DE102014203369B4 - Method and system for compensating system errors between multiple analog-to-digital converters - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion und/oder in den Abtastzeitpunktversätzen zwischen mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern (200, 200, ..., 200), indem in einem jeden ersten zeitvarianten Kompensationsfilter (100, 100,..., 100;100), das jeweils einem Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, jeweils eine zyklisch zeitvariante Faltung einer bestimmten Anzahl (L) von im zugehörigen Analog-Digital-Wandler (200, 200, ..., 200) erzeugten Abtastwerten mit einer bestimmten Anzahl (B) von Filterkoeffizienten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste zeitvariante Kompensationsfilter (100,100, ... ,100; 100) jeweils mehrere zweite zeitinvariante Kompensationsfilter (2,2,2,...,2) mit jeweils einer minimierten Anzahl (B) von Filterkoeffizienten aufweist, die jeweils im selben Zyklus eine zeitinvariante Teil-Filterung der zur zyklischen zeitvarianten Faltung des ersten zeitvarianten Kompensationsfilters (100,100, ...,100; 100) gehörigen Filterung durchführen.Method for compensating for mismatches in the transfer function and / or in the sampling time offsets between a plurality of analog-to-digital converters (200, 200, ..., 200) which are sampled with a time offset from one another, by using in each first time-variant compensation filter (100, 100 ,. .., 100; 100), each of which is connected downstream of an analog-to-digital converter, each time a cyclically time-variant convolution of a certain number (L) of the associated analog-to-digital converter (200, 200, ..., 200) generated Sample values with a certain number (B) of filter coefficients, characterized in that each first time-variant compensation filter (100,100, ..., 100; 100) each with a plurality of second time-invariant compensation filters (2,2,2, ..., 2) each have a minimized number (B) of filter coefficients, which in each case in the same cycle a time-invariant partial filtering of the cyclic time-variant convolution of the first time-variant compensation filter (100,100, ..., 100; 100) corresponding filtering.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Kompensation von Systemfehlern zwischen mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern.The invention relates to a method and a system for compensating for system errors between a plurality of analog-to-digital transducers scanning at different times with respect to one another.
In der heutigen Kommunikationstechnik werden zunehmend Signale mit einer höheren Abtastrate - typischerweise einige Gigahertz - verwendet. Zur Messung dieser hochfrequenten Signale in einem Messgerät - beispielsweise in einem digitalen Oszilloskop - in Echtzeit, wird die Signalverarbeitung im Messgerät parallelisiert. Die Parallelisierung der Analog-Digital-Wandlung des Messsignals führt zu parallel verschalteten Analog-Digital-Wandler, die jeweils zeitlich versetzt zueinander abtasten (so genannte time-interleaved-Analog-Digital-Wandler). Auf diese Weise können Analog-Digital-Wandler mit einer realisierbaren Abtastrate eingesetzt werden, die um die Anzahl von parallel verschalteten Analog-Digital-Wandlern gegenüber der Abtastrate des zu messenden Signals reduziert ist.In today's communication technology increasingly signals with a higher sampling rate - typically a few gigahertz - used. To measure these high-frequency signals in a measuring device - for example in a digital oscilloscope - in real time, the signal processing in the measuring device is parallelized. The parallelization of the analog-to-digital conversion of the measurement signal leads to parallel-connected analog-to-digital converters, each time offset from each other (so-called time-interleaved analog-to-digital converter). In this way, analog-to-digital converters can be used with a realizable sampling rate, which is reduced by the number of parallel-connected analog-to-digital converters compared to the sampling rate of the signal to be measured.
Damit die Analog-Digital-Wandelung des zu messenden analogen Signals in den parallel verschalteten und jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern in ein korrekt korrespondierendes digitales Signal mündet, müssen die Übertragungsfunktionen der einzelnen Analog-Digital-Wandler identisch sein, die Gleichspannungs-Überlagerungen (Gleichanteile) in den einzelnen Analog-Digital-Wandler-Kanälen identisch sein und die Abtastzeitpunkte der einzelnen Analog-Digital-Wandler zueinander einen korrekten äquidistanten Zeitversatz aufweisen.In order for the analog-to-digital conversion of the analog signal to be measured in the parallel-connected analogue-to-digital converters, which each time offset with respect to each other, leads to a correctly corresponding digital signal, the transfer functions of the individual analog-to-digital converters must be identical, ie the DC voltage Superimpositions (DC components) in the individual analog-to-digital converter channels be identical and have the sampling times of the individual analog-to-digital converters to each other a correct equidistant time offset.
