Kennt jemand ein Buch über RC-Filter das diese Variante:
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ausführlich beschreibt ? In Kowalski "Berechnung und Aufbau aktiver RC-Filter" Militärverlag 1988 sind zwar 2-3 Seiten. Ausführlicher wär mir lieber. Es ist zwar zu vermuten, daß die Struktur auf Bauteilstreuung etwas empfindlich reagiert, aber in der Anwendung ( Quantisierungsrauschen hinter
16kBit/sec CVSD entfernen ) ist das durchaus erträglich und mehr als 1 OP verbauen ( vgl FDNRs ) lohnt nicht.
Hmm. Ohne C2 wäre das ein Cauer-Hochpaß 2. Ordnung. Mit dem nachgeschalteten Tiefpaß R5/C5 und C2 soll das wohl ein Bandpaß mit steilem unterem Übergang sein.
In electronica 193 (in o.g. Buch als 2.7 aufgeführt) steht nur unwesentlich mehr. Allerdings ist die Literaturliste ergiebiger. Kowalski nennt beim Cauer- Tiefpaß explizit die folgenden Quellen:
(Theorie) Kerwin, W.J.: Active RC Network Synthesis ... in: Active Filters, Mc.Graw-Hill, New York, 1970
(Tabellen) Saal, R.: Handbuch zum Filterentwurf. AEG Telefunken, Berlin, Frankfurt/Main 1979
Nicht als scan. Hab aber das Buch, bei Bedarf leihweiee. Es hat zwar 140 Seiten knappe Einführung, aber der 500 Seiten Rest sind Tabellen, insofern nur bedingt hilfreich.
ich habe zwar nicht die Beschreibung genau dieser Schaltung, aber ähnliche zahlreiche Varianten sind sehr ausführlich hier beschrieben:
Herpy/Berka Aktive RC-Filter Franzis-Verlag 1984
Es ähnelt dem Scultety-Tiefpaß, Vorteil einfacher Aufbau, Nachteil Güte > 5 nicht realisierbar wegen zu großer Bauteiltoleranzen und hohe Frequenzen nicht erreichbar.
Ich hab das mal eben in Pspice simuliert, funktioniert soweit. Nullstelle ist bei etwa 6 KHz und die Daten im File sind etwas interpretationsbedürftig. Die Welligkeit ist nicht zu sehen, dafür aber ist die Sprungantwort fast ohne Überschwingen, was auf eine gute Gruppenlaufzeit hindeutet, es ist eben kein Cauer-TP mehr, sondern etwas modifiziertes.
Auf jeden Fall ist es ein interessanter Ansatz mit wenig Bauelementen. Was ist CVSD, worauf kommt es da an, konstante Gruppenlaufzeit? Dann kannst Du ja die Lösung auf 8 KHz shiften. Oder Du nimmst einen gut beschriebenen TP und realisierst es mit dieser anderen ähnlichen Schaltung. Für die normierten Cauer-Parameter müßte ich ein Programm haben, Matlab kann das auch. Du kannst es auch selbst berechnen, nur schätze ich das hier als relativ aufwendig ein.
CVSD ist Sprachcodec und eigentlich nicht anspruchsvoll. Die historische Hauptanwendung ( Wehrtechnik u.ä. ) hat aber eben die niederige Bitrate 16kHz wo man die Samplefrequenz noch hört. In Sprachpausen ergibt sich ein digitales 16kHz Ruhesignal:
010101010101 Hört man z.B. auf Lautsprecher recht deutlich und unangenehm, Wandler im Telefonhörer filtert oft besser. Typisch haben Schaltungen deshalb eine Erkennung des Ruhemusters und würgen dann den Kanal ab. Da aber vom Mikrofon Restrauschen kommt ergibt sich in Realität meist ein Ruhemuster a la:
01010110101001 ^^ ^^ Da spricht dann der Squelch bald nichtmehr an. Letztlich ist am Cauer
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also nichtnur interessant, daß er Tiefpaß ist, sondern daß er unmittelbar danach eine eingebaute Bandsperre hat mit der man gegen
8kHz oder 16kHz besser vorgehen kann. Welligkeit und Phase sind hier von sehr geringer Bedeutung.
