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Dokumentenidentifikation DE102005043010A1 15.03.2007
Titel Dezimierende Filterkaskade mit minimierter Einschwingzeit nach Reinitialisierung
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 81671 München, DE
Erfinder Reinhold, Michael, 81929 München, DE;
Huber, Johann, 85570 Markt Schwaben, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 09.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005043010
Offenlegungstag 15.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse H03H 17/02(2006.01)A, F, I, 20050909, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Filterkaskade besteht aus mindestens einem Filterpfad (FP1; FP2) mit jeweils mindestens einem dezimierenden Filter (F0, F1, F2, ..., FN-1). Der Eingang der Filterkaskade wird von einem abgetasteten Eingangssignal (X0(k0)) mit mehreren durch mindestens einen ungültigen Abtastwert voneinander getrennten gültigen Signalabschnitten beaufschlagt. Jedes dezimierende Filter (F0, F1, F2, ..., FN-1) wird jeweils zu Beginn eines gültigen Signalabschnitts reinitialisiert und erzeugt anschließend nach einer minimalen Anzahl von Abtastwerten des am Eingang (E) der Filterkaskade anliegenden Eingangssignals (y0(k0)) jeweils am Filterausgang (A0, A1, A2, ..., AN-1) einen eingeschwungenen Abtastwert, wobei die minimale Anzahl von Abtastwerten der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge $I1 des jeweiligen Filterpfads (FP1, FP2) entspricht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine dezimierende Filterkaskade mit minimierter Einschwingzeit nach Reinitialisierung.

In der digitalen Signalverarbeitung gibt es zahlreiche Anwendungen, in denen die Abtastfrequenz des abgetasteten Signals verringert werden muss. Hierzu werden dezimierende Filter eingesetzt, die sich in Transversal- und Polyphasenfilter unterteilen.

Reale Polyphasenfilter, die im folgenden betrachtet werden, können durch ein Ersatzschaltbild mit einer Serienschaltung aus einem nicht dezimierenden Filter NDF und einem idealen Polyphasendezimator PPD beschrieben werden. Gemäß 1 ist das nicht dezimierende Filter NDF beispielsweise als Finite-Impulse-Response-Filter (FIR-Filter) mit einer Übertragungsfunktion h(k) und einer Filterlänge L realisiert. Alternativ kann für das nicht dezimierende Filter auch ein Infinite-Impulse-Response-Filter (IIR-Filter) oder ein Cascaded-Integrator-Comb-Filter (CIC-Filter) eingesetzt werden. Der dazu in Serie geschaltete ideale Polyphasendezimator PPD führt eine Reduzierung der Abtastfrequenz fa,in seines Eingangssignals um einen Dezimationsfaktor in eine Abtastfrequenz fa,out seines Ausgangssignals durch. Über die Polyphasenkomponente p wird vom idealen Polyphasendezimator PPD der Phasenversatz des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal in Anzahl von Abtastzeitpunkten eingestellt. 2 zeigt für ein gegebenes Eingangssignal xDezimator(k) das von einem idealen Polyphasendezimator PPD erzeugte abtastratenreduzierte Ausgangssignal yDEZIMATOR(l) für einen Dezimationsfaktor R = 3 und eine Polyphasenkomponente von p = 0, p = 1 und p = 2.

Die Filterung des abgetasteten Eingangssignals in einem FIR-Filter NDF bewirkt, daß das resultierende Ausgangssignal aufgrund der Faltung des abgetasteten Eingangssignals mit der Impulsantwort h(k) des FIR-Filters NDF erst nach einer bestimmten Anzahl von Abtastzeitpunkten einen "korrekten Wert" aufweist und somit eingeschwungen ist. Dieser Einschwingvorgang ist nach insgesamt L – 1 Abtastzeitpunkten abgeschlossen, wobei L die Filterlänge des FIR-Filters NDF ist. Durch die Kombination des FIR-Filters NDF mit dem idealen Polyphasendezimator PPD ergibt sich, wie weiter unten noch im Detail gezeigt wird, eine weitere Verschlechterung des Einschwingvorgangs.

In der Spektrumanalyse kann nach einer Abwärtsmischung von der Zwischenfrequenz ins Basisband, einer Empfangsfilterung und einer starken Abtastratenreduzierung die minimale Bandbreite des sogenannten VIDEO-Filters abhängig von der Messung beispielsweise 1 Hz betragen, so daß die Abtastrate des Signals am Ausgang der Filterkaskade entsprechend niedrig ist. Insbesondere bei derart niedrigen Abtastraten des Signals am Ausgang der Filterkaskade kann die Messzeit durch eine optimale Wahl der Polyphasenkomponente verkürzt werden.