Da dies in der Realität typischerweise nicht gegeben ist, wird jedem einzelnen Analog-Digital-Wandler jeweils ein Kompensationsfilter nachgeschaltet, das die Fehlanpassungen in den Übertragungsfunktionen und in den Abtastzeitpunktversätzen zwischen den einzelnen Analog-Digital-Wandlern kompensieren. In
Das analoge Signal
In jedem der Kompensationsfilter wird zyklisch eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten des vom vorausgehenden Analog-Digital-Wandler erzeugten digitalen Messsignals mit einer bestimmten Anzahl von Filterkoeffizienten gefaltet. Die Faltung setzt sich aus Additionen und Multiplikationen zusammen. Um die für die Parallelisierung der Analog-Digital-Wandlung erforderliche Kompensation in Echtzeit durchführen zu können, ist die Anzahl von Additionen und Multiplikationen vorteilhaft zu minimieren.In each of the compensation filters, a certain number of samples of the digital measurement signal generated by the preceding analog-to-digital converter are cyclically convolved with a certain number of filter coefficients. The convolution is composed of additions and multiplications. In order to be able to perform the compensation necessary for the parallelization of the analog-to-digital conversion in real time, the number of additions and multiplications must advantageously be minimized.
In der
Entsprechende Filter mit jeweils einer minimierten Anzahl von Filterkoeffizienten sind als solches aus dem Dokument LIN, K. et. al.: „Digital filters for high performance audio delta-sigma analog-to-signal and digital-to-analog conversions“, Proceedings of ICSP'96, Seiten 59-63 grundsätzlich bekannt. Dieses Dokument enthält jedoch keinen Hinweis, diese Filter in Verbindung mit zeitlich versetzten Analog-Digital-Wandlern anzuwenden.Corresponding filters, each with a minimized number of filter coefficients are as such from the document LIN, K. et. al.: "Digital filters for high performance audio delta-sigma analog-to-signal and digital-to-analog conversions", Proceedings of ICSP'96, pages 59-63 basically known. However, this document does not suggest that these filters be used in conjunction with time-shifted analog-to-digital converters.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und ein System zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion und/oder in den Abtastzeitpunktversätzen zwischen mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern in Echtzeit zu schaffen.The object of the invention is therefore to provide a method and a system for compensating for mismatches in the transfer function and / or in the Abtastzeitpunktversätzen between a plurality of temporally staggered to each other scanning analog-to-digital converters in real time.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion und/oder in den Abtastzeitpunktversätzen zwischen mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein entsprechendes erfindungsgemäßes System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte technische Erweiterungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.The object is achieved by a method according to the invention for compensating for mismatches in the transfer function and / or in the sampling time offsets between a plurality of analog-to-digital converters scanned with a time offset from one another with the features of
Erfindungsgemäß wird jedes Kompensationsfilter - im Folgenden als erstes Kompensationsfilter bezeichnet - in mehrere Kompensationsfilter - im Folgenden als zweite Kompensationsfilter bezeichnet - zerlegt, die jeweils eine minimierte Anzahl von Filterkoeffizienten aufweisen. Durch die Minimierung der Filterkoeffizienten innerhalb eines zweiten Kompensationsfilters wird die Anzahl von Additionen und Multiplikationen zur Realisierung der in allen zweiten Kompensationsfiltern jeweils durchgeführten Faltungen gegenüber der in der Faltung eines korrespondierenden Kompensationsfilter nach dem Stand der Technik benötigten Anzahl von Additionen und Multiplikationen reduziert und damit vorteilhaft eine echtzeitfähige Implementierung einer Kompensation von Systemfehlern verwirklicht.According to the invention, each compensation filter-referred to below as the first compensation filter-is decomposed into a plurality of compensation filters-referred to below as second compensation filters-which each have a minimized number of filter coefficients. By minimizing the filter coefficients within a second compensation filter, the number of additions and multiplications for realizing the convolutions performed in all the second compensation filters is reduced and thus advantageously reduced over the number of additions and multiplications required in the convolution of a corresponding compensation filter according to the prior art real-time implementation of system error compensation realized.
