DE2621113A1 - Digitalfilter - Google Patents

Description

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken Hamburg, 1.4.1976

Po/Le

Digitalfilter

Die Erfindung betrifft ein Digitalfilter zum Erzeugen digitaler Ausgangssignale aus Datensignalen nach einer vorbestimmten
Übertragungskennlinie, das mindestens einen Koeffizientenzahlengeber zum Ausgeben digitaler Signale enthält, die die Werte
von die Ubertragungskennlinie darstellenden Koeffizienten angeben.

Ein derartiges Digitalfilter findet allgemeine Anwendung und ist u.a. aus der USA-Patentschrift 3 639 848 bekannt. Der
Koeffizientenzahlengeber ist dabei als eine Speicheranordnung ausgeführt, in der die Werte der Koeffizienten, die die Übertragung skennlinie oder Impulswiedergabekurve des Filters kennzeichnen, zahlenförmig gespeichert sind. Dies erfordert jedoch eine Speicheranordnung mit großer Speicherkapazität. So wird für ein genaues Erfassen jeder dieser Zahlen beispielsweise
ein Zwölfbitwort pro Zahl benötigt.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und einfache Kcreeption eines Digitalfilters vom oben erwähnten Typ zu verwirklichen, wobei eine wesentliche Ersparung von Speicherraurn bei ungeänderter Genauigkeit der Übertragungskennlinie des
Filters verwirklicht wird.

Das erfindungsgemäße Digitalfilter ist dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizientenzahlengeber eine zur Speicherung von
Inkrementen aufeinanderfolgender Koeffizientenwerte in Zahlenform eingerichtete Speicheranordnung und eine daran angeschlossene Dekodiereinrichtung zum Wiedergewinnen der
Koeffizientenzahlen aus den in der Speicheranordnung gespeicherten Zahlen enthält. Hierbei kann ein Inkrement sowohl aus dem Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Koeffizienten als auch aus einer Differenzkodierung der Impulswiedergabekurve herrühren.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung eines Digitalfilters, und Fig. 2 bis 5 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Koeffizientenzahlengeber für die Verwendung in einem Digitalfilter wie beispielsweise gemäß Fig. 1.

In diesen Figuren sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 stellt ein Beispiel eines für die Anwendung der Erfindung geeignetes Digitalfilter dar, dessen Eingangsklemme 1 periodisch unter der Steuerung eines Steuersignalgenerators 2 auf nicht dargestellte Weise digitale Eingangssignale in Zahlenform zugeführt werden. Daraus ermittelt das Filter auf näher zu beschreibende Weise digitale Ausgangssignale nach einer vorbestimmten Übertragungskennlinie.

Zur Steuerung der im Filter auszuführenden Signalbearbeitung erzeugt der Steuersignalgeber 2 auf an sich bekannte Weise die für die Filterwirkung erforderlichen Steuersignale.

Die Eingangsklemme 1 ist über einen ersten Kontakt 3 eines Umschalters 4 mit einem Signaleingang 5 einer normalerweise über den Kontakt 6 des Umschalters 4 als rückgekoppeltes Schieberegister 7 ausgeführte Verzögerungseinrichtung gekoppelt. Der Steuersignalgeber 2 ist einerseits an einen Steuereingang 8 des Umschalters 4 und zum anderen an einen Schiebeimpulseingang 9 des Schieberegisters 7 angeschlossen. Kurz vor dem Empfang eines Eingangssignals bringt der Steuersignalgeber 2 den Umschalter in die gezeichnete Stellung, wodurch das Eingangssignal der Eingangsklemme 5 zugeführt wird. Gleichzeitig liefert der Steuersignalgeber 2 einen Schiebeimpuls zum Schiebeimpulseingang 9, unter dessen Steuerung die im Schieberegister 7 geschriebenen Daten um ein Element weitergeschoben v/erden, wobei die In-

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formation des letzten Elements verloren geht und das der Eingangsklemme 5 in Form einer Zahl angebotene Eingangssignal in das erste Element eingeschrieben wird.