Hinzukommt, daß in vielen Messanwendungen wie beispielsweise in der Spektrumsanalyse sogenannte gegatete Messungen durchgeführt werden, in denen mehrere Signalabschnitte mit gültigen Meßwerten von Signalabschnitten mit ungültigen Meßwerten unterbrochen sind. Jeder neue Signalabschnitt, in dem gültige Meßwerte vorliegen, stellt für die dezimierende Filterkaskade eine neue Anregung dar, die zu einem neuen Einschwingvorgang der dezimierenden Filterkaskade führt. Im Gegensatz zum ersten gültigen Signalabschnitt, in denen die dezimierende Filterkaskade vorab keine Anregung durch ungültige Meßwerte erfährt, wird die dezimierende Filterkaskade in allen nachfolgenden gültigen Signalabschnitten vorab mit ungültigen Meßwerten fälschlicherweise angeregt und zum Zeitpunkt des Einsetzens des gültigen Signalabschnitts in einen Filterzustand überführt, der nicht dem originären Filterzustand zu Beginn des ersten gültigen Signalabschnitts entspricht und deshalb zu einer weiteren Verschlechterung der Einschwingzeit der dezimierenden Filterkaskade führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Einschwingzeit einer dezimierenden Filterkaskade, insbesondere auch für den Anwendungsfall von gegateten Messsungen, zu minimieren.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Als Bedingung für eine minimierte Einschwingzeit des dezimierenden Filters beziehungsweise der dezimierenden Filterkaskade wird die Einschwingzeit eines FIR-Filters NDF herangezogen, die einer Anzahl von Abtastzeitpunkten des Ausgangssignals in Höhe der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge L entspricht.

Handelt es sich um ein einziges dezimierendes Filter, so ergibt sich erfindungsgemäß die Polyphasenkomponente p des idealen Polyphasendezimators PPD für eine minimale Einschwingzeit des dezimierenden Filters als Rest der Modulo-Division der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge L durch den Dezimationsfaktor R. Bei einer derartigen Belegung der Polyphasenkomponente p kommt genau ein Abtastwert des Ausgangssignals des dezimierenden Filters auf denjenigen Abtastzeitpunkt des Eingangssignals des dezimierenden Filters zu liegen, der um insgesamt L – 1 Abtastzeitpunkte vom Beginn der Anregung des dezimierenden Filters entfernt liegt und damit zum frühestmöglichen Zeitpunkt eingeschwungen ist.

Liegt eine dezimierende Filterkaskade vor, so ergeben sich erfindungsgemäß die Polyphasenkomponenten der einzelnen Polyphasendezimatoren PPD der dezimierenden Filterkaskade aus der Betrachtung, dass jeweils genau ein Abtastwert aller Abtastwerte des am Ausgang des jeweiligen Polyphasendezimators PPD anliegenden Ausgangssignals auf denjenigen Abtastzeitpunkt des Eingangssignals der dezimierenden Filterkaskade zu liegen kommt, der um eine Anzahl von Abtastzeitpunkten vom Beginn der Anregung der dezimierenden Filterkaskade entfernt liegt, die genau der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge L~ der gesamten dezimierenden Filterkaskade entspricht. Bei einer derartigen Festlegung der Polyphasenkomponente aller Polyphasendezimatoren PPD der dezimierende Filterkaskade sind erfindungsgemäß sämtliche Ausgangssignale der in der dezimierenden Filterkaskade seriell verschalteten dezimierenden Filter frühestmöglich eingeschwungen.

Neben einer rein seriellen Anordnung der einzelnen dezimierenden Filter in einer dezimierenden Filterkaskade gibt es auch Anwendungen von dezimierenden Filterkaskaden, in denen die einzelnen dezimierenden Filter sowohl seriell wie auch parallel zueinander angeordnet sind. Aufgrund der seriellen und parallelen Verschaltung der einzelnen dezimierenden Filter sind mehrere Eingänge E1, E2,... und Ausgänge A1, A2,... vorhanden und damit mehrere Filterpfade zwischen jeweils einem Eingang und einem Ausgang in einer derartigen dezimierenden Filterkaskade ausgebildet. Um ein minimales Einschwingen jedes Filterpfades der dezimierenden Filterkaskade zu verwirklichen, müssen die einzelnen Polyphasenkomponenten p der einzelnen dezimierenden Filter des jeweiligen Filterpfades analog wie im Fall einer rein seriellen Verschaltung der einzelnen dezimierenden Filter in einer dezimierenden Filterkaskade ausgelegt werden.

Liegt ein Eingangssignal der dezimierenden Filterkaskade vor, das mehrere Signalabschnitte mit gültigen Abtastwerten aufweist, die durch jeweils einen Signalabschnitt mit ungültigen Abtastwerten voneinander getrennt sind, werden die einzelnen dezimierenden Filter der dezimierenden Filterkaskade bei Beginn jedes gültigen Signalabschnitts reinitialisiert. Die Reinitialisierung der dezimierenden Filter bewirkt ein Rücksetzen sämtlicher Verzögerungsstufen der als nicht dezimierender Filteranteil verwendeten FIR-, IIR- oder CIC-Filter und der als dezimierender Filteranteil verwendeten Polyphasendezimatoren.

Die Reinitialisierung der einzelnen dezimierenden Filter kann jeweils über ein Steuersignal erfolgen, das zentral von einer übergeordneten Einheit zur Ablaufsteuerung erzeugt wird oder von dem im jeweiligen Filterpfad vorgelagerten dezimierenden Filter nach dessen Reinitialisierung weitergereicht wird.