Bevorzugt arbeiten die zu jeweils einem ersten Kompensationsfilter gehörigen zweiten Kompensationsfilter parallel, um auf diese Weise einen zusätzlichen Zeitgewinn in der Kompensation zu erzielen.Preferably, the second compensation filters, which belong in each case to a first compensation filter, operate in parallel in order in this way to obtain an additional time gain in the compensation.
Die einzelnen zweiten Kompensationsfilter werden bevorzugt über eine den einzelnen zweiten Kompensationsfiltern vorgeschaltete Zuführungs-Einheit mit den für die Faltung im jeweiligen zweiten Kompensationsfilter jeweils erforderlichen Sequenzen von Abtastwerten des Eingangssignals des ersten Kompensationsfilters versorgt.The individual second compensation filters are preferably supplied via a supply unit arranged upstream of the individual second compensation filters with the sequences of sample values of the input signal of the first compensation filter which are respectively required for the convolution in the respective second compensation filter.
Korrespondierend dazu werden die von den einzelnen zweiten Kompensationsfiltern des ersten Kompensationsfilters jeweils erzeugten Abtastwerte in einer den einzelnen zweiten Kompensationsfiltern nachgeschalteten Zusammenfügungs-Einheit zu einer einzigen Sequenz von Abtastwerten des Ausgangssignals des ersten Kompensationsfilters zusammengefügt.Correspondingly, the sample values respectively generated by the individual second compensation filters of the first compensation filter are combined in a mating unit connected downstream of the individual second compensation filters to form a single sequence of samples of the output signal of the first compensation filter.
Da mehrere zweite Kompensationsfilter, die zu einem ersten Kompensationsfilter gehören, jeweils eine identische Sequenz von Abtastwerten oder zumindest eine identische Teil-Sequenz von Abtastwerten des Eingangssignals des ersten Kompensationsfilters mit ihren jeweiligen Filterkoeffizienten falten, ist eine bevorzugte Zuführungs-Einheit derart ausgestaltet, dass sie diese identischen Sequenzen bzw. Teil-Sequenzen von Abtastwerten des Eingangssignals des ersten Kompensationsfilters jeweils nur einmalig erzeugt und den zugehörigen zweiten Kompensationsfiltern parallel zuführt.Since a plurality of second compensation filters belonging to a first compensation filter each convolute an identical sequence of samples, or at least an identical subsequence of samples of the input signal of the first compensation filter with their respective filter coefficients, a preferred feed unit is configured to provide them generates identical sequences or partial sequences of samples of the input signal of the first compensation filter only once and supplies the associated second compensation filters in parallel.
Die Anzahl von zweiten Kompensationsfiltern und die in den einzelnen zweiten Kompensationsfiltern jeweils durchgeführten Faltungen bestehend vorzugsweise aus der mit den zugehörigen Filterkoeffizienten des zweiten Kompensationsfilters gefalteten Sequenz von Abtastwerten des Eingangssignals des ersten Kompensationsfilters, die dem jeweiligen zweiten Kompensationsfilter zugeführt wird, werden aus den Filtergleichungen des bereits vorab strukturell festgelegten ersten Kompensationsfilters in einem zweistufigen erfindungsgemäßen Prozess ermittelt.The number of second compensation filters and the convolutions respectively performed in the individual second compensation filters, preferably consisting of the sequence of samples of the input signal of the first compensation filter convoluted with the associated filter coefficients of the second compensation filter, which is supplied to the respective second compensation filter, become from the filter equations of FIG pre-structurally determined first compensation filter determined in a two-stage process according to the invention.