Weiter enthält das Filter einen Koeffizientenzahlengeber 10 mit einem Steuereingang 11, an den der Steuersignalgeber 2 angeschlossen ist. Unter der Steuerung vom Steuersignalgeber 2 abgegebener Steuersignale liefert dieser Koeffizientenzahlengeber eine Zahlenreihe, die die Werte der die Impulswiedergabekurve des Filters darstellenden Koeffizienten angeben.

Zur Verwirklichung des Digitalfilterverfahrens ist am Ausgang 13 des Schieberegisters 7 und am Ausgang 12 des Koeffizientenzahlengebers 10 eine Multiplizieranordnung 14 und ein daran angeschlossener Akkumulator 15 vorgesehen. Der Akkumulator 15 besitzt einen an den Steuersignalgeber 2 angeschlossenen Steuereingang 16.

Zwischen zwei aufeinanderfolgend empfangenen Eingangssignalen bringt der Steuersignalgeber 2 den Umschalter 4 in die nicht gezeichnete Stellung, liefert einerseits zum Schiebeimpulseingang 9 eine Anzahl'von Schiebeimpulsen gleich der Anzahl von Elementen des Schieberegisters 7 und andererseits zum Steuerimpulseingang 11 eine Anzahl von Steuerimpulsen.

Diese Steuerimpulse bewirken, daß der Inhalt des Schieberegisters 7 einmal umläuft,bei welchem Vorgang die in den Elementen gespeicherten Zahlen der Multiplizieranordnung 14 aufeinanderfolgend zugeführt werden. Unter dem Einfluß der Steuersignale liefert der Koeffizientenzahlengeber 10 aufeinanderfolgend und synchron mit den vom Schieberegister abgegebenen Zahlen die digitalen Koeffizientenzahlen zur Multiplizieranordnung 14. Diese 'Multiplizieranordnung 14 bildet das jeweilige Produkt einer Zahl mit einer digitalen Koeffizientenzahl und führt das auf diese Weise erhaltene Produkt dem Akkumulator 15 zu, der die Produkte sammelt und sie unter der Steuerung der dem Steuereingang 16 zugeführten Steuersignale an der Ausgangsklemme 17 des Filters abgibt, wonach der Akkumulator zurückgestellt wird. PHN8030 . 609851/0702 . _₄_

Wie in der Fig. 2 dargestellt, enthält der digitale Koeffizientenzahlengeber 10 eine zur Speicherung von Inkrementen aufeinanderfolgender Koeffizientenwerte in Zahlenform eingerichtete Speicheranordnung 18 und eine daran angeschlossene Dekodieranordnung 19.

Eine sehr einfache Ausführungsform eines Zahlengetiers 10 ist in Fig. 3 dargestellt. Das in der Speicheranordnung 18 gespeicherte Bitmuster, das die Inremente aufeinanderfolgender Koeffizientenwerte darstellt, ist gleich dem Muster, das von einem einheitlichen Deltamodulator mit idealem Integrator in der Rückkopplungsscheife beim Zuführen der gewünschten Impulswiedergabe des Filters als Eingangssignal an diesen Modulator abgegeben wird. Dazu ist die Speicheranordnung 18 als ein ringgekoppeltes Schieberegister 20 ausgeführt,dessen Eingang 21 über einen Umschalter 22 einerseits über eine Rückkopplungsschleife 24 zum Zuführen der vom letzten Element dem Ausgang 25 abgegebenen Signale zum Eingang 21 mit diesem Eingang oder zum anderen mit einem Signaleingang 23 zum einmaligen Einlesen der einheitlichen deltamodulierten Impulswiedergabe in das Schieberegister verbunden ist.

Die £.1 den Ausgang 25 angeschlossene Dekodieranordnung 19 enthält einen einfachen Zweirichtungszähler 26. An Ausgängen dieses Zählers sind zum Ausgeben des Inhalts dieses Zählers zu bestimmten Zeitpunkten logische UND-Gatterschaltungen 27 angeschlossen. Zur Steuerung dieses Gebers 10 ist der Steuereingang 11 einerseits an einen Schiebeimpulseingang 28 des Schieberegisters 20 und andererseits über einen Zähler 29 an die logischen UND-Gatterschaltungen 27 angeschlossen. Der Zähler hat eine maximale Zählstellung, die gleich dem Quotienten der Bitfrequenz der deltamodulierten Impulswiedergabekurve und der Frequenz des Erscheinens der erwünschten Koeffizientenzahlen ist, wobei die Bitfrequenz der Deltaimpulse gleich der Frequenz des dem Steuereingang 11 zugeführten impulsförmigen Steuersignals ist.