Nach der Reinitialisierung der einzelnen dezimierenden Filter der dezimierenden Filterkaskade sind die Polyphasenkomponenten der einzelnen Polyphasendezimatoren äquivalent wie bei einem Eingangssignal, das nur gültige Abtastwerte enthält, zu dimensionieren, um ein Einschwingen der dezimierenden Filterkaskade in minimaler Zeit zu gewährleisten.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade werden im folgenden unter Berücksichtigung der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild für ein dezimierendes Filter,

2 eine Zeitdiagramm des Eingangs- und Ausgangssignals eines idealen Polyphasendezimators für verschiedene Polyphasenkomponenten p,

3 ein Zeitdiagramm des Eingangs-, Zwischen- und Ausgangssignals eines dezimierenden Filters nach dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäßen dezimierenden Filters ohne Reinitialisierung,

4 ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform einer dezimierenden Filterkaskade ohne Reinitialisierung,

5 ein Zeitdiagramm des Eingangs-, Zwischen- und Ausgangssignal einer erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade ohne Reinitialisierung,

6 ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer dezimierenden Filterkaskade ohne Reinitialisierung,

7 ein Zeitdiagramm eines gegateten Eingangssignals, des korrespondierenden FIR-Filter-Ausgangssignals und des korrespondierenden Polyphasendezimator-Ausgangssignals des erfindungsgemäßen dezimierenden Filters ohne Reinitialisierung und mit Reinitialisierung,

8 ein Zeitdiagramm eines gegateten Eingangssignals des korrespondierenden ersten Polyphasen- und des zweiten Polyphasen-Ausgangssignals der erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade mit Reinitialisierung,

9 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade mit Reinitialisierung und

10 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filterkaskade mit Reinitialisierung.

Anhand der Zeitdiagramme von 3 werden im folgenden die Zusammenhänge für die Auslegung eines erfindungsgemäßen dezimierenden Filters mit minimaler Einschwingzeit ohne Reinitialisierung erläutert.

Das dezimierende Filter wird gemäß 1 und 3, Zeile 1, an seinem Eingang E mit einem abgetasteten Eingangssignal xDezimationsfilter(k) beaufschlagt, das zugleich das Eingangssignal xFIR(k) des nicht dezimierenden FIR-Filters NDF ist. Das FIR-Filter NDF weist eine Filterlänge L von 6 auf, so daß das abgetastete Ausgangssignal yFIR(k), das gleichzeitig das abgetastete Eingangssignal xDezimator(k) des idealen Polyphasendezimators PPD ist, nach insgesamt L – 1 = 5 Abtastzeitpunkten seit Anregung des FIR-Filters NDF mit dem abgetasteten Eingangssignal xFIR(k) eingeschwungen ist. Der eingeschwungene Zustand des abgetasteten Ausgangssignals yFIR(k) des FIR-Filters NDF für Abtastzeitpunkte k ≥ L – 1 = 5 wird in 3, Zeile 2, durch einen ausgefüllten Abtastwert gekennzeichnet, während die noch nicht eingeschwungenen Abtastwerte yFIR(k) des Ausgangssignals des FIR-Filters NDF für Abtastzeiten k < L – 1 = 5 durch einen nicht-ausgefüllten Abtastwert dargestellt werden.

Das Ausgangssignal yDezimator(l) des idealen Polyphasendezimators PPD, dessen Laufindex l die reduzierte Abtastrate fa,out anzeigt, ist gleichzeitig auch das Ausgangssignal yDezimationsfilter(l) des dezimierenden Filters. Der ideale Polyphasendezimator PPD generiert aus seinem abgetasteten Eingangssignal xDezimator(l) entsprechend Gleichung (1) mittels der einstellbaren Polyphasenkomponente p und des einstellbaren Dezimationsfaktors R ein abtastratenreduziertes Ausgangssignal yDezimator(l). yDezimator(l) = xDezimator(l·R + p)(1)

Die Einstellung des Dezimationsfaktors R ergibt, wie weiter oben schon dargestellt, die Höhe der Abtastratenreduzierung zwischen der Abtastrate fa,in des Eingangssignals xDezimator(l) und der Abtastrate fa,out des Ausgangssignals yDezimator(l).

Die Einstellung der Polyphasenkomponente p, die entsprechend der Bedingung in Gleichung (2) erfolgt, bestimmt, zu welchem Zeitpunkt das abgetastete Ausgangssignal yDezimator(l) relativ zum abgetasteten Eingangssignal xDezimator(l) erzeugt wird: 0 ≤ p ≤ R – 1(2)

Der l-te Abtastwert des Ausgangssignals yDezimator(l) erscheint bei gegebenen Dezimationsfaktor R und gegebener Polyphasenkomponente p zum gemäß Gleichung (3) berechneten Abtastzeitpunkt k am Ausgang des idealen Polyphasendezimators PPD. k = l·R + p(3)

Wird für einen nicht-optimierten Einschwingvorgang des dezimierenden Filters der Dezimationsfaktor R = 4 und die Polyphasenkomponente p = 0 gewählt, so erscheint der erste eingeschwungene Wert des abgetasteten Ausgangssignals yDezimator(l) des idealen Polyphasendezimators PPD zum Zeitpunkt k = 8 (3, Zeile 3). Bei optimaler Wahl der Polyphasenkomponente p = 1 erhält man bereits bei k = 5 am Ausgang des idealen Polyphasendezimators PPD einen eingeschwungenen Ausgangswert (3, Zeile 4). Dies entspricht der durch die Filterlänge L = 6 des FIR-Filters NDF festgelegten minimalen Einschwingzeit des FIR-Filters NDF.