In einer ersten Stufe ist bevorzugt für jede Phase p eines Zyklus von im jeweiligen ersten Kompensationsfilter jeweils erzeugten Abtastwerten jeweils ein drittes Kompensationsfilter vorgesehen. Im jeweiligen dritten Kompensationsfilter werden jeweils diejenigen Filterungen der dem ersten Kompensationsfilter in einem Zyklus jeweils zugeführten Sequenz von Abtastwerten realisiert, die zur Bestimmung jeder Polyphasenkomponente der jeweiligen Phase des vom ersten Kompensationsfilter in einem Zyklus jeweils erzeugten Sequenz von Abtastwerten benutzt werden.In a first stage, in each case a third compensation filter is preferably provided for each phase p of a cycle of sampled values respectively generated in the respective first compensation filter. In the respective third compensation filter, in each case those filterings of the sequence of samples supplied to the first compensation filter in a cycle are used, which are used to determine each polyphase component of the respective phase of the sequence of samples respectively generated by the first compensation filter in a cycle.
In einer zweiten Stufe werden die Filterungen der einzelnen dritten Kompensationsfilter des ersten Kompensationsfilters vorzugsweise jeweils in mehrere Teil-Filterungen zerlegt, die jeweils eine in sich vollständige Faltung realisieren und von jeweils einem zweiten Kompensationsfilter durchgeführt werden. Diese zweiten Kompensationsfilter sind für sich zeitinvariant und weisen jeweils eine minimierte Anzahl von Filterkoeffizienten auf.In a second stage, the filters of the individual third compensation filters of the first compensation filter are preferably each decomposed into a plurality of sub-filters, each of which realizes a complete convolution and is carried out by a respective second compensation filter. These Second compensation filters are time-invariant in themselves and each have a minimized number of filter coefficients.
Derartige Filter mit einer minimierten Anzahl von Filterkoeffizienten werden bevorzugt als Short-Length(SL)-Filter (deutsch: Filter mit kürzester Filterlänge) bezeichnet und sind aus
Die Filterkoeffizienten für die einzelnen dritten Kompensationsfilter, die schließlich die Filterkoeffizienten für die einzelnen zweiten Kompensationsfilter ergeben, werden bevorzugt jeweils separat ermittelt. Somit weisen die dritten bzw. zweiten Kompensationsfilter jeweils voneinander verschiedene Filterkoeffizienten auf. Das erste Kompensationsfilter, das in einer möglichen erfindungsgemäßen Ausprägung aus mehreren parallel verschalteten zweiten Kompensationsfiltern besteht, schaltet somit bei der sukzessiven Bestimmung der zu den einzelnen Polyphasen jeweils gehörigen Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals zwischen den zweiten Kompensationsfiltern mit jeweils unterschiedlichen Filterkoeffizienten um und stellt somit ein zeitvariantes Kompensationsfilter dar. Die zweiten bzw. dritten Kompensationsfilter stellen jeweils zeitinvariante Kompensationsfilter dar.The filter coefficients for the individual third compensation filters, which finally yield the filter coefficients for the individual second compensation filters, are preferably determined separately in each case. Thus, the third and second compensation filters each have mutually different filter coefficients. The first compensation filter, which consists of a plurality of second compensation filters connected in parallel in a possible embodiment according to the invention, thus switches between the second compensation filters with respectively different filter coefficients during the successive determination of the polyphase components of the output signal belonging to the individual polyphases and thus represents a time-variant compensation filter The second and third compensation filters each represent time-invariant compensation filters.
Die Aufteilung der einzelnen Polyphasenkomponenten des Ausgangsignals für jede Polyphase auf jeweils ein drittes Kompensationsfilter in der ersten Stufe ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der einzelnen Abschnitte der im ersten Kompensationsfilter durchzuführenden Faltung auf jedes dritte Kompensationsfilter des ersten Kompensationsfilters. Somit ist gewährleistet, dass in jedem dritten Kompensationsfilter des ersten Kompensationsfilters ein gleicher Anteil des Einschwingvorganges, des eingeschwungenen Zustands und des Ausschwingvorgangs des gesamten Faltungsvorgangs implementiert ist.The division of the individual polyphase components of the output signal for each polyphase on each of a third compensation filter in the first stage allows a uniform distribution of the individual sections of the folding to be performed in the first compensation filter on every third compensation filter of the first compensation filter. This ensures that in every third compensation filter of the first compensation filter, an equal portion of the transient process, the steady state and the decay process of the entire convolution process is implemented.