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Die Wirkungsweise ist wie folgt. Der Zweirichtungszähler 26 wird vom Steuersignalgeber 2 auf nicht dargestellt Weise in eine Anfangsstellung zurückgebracht. Die dem Steuereingang 11 zugeführten Steuerimpulse schieben den Inhalt des Schieberegisters 20 bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Stellung des Umschalters 24 im Ring. Dabei liefert das Schieberegister 20 Einbitwörter, die die deltamodulierte Impulswiedergabekurve darstellen, zum Zweirichtungszähler 26, in dem sie gesammelt werden.

Die dem Zähler 29 zugeführten Impulse erhöhen den Zählstand dieses Zählers bis zum Erreichen des maximalen Zählstanäes. Anschließend wird der Zähler 29 zurückgestellt, der dabei die UND-Gatterschaltung 27 mit einem Freigäbeimpuls ansteuert. Diese Schaltung 27 überträgt unter der Steuerung des Freigabeimpulses den momentanen Stand des Zweirichtungszählers 26 zur Ausgangsklemme 12, wobei der Inhalt des Zählers 26 nicht verloren geht.

Es sei bemerkt, daß das Filter derart eingerichtet werden kann, daß für die der UND-Gatterschaltung 27 zugeführten Freigabeimpulse die dem Sehiebeimpulseingang 9 zugeführten Freigabeimpulse verwendbar sind, wodurch der Zähler 29 eingespart werden kann.

Es sei weiter noch bemerkt, daß ein derartiges Filter sich hervorragend zur Verwendung als interpolierendes Filter eignet. In diesem Fall ist die Frequenz der der UND-Gatterschaltung 27 zugeführten Freigabeimpulse um ein Vielfaches zu erhöhen, der Inhalt des Schieberegisters 7 eine um das erwähnte Vielfache vergrößerte Anzahl Male zwischen zwei aufeinanderfolgend empfangenen Eingangssignale in Ring zu schieben, wobei nach jeden Umlauf der Gesamtmenge erzeugter Koeffizientenzahlen die um eine Ausgangsperiode verschobene Koeffizientenzahlenreihe benutzt wird, und sind die Frequenzen der dem Akkumulator 15 zugeführten Steuersignale entsprechend zu vergrößern. Ist die Wiederholungsfrequenz der Filterkennlinie um mehr als den Faktor acht höher als ihre Grenzfrequenz, ergibt sich daraus ein Gewinn an Speicherraum in bezug auf den für bekannte Filter benötigten Speicherraum.

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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Das in der Speicheranordnung 18 gespeicherte Bitmuster, das die Inkremente aufeinanderfolgender Koeffizientenwerte darstellt, ist dabei gleich dem von einem mit Schrittgrößenkompression beim Zuführen der gewünschten Impulswiedergabekurve des Filters als Eingangssignal an diesen Modulator versehenen Deltamodulator erzeugten Muster. Als komprimierte Deltamodulation (DCDM) oder "high information delta modulation" (HIDM), usw. anwendbar. Derartige Modulationsarten sind an sich bekannt. So gibt die niederländische Patentanmeldung 68 03 992 eine Beschreibung von DCDM und findet sich eine Beschreibung der HIDM im Buch "Modulation, noise and spectral analysis" von Paxter, McGraw-Hill, 1965, insbesondere die Seiten 694 und 695.

Durch die erwähnten Kopandierungsmethoden wird beim Modulieren eine Schrittgrößenanpassung an die Änderungen in den Signalwerten der Wiedergabekurve erreicht, um mit einer bedeutend geringeren Anzahl von Bits auskommen zu können, als bei einheitlicher Deltamodulation für den gleichen dynamischen Bereich möglich ist. Die Anzahl von Elementen des Schieberegisters 30 in Fig. 4 ist deswegen entsprechend kleiner als die Anzahl von Elementen des Schieberegisters 20 in Fig. 3.