Als Optimalitätskriterium muß folglich ausgehend von Gleichung (3) die Bedingung in Gleichung (4) erfüllt sein. k = L – 1 = l·R + p(4)

Dieses Optimalitätskriterium für minimiertes Einschwingverhalten eines dezimierenden Filters impliziert die in Gleichung (5) dargestellte Berechnungsvorschrift für die Polyphasenkomponente P: p = MOD{L – 1, R}(5)

Somit erhält man zum frühest möglichen Zeitpunkt k = L – 1 einen eingeschwungenen Ausgangswert am Ausgang A des dezimierenden Filters. Bei einem IIR- oder CIC-Filter verwendet man in Gleichung (3) anstelle der Filterlänge L die entsprechende systemtheoretische Ersatzfilterlänge L~ IIR bzw. L~ CIC.

Ausgehend von Gleichung (2) beträgt der Zeitgewinn &Dgr;t bei optimaler Wahl der Polyphasenkomponente P im Vergleich zur ungünstigsten Wahl der Polyphasenkomponente P gemäß Gleichung (6):

Besteht die Signalverarbeitungskette nicht nur aus einem einzigen dezimierenden Filter, sondern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung aus mehreren in Reihe geschalteten dezimierenden Filtern, so muß die in Gleichung (5) dargestellte Einstellungsvorschrift für die Polyphasenkomponente p des idealen Polyphasendezimators PPD für die optimale Einstellung der Polyphasenkomponente pi der einzelnen Polyphasendezimatoren PPDi der Filterkaskade erweitert werden, wie im folgenden hergeleitet wird.

Gemäß 4 besteht die dezimierende Filterkaskade aus insgesamt N dezimierenden Filtern F0, F1, F2,..., FN-1, welche jeweils – ohne die in 1 dargestellte gedankliche Trennung in ein nicht dezimierendes FIR-Filter NDF und einen idealen Polyphasendezimator PPD – eine Übertragungsfunktion hi(ki), eine Filterlänge Li, einen Dezimationsfaktor Ri und eine Polyphasenkomponente pi aufweisen. Das dezimierende Filter Fi erzeugt ein Ausgangssignal yi(kj), dessen Index kj zur Abtastrate fa,j korrespondiert, aus einem Eingangssignal xi(ki), dessen Index ki zur gegenüber der Abtastrate fa,j höheren Abtastrate fa,i korrespondiert. Für ein nicht dezimierendes Filter NDF gilt in dieser Schreibweise Ri = 1 und pi = 0.

Die dezimierenden Filter Fi,...,Fj-1 zwischen den Ebenen i und j – in 4 sei i = 0 und j = 3 gewählt – können durch ein dezimierendes Ersatzfilter mit der Übertragungsfunktion h~ ij(ki), der Filterlänge L~ ij, dem Dezimationsfaktor R~ ij sowie der Polyphasenkomponente p~ ij ersetzt werden. Die Ersatzgrößen h~ ij(ki),L~ ij, R~ ij und p~ ij berechnen sich wie folgt:

Für den Dezimationsfaktor R~ ij des dezimierenden Ersatzfilters gilt die Berechnungsvorschrift in Gleichung (7), wobei R&xgr; der Dezimationsfaktor des dezimierenden Filters F&xgr; ist:

Für die Polyphasenkomponente p~ ij des dezimierenden Ersatzfilters gilt die Berechnungsvorschrift in Gleichung (8), wobei p&xgr; die Polyphasenkomponente des dezimierenden Filters F&xgr; ist:

Um die Ersatzübertragungsfunktion h~ ij(ki) zu berechnen, müssen zunächst die einzelnen Übertragungsfunktionen h&xgr;(k&xgr;) des jeweiligen dezimierenden Filters F&xgr; zwischen den Abtastebenen i < &xgr; < j von der Ebene &xgr; mit der Abtastfrequenz fa,&xgr; in die Ebene i mit der Abtastfrequenz fa,i transformiert werden. Eine auf die Ebene i mit der Abtastfrequenz fa,i transformierte Übertragungsfunktion wird im folgenden mit h~ &xgr;(ki) bezeichnet und hat gemäß Gleichung (9) die Eigenschaft:

Die transformierte Übertragungsfunktion h~ &xgr;(ki) des dezimierenden Filters F&xgr; ergibt sich aus der ursprünglichen Übertragungsfunktion h&xgr;(k&xgr;) des dezimierenden Filters F&xgr;, indem die transformierte Übertragungsfunktion h~ &xgr;(ki) zwischen den einzelnen Abtastzeitpunkten ki = R~ i&xgr;·k&xgr; jeweils mit insgesamt R~ i&xgr; – 1 Nullen ergänzt wird.

Somit ergibt sich gemäß Gleichung (10) die Übertragungsfunktion h~ ij(ki) des dezimierenden Ersatzfilters zwischen den Abtastebenen i und j aus einer Faltung der auf die Abtastregion i transformierten Übertragungsfunktionen h~ &xgr;(k&xgr;) der einzelnen dezimierenden Filter F&xgr; zwischen den Abtastebenen i < &xgr; < j: h~ij = hi(kih~i+1(ki)·...·h~j-2(kj-2h~j-1(kj-1)(10)

Die Länge L~ ij des Ersatzfilters ergibt sich gemäß Gleichung (11) aus der Filterlänge L&xgr; des dezimierenden Filters F&xgr; und des Dezimationsfaktors Ri&xgr; des dezimierenden Ersatzfilters zwischen der Abtastebene i und &xgr;:

