientreeks HI^' ingesteld om da energie te compenseren van de gedecimeerde filtercoefficientreeks zo dat de energie van de coëfficiënten, gedecimeerd of geelimineerd uit de reeks HI^ van figuur 2(a) opgeteld wordt bij de resterende 10 coëfficiënten in de reeks HI^1 van figuur 2 (b).

In figuur 1 komt het tweede transversale filter-stuk 2 overeen met de filtercoefficientreeks HI^ met elementen . van N - Q tot (N - 1) zoals aangegeven in ( ) in figuur 2(a).

Op dezelfde wijze als de filtercoefficientreeks HI^', hierboven 15 genoemd, wordt de filtercoefficientreeks HI2' ingesteld om de energie te compenseren van de gedecimeerde filtercoefficientreeks Hl2' zo dat de energie van de coëfficiënten die gedecimeerd zijn uit de filtercoefficientreeks HI^ van figuur 2(a) opgeteld wordt bij de elementen van de resterende fiitercoefficienten in 20 de reeks HI21 van ( y ) uit figuur 2(b).

Het optelstelsel ontvangt het uitgangssignaal y^ (n) van het eerste filterstuk 1, de uitgangssignaalreeks y2 (n) van het tweede filterstuk 2 en de uitgangssignaalreeks y^(n) van het derde filterstuk 3, telt de elementen daarvan op en maakt 25 een uitgang van een signaalreeks y(n). Er resulteert dus een transversaal filter dat bestaat uit drie transversale filters waarvan ieder gekenmerkt wordt door zijn eigen coefficientreeksen.

Bij de bovengenoemde uitvoering is het aantal elementen in de eerste filtercoefficientreeks HI^ gelijk aan dat 30 van de elementen in de tweede filtercoefficientreeks HI2, maar de uitvinding is niet beperkt tot uitvoeringen die deze gelijkheid gebruiken. Wanneer echter het aantal elementen niet gelijk is in beide zijreeksen HI^ en HI2 zal het moeilijker zijn filter-karakteristieken aan te passen dan in het geval waarbij het aan-35 tal elementen in HI^ en HI2 gelijk is.

• » » - 5 -

Bij de uitvoering volgens figuur 1 wordt de onveranderde ingangssignaalrij x(n), welke bemonsterd is met de bemonsteringsfreguentie f , aangelegd aan de derde en vierde s transversale filterstukken 3 en 4. Het derde filterstuk 3 bevat 5 een vertragingsketen 31 voor het ontvangen van de ingangssignaal- reeks x(n) en een transversaal filter 32 verbonden met de vertragingsketen 31. De ingangssignaalrij x(n) wordt vertraagd door de vertragingsketen 31 gedurende de tijd die nodig is zodat de tijd voor de bewerking op x(n) in de vierde en eerste filterstuk-10 ken 4 en 1 gelijk is aan de tijd voor de bewerking van het filterstuk 3. De vertragingsketen 31 levert een vertraagde signaal-reeks x'(n) die ingang is naar het filter 32. De filtercoefficient-reeks HI^ wordt ingebracht in het transversale filter 32 zodat het een uitgang geeft van een signaalreeks y^(n) met de elementen 15 van (n - Q^tot (n - N + Q + 1). De uitgangssignaalreeks (n) wordt verkregen in het transversale filter 32 door de convolutio-nele bewerking vein de derde filtercoefficientreeks HI^ op de vertraagde signaalreeks x'(n). Daarna wordt de signaalreeks y^(n) van het derde filterstuk 3 aangelegd aan het op-'telstelsel 5.

20 De orde van het filter 32 in het derde filter- deel 3 is (N - 2Q), terwijl het vierde filterstuk 4 een transversaal filter 41 heeft van de orde L voor het bewerken van de in-gangssignaalreeks x(n). Om reflectieruis te vermijden wordt een vierde filtercoefficientreeks Hl. van het transversale filter 41 4 25 aangebracht om de frequentiecomponenten boven fs/2(D+l) te elimineren, waarbij D een positief geheel getal is en gelijk aan het aantal filtercoefficienten die gedecimeerd zijn. Het filter 41 ontvangt de ingangssignaalreeks x(n) en voert een convolutionele bewerking uit van de ingangssignaalreeks x(n) met de vierde filter-30 coefficientreeks HI^ bij een l/fs~periode om de frequentiecompo nenten boven f /2(D+1) te elimineren. Specifiek wekt het filter s 41 de signaalreeks x^ (n) op uit de ingangssignaalreeks x(n) door de frequentiecomponenten boven fg/2 (D + 1) te verwijderen. Dan wordt de signaalreeks x^(n) aangelegd aan de eerste en tweede 35 filterstukken 1 en 2.