Die Verwendung lediglich von Polyphasenkomponente einer einzigen Polyphase des gesamten Faltungsvorgangs in einem dritten Kompensationsfilter des ersten Kompensationsfilters bewirkt, dass die im dritten Kompensationsfilter des ersten Kompensationsfilters realisierte Filterung eine lückenhafte und somit nicht vollständige Faltung beinhaltet. Zur Realisierung einer vollständigen Faltung werden die Filterungen jedes dritten Kompensationsfilters in mehrere Teil-Filterungen zerlegt, die jeweils in einem zweiten Kompensationsfilter realisiert sind und eine vollständige Faltung für sich beinhalten.The use of only polyphase component of a single polyphase of the entire convolution process in a third compensation filter of the first compensation filter causes the filtering realized in the third compensation filter of the first compensation filter to include an incomplete and thus incomplete convolution. To realize a complete convolution, the filters of every third compensation filter are decomposed into a plurality of sub-filters, which are each realized in a second compensation filter and include a complete convolution for themselves.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion und in den Abtastzeitpunktversätzen von mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern werden im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm mit mehreren zeitlich versetzt abtastenden Analog-Digital-Wandlern und zugehörigen Kompensationsfiltern nach dem Stand der Technik, -
2A ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines aus mehreren parallelen dritten Kompensationsfiltern bestehenden ersten Kompensationsfilters und eines zugehörigen aus mehreren parallelen zweiten Kompensationsfiltern bestehenden ersten Kompensationsfilters, -
2B ein detaillierteres Blockschaltbild, welches2A entspricht, -
3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Kompensation von Fehlanpassungen von mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern, und -
4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation von Fehlanpassungen von mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern.
-
1 a block diagram with a plurality of time-shifted sampling analog-to-digital converters and associated compensation filters according to the prior art, -
3 shows a block diagram of an embodiment of a first compensation filter consisting of a plurality of parallel third compensation filters and an associated first compensation filter consisting of a plurality of parallel second compensation filters,2A -
2 B a more detailed block diagram, which2A corresponds, -
3 a block diagram of an embodiment of the system according to the invention for the compensation of mismatches of a plurality of temporally offset from one another sampling analog-to-digital converters, and -
4 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention for the compensation of mismatches of several temporally offset from one another scanning analog-to-digital converters.
Bevor das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion und in den Abtastzeitpunktversätzen von mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern anhand des Blockdiagramms in
Die zyklische Faltung von Blöcken mit jeweils einer Anzahl B von vier Abtastwerten
Das erste Kompensationsfilter, das eine Faltung gemäß Gleichung (1B) durchführt, wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durch mehrere parallel verschaltete dritte Kompensationsfilter realisiert. Hierzu werden die geraden Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals in einem dritten Kompensationsfilter entsprechend Gleichung (2A) und die ungeraden Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals in einem dritten Kompensationsfilter entsprechend Gleichung (2B) bestimmt.
Das dritte Kompensationsfilter entsprechend Gleichung (2A) führt eine Filterung mit den Filterkoeffizienten h0(ξ)=[h0,0 h0,1 h0,2 h0,3]T durch, während das dritte Kompensationsfilter entsprechend Gleichung (2B) mit den Filterkoeffizienten h1(ξ)=[h1,0 h1,1 h1,2 h1,3]T filtert. Somit liegt ein zeitvariantes Kompensationsfilter vor, das mit seinen beiden dritten Kompensationsfiltern bei der Bestimmung von jeweils aufeinanderfolgenden Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals jeweils zwischen den beiden Filterkoeffizienten h0(ξ) und h1(ξ) schaltet. Ausgehend von Gleichung (1B) ergeben sich die Filterungen in den beiden dritten Kompensationsfiltern des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters gemäß Gleichung (3A) und (3B):
Aus der
Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Filterungen in den einzelnen zweiten Kompensationsfiltern des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters jeweils in mehrere Teilfilterungen zerlegt. Die Teilfilterungen in den einzelnen dritten Kompensationsfiltern des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters werden jeweils in einem zweiten Kompensationsfilter mit minimierter Filterlänge eines zeitvarianten ersten Kompensationsfilters realisiert.In the second step of the method according to the invention, the filters in the individual second compensation filters of the time-variant first compensation filter are each decomposed into a plurality of sub-filters. The partial filters in the individual third compensation filters of the time-variant first compensation filter are each realized in a second compensation filter with a minimized filter length of a time-variant first compensation filter.
