Brevet FR2627647A1 — publié le 19890825

Filtre numérique à décimation intégrée La présente invention concerne les filtres numé- riques et, plus particulièrement, les filtres numériques traitant un signal suréchantillonné pour la mise en forme de ce signal et effectuant une décimation fournissant un signal ayant une fréquence d'échantillonnage réduite. L'invention est applicable' notamment, dans la transmission de données par voie radio-électrique, sous une forme que 1 'on peut considérer comme analogique, lorsque, la réception, le traitement du signal transmis, ramené en bande de base, doit être effectué de façon numérique. La conversion sous forme numérique du signal analogique transmis s'effectue alors, par échantillonnage et codage. à une fréquence beaucoup plus élevée que celle qui est préco- nisée par Shannon, en fonction de la largeur de bande du signal à coder. Un tel suréchantillonnage permet une réali- sation plus simple et plus économique des filtres passe-bas analogiques qui doivent précéderde toute façon la conversion analogique - numérique. Le filtrage de Nyquist du canal de transmission peut en outre être effectué sur le signal suréchantillonné. avant la décimation. La décimation est une opération qui consiste. dans une suite d'échantillons à fréquence élevée d'un signal d'entrée numérique, à ne conserver qu'un échantillon sur R échantillons. R est le rapport de décimation. L'ana- lyse montre que si R est trop élevé par rapport au spectre du signal d'entrée, la décimation produit un repliement du spectre qu'il convient d'éviter. FPour ce faire, il -est courant de procéder à une mise en forme du signal d'entrée, avant la décimation. Il s'agit d'un filtrage de type passe- bas qui n'affecte pas le signal devant être conservé après la décimation; Le moyen usuel pour accomplir un tel filtrage sur le signal numerique est un filtre à réponse impulsionnelle finie (RIF), dans lequel chaque échantillon de sortie est la somme de N échantillons antérieurs du signal d'entrée affectés de coefficients appropriés. Ce filtre effectue N multiplications en parallèle dont les résultats sont retar- des et additionnés. Les opérations de multiplication sont les plus complexes et le temps qu'elles demandent limite le débit maximal du filtre. Un filtre réalisé dans une techno- logie donnée a ainsi un domaine d'application limité. Toutefois, il est également connu qu'un filtre RIF peut ètre remplacé par la combinaison en série d'un préfiltre et d'un égaliseur. Ceci est ex; posé dans l'article S10 "A new approach to FIR diogital filters with fewer multipliers et reduced sensitivity" de J.W. Adams et A.N. Willson, publie dans IEEE Transactions on Circuite and Systems, vol. CAS3.', pages 277-283, de mai 1983. Le préfiltre est un filtre RIF simplifiée comportant un nombre réduit de coefficients très simples (0, - 1, 1...) tels qu'il 1 ne demandent pas d'effectuer de multiplications. Le débit maximal possible d'un tel filtre n'est limité que par les opérations d'addition. Il est considérablement plus élevé que dans le cas d'un filtre RIF classique. L'égaliseur est également un filtre RIF et il a pour rôle de corriger la fonction de transfert du préfiltre et de faire que la fonction de transfert globale (préfiltre plus égaliseur) soit celle que l'on désire. Comme l'égali- seur apporte seulement une correction, il est d'ordre relativement faible et n'effectue donc qu'un faible nombre de multiplications. Dans le cas d'une réalisation maté- rielle, en intégration à très grande échelle (VLSI), cela conduit à une économie de la surface occupée par le filtre. La limitation de la fréquence d'échantillonnage maximale acceptable par le filtre est la mème que dans le cas du filtre RIF classique. Comme indique au début de ce texte, l'invention s'apolique en particulier, mais non exclusivement, aux cas o le signal suréchantillonne doit aussi faire l'objet d'u filtrage pour les besoins de la transmission (filtre de Nyquist). Cette opération de filtrage s'effectue necessai- rement avant la decimation. Elle