Der zeitliche Zusammenhang zwischen der Abtastregion i und der Abtastregion j lautet in Anlehnung an Gleichung (3) gemäß Gleichung (12): ki = kj·R~ij + p~ij(12)

Analog zur minimalen Einschwingzeit eines einzelnen dezimierenden Filters F&xgr; in Höhe der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge L des FIR-Filters NDF ergibt sich die minimale Einschwingzeit einer dezimierende Filterkaskade mit mehreren dezimierenden Filtern Fi,...,Fj-1 zwischen den Abtastebenen i und j aus der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge L~ ij des Ersatzfilters zwischen den Abtastebenen i und j. Folglich muß gemäß Gleichung (13) unter Berücksichtigung von Gleichung (11) zum Abtastzeitpunkt ki ein Abtastwert am Ausgang Ai,..., Aj-1 der dezimierenden Filterkaskade Fi,...,Fj-1 vorliegen, um ein minimales Einschwingen der dezimierenden Filterkaskade zu erzielen.

Der Zeitgewinn &Dgr;t bei optimaler Wahl der Polyphasenkomponenten einer dezimierenden Filterkaskade im Vergleich zur ungünstigsten Wahl der Polyphasenkomponenten einer dezimierenden Filterkaskade beträgt gemäß Gleichung (14):

Analog zum Optimalitätskriterium für minimiertes Einschwingverhalten eines dezimierenden Filters in Gleichung (5), muß für jedes dezimierende Filter F&xgr; einer dezimierenden Filterkaskade zwischen den Abtastebenen i und j ein in der Abtastebene F&xgr; zum Abtastzeitpunkt k&xgr; am Ausgang des dezimierenden Filters F&xgr; anliegender Abtastwert y&xgr;-1(k&xgr;) des Ausgangssignals y&xgr;-1 zum Abtastzeitpunkt ki = L~ ij – 1 in der Abtastebene i zu liegen kommen. Ausgehend von Gleichung (12) muß in Analogie zu Gleichung (12) für den Fall eines einzigen dezimierenden Filters das Optimalitätskriterium in Gleichung (15) erfüllt sein. ki = L~ij – 1 = k&xgr;·R~i&xgr; + p~i&xgr; ∀i < &xgr; ≤ j(15)

Dieses Optimalitätskriterium für minimiertes Einschwingverhalten einer dezimierenden Filterkaskade impliziert, daß der Abtastzeitpunkt k&xgr; des am Ausgang jedes dezimierenden Filters F&xgr; anliegenden Abtastwertes y&xgr;-1(k&xgr;) des Ausgangssignals y&xgr;-1 ganzzahlig sein muß und somit Gleichung (16) erfüllen muß: MOD{kip~i&xgr;, R~i&xgr;} = 0 ∀i < &xgr; ≤ j(16)

Das Optimalitätskriterium in Gleichung (16) kann folgendermaßen umgeformt werden:

Hierzu wird Gleichung (8) mathematisch umgeformt nach Gleichung (17):

Wendet man die Erkenntnis aus Gleichung (17) im Optimalitätskriterium der Gleichung (16) an, so ergibt sich Gleichung (18): MOD{kip~i,&xgr;-1R~i,&xgr;-1p&xgr;-1, R~i&xgr;} = 0 ∀i < &xgr; ≤ j(18)

Zur Vereinfachung wird Gleichung (18) in eine äquivalente Form gemäß Gleichung (19) umgeschrieben: MOD{A – bC, R} = 0 mit A = kip~i,&xgr;-1; b = R~i,&xgr;-1; C = p&xgr;-1; R = R~i&xgr;(19)

Gleichung (19) kann unter Einführung eines ganzzahligen Faktors &lgr; nach Gleichung (20) bzw. nach Gleichung (21) übergeführt werden: A – bC – &lgr;R = 0(20) C = 1b(A – &lgr;R)(21)

Die rechte Seite von Gleichung (21) lässt sich wiederum als Modulo-Bedingung gemäß Gleichung (22) beschreiben: C = 1b·MOD{A, R}(22)

Führt man in Gleichung (22) eine Resubstitution der Hilfsgrößen A, b, C und R aus Gleichung (19) durch, so erhält man Gleichung (23):

Nach Substitution von &mgr; = &xgr; – 1 in Gleichung (23) erhält man Gleichung (24):

Mit Hilfe von Gleichung (24) lassen sich die einzelnen Polyphasenfaktoren p&mgr; der einzelnen dezimierenden Filter F&mgr; der dezimierenden Filterkaskade iterativ beginnend mit &mgr; = i berechnen.

Eine dezimierende Filterkaskade aus beispielsweise drei dezimierenden Filtern sei gegeben. Zum Zeitpunkt k0 = L~ 03 – 1 soll eine dezimierende Filterkaskade eingeschwungen sein. Die einzelnen Polyphasenkomponenten p0,..., p2 der drei dezimierenden Filter lassen sich gemäß Gleichung (24a), (24b) und (24c) bestimmen:

Das Zeitdiagramm in 5 zeigt für eine erste Ausführungsform einer dezimierenden Filterkaskade aus zwei seriell verschalteten dezimierenden Filtern in Zeile 1 ein abgetastetes Eingangssignal x0(k0), in Zeile 2 das abgetastete Ausgangssignal y0(k1) am Ausgang des ersten dezimierenden Filters und in Zeile 3 das abgetastete Ausgangssignal y1(k2) am Ausgang des zweiten dezimierenden Filters.