Somit entstehen ausgehend von den Gleichungen (3A) und (3B) die vier zweiten Kompensationsfilter mit jeweils minimierter Filterlänge des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters gemäß Gleichung (4A) und (4B).
Die vier zweiten Kompensationsfilter in den Gleichungen (4A) und (4B) weisen jeweils eine minimierte Filterlänge LMin von zwei auf.The four second compensation filters in equations (4A) and (4B) each have a minimized filter length L Min of two.
Aus der
Auf diese Weise entstehen die in den Gleichungen (4A) und (4B) dargestellten Filterungen der vier zweiten Kompensationsfilter eines zeitvarianten ersten Kompensationsfilters.In this way, the filterings of the four second compensation filters of a time-variant first compensation filter shown in equations (4A) and (4B) are produced.
Die zweiten Filter
Somit sind für das Beispiel einer Filterung einer Sequenz von jeweils vier Abtastwerten mit einem ersten Kompensationsfilter mit einer Filterlänge von vier jeweils zwölf Multiplikationen gemäß Gleichung (6) erforderlich.
In jedem der vier zweiten Kompensationsfilter mit jeweils einer minimierten Filterlänge von zwei sind hierbei jeweils drei Multiplikationen erforderlich, wie aus Zeile
Die Anzahl der durchzuführenden Additionen für das Beispiel einer Filterung einer Sequenz von jeweils vier Abtastwerten mit einem Kompensationsfilter mit einer minimierten Filterlänge von zwei ergibt sich gemäß Gleichung (7) zu 14.
Der erste Summand in Gleichung (7) ergibt sich aus der Überlagerung der Polyphasenkomponenten des Eingangssignals in den beiden zweiten Kompensationsfiltern. In den zweiten Kompensationsfiltern der Gleichungen (4A) und (4B) werden entweder die Polyphasenkomponenten
Der zweite Summand in Gleichung (7) enthält die Additionen in den vier zweiten Kompensationsfiltern, in denen gemäß der Zeilen
Der dritte Summand in Gleichung (7) enthält die Additionen der Ergebnisse der zweiten Kompensationsfilter zur Ermittlung der Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals, d.h. die beiden Additionen in der zweiten und dritten Zeile der Gleichung (4A) und die drei Additionen in der ersten, zweiten und dritten Zeile der Gleichung (4B).The third term in equation (7) contains the additions of the results of the second compensation filters to determine the polyphase components of the output signal, i. the two additions in the second and third rows of equation (4A) and the three additions in the first, second and third rows of equation (4B).
Der vierte Summand enthält die Additionen der letzten drei Polyphasenkomponenten der vom ersten Kompensationsfilter im jeweiligen Zyklus erzeugten Abtastwerte zu den ersten drei Polyphasenkomponenten der vom ersten Kompensationsfilter im jeweils nachfolgenden Zyklus erzeugten Abtastwerte im Rahmen des „Überlappungs-Additions-Algorithmus“ (englisch: overlap-add-Algorithmus). Die Überlappung von drei Polyphasenkomponenten ergibt sich aus der Differenz zwischen der Anzahl M von sieben Polyphasenkomponenten des in einem Zyklus erzeugten Ausgangssignals und der Anzahl B von vier Polyphasenkomponenten des in einem Zyklus zugeführten Eingangssignals.The fourth summand contains the additions of the last three polyphase components of the samples produced by the first compensation filter in the respective cycle to the first three polyphase components of the samples produced by the first compensation filter in the respective subsequent cycle as part of the "overlap-add" algorithm -Algorithm). The overlap of three polyphase components results from the difference between the number M of seven polyphase components of the output signal generated in one cycle and the number B of four polyphase components of the input signal supplied in one cycle.
Die zyklische Faltung von Blöcken aus jeweils acht Abtastwerten
Das erste Kompensationsfilter, das eine Faltung gemäß Gleichung (8) durchführt, wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durch vier parallel verschaltete dritte Kompensationsfilter realisiert. Hierzu werden die Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals des ersten Kompensationsfilters entsprechend der jeweiligen Polyphase p gemäß Gleichung (9) bestimmt.
