Forum: HF, Funk und Felder I/Q Basisband Tiefpassfiltern


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von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Ich habe einen Direktmischer Empfänger der I/Q Signale aus gibt. Diese 
möchte ich nun, um die Verarbeitung nach dem AD Wandler zu vereinfachen, 
mittels Hardware Tiefpassfilter oberhalb der Kanalbandbreite, sagen wir 
mal 20 KHz, möglichst steilflankig
unterdrücken. Welchen Filtertyp verwende ich da am besten? Von der 
Steilflankigkeit her wäre mir ein Elliptisches Filter am liebsten. Das 
hat aber im Übertragungsbereich einen gewissen Amplitueden und 
Phasengang. Geht das trotzdem oder muss es ein Butterworth Filter sein?
Gruss
D.W.

von Gustl B. (-gb-)


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Damit das Aliasing weg ist musst du sogar analog filtern.

Welches Filter wie gut geeignet ist, das hängt von mehreren Dingan ab 
die du hier nicht genannt hast.

Wie schnell ist deine Abtastrate?
Wo liegst dein gewünschter Durchlassbereich? 0 Hz bis 20 kHz?
Wie stark soll der Sperrbereich mindestens unterdrückt werden? z. B. 80 
dB.
Welcher maximale Rippel im Durchlassbereich ist erlaubt/gewünscht?
Wie aufwändig darf das werden (Kosten/Fläche/Anzahl der Bauteile/...)?

von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Gustl B. schrieb:
> Damit das Aliasing weg ist musst du sogar analog filtern.
>
> Welches Filter wie gut geeignet ist, das hängt von mehreren Dingan ab
> die du hier nicht genannt hast.
>
> Wie schnell ist deine Abtastrate?

Die liegt wohl um die 38 KHz. Ist aber Sache der Softwareleute.

> Wo liegst dein gewünschter Durchlassbereich? 0 Hz bis 20 kHz?

0 - 20 KHz, ja.

> Wie stark soll der Sperrbereich mindestens unterdrückt werden? z. B. 80
> dB.

Bestmöglich. 60 dB wäre da wünschenswert.

> Welcher maximale Rippel im Durchlassbereich ist erlaubt/gewünscht?

Wenn ich das wüsste würde ich nicht fragen. Überlicherwise sehe ich 
immer Butterworthfilter für diese Anwendung. Wohl weil die schön glatt 
sind im Durchlassbereich.


> Wie aufwändig darf das werden (Kosten/Fläche/Anzahl der Bauteile/...)?

Das ist noch tbd.

Gruss
D.W.

von Gustl B. (-gb-)


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Dirk W. schrieb:
> Die liegt wohl um die 38 KHz. Ist aber Sache der Softwareleute.

Also kannst du damit sowieso nur Frequenzen bis 19 kHz ohne Aliasing 
erkennen. Damit ist dein Wusch schlicht nicht möglich.

Selbst wenn du mit den für Audio üblichen 44.1 oder 48 kHz abtasten 
würdest muss das Filter schon sehr steil werden. Bei 44.1 kSamples/s 
hast du gerade mal 2 kHz Luft nach oben. Und innerhalb dieser 2 kHz 
willst du von 0 dB auf -60 dB kommen. Das ist sportlich, und wird in der 
Realität nicht gemacht. Da geht es entweder schon vor den 20 kHz schon 
deutlich runter, oder es wird erst einige kHz drüber richtig stark 
unterdrückt.

Hier in diesem Thread
https://www.audiosciencereview.com/forum/index.php?threads/the-limits-of-44-1k-filters-and-latency.31104/
sind ein paar Bildchen die sowas zeigen.

Oft wird daher überabgetastet und zwar stark. Hier im Datenblatt eines 
ADCs für Audio
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/pcm1801.pdf
sogar 64-fach. Wenn man den also so betreibt, dass der mit 44.1 kHz 
Audioabtastwerte ausgibt, dann wird das Analogsignal tatsächlich mit 
2822.4 kHz abgetastet. Das macht das Filterdesign entspannter, denn du 
kannst dir dann einen Sperrbereich aussuchen der deutlich über den 20 
kHz beginnt und brauchst keine so starke Filtersteilheit.