Ich muß mal versuchen wie ich aus dem Formelkram eine zusammenbastle die mit Mathcad aus den konkreten Bauteilwerten mit realen E24-Widerständen und E6-Kerkos eventuell in Parallelkombination den Frequenzgang rechnet. Dann verschiedene Varianten am Wobbelgenerator probieren ob der TS914 bei 5V mitmacht. Dann nochmal am CVSD probieren obs akustisch wirkt.
das kenne ich so garnicht, sieht offenbar so ähnlich wie PWM aus. Habe mich mit Codecs in dieser Form auch nicht beschäftigt.
Bei einem Cauer-TP kannst Du 1 Nullstelle wie ein Notchfilter auf 8 oder
16 KHz legen, auf beide gleichzeitig sicher nicht. Deine vorige Schaltung hat das ziemlich gut gemacht, die kannst Du mit 1 OP vermutlich kaum verbessern, Du brauchst nur die Nullstelle auf 8 KHz zu shiften. Ob der übrige Frequenzgang dann aber günstig ist weiß ich nicht.
Mein Programm konvergiert leider nicht bei dem Beispiel oben mit 0.0004 dB Ripple, ist wohl doch nicht so einfach. Es gibt auch hochpolige Switched Capacitor Filter auch in Cauer, vielleicht gehen die ja. Man kann dieses Problem sicher optimieren, aber ob das mit 1 OP so leicht geht weiß ich nicht.
Man kann sie inzwischen auf Controller in Software machen, bei 16kBit/sec mit weniger Rechenleistung als 32kBit/sec. Nur daß man bei 16kBit/sec eben höhere Anforderungen in der Analogschaltung, also Filtern hat.
Gegebenfalls sind 2 Filter auch noch gangbar wenns wirkt. Die Störungen würden wohl an bestimmten Spektralallinien kommen und deshalb wäre Notch eben so interessant.
Alles was ich ich konkret an Schaltungen finde verwendet Widerstands- und Kondensatorwerte die nicht sonderlich handelsüblich sind:
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Ich behaupte nicht, daß das völlig weltfremd ist. PCM-Filter wurden ehedem ( 70/80er Jahre ) als Hybrid gefertigt, Sandstrahl/Lasergetrimmt, da kann man krumme Werte vorgeben. Aber ich muß mich um handelsüblichere Werte kümmern.
danke für den Artikel, werde mich mal etwas damit beschäftigen.
Ich hab grade mal mit Cauer-TP 5. Ordnung etwas gespielt, hab die Daten hinten drangehängt. Ich habe als Ripple 0.28 dB aus Deinem 1. Beispiel genommen und eine Dämpfung im Sperrbereich von 70 dB. Den Durchlaßbereich habe ich mal auf 3.4 KHz gelegt, bei Ordnung 5 ist der TP wirklich schon sehr steil. Hier werden die 8 und 16 KHz mehr als 70 dB unterdrückt. Ich habe es so dimensioniert, daß die Polgüte mit max.
4.45 noch unter 5 bleibt wegen der Toleranzempfindlichkeiten.
Man kann die Steilheit weiter vergrößern auf Kosten des Ripples und der Sperrdämpfung, aber dann wird die nötige Polgüte auch weiter ansteigen. Im Herpy/Berka habe ich Schaltungen für elliptische Filter mit Polgüte
10 gesehen, bis dahin könnte man theoretisch gehen.
Im Vergleich zu Deinem Beispiel 3. Ordnung ist der TP unten um Welten besser, falls Du den Aufwand machen willst.
Diese Schaltung könntest Du sicher nehmen, hast Du sie mal simuliert? Sie soll bis 5 MHz gehen, das kann ich fast nicht glauben, für den Frequenzbereich haben Burr-Brown mal eine eigene Schaltungstechnik entwickelt mit dem Diamond-Transistor und in einer Zeitschrift veröffentlicht.
Ich habe mir die Dimensionierungsgleichungen nicht genau angesehen, aber ich glaube, Du kannst meine Werte unten direkt benutzen, steht alles drin was Du brauchst. Das File habe ich ursprünglich so gewählt, daß ich Filter nach Herpy/Berka leicht dimensionieren kann. Dort kann man auch den OP-Typ auswählen, der noch machbar ist. Ein LM324 könnte hier evtl. schon leicht überfordert sein, aber das kann man nicht so nebenbei ermitteln, für die Untersuchung gehen dann schon einige Abende drauf ;-).