Die vier dritten Kompensationsfilter führen jeweils eine Filterung mit den jeweiligen Filterkoeffizienten
Somit liegt auch in diesem Beispiel ein zeitvariantes erstes Kompensationsfilter vor, das bei der Bestimmung von jeweils aufeinanderfolgenden Polyphasenkomponenten des Ausgangssignals seine vier dritten Kompensationsfilter mit den jeweiligen Filterkoeffizienten h0(ξ), h1(ξ), h2(ξ) und h3(ξ) sukzessive benutzt.Thus, in this example there is also a time-variant first compensation filter which, when determining respectively successive polyphase components of the output signal, has its four third compensation filters with the respective filter coefficients h 0 (ξ), h 1 (ξ), h 2 (ξ) and h 3 (ξ) used successively.
Die Filterungen in den vier dritten Kompensationsfiltern des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters ergeben sich gemäß Gleichung (10A) bis (10D):
Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Filterungen in den einzelnen dritten Kompensationsfiltern des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters jeweils in mehrere Teilfilterungen zerlegt. Jede einzelne Teilfilterung eines dritten Kompensationsfilters des zeitvarianten ersten Kompensationsfilters wird in jeweils einem zweiten Kompensationsfilter mit minimierter Filterlänge eines zeitvarianten ersten Kompensationsfilters realisiert.In the second step of the method according to the invention, the filters in the individual third compensation filters of the time-variant first compensation filter are each decomposed into a plurality of sub-filters. Each individual partial filtering of a third compensation filter of the time-variant first compensation filter is implemented in each case in a second compensation filter with a minimized filter length of a time-variant first compensation filter.
Somit entstehen für das Beispiel eines ersten Kompensationsfilters mit acht Filterkoeffizienten, das in einem Zyklus jeweils einen Block von acht Abtastwerten filtert, ausgehend von den Gleichungen (10A) bis (10D) die vier zweiten Kompensationsfilter mit jeweils minimierter Filterlänge des zeitinvarianten ersten Kompensationsfilters gemäß Gleichung (11A) bis (11D).
Die insgesamt
Somit sind für das Beispiel einer Filterung einer Sequenz von jeweils acht Abtastwerten mit einem ersten Kompensationsfilter mit einer Filterlänge von acht jeweils 48 Multiplikationen gemäß Gleichung (13) erforderlich.
Die Anzahl der durchzuführenden Additionen für das Beispiel einer Filterung einer Sequenz von jeweils acht Abtastwerten mit einem ersten Kompensationsfilters mit einer Filterlänge von acht ergibt sich gemäß Gleichung (14) zu 60.
Auf der Basis dieser mathematischen Grundlagen wird im Folgenden das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Flussdiagramms in
Während sich die ersten drei Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Ermittlung und die Konfigurierung der Struktur der einzelnen zweiten Kompensationsfilter, der Zuführungs-Einheit und der Zusammenfügungs-Einheit und die Ermittlung der Parameter und die Parametrierung der einzelnen zweiten Kompensationsfilter bezieht und nur einmalig durchgeführt werden, werden die darauffolgenden Verfahrensschritte
Im ersten Verfahrensschritt
Die gewählte Filterlänge des ersten Kompensationsfilters und die gewählte Anzahl der vom ersten Kompensationsfilter in einem Zyklus verarbeiteten Abtastwerte des Eingangssignals, die der Anzahl von Polyphasen des Eingangssignals entspricht, ergibt die Anzahl der in einem Zyklus von Abtastwerten des vom ersten Kompensationsfilter erzeugten Ausgangssignals, die der Anzahl von Polyphasen des Ausgangssignals entspricht.The selected filter length of the first compensation filter and the selected number of samples of the input signal processed by the first compensation filter in one cycle corresponding to the number of polyphases of the input signal gives the number of output signals generated in one cycle of samples of the output signal produced by the first compensation filter corresponds to polyphases of the output signal.