Weiter unterscheidet sich die Dekodieranordnung 19 in Fig. 4 von der in Fig. 3 dargestellten Dekodieranordnung darin, daß außer einem mit einem Signaleingang 31 versehenen Akkumulator 32, der an das Schieberegister 30 angeschlossene ist, eine an einige Elemente des Schieberegisters 30 angeschlossene Musteranalysator- und Schrittgrößenregelanordnung 33 angeordnet ist, deren Ausgang mit dem Signaleingang 31 verbunden ist. Ein in Eineelheiten dargestelltes Ausführungsbeispiel einer für DCDM geeigneten Musteranalysator- und Schrittgrößenregelanordnung 33, die gleichfalls die drei letzten Elemente des Schieberegisters 30 erfaßt, ist in der älteren niederländischen Patentanmeldung 74 00 764 der Anmelderin beschrieben.

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Die Wirkungsweise des in Fig. 4 dargestellten Zahlengebers ist wie folgt. Die Musteranalysator- und Schrittgrößenregelanordnung 33 analysiert mit Hilfe einer nicht dargestellten logischen Schaltung auf an sich bekannte Weise die drei letzten DM-Bis im Schieberegister 30. Zu diesem Zweck ist diese Schaltung derart ausgeführt, daß bei gegenseitig gleicher Information in den drei letzten Elementen abhängig vom Wert dieser Information ein logisches Signal abgegeben wird. Diese logischen Signale steuern auf bekannte Weise einen in der Regelanordnung vorgesehenen Zahlengenerator, wobei der Wert einer Zahl vom Wert der vorangehenden Zahlen und vom daran zugeführten logischen Signal bestimmt wird. Diese Zahlen gelangen über den Eingang 31 an den Akkumulator 32, der diese Zahlen unter der Steuerung der vom Schieberegister 30 abgegebenen Signalwerte sammelt, nachdem er von einem Steuersignal aus dem Steuersignalgeber 2 zurückgestellt worden ist. Die auf diese Weise erhaltene Zahlenreihe gelangt entsprechend der Zuführung der von dem in Fig. 3 dargestellten Zweirichtungszähler 26 abgegebenen Zahlenreihe an die Ausgangsklemme 12.

Bei einer für HIDM eingerichteten Dekodieranordnung 19 ist die in Fig. 4 dargestellte Musteranalysator- und Schrittgrößenregelanordnung 33 auf bekannte Weise derart eingeriohtet, daß sich der Wert einer dem Akkumulator 32 zugeführten Zahl nach der Detektion gleicher Information in den drei letzten Elementen des Schieberegisters 30 verdoppelt, daß der Wert halbiert wird, wenn die Information im letzten Element zu der im zweitletzten Element des Schieberegisters invers ist, und der Wert in allen anderen Fällen ungeändert bleibt. Weiter ist der Akkumulator mit der UND-Gatterschaltung und seine Wirkungsweise gleich dem bzw. der für -DCDM-Signale.

Die Genauigkeit, mit der sich die Koeffizientenzahlen den momentanen Werten der Impulswiedergabekurve nähern, wird weiter durch Optimalisierung des in der Speicheranordnung 18 gespeicherten DM-, DCDM- oder HIDM-Bitmusters verbessert. Da die

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Impulswiedergabekurve ein zuvor bekanntes Signal ist, kann bei der Verschlüsselung eines bestimmten Signalwertes bereits der nachfolgende Signalwert berücksichtigt werden. Das auf diese ." Weise erhaltene Bitmuster kann dabei vom Muster abweichen, das ein DM-, DCDM- oder HIDM-Coder erzeugt, wenn ihm die Wiedergabekurve als Eingangssignal zugeführt wird. Es ergibt sich, daß eine DM-, DCDM- oder HIDM-Decodieranordnung aus dem in der Speicheranordnung 18 gespeicherten Bitmuster möglichst genau die gewünschten Koeffizientenzahlen erzeugt.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahlengebers dargestellt, bei dem das die Inkremente aufeinanderfolgender Koeffizientenwerte darstellende Bitmuster wortorganisiert ist. Die Speicheranordnung 18 ist derart eingerichtet, daß diese Koeffizientenwerte entweder als die Unterschieswerte jeweils zwei aufeinanderfolgender Koeffizienten-ZaBilen in pulseodemodulierter (PCM-)Form oder als die zu einer differentiell pulscodemodulierten (DPCM-) Impulswiedergabekurve gehörenden Zahlen wortweise gespeichert sind. Dazu enthält die Speicheranordnung .18 einen sogenannten Festwertspeicher (ROM) mit einem für die Steuerung dieses Festwertspeichers angeschlossenen Adressenzähler 33.