: Bearbeitet durch User
von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Gustl B. schrieb:
> Dirk W. schrieb:
>> Die liegt wohl um die 38 KHz. Ist aber Sache der Softwareleute.
>
> Also kannst du damit sowieso nur Frequenzen bis 19 kHz ohne Aliasing
> erkennen. Damit ist dein Wusch schlicht nicht möglich.
>
> Selbst wenn du mit den für Audio üblichen 44.1 oder 48 kHz abtasten
> würdest muss das Filter schon sehr steil werden. Bei 44.1 kSamples/s
> hast du gerade mal 2 kHz Luft nach oben. Und innerhalb dieser 2 kHz
> willst du von 0 dB auf -60 dB kommen. Das ist sportlich, und wird in der
> Realität nicht gemacht. Da geht es entweder schon vor den 20 kHz schon
> deutlich runter, oder es wird erst einige kHz drüber richtig stark
> unterdrückt.
>
> Hier in diesem Thread
> 
https://www.audiosciencereview.com/forum/index.php?threads/the-limits-of-44-1k-filters-and-latency.31104/
> sind ein paar Bildchen die sowas zeigen.
>
> Oft wird daher überabgetastet und zwar stark. Hier im Datenblatt eines
> ADCs für Audio
> https://www.ti.com/lit/ds/symlink/pcm1801.pdf
> sogar 64-fach. Wenn man den also so betreibt, dass der mit 44.1 kHz
> Audioabtastwerte ausgibt, dann wird das Analogsignal tatsächlich mit
> 2822.4 kHz abgetastet. Das macht das Filterdesign entspannter, denn du
> kannst dir dann einen Sperrbereich aussuchen der deutlich über den 20
> kHz beginnt und brauchst keine so starke Filtersteilheit.


Soweit ich das bis jetzt verstanden habe brauchen die Softwareleute von
größer 20 kHz bis zur Abtastfrequenz bei 38 KHz die bestmögliche 
Dämpfung.
Das Warum entzieht sich meiner Kenntnis. Ich werde aber jetzt mal 
nachfragen wie das mit einer höheren Abtastrate aussieht.
Gruss
D.W.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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I/Q bedeutet, es müssen zwei möglichst identische Filter sein.
Ein elliptisches LC-Filter könnte vielleicht durch die Streuungen der 
Induktivitäten zu ungenau sein. Das wirkt sich vermutlich vor allem auf 
die Seitenbandunterdrückung einer SSB-Demodulation aus.

https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_PWM#Tiefpassfilter-Berechnung
da habe ich mal ein elliptisches Tiefpassfilter vorgerechnet.

von Gustl B. (-gb-)


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Dirk W. schrieb:
> Soweit ich das bis jetzt verstanden habe brauchen die Softwareleute von
> größer 20 kHz bis zur Abtastfrequenz bei 38 KHz die bestmögliche
> Dämpfung.

Nein. Wenn man mit 38 kHz abtastet, dann kann man nur Frequenzen bis 19 
kHz erfassen ohne Aliasing. Und weil ihr aber 20 kHz als oberste 
Frequenz haben wollte geht das schlicht nicht. Selbst wenn ihr dann ab 
20 kHz stark dämpfen würdet, dann wird es schon bei Frequenzen zwischen 
19 kHz und 20 kHz Aliasing geben und diese Frequenzen können nicht von 
Frequenzen zwischen 0 kHz und 1 kHz unterschieden werden.