Für jede Polyphase p wird jeweils ein drittes Kompensationsfilter eines derartigen zeitvarianten ersten Kompensationsfilters erzeugt. Hierzu werden zur Bestimmung der Struktur eines derartigen zur Polyphase p jeweils gehörigen dritten Kompensationsfilters diejenigen Filterungen, die jeweils für die Erzeugung aller p-ten Polyphasenkomponenten des vom ersten Kompensationsfilter jeweils erzeugten Ausgangssignals erforderlich sind, in Anlehnung an die Gleichungen (3A) und (3B) bzw. an die Gleichungen (10A) bis (10D) herangezogen. For each polyphase p, in each case a third compensation filter of such a time-variant first compensation filter is generated. For this purpose, in order to determine the structure of such a third compensation filter belonging to the polyphase p, those filters which are required in each case for the generation of all p-th polyphase components of the output signal respectively generated by the first compensation filter are based on the equations (3A) and (3B). or to equations (10A) to (10D).
Ausgehend von der Filterstruktur jedes dritten Kompensationsfilters werden die Filterkoeffizienten für jedes dritte Kompensationsfilter mit gängigen Filteroptimierungsverfahren separat ermittelt.Based on the filter structure of every third compensation filter, the filter coefficients for each third compensation filter are determined separately using conventional filter optimization methods.
Im nächsten Verfahrensschritt
Die Filterkoeffizienten der einzelnen zweiten Kompensationsfilter ergeben sich aus den im vorherigen Verfahrensschritt
Im nächsten Verfahrensschritt
Die interne Struktur des einzelnen zu berücksichtigenden zweiten Kompensationsfilters
Schließlich werden den einzelnen zu berücksichtigenden zweiten Kompensationsfiltern
Auch wird in diesem Verfahrensschritt
Allen vorhandenen zweiten Kompensationsfiltern
Diese Zuführungs-Einheit
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass jedem einzelnen verwendeten zweiten Kompensationsfilter
Eine allen verwendeten zweiten Kompensationsfiltern
Nach der Konfigurierung und Parametrierung aller zum ersten Kompensationsfilter
Neben der automatischen Ermittlung der Struktur und der Parameter und/der automatischen Konfigurierung bzw. Parametrierung der einzelnen zweiten Kompensationsfilter
Im darauffolgenden Verfahrensschritt
Im Fall, dass mehrere verwendete zweite Kompensationsfilter
Der nächste Verfahrensschritt
Die von den einzelnen jeweils verwendeten Kompensationsfiltern
Im abschließenden Verfahrensschritt
Hierzu wird typischerweise der Overlap-Add-Algorithmus (deutsch: Überlappungs-Additions-Algorithmus) verwendet, der eine Anzahl von in einem Zyklus jeweils zuletzt erzeugten Abtastwerten des Ausgangssignals des Kompensationsfilters
Auf diese Weise entsteht eine kontinuierliche Sequenz
Abschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem in mehrere zweite Kompensationsfilter mit jeweils minimierter Filterlänge zerlegten ersten Kompensationsfiltern
In Tabelle 1 ist der Fall eines Kompensationsfilters mit einer Filterlänge von vier und mit einer Sequenzlänge von vier Abtastwerten und in Tabelle 2 ist der Fall eines Kompensationsfilters mit einer Filterlänge von acht und mit einer Sequenzlänge von acht Abtastwerten dargestellt.
Tabelle 1
Zu erkennen ist, dass in beiden Fällen die Anzahl der Additionen des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Verfahren zur Bestimmung des linearen Gleichungssystems des vollständigen Kompensationsfilters nach dem Stand der Technik reduziert ist, während die Anzahl der Multiplikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Verfahren zur Bestimmung des linearen Gleichungssystems des Kompensationsfilters mit diskreter Faltung nach dem Stand der Technik reduziert ist. Der Hauptvorteil bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen liegt aber in der Parallelisierung.It can be seen that in both cases the number of additions of the method according to the invention compared to the method for determining the linear equation system of the complete compensation filter according to the prior art is reduced, while the number of multiplications of the inventive method over the method for the determination of the linear equation system of the prior art discrete convolution compensation filter is reduced. However, the main advantage of the procedure according to the invention lies in the parallelization.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Von der Erfindung sind insbesondere die Kombinationen aller in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale, aller in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale und aller in den Figuren der Zeichnung jeweils dargestellten Merkmale mit abgedeckt.The invention is not limited to the illustrated embodiment. Of the invention, in particular the combinations of each claim claimed in the claims, all in the description respectively disclosed features and all in the figures of the drawing features are covered.
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