Wenn Dir Cauer reicht mit der schlechten Impulsantwort und Gruppenlaufzeit für Sprachanwendungen, müßte das IMHO so gehen, die Dämpfung ist mit FIR-Filter durchaus vergleichbar. Simulier das doch erstmal, damit Du mit dem Plausibilitätstest nicht zuviel Zeit verlierst. Da ich das Programm selbst geschrieben habe, kann ich Dir auch sagen was die Ausgabe unten bedeutet.
Hier ist das File, Zeilenlänge mit Überbreite:
Ausgabe der Kenndaten eines auf om_g normierten Cauer-Tiefpasses der Ordnung = 5 =================================================================================
Besten Dank, muß ich am Wochende mal versuchen ob ich da weiterkomme. Werde mich allerdings erstmal an 3. Ordnung versuchen und probieren ob es dann noch mit handelsüblichen Bauteilen reproduzierbar ist.
ich habe gerade mal die Schaltung von Dir mit Cauer 5. Ordnung simuliert, sieht nicht schlecht aus. Der Frequenzgang ist zwar etwas wellig mit 3 dB, im Zeitbereich sieht das Überschwingen aber nicht groß aus, werde mir mal die Gruppenlaufzeit ansehen und vorher mal den Elantec EL5166 ausprobieren, ob es da besser wird. Der TP scheint für einen AD-Wandler mit 10 MHz ausgelegt zu sein, die Sperrdämpfung beträgt bis 100 MHz etwa 70 dB.
Es sollte kein Problem sein, den in den Audiobereich zu shiften mit den passenden Bauelementen, allerdings verstärkt der sehr hoch mit ca 32 dB. Aus der Beschreibung für die Dimensionierung wird man auch nicht so recht schlau, eine Modifikation für 0 dB traue ich mir da nicht zu.
Trotzdem finde ich die Schaltung interessant und werde sie mal etwas untersuchen. Im Moment ist mir nur ein Malheur passiert, daß ich das Bibliotheksfile von Pspice beim Einbinden des EL5166 beschädigt habe ohne Backup :-(, sodaß ich mich erstmal um die Rettung von Pspice kümmern muß.
habe Pspice wieder reparieren können und obige Schaltung mal nach 3.4 KHz verschoben. Schau Dir mal die linke Schaltung an, sie sieht ja eine große kapazitive Last am Ausgang, das Ganze schwingt fürchterlich, die Cs müssen alle so klein bleiben. Also vergiß am besten diese Schaltung, kein Wunder daß die sonst nirgends aufgetaucht ist, die kriegst Du niemals zum Laufen. Auch die Schaltung 3. Ordnung vorher hatte den gleichen Nachteil, deshalb die extrem großen Widerstände, würde ich auch schnellstens vergessen.
Es gibt bessere Schaltungsstrukturen und wenn ich Zeit habe, werde ich mir mal eine vornehmen.
Das ist ein elliptisches Grundglied mit etwas günstigeren Eigenschaften, geeignet für den Audiobereich. Die Daten aus meinem Programm sehen so aus:
Ausgabe der Kenndaten eines auf om_g normierten Cauer-Tiefpasses der Ordnung = 2 =================================================================================
Da ich für Kunden wegen Märzmesse werkle hat das Wochenende erst am Sonntag nachmittag begonnen.
Der sieht gut aus. Ich habe ihn gerade mit diesen Werten gefädelt:
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und am Wobbler kurz durchlaufen lassen. Der Notch liegt bei 8,9 - 10,2kHz, wie tief er ist sieht man nicht, weil da dann alles mangels Signalstärke in Rauschen übergeht. Oberhalb 20kHz zeigt der Wobbler auch nicht an, aber da unhörbar ohnehin nicht relevant. Vermutlich werde ich noch skalieren daß aus den 1nF
100pF Kerkos werden, weil der CMOS-Op mit den höheren Impedanz klarkommen sollte und ich die in besserer Toleranz bekomme. Dauert jetzt wohl bis März bis ich an die Software- implementierung der CVSDs komme.