V

- 6 -

Het eerste filterstuk 1 heeft een transversaal filter 11 van de orde P dat de signaalreeks y^ (n) opwekt uit de ingangsreeks x^(n). De eerste filterooefficientreeks HI^' wordt zodanig aangebracht dat de energie van de elementen van de 5 signaalreeks geëlimineerd door het decimeren van de signaalreeks x^ (n) bij een willekeurige periode opgeteld wordt ter compensatie van de overblijvende elementen van de signaalreeks zoals getoond bij a in ( '·ζ ) van figuur 2(b). Daarbij voert het transversale filter 11 de convolutionele bewerking uit van de eerste filter-10 coefficientreeks Hl' met de signaalreeks x^ (n) overeenkomend met de decimerende periode (D + 1/f ) en wekt de uitgang y.(n) S 1 op. Daarna wordt de uitgangssignaalreeks y^(n) van het filterstuk 1 aangelegd aan het optelstelsel 5.

Het tweede transversale filterstuk 2 bevat 15 een vertragingsketen 21 en een transversaal filter 22 van de orde P. De signaalreeks x^ (n) wordt ontvangen door de vertragingsketen 21 en wordt daarin zo vertraagd dat het uitgangssignaal y2(11) van het tweede filterstuk 2 op hetzelfde ogenblik opgewekt wordt als het uitgangssignaal y^ (n) van het eerste filterstuk 1. Een 20 signaalreeks x^" (n) dat een uitgang vormt van de vertragings keten 21 wordt aangelegd aan het transversale filter 22. Bij de bovengenoemde uitvoering is de vertragingsketen 21 gelegen voor het filter 22 maar het is mogelijk om de vertragingsketen 21 aan te brengen na het filter 22. Het filter 22 is zo ontworpen dat 25 het de signaalreeks (n) opwekt uit de elementen (η - N + Q) tot (η - N + 1) van de inga ngssignaalreeks x(n). Aanvullend wordt de tweede filtercoefficientreeks Hij' aangebracht zodanig dat de energie van de signaalreeks die gedecimeerd is uit de signaalreeks x^(n) bij een willekeurige decimeringsperiode opgeteld 30 wordt in de resterende elementen van de signaalreeks met de be doeling van compensatie, zoals aangegeven in ( / ) uit figuur 2(b). Het filter 22 dat de signaalreeks x^" (n) ontvangt voert een convolutionele bewerking uit van de tweede filtercoefficientreeks Hl2 1 met de vertraagde signaalreeks x "(n) overeenkomend met de 35 decimeringsperiode (D + 1/f ), en wekt daarbij de uitgang y0(n) S 4* -, * ψ - 7 - op. Daarna wordt de signaalrij y2(n) aangelegd aan het optel-stelsel 5.

Bij het ontvangen van de signaalreeksen y^(n), y2(n) en y^(n), geeft een opteller 51 van het optelstelsel 5 5 een uitgang met een uitgangssignaalreeks y(n).

Met betrekking nu tot figuur 3 wordt een tweede uitvoering volgens de uitvinding in een blokschema aangegeven.

In figuur 3 geven dezelfde getallen en verwijzingen dezelfde delen of equivalente delen daarvan aan als die uit figuur 1.

10 Bij de tweede uitvoering worden de convolutionele bewerkingen uitgevoerd in de transversale filters 11 en 22 gedaan in een periode (D + l/fg) waarbij het aantal bewerkingen in iedere eenheidperiodé verminderd worden. Een decimeerfilter 42 is opgesteld voor de filters 11 en 12.

15 Het vierde transversale filterdeel 4 bevat het transversale filter 41 en het decimeerfilter 42. Het decimeerfilter 42 decimeert de signaalreeks x^(n) die afkomt van het filter 41 in een willekeurige maar constante periode en maakt een uitgang van de gedecimeerde signaalreeks x2(n). Daarna wordt 20 de gedecimeerde signaalreeks x2 (n) aangelegd aan de eerste en tweede filterstukken 1 en 2. De transversale filters 11 en 12 zijn zo ontworpen dat de filtercoefficientreeksen HI^1 en HI2' van de filters 11 en 12 gedecimeerde signaalreeksen x^ (n) en x^(n) opwekken, zoals getoond in ( -\ ) en ( '< ) uit figuur 2(b). Er 25 zijn aanvullend interpolatiefilters 12 en 23 aangebracht na respectievelijk de filters 11 en 22. Het transversale filterstuk 1 bevat het transversale filter 11 en het interpolatiefilter 12.

Het tweede transversale filterdeel 2 bevat de vertragingsketen 21, het transversale filter 22 en het interpolatiefilter 23. Een 30 zesde filtercoefficientreeks Hl. is zodanig aangebracht dat het

O

interpolatiefilter 12 de signaalreeks y^(n) opwekt gemonsterd uit de bemonsteringssnelheid f van de signaalreeks x_(n) met een s j periode (D + 1/f^). Op dezelfde wijze wordt een zevende filtercoefficientreeks HI^ zodanig aangebracht dat het interpolatiefil-35 ter 23 de signaalreeks y2(n) opwekt bemonsterd in de bemonsterings- . , ‘Λ ψ \ - 8 - periode 1/f uit de signaalreeks x_ (n) met een periode (D + l)/f .