Was ich braucht bei einer gewünschten maximalen Frequenz von 20 kHz ist 
eine Abtastrate die nicht nur doppelt so hoch ist, sondern am Besten 
sogar deutlich höher liegt als das Doppelte.
Bei 48 kSampel/s kann der Frequenzbereich bis 24 kHz erfasst werden. Da 
habt ihr also 4 kHz Platz um vom Durchlassbereich in den Sperrbereich zu 
kommen. Geht, aber je mehr Platz/Abstand man hat im Frequenzbereich, 
desto einfacher die Filterei.

von Purzel H. (hacky)


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Wie gross ist den das Frequenzband, welches heruntergemischt werden 
sollte. Bisher haben wir gehoert, was herauskommen sollte. Was ist denn 
oberhalb ? Rauschen ? Harmonische eines Prozesses ? Wie viel die 
Unterdrueckung sein soll haengt auch mit dem Signal-to-noise des 
Nutzsignales ab.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Dirk W. schrieb:
> Welchen Filtertyp verwende ich da am besten? Von der
> Steilflankigkeit her wäre mir ein Elliptisches Filter am liebsten. Das
> hat aber im Übertragungsbereich einen gewissen Amplitueden und
> Phasengang. Geht das trotzdem oder muss es ein Butterworth Filter sein?

Das ist halt so 'ne Frage wie: Ich will ein Eis, welche Sorte soll ich 
nehmen?

Butterworth ist ein Filter fuer die Unentschlossenen ohne Ahnung. Da 
macht man nix grob falsch, aber optimal ist wahrscheinlich anders. Also 
wenn's Eis waere: plain vanilla.
Du musst mit dir und den SW-Entwicklern im Klaren sein, was du/die 
brauchen und was du/die ggf. kompensieren koennen.
Und eine Anforderung wie "moeglichst gut" ist keine Anforderung, sondern 
Shice.
Du kannst dir z.b. einen Cauer mit >20dB Ripple im Durchlass reinbauen 
und entweder es ist voellig wurscht, was der mit deinem Nutzsignal macht 
oder wenns nicht wurscht ist, kannst du Ripple und/oder Gruppenlaufzeit 
auf der digitalen Seite wieder "geradebiegen" (weil da eh ein DSP oder 
sowas ist, was sonst nur in der Nase popelt) oder eben nicht. Dann geht 
kein Cauer - oder nur einer mit weniger fiesen Faxen.
Dann solltest du noch wissen, was an Toleranz der beiden Filter 
untereinander noch zulaessig ist - das limitiert dein Analogdesign 
wahrscheinlich auch etwas.
Denn du wirst es nicht schaffen, 2x exakt das gleiche Analogfilter 
aufzubauen.

Gruss
WK

von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Christoph db1uq K. schrieb:
> I/Q bedeutet, es müssen zwei möglichst identische Filter sein.
> Ein elliptisches LC-Filter könnte vielleicht durch die Streuungen der
> Induktivitäten zu ungenau sein. Das wirkt sich vermutlich vor allem auf
> die Seitenbandunterdrückung einer SSB-Demodulation aus.
>
> https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_PWM#Tiefpassfilter-Berechnung
> da habe ich mal ein elliptisches Tiefpassfilter vorgerechnet.


Ich hatte so ein switched capacitor Filter im Auge.

https://www.mouser.de/datasheet/2/609/MAX7400_MAX7407-3131030.pdf

Aber im Moment geht die Diskussion Richtung Erhöhung der Abtastrate.
Gruss
D.W.

von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Gustl B. schrieb:
> 20 kHz stark dämpfen würdet, dann wird es schon bei Frequenzen zwischen
> 19 kHz und 20 kHz Aliasing geben und diese Frequenzen können nicht von
> Frequenzen zwischen 0 kHz und 1 kHz unterschieden werden.


Ja, sowas reden die Softwareleute auch, allerdings gehts da um Frquenzen 
im Bereich der Abtastrate, also das was in diesem Spektrum aus dem 
Mischerchip raus kommt. Und das wollen sie möglichst weg haben weil sie 
eben nicht softwaremässig wegfiltern können. Ich habe jetzt mal eine 
Abtastrate von 150 kHz vorgeschlagen, mal sehen was die sagen.
Gruss
D.W.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Ein SC-Filter als Antialiasingfilter ist schon so ein bisschen wie 
Teufel mit Beelzebub austreiben.
Da brauchste dann noch 2 analoge Extrafilter, eines vorher und eines 
nachher.
OK, die koennen dann lasch sein, da wird dann wohl jeweils eines 2. 
Kajuete reichen. Hier der dezente Hinweis drauf im Datenblatt:

> The high clock-to-corner frequency ratio (100:1) also
> eases the requirements of pre- and post-SCF filtering.
> At the input, a lowpass filter prevents the aliasing of fre-
> quencies around the clock frequency into the pass-
> band. At the output, a lowpass filter attenuates the
> clock feedthrough.