Nominell wird ihnen Empfindlichkeit wegen Bauteilstreuung nachgesagt. Ich hab hier aber auch mal die Literatur zu den digitalen Wellendigitalfiltern von Fettweis ausgegraben und der meint die Cauer LC-Filter von denen er sie abgeleitet hat wären besonders unempfindlich, deshalb komme er mit so grob skalierten Koeffizienten aus. Es scheint da aber ein Unterschied zu sein, indem das Signal in den LC bidirektional laufen kann ( a la Reflektion auf falsch terminierter Leitung), ein Effekt der bei Nachbildung mit OPs nicht leicht nachvollziehbar ist.
Wenn ich mir die Skizze so anschaue, so kann ich die Abweichung der Nullstelle mit den dortigen Werten nicht nachvollziehen. Ich vermute einen Fehler im Aufbau, der 20.5 K könnte aus Vershen 7.5 K sein, dann sieht es in der Simulation auch so aus. Auch für R4 würde ich 1.1 K nehmen und nicht 1,2 K, obwohl das nicht soviel ausmacht.
Zum Simulieren habe ich den uA741 genommen, das Spice-Modell für den TS914 wollte ich jetzt nicht von Hand aus der PDF-Datei abtippen, sollte eigentlich kein Unterschied sein. Die Addition des Offsets kann sich auch nicht auswirken, da ist mir auch nicht ganz klar, warum Du den Offset nicht auf das Signal addiert hast.
Die Toleranzempfindlichkeiten sind hier so gering bei Güte unter 1, daß
+-5% nicht für die Abweichung in Frage kommen können. Etwas anders sähe das vermutlich bei dem TP 5. Ordnung aus, aber der hat 40 dB mehr Sperrdämpfung.
Sollte kein Problem sein, nur kommen 100 pF langsam in die Größenordnung der parasitären Kapazitäten. Dann kannst Du auch R und die Spannungsteiler um Faktor 10 vergrößern, was den Stromverbrauch verringert.
Eine einfache Struktur mit bilinearer Transformation müßte eigentlich gehen, weiß nur nicht, wie sich uCs hinsichtlich der nötigen Multiplizierer von der Geschwindigkeit verhalten, evtl. ohne Multiplizierer mit Shift und Add arbeiten, dann noch auf Grenzzyklen achten. Bei uns wurde sowas mal mit ARM-Controller realisiert, der hat die nötige Rechenleistung für eine digitale Filterbank im Audiobereich.
Bei diesem hier 3. Ordnung glaube ich das nicht, die Güte müßte hier das entsprechende Kriterium sein. Bei dem TP 5. Ordnung hingegen treten intern schon Überhöhungen auf, digital müßte das auch so sein, also höhere Wortbreite erforderlich.
Die werden bei uns in FPGAs eingesetzt und sind besonders robust, von der Struktur her werden IMHO Allpässe addiert und es sollen keine großen Grenzzyklen auftreten. Sie werden ohne Multiplizierer realisiert und können bei uns bis 100 MHz getaktet werden, wurde bis 9. Ordnung elliptischer TP in Xilinx Virtex implementiert. Wir haben Optimierungssoftware dafür, die allerdings nicht frei ist, sondern ich glaube sogar vom Lehrstuhl von Fettweis stammt, also eine Dr.-Arbeit, weiß es nicht ganz genau. Ich habe die Software selbst von Sun Solaris auf MS-Windows portiert und man kann sich die Grafik mit Gnu-Plot oder Matlab ansehen.
Mit der Theorie und Herleitung habe ich mich noch nicht beschäftigt, bei Leitungen treten in den Ketten-Vierpolgleichungen Hyperbelfunktionen auf, die nennt man Wellenparameter. Diese Wellenparameter beschreiben reziproke Vierpole, was OPs und Verstärker aber normalerweise nicht sind. Auf LC-Kettenleiter, die man aus Tabellenbüchern entnehmen kann wie Pfitzenmeier oder so, trifft das IMHO aber zu. Wie man darauf aber auf digitale Strukturen kommt, kann ich nicht sagen.
Trifft die 8kHz eigentlich recht gut, bezogen darauf daß die Teile alle 5% hatten und der Aufbau recht grob von Masseführung usw. ausgeführt ist.