Unter der Steuerung der vom Steuergeber 2 zwischen zwei aufeinanderfolgend empfangenen EingangsSignalen zum Steuereingang 11 gelieferten Steuerimpuls gibt der Adressenzähler 33 aufeinanderfolgend Adressen an den Festwertspeicher (ROM) ab. Dadurch führt der Festwertspeicher (ROM) dem Akkumulator 19 die PCM-codierten Differenzsignalwerte bzw. die Werte der DPCM-codierten Impulswiedergabekurve in Zahlenform nacheinander zu. Dieser Akkumulator 19 zählt jede neu empfangene Zahl zu der bis dann erhaltenen Summe aller vorangehend empfangenen Zahlen dazu und bietet der Ausgangsklemme 12 jede auf diese Weise erhaltene Summe an.

Bei insbesondere nicht rekursiven Digitalfiltern mit einer hohen Wiederholungsfrequenz liegen die Zahlenwerte aufeinanderfolgender Koeffizientenzahlen nicht weit auseinander. Dies bedeutet, daß

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aufeinanderfolgende Koeffizientenzahlen sich nur wenig voneinander unterscheiden und daß diese geringen Unterschiede mit ziemlich wenig Bits pro Wort codierbar sind. In bezug auf die bekannten Filter, bei denen der Wert jeder Koeffizientenzahl vollständig in verschlüsselter Form in einer Speicheranordnung geschrieben wird, ist eine beträchtliche Einsparung von Speicherraum erhalten.

Es sei bemerkt, daß bei einer symmetrischen Impulswiedergabekurve des Filters ein weiterer Faktor zwei an Speicherraum durch Addition syimetrisch in der Verzögerungsanordnung 7 gespeicherter Zahlen vor dem Zuführen dieser Zahlen an die Multiplizieranordnung 14 gespart werden kann. Es ist nämlich für den Akkumulator 15 (Fig. 1) unwichtig, in welcher Reihenfolge die Produkte der digitalen Koeffizientenzahlen mit den im Schieberegister 7 gespeicherten Zahlen zugeführt werden.

Für die Erfindung ist es weiter nicht wesentlich, in welcher Form die .digitalen Eingangssignale im Schieberegister 7 gespeichert werden.

Patentansprüche:

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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   Digitalfilter zum Erzeugen digitaler Ausgangssignale aus Datensignalen nach einer vorbestimmten Übertragungskennlinie, das mindestens einen Koeffizientenzahlengeber zum Ausgeben digitaler Signale enthält, die die Werte von die Ubertragungskennlinie darstellenden Koeffizienten angeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizientenzahlengeber eine zur Speicherung von Inkrementen aufeinanderfolgender Koeffizientenwerte in Zahlenform eingerichtete Speicheranordnung und eine daran angeschlossene Decodieranordnung zum Wiedergewinnen der Koeffizientenzahlen aus den in der Speicheranordnung gespeicherten Zahlen enthält.
2. 2. Digitalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung zur Speicherung der Übertragungskennlinie in einheitlicher deltamodulierter Form eingerichtet ist und die Decodieranordnung ein einheitlicher Deltamodulator ist.
3. 3. Digitalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung zur Speicherung der Übertragungskennlinie in komprimierter deltamodulierter Form eingerichtet ist und daß die Decoderanordnung ein komprimierter Deltamodulator ist.
4. 4. Digitalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung zum Speichern von Differenzwerten aufeinanderfolgender Koeffizientenzahlen in pulscodemodulierter Form eingerichtet ist und daß die Decodieranordnung ein Akkumulator ist.

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