peut bien entendu étre combinée avec celle que l'on vient de mentionner et qui est propre à la décimation. Cela conduira à des coefficients - différents et rendra généralement plus aigus les problemes de fréquence d'échantillonnage maximale limitée dans lées deux modes de filtrage évoques plus haut. La présente invention se propose de fournir une solution à ces problèmes, sous la forme d'un filtre à décimation intégrée dont aucune partie n'effectue des multiplications à la fréquence d'échantillonnage élevée du signal d'entree. Le filtre à décimation integréede la présente invention comrend, en cascade, un préfiltre, un décimateur et un égaliseur, les caractéristiques de cet égaliseur étant adaptées pour tenir compte de l'effet de la decima- tion sur le signal qui lui est soumis et 1 'égaliseur seul effectuant des opérations de multiplication. Dans le filtre & décimation intégrée de l'inven- tion, l'égaliseur reçoit un signal & fréquence d'échantil- lonnage réduite par le décimateur. Il pourra ainsi Ètre d'ordre inférieur à celui qui traiterait un signal à la fréquence d'échantillonnage élevée du signal d'entrée, ce qui apportera une économie par la réduction du nombre de le multiplications à effectuer, en même temps que temps dispo- nible pour effectuer chaque multiplication augmentera grâce à la réduction de la fréquence d'échantillonnage, ce qui apportera un gain sur la fréquence d'échantillonnage maxi- 0 male admissible du signal d'entrée, ou une économie sur les moyens nécessaires pour réaliser les multiplications. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant exposés de façon plus detail- lée en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma général d'un filtre RIPF - la figure 2, une structure de filtre comprenant un préfiltre et un égaliseur, - la figure 3, le diagramme général d'un decima- teur classique comprenant un filtre passe-bas d'entrée. - la figure 4, le diagramme général d'un filtre à décimation intégrée selon la présente invention. La figure 1 fournit le schéma général d'un filtre RIF. A l'entrée i d'un tel filtre est appliqué un signal d'entrée numérique à fréquence d'échantillonnage élevée X(nT). Ce signal est fourni à N multiplicateurs 2(0) à 2(N- 1) recevant chacun un coefficient qui lui est propre h(O) à h(N-l). Le produit d'un échantillon du signal X(nT) avec le coefficient h(O), issu du multiplicateur 2(0), est retardé d'une période d'échantillonnage, dans uLn élément à retard (3(0), avant d'être additionné, dans un additionneur 4(0) avec le produit de l'échantillon suivant du signal X(nT) par le coefficient h(l), issu du multiplicateur 2(1). La somme obtenue est à son tour retardée d'une operiode d'échantillonnage par un élément à retard 3(1), avant d'étre additionnée au produit fourni par le multiplicateur suivant à nouveau, et ainsi de suite, jusqu'à l'addition- neur 4(N-2), lequel fournit un signal de sortie numérique filtré Y(nT). Les coefficients h(O) à h(N-1) sont des nombrescodés su plusieurs bits. Les opérations de multiplication sont donc relativement longues. Comme leur durée ne peut pas dépasser celle d'une période d'échantillonnage, ce sont les moyens employés pour réaliser les multiplications qui définissent alors la fréquence d'échantillonnage maximale admissible pour le signal d'entrée, ou encore, si la fréquence d'échantillonnage est fixée, elle conditionnera les moyens à employer pour réaliser les multiplications. Dans certains cas, une telle contrainte peut mener à des conflits prati- quement insolubles. La figure 2 représente une structure recevant le signal X(nT) et comprenant en cascade un prefiltre 5 four- nissant le signal U(nT) et un égaliseur 6 fournissant le signal Z(nT). Une telle structure peut être équivalente au filtre de la figure 1 et le signal Z(nT) sensiblement identique au signal Y(nT). Elle est discutée dans l'article "1A new approach to FIR digital filters with fewer multipliers et reduced sensitivity" de J.W. Adams et A.N. Willson, publié dans IEEE Transactions on Circuits and Svstems, vol. CAS30, pages 277-28:3, de mai 1983. Elle présente l'avantage que le préfixe est un filtre RIF dont les coefficients sont tels (0, -1. 