S J s

De optelinrichting 51 telt de signaalreeksen y^(n), ^^(n) en Y3(n) °P om <^e uitgangssignaalreeks y(n) op te wekken.

Zoals hierboven vermeld is volgens het trans-wordt 5 versale filter uit de uitvinding/de filtercoefficientreeks van het vierde transversale filterstuk 4 of van de eerste en tweede transversale filterstukken 1 en 2 gedecimeerd waarbij het aantal filtercoefficienten verminderd is. Daarom is het aantal bewerkingen op voordelige wijze verminderd en de afrondfout is ook ge-10 reduceerd. De uitvinding heeft dus de voordelen dat een opera tionele nauwkeurigheid vergroot wordt en de ingewikkeldheid van de keten verminderd is. Verder kan een willekeurige filterfre-quentiekarakteristiek verwezenlijkt worden door het regelen van de filtercoefficienten van de transversale filterstukken zodat 15 de uitvinding toegepast kan worden bij een techniek zoals signaal verwerking in pulscodemodulatiecommunicatie.

Bij het opnemen van interpolatiefilters 12 en 23 in de eerste en tweede filterstukken 1 en 2 kunnen de filters 11 en 22 de convolutionele bewerking uitvoeren in een periode 20 (D + l)/f waarbij het aantal bewerkingen per tijdeenheid vermin- s derd wordt. Als gevolg kan de ingewikkeldheid van de keten van de filters 11 en 12 verder verminderd worden waarbij een totale keteneenvoud verkregen wordt van het gehele transversale filter.

In de bovengenoemde uitvoeringen wordt de filter-25 coefficientreeks Hl verdeeld in drie segmenten maar de uitvinding is niet beperkt tot. het in drieen verdelen en de filtercoeffi-cientreeks Hl volgens de uitvinding kan verdeeld worden in een aantal filtercoefficientreekssegmenten.

Claims (6)

1. In segmenten verdeeld transversaal filter, met het kenmerk, dat het een laagdoorlaatfilter (4) bevat voor het filteren van een signaal, een eerste transversaalfilter (11) 5 verbonden met de uitgang van het laagdoorlaatfilter, waarbij het eerste filter coëfficiënten heeft die gedecimeerd zijn bij een vooruit bepaalde frequentieperiode vanaf één eindsegment van een transversale filtercoefficientreeks, waarbij de coëfficiënten ingesteld zijn om de energie van de gedecimeerde coëfficiënten 10 te compenseren, een tweede transversale filter (22) verbonden met de uitgang van het laagdoorlaatfilter, waarbij het tweede filter gedecimeerde coëfficiënten heeft bij een vooruit bepaalde frequentieperiode van het andere eindsegment van de reeks, waarbij de coëfficiënten ingesteld zijn om de energie te compenseren 15 van de gedecimeerde coëfficiënten, een derde transversaalfilter (32) dat het signaal ontvangt, waarbij het derde transversale filter coëfficiënten heeft vanaf een centraal segment vein de reeks, en een optelinrichting (51) om synchroon de uitgangen van de eerste, tweede en derde filters op te tellen.

2. In segmenten verdeeld transversaalfilter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vooruit bepaalde frequentieperiode in de eerste en tweede filters gelijk zijn.

3. Transversaalfilter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het vertragingsmiddelen (21, 31) bevat voor 25 het tot stand brengen van het synchronisme in de optelinrichting.

4. Transversaalfilter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het interpolatiefilters (12, 23) bevat aangebracht tussen de uitgangen van de eerste en tweede filters en de optelinrichting.

5. In segmenten verdeeld transversaalfilter, met het kenmerk, dat het een aantal banddoorlaatfilters bevat voor het filteren van een signaal, een aantal eerste transversale filters, waarbij ieder eerste filter verbonden is met de uitgang van één van de banddoorlaatfilters en met gedecimeerde coeffi-35 cienten bij een vooruit bepaalde frequentieperiode van een segment - 10 - „ f van een transversale filtercoefficientreeks, waarbij de coëfficiënten ingesteld zijn om de energie te compenseren van de gedecimeerde coëfficiënten, waarbij het segment overeenkomt met de doorlaatband van het banddoorlaatfilter waarmee het eerste 5 filter is verbonden, waarbij er twee eerste filters verbonden zijn met iedere banddoorlaatfilter, een tweede transversaalfilter dat het signaal ontvangt, waarbij het tweede filter coëfficiënten heeft van een centraal segment van de reeks en een optelinrichting om synchroon de uitgangen van de eerste filters en de tweede 10 filters op te tellen.

6. Filter volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het interpolatiefliters bevat aangebracht tussen de uitgangen van de eerste filters en de optelinrichting. 15