Aber dafuer ist das ripplemaessig ja ein arg entschaerfter Cauer, da 
macht ja weder Amplitude noch Phase so richtig Faxen.

Gruss
WK

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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> switched capacitor Filter

so etwas haben die Briten im Portsdown-Projekt 2018 auch für einen 
I/Q-Tiefpass benutzt:
https://wiki.batc.org.uk/images/5/5b/PdFM_V2_Sht_1.pdf
Ein LTC1569-7, je nach Digital ATV - Datenrate umschaltbarer Takt.
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/15697fs.pdf

Oben links kommen die Signale aus einem Raspi als digitaler Datenstrom, 
nach den Filtern sind es zwei analoge Signale.

Ein Jahr später im Portsdown-Projekt 2019 wurde alles mit einem Lime-SDR 
ersetzt.

: Bearbeitet durch User
von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Purzel H. schrieb:
> Wie gross ist den das Frequenzband, welches heruntergemischt werden
> sollte. Bisher haben wir gehoert, was herauskommen sollte. Was ist denn
> oberhalb ? Rauschen ? Harmonische eines Prozesses ? Wie viel die
> Unterdrueckung sein soll haengt auch mit dem Signal-to-noise des
> Nutzsignales ab.


Für uns ist der Bereich von 0 - 20 kHz relevant, das ist die maximale 
Kanalbandbreite die wir brauchen. Darüber hinaus kommt halt die 
Differenz vom LO zu irgendeinem HF Signal raus, was eben an der Antenne 
anliegt.
Im Empfängerchip sind schon zwei Tiefpassfilter integriert, aber das 
reicht wohl noch nicht.
Problematisch sind in diesem Fall alle Frequenzen die, zusammen mit der 
Abtastfrequenz und deren Vielfachen, in diesen Arbeitsbereich von 0 - 20 
kHz fallen und sich als Nebenempfangsstellen äussern.
D.h. für mich sieht das so aus, als würde sich die Abtastfrequenz 
zusammen
mit einer, um 38,4 KHz neben der Sollfrequenz liegenden Störfrequenz, in 
den Arbeitskanal reinmischen und da sagen dann die Softwareleute, sie 
können die Sollfrequenzen nicht von den Störfrequenzen unterscheiden. Da 
ich aber kein Bitschieber bin habe ich davon keine Ahnung.
Gruss
D.W.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Diese Filter sind schon aus den 90ern, da werden auch damalige Preise 
verlangt:
https://www.mouser.de/c/semiconductors/active-filters/?series=LTC1569-7
16-18€ pro Stück, immerhin noch lieferbar.

Auch der MAX7403 liegt bei 11€:
https://www.mouser.de/c/?q=MAX7403ESA%2B

und davon braucht man zwei.

: Bearbeitet durch User
von Dirk W. (Firma: FEP) (dirkwi)


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Dergute W. schrieb:
> Dann solltest du noch wissen, was an Toleranz der beiden Filter
> untereinander noch zulaessig ist - das limitiert dein Analogdesign
> wahrscheinlich auch etwas.
> Denn du wirst es nicht schaffen, 2x exakt das gleiche Analogfilter
> aufzubauen.


Ja, das Problem sehe ich auch. Aber demnächst gibts ein meeting zu dem 
Thema danach bin ich wohl schlauer.
Gruss
D.W.

von Henrik V. (henrik_v)


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Schnellere Wandler (bzw DeltaSigma Wandler) ermöglichen deutlich 
einfachere HW-Filter zu verwenden. Gut für den Phasengang und HW-Kosten.
Rechenleistung sollte in 2024 ja kein Thema sein ...

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