1...) que le filtre ne comporte pas de multiplication, ce qui lève, en ce qui le concerne, la contrainte mentionnée plus haut, tandis que l'égaliseur est un filtre RIF a' coeffi- cients peu nombreux, de sorte que, si la contrainte en question subsiste, elle ne porte que sur un nombre réduit de multiplicateurs, ce qui l'allège, en terme de-coOt. On doit toutefois souligner que cette structure reste soumise à la limitation exoosée précédemment, du fait de la présen- ce de multiplicateurs, en ce qui concerne la fréquence d'échantillonnage maximale. La figure 3 représente une structure de décima- teur classique traitant un signal d'entrée X(nT) et compre- nant en cascade un filtre passe-bas 7, qui peut être le filtre de la figure 2, fournissant le signal Y(nT), et Lun étage de décimation 8 fournissant un signal Z(nT') qui n'est autre que le signal Y Dans ce décimateur, la fréquence d'échantillon- nage maximale admissible est également limitée du fait de la présence de multiplicateurs, que le filtre 7 soit. réali- sé sous la forme illustrée à la figure 2 ou sous la foi me illustrée t la figure 3. Par ailleurs. si ce décimateur classique doit être aussi utilise pour le filtrage du signal d'entrée, avant décimation, il suffit de modifier en conséquence les coefficents de filtre, et généralement d'en ajouter, ce Qui peut tout au plus rendre plus lourde la contrainte consi- dérée. La présente invention propose un moyen d'écarter sensiblement cette contrainte. Cette solution est illustrée par la figure 4 qui représente un filtre à decimateur intégré conforme à l'invention. Ce filtre comprend un préfiltre 5 conforme à celui de la figure 2, recevant le It) signal X(nT) et fournissant le signal U(nT) et, tout comme le décimateur de la figure 3, un étage de décimation 8, lequel fournit un signal V(nT'), dont la période est réduite dans le rapport R. Cet étage decimateur est suivi par un éegaliseur 9, remplissant, du point de vue du traite- ment du signal, le même rôle vis-à-vis du signal V(nT') que 1 'égaliseur 6 de la figure 2 vis-à-vis du signal U(nT). Le signal W(nT') fourni par cet égaliseur, par l'adoption de coefficients appropries pour le filtre 9, peut être sensi- blement identique au signal Z(nT') de la figure 2. Le 2C3 calcul de ces coefficients, en tenant compte de la fréquen- ce d'échantillonnage réduite, est bien connu dans la technique. On peut toutefois souligner que, par rapport à la structure de la figure 2, l'égaliseur fonctionne avec une fréquence d'échantillonnage divisée par R, de sorte que les opérations de multiplication disposeront d'une durée multipliée par R, pour un méme signal d'entrée, ou que la fréquence d'échantillonnage du signal d'entrée peut être augmentée en conséquence. De plus l'analyse montre que l'égaliseur, dans ce cas, peut être d'un ordre inférieur et comporter, par conséquent, un nombre réduit de multipli- cateurs. La présente invention, en adoptant une structure de filtre avec un préfiltre traitant des signaux à la frè- quence d'échantillonnage élevée du signal d'entrée, sans employer de multiplicateur, puis en complètant le traite- ment dans un égaliseur, après decimation. a une fréquence d'échantillonage réduite, permet donc tout & la fois d'écarter la contrainte portant sur.la fréquence d'échan- tillonnage du signal d'entrée et d'effectuer une économie substantielle sur 1-es circuits de l'égaliseur. REVENDICATION Filtre numérique a décimation intégrée traitant un signal surechantillonné pour la mise en forme de ce signal et effectuant une décimation fournissant un signal avant une fréquence d'échantillonnage réduite comprenant. en cascade-, un préfiltre (5), un etage décimateur (8) et un égaliseur (9) , les caractéristiques de cet égaliseur étant adaptées pour tenir compte de l'effet de la décimation sur Ct) le signal qui lui est soumis et l'égaliseur seul effectuant des opérations de multiplication.