In 5 ist zu erkennen, daß in Zeile 2 mit der Wahl der Polyphasenkomponente p0 des ersten dezimierenden Filters F0 (p0 = 1) gemäß Gleichung (24a) (p0 = MOD{k0 = L0 – 1, R0} = MOD{4, 3}) ein zeitoptimales Einschwingen des ersten dezimierenden Filters F0 zum Abtastzeitpunkt k0 = L0 – 1 = 4 erzielt wird.

Aus Zeile 3 der 5 ist außerdem zu erkennen, daß mit der Wahl der Polyphasenkomponente p1 des zweiten dezimierenden Filters F1 (p1 = 1) gemäß Gleichung (24b) ebenfalls ein zeitoptimales Einschwingen des zweiten dezimierenden Filters F1 zum Abtastzeitpunkt k0 = L~ 02 – 1 = 10 gemäß Gleichung (12) bei einer Filterlänge L~ 02 = 11 der dezimierenden Filterkaskade gemäß Gleichung (11) erreicht wird.

Bei einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filterkaskade gemäß 6 sind die einzelnen dezimierenden Filter nicht nur seriell, sondern auch parallel geschaltet. Beispielsweise bildet sich in der dezimierenden Filterkaskade der 6 auf diese Weise zwischen dem Eingang E und einem ersten Ausgang A1 der dezimierenden Filterkaskade ein erster Filterpfad FP1 mit dem dezimierenden Filter F0 und dem dazu seriell verschalteten dezimierenden Filter F1 und ein zweiter Filterpfad FP2 mit dem dezimierenden Filter F0 und dem dezimierenden Filter F2.

Für die Bestimmung optimierter Polyphasenkomponenten in den einzelnen dezimierenden Filtern F0, F1, F2 sind die einzelnen Filterpfade FP1, FP2 als serielle Verschaltung mehrerer dezimierender Filter F0, F1, F2 zu betrachten und in analoger Weise wie in der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade vorzugehen. Auf diese Weise kann insbesondere sicher gestellt werden, dass zu gleichen Zeitpunkten in beiden Filterpfaden FP1, FP2 Ausgangssignale erzeugt werden.

Wird ein einzelnes dezimierendes Filter entsprechend 1 mit einem abgetasteten Eingangssignal xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) gemäß 7, 1. Zeile, beaufschlagt, das aus Signalabschnitten mit gültigen Abtastwerten – ausgefüllte Abtastwerte in 7 – und dazwischenliegenden Signalabschnitten mit ungültigen Abtastwerten – unausgefüllte Abtastwerte in 7 – besteht, so liegen aufgrund der Faltung des Eingangssignals xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) mit der Impulsantwort h(k) des nicht dezimierenden Filters NDF, das gemäß 1 als FIR-Filter realisiert ist, am Ausgang des FIR-Filters erst nach insgesamt L – 1 Abtastzeitpunkten ab Beginn eines gültigen Signalabschnitts des Eingangssignals xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) gültige Abtastwerte des Ausgangssignals yFIR(k) = xDezimator(k) vor. Da die Filterlänge L beim FIR-Filter der 7 den Wert 6 aufweist und der erste gültige Signalabschnitt beim Abtastzeitpunkt k = 0 sowie der zweite gültige Signalabschnitt beim Abtastzeitpunkt k = 13 beginnt, liegen am Ausgang des FIR-Filters gemäß 7, 2. Zeile, erst zum Zeitpunkt k = 5 bzw. zum Abtastzeitpunkt k = 18 gültige Abtastwerte des Ausgangssignals yFIR(k) = xDezimator(k) vor.

Das abgetastete Signal yDezimator(l) am Ausgang A des Polyphasendezimators PPD weist bei einem Dezimationsfaktor R = 4 und einer Polyphasenkomponente p = 1 bei fehlender Reinitialisierung des FIR-Filters den in 7, 3. Zeile, dargestellten Verlauf auf. Zu erkennen ist, daß im ersten gültigen Signalabschnitt des Eingangssignals xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) das abgetastete Ausgangssignal yDezimator(l) des dezimierenden Filters zum Abtastzeitpunkt k = 5 bei minimaler Einschwingzeit gültige Abtastwerte aufweist, während im zweiten gültigen Signalabschnitt des Eingangssignals xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) das abgetastete Ausgangssignal yDezimator(l) des dezimierenden Filters erst zum Abtastzeitpunkt k = 21 und nicht zum frühestmöglichen Abtastzeitpunkt k = 18 gültige Abtastwerte anliegen. Dieses verschlechterte Einschwingen des dezimierenden Filters im zweiten Signalabschnitt resultiert aus dem obig in der Einleitung beschriebenen nicht originären Filterzustand des nicht dezimierenden FIR-Filters und des Polyphasendezimators zum Zeitpunkt k = 13 des Beginns des zweiten gültigen Signalabschnitts.

Wird dagegen das dezimierende Filter – nicht dezimierendes FIR-Filter und Polyphasendezimator – zu Beginn jedes Signalabschnitts, das gültige Abtastwerte des Eingangssignals xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) aufweist, erfindungsgemäß zurückgesetzt, so erfolgt mit der optimal eingestellten Polyphasenkomponente p des Polyphasendezimators PPD ein Einschwingen des dezimierenden Filters in minimaler Zeit. Ein Zurücksetzen – Reinitialisierung – des dezimierenden Filters zu Beginn des ersten Signalabschnitts ist nicht erforderlich, da sich zu diesem Zeitpunkt das dezimierende Filter in seinem originären Filterzustand befindet.

