Цифровой фильтр

Цифровой фильтр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскик

C.oöèàëèñòí÷åñêìê

Республик

ОПИCAНИЕ< 904201

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт, свнд-ву (22) Заявлено 16,04.80(2I ) 2950293/24 18 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 07.02,82. Бюллетень № 5

Дата опубликования описания 09.02.82 (51)М. Кл.

Н ОЗ Н 17/04

1ееударстеенный камнтет

СССР (З) УДКВ81.З25 (088. 8) ао делам нзебретеннй н открытнй (72) Авторы изобретения

B. Д. Анисимов, В. А. Грачев и Е. Н. Литм (7l ) Заявитель (54) ЦИФРОВСИ ФИЛЬТР

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов.

Известно устройство, предназначенное для выполнения цифровой фильтрации, содержащее две циклические памяти, умножители и сумматоры, фильтрация сигналов производится по формуле свертки, но вычисление произведений пар чисел h и т„„производится на одном или небольшом числе умножителей Lll.

В этом устройстве цифровой фильтрации аппаратурные затраты значительно снижены, но для вычисления одного отсчета свертки требуется большее время, так как арифметические операции выполняются последовательно на одном оборудовании.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является устройство цифровой фильтрации, содержащее блок памяти коэффициентов импульсной характеристики h< первый вход которого является входом записи массива, чисел 4<, второй вход и выход соединены с первым адресным счетчиком и входом первого регистра соответственно, выход которого соединен с первым вхо дом устройства умножения, соединенного своим выходом со входом накапливающего сумматора, выход которого соединен с цифроаналоговым преобразователем, второй вход устройства умножения подключен к выходу сумматора, первый и второй входы которого соединен с вы.ходами второго и третьего регистров соответственно, первый и второй блоки памяти входных отсчетов первыми входами соединенные со вторым и третьим адресными счетчиками соответственно, вторыми входами соединенные с выходами четвертого и пятого регистров, выход третьего регистра соединен со входом пятого регистра и первым входом четвертого регистра, второй вход которого соединен с выходом первого блока памя ти входных отсчетов, первый вход треть3 9042

его регистра является входом фильтра, а второй вход третьего регистра и вход ,второго регистра соединены с выходами второго и первого блоков памяти входных отсчетов соответственно (2 .

5 . Недостатком, устройства является низкое быстродействие, связанное с непроиз1 водительной затратой времени на выполнение операции сдвига входного массива и с большим количеством операций умно- 1р жения. Большое количество умножений приводит к резкому снижению быстродей» ствия устройства, причем временные затраты линейно возрастают с ростом порядка фильтра Й

Цель изобретения — повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фильтр, содержащий блок памяти входных отсчетов, первый регистр, формирователь импульсов, выход которого соединен со входом первого адресного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока памяти коэффициентов, выход которого соединен со входом второго регистра, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого соединен со входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является аналоговым выходом фильтра, а выход . первого накапливающего сумматора явля .35 ется цифровым выходом фильтра, причем выход блока памяти входных отсчетов соединен со входом первого регистра, первый вход блока памяти входных отсчетов является входом фильтра, а второй вход блока памяти коэффициентов является входом записи коэффициентов, введены второй и третий адресные счетчики, блок памяти рангов, дешифратор, сумматор, мультиплексор, второй накапливающий

1 сумматор и блок синхронизации, первый выход которого подключен ко входу второго адресного счетчика, выход которого соединен с первым входом блока памяти рангов,, первый выход которого йодключен к первому входу сумматора и входу дьшифратора, выход которого соединен со