Es ist 7,5k + 13k, aber beide liegen tatsächlich in der Toleranz jeweils +0,5k auf der hochohmigeren Seite.
Das Filter bleibt analog in der Form. Der CVSD ( d.h. die Harris-Variante ) hat nur zwei 1pol IIR-Filter und sollte deshalb auf 8 Bit CPU a la 68HC908 laufen.
Möglich, daß Siemens die mitfinanziert hat. Siemens hat WDF in den 80er Jahren für PCM-Filter ( a la Sicofi ) und wegen Stromaufnahme auch in Nf-Anwendungen für Funkgeräte verwendet.
Gibt es da Diplomarbeiten u.ä. die öffentlich zugänglich sind ? Irgendwie sehe ich bei WDFs zuwenig Anwendungen um mir klar zu werden ob die praxistauglich sind. Die Entwurfssoftware würde für mich ihnehin nicht passen, da ich nur Verwendung auf Controller anstrebe, also in Wortbreite ziemlich unflexibel bin.
komme in der Simulation aber nicht auf so große Abweichungen, die Toleranzen können es eigentlich nicht sein.
Ach so, es geht um die analoge Rekonstruktion wie beim DA-Wandler. Das mit dem CVSD muß ich mir noch etwas durchlesen.
Die haben sicher was damit zu tun, die Hintergründe kenne ich aber nicht, bzw. habe nicht nachgefragt. Jedenfalls haben die anscheinend bei Siemens den UNIX-Source vervollständigt, sodaß er praxistauglich ist.
Es gibt Diplomarbeiten, öffentlich zugänglich sind die meines Wissens nach nicht. Es wurden in einer Filterbank im FPGA FIR-Filter durch WDFs ersetzt wegen des geringeren Hardwareaufwandes, hat anscheinend funktioniert. Allerdings haben elliptische Filter eine schlechte Gruppenlaufzeit im Vergleich zu FIR, das muß man beachten. Bei Cauer stößt man bei höherer Ordnung schnell an Grenzen, die den Vorteil des geringen Hardwareaufwandes IMHO wieder zunichte machen können, da vermute ich den Vorteil der WDFs. Wegen der Robustheit gegenüber Parameterschwankungen sollte das auch auf Controllern Vorteile bringen. Die Software kann Filter auch auf 8 Bit optimieren.
Im Grunde besteht die Optimierung glaube ich daraus, daß die Koeffizientenmultiplizierer ersetzt werden durch einfache Shift- und Add-Operationen und an das vorgegebene Toleranzschema angepaßt werden, nicht nur bei WDFs, sondern auch bei "klassischen" digitalen Filtern. Das müßte auch bei Controllern Vorteile bringen, weil Multiplizierer ja etliche Taktperioden brauchen, wenn es nicht grade DSPs sind.
Wenn Du Dich für WDFs interessierst, habe ich hier nur 1 Literaturstelle im Moment zur Verfügung:
Lajos Gaszi Explicit Formulas for Lattice Wave Digital Filters, IEEE Transactions on circuits and systems, Vol. CAS-32, No 1, January 1985
Das ist einer der beiden Programmautoren, weiß nur nicht, ob er sich noch damit auskennt ;-).
Der hat glaube ich auch mal eine WDF-Implementierung ( Filterbank ) auf Intel 2920 DSP beschieben in IEEE-ASSP samt Listing. Ansonsten zu WDF-Literatur vgl. den thread "Suche Buch ueber Filter" von Dienstag, für Cauer sind wir ja langsam of topic.
vielleicht steht da ja drin wie die entwirft. Es geht ja nur um die Anpassung der Filterstruktur an die 6 verschiedenen sogenannten "Zweitor-Adaptoren", das hat Gaszi beschrieben.
Hab's gesehen. Den Entwurf mit den Adaptoren habe ich hier in der Diplomarbeit vorliegen, der hat das aber sicher vom Gaszi abgeschrieben. Das Einzige was ich noch tun könnte wäre zu fragen, ob es darüber hinaus noch Literatur gibt, die für Einsteiger geeignet ist. Ansonsten hast Du die schwer verdaulichen Quellen ja schon gefunden.
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