In der 4. Zeile der 7 ist das optimale Einschwingen des abgetasteten Ausgangssignals yDezimator(l) des dezimierenden Filters im zweiten gültigen Signalabschnitt bei Reinitialisierung des dezimierenden Filters zum Abtastzeitpunkt k = 13 des Beginns des zweiten gültigen Signalabschnitts zu erkennen: Bei minimaler Einschwingzeit ist das dezimierende Filter frühestmöglich zum Abtastzeitpunkt k = 18 an seinem Ausgang A eingeschwungen.

Im Zeitdiagramm der 8 ist das Einschwingen einer erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade mit zwei seriell verschalteten dezimierenden Filtern bei einem abgetasteten Eingangssignal xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) mit einem Beginn eines gültigen Signalabschnitts zum Abtastzeitpunkt k = 0 und k = 14 (8, 1. Zeile) gezeigt. Das erste dezimierende Filter mit einer Filterlänge L0 = 5 schwingt bei einem Dezimationsfaktor R0 = 3 und einer optimierten Polyphasenkomponente p0 = 1 im ersten gültigen Signalabschnitt zum frühestmöglichen Abtastzeitpunkt k = L0 –1 = 4 und im zweiten gültigen Signalabschnitt bei einer Reinitialisierung des dezimierenden Filters zum Zeitpunkt k = 14 des Beginns des zweiten gültigen Signalabschnitts zum frühest möglichen Abtastzeitpunkt k = 14 + L0 – 1 = 18 ein (8, 2. Zeile). Analog schwingt das zweite dezimierende Filter mit einer Filterlänge L1 = 3 bei einem Dezimationsfaktor R1 = 2 und einer optimierten Polyphasenkomponente p1 = 1 im ersten gültigen Signalabschnitt zum frühestmöglichen Abtastzeitpunkt k = L~ 02 – 1 = 10 mit einer Ersatzfilterlänge L~ 02 = 11 der dezimierenden Filterkaskade und im zweiten gültigen Signalabschnitt bei einer Reinitialisierung des dezimierenden Filters zum Zeitpunkt k = 14 des Beginns des zweiten gültigen Signalabschnitts zum frühestmöglichen Abtastzeitpunkt k = 14 + L~ 02 – 1 = 24 ein (8, 3. Zeile). Der zeitliche Abstand zwischen dem letzten und nächsten Abtastwert kann durch die Reinitialisierung unverändert bleiben, aber er kann sich auch verkürzen (2 Abtastzeitpunkte k0 im Signal y0(k1) der Zeile 2 der 8) oder verlängern (8 Abtastzeitpunkte k0 im Signal y1(k2) der Zeile 3 der 8).

Die Reinitialisierung der einzelnen dezimierenden Filter einer erfindungsgemäßen dezimierenden Filterkaskade erfolgt in einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filterkaskade mit Reinitialisierung in 9 zentral über eine Einheit zur übergeordneten Ablaufsteuerung EAS, die ausgehend vom abgetasteten Eingangssignal xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) der dezimierenden Filterkaskade für jedes dezimierende Filter F0, F1, F2,..., FN-1 ein Reinitialisierungssignal R zum Rücksetzen sämtlicher Verzögerungsstufen des jeweiligen nicht dezimierenden FIR-Filters und des Polyphasendezimators jedes dezimierenden Filters F0, F1, F2,..., FN-1 generiert. Das jeweilige Reinitialisierungssignal R wird durch ein im jeweiligen Pfad von der Einheit zur übergeordneten Ablaufsteuerung EAS zum jeweiligen dezimierenden Filter F0, F1, F2,..., Fn-1 integriertes Verzögerungsglied VZ0, VZ1, VZ2,..., VZN-1 jeweils mit einer spezifischen Verzögerungszeit T0, T1, T2,..., TN-1 verzögert. Diese spezifische Verzögerungszeit T0, T1, T2,..., TN-1 berücksichtigt die unterschiedliche Hardware bedingte Laufzeit des zu filternden Meßsignals vom Eingang der Filterkaskade zum Eingang des jeweiligen Filters F0, F1, F2,..., FN-1 und bewirkt damit ein zeitkorrektes Rücksetzen des jeweiligen Filters F0, F1, F2,..., FN-1.

In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filterkaskade mit Reinitialisierung in 10 wird das Reinitialisierungssignal R einmalig von einer Einheit zur übergeordneten Ablaufsteuerung EAS ausgehend vom abgetasteten Eingangssignal xDezimationsfilter(k) = xFIR(k) der dezimierenden Filterkaskade verzögerungsfrei erzeugt und dem ersten dezimierenden Filter F0 zum Rücksetzen sämtlicher Verzögerungsstufen zugeführt. Dieses erste dezimierende Filter F0 reicht das Reinitialisierungssignal R direkt – nur um die Hardware bedingte Laufzeit verzögerung – an das zweite dezimierende Filter F1 zum Rücksetzen von dessen Verzögerungsstufen weiter. Auf diese Weise wird das Reinitialisierungssignal R von jedem vorgelagerten dezimierenden Filter an das jeweils nachfolgende dezimierende Filter weitergereicht, bis es beim letzten dezimierenden Filter FN-1 angelangt ist.

Die bisher dargestellte Reinitialisierung der Filterzustände des nicht dezimierenden Filters und des Polyphasendezimators kann alternativ auch auf eine Reinitialisierung einzig der Filterzustände des Polyphasendezimators beschränkt werden. Die Signalwerte am Ausgang der Filter in der Phase des Einschwingvorgangs sind bei einer derartigen Reinitialisierung zwar unterschiedlich zu den Signalwerten am Ausgang der Filter in der Phase des Einschwingvorgangs bei der beschriebenen Reinitialisierung, die Einschwingzeit ist aber in beiden Fällen äquivalent minimal.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere sind außer der in 6 dargestellten Filterstruktur auch andere Filterstrukturen einer dezimierenden Filterkaskade von der Erfindung abgedeckt. Liegen variabel programmierbare Filterlängen der einzelnen dezimierenden Filter vor, so ist eine frei programmierbare Berechnung der einzelnen Polyphasenkomponenten von der Erfindung ebenfalls abgedeckt.


Anspruch[de]
Filterkaskade mit mindestens einem Filterpfad (FP1; FP2) bestehend aus jeweils mindestens einem dezimierenden Filter (F0, F1, F2,..., FN-1), wobei der Eingang (E) der Filterkaskade von einem abgetasteten Eingangssignal (x0(k0)) mit mehreren durch mindestens einen ungültigen Abtastwert voneinander getrennten gültigen Signalabschnitten beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dezimierende Filter (F0, F1, F2,..., Fn-1) jeweils zu Beginn eines gültigen Signalabschnitts reinitialisiert wird und anschließend nach einer minimalen Anzahl von Abtastwerten des am Eingang (E) der Filterkaskade anliegenden Eingangssignals (x0(k0)) jeweils am Filterausgang (A0, A1, A2,..., AN-1) einen eingeschwungenen Abtastwert erzeugt, wobei die minimale Anzahl von Abtastwerten der um den Faktor 1 reduzierten Filterlänge L~ des jeweiligen Filterpfads (FP1; FP2) entspricht. Filterkaskade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dezimierende Filter (F0, F1, F2,..., FN-1) über ein zugehöriges Steuersignal von einer übergeordneten Einheit zur Ablaufsteuerung (EAS) zu Beginn eines neuen gültigen Signalabschnitts reinitialisiert wird. Filterkaskade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dezimierende Filter (F1, F2,..., FN-1) von seinem vorgelagerten dezimierenden Filter (F0, F1, F2,..., FN-2) über ein Steuersignal nach dessen Reinitialisierung zu Beginn eines neuen gültigen Signalabschnitts reinitialisiert wird. Filterkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Reinitialisierung jedes dezimierenden Filters (F0, F1, F2,..., FN-1) die Erzeugung des ersten Abtastwertes am jeweiligen Filterausgang (A0, A1, A2,..., AN-1) unverzögert erfolgt. Filterkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige dezimierende Filter (F0, F1, F2,..., FN-1) aus einem nicht dezimierenden Filter (NDF) in Serie zu einem Polyphasendezimator (PPD) besteht. Filterkaskade nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht dezimierende Filter (NDF) ein Finite-Impulse-Response-Filter, ein Infinite-Impulse-Response-Filter oder ein Cascaded-Integrator-Comb-Filter ist. Filterkaskade nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinitialisierung des jeweiligen dezimierenden Filters (F0, F1, F2,..., FN-1) die einzelnen Verzögerungsstufen des Polyphasendezimators und gleichzeitig des Finite-Impulse-Response-Filters, des Infinite-Impulse-Response-Filter oder des Cascaded-Integrator-Comb-Filter zurücksetzt. Filterkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterlänge L~ des Filterpfades (FP1; FP2) aus den zu den zwischen einem Eingang (E) und einem Ausgang (A1; A2) des Filterpfads (FP1; FP2) seriell geschalteten dezimierenden Filtern (F0, F1, F2,..., FN-1) jeweils gehörigen Filterlängen L&mgr; gemäß folgender Formel bestimmt ist: wobei

R&xgr; der Dezimationsfaktor des &xgr;-ten Polyphasendezimators ab dem Eingang des Filterpfads (FP1; FP2) ist.
Filterkaskade nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyphasenkomponente pv des v-ten Polyphasendezimators eines Filterpfades (FP1; FP2) so eingestellt ist, daß der v-te Polyphasendezimator am Ausgang (Av) des v-ten dezimierenden Filters (Fv) nach der minimalen Anzahl von Abtastwerten des am Eingang (E) der Filterkaskade anliegenden Eingangssignals (y0 (k0)) einen eingeschwungenen Abtastwert erzeugt. Filterkaskade nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyphasenkomponente pv des v-ten Polyphasendezimators eines Filterpfades (FP1; FP2) iterativ aus der Polyphasenkomponente p&mgr; des &mgr;-ten Polyphasendezimators ab dem Eingang (E) des Filterpfads (FP1; FP2) gemäß folgender Formel bestimmt wird: wobei

R&xgr; der Dezimationsfaktor des &xgr;-ten Polyphasendezimators ab dem Eingang des Filterpfads (FP1; FP2) ist,

L~ die Filterlänge eines Filterpfads ist und MOD{·} die Modulo-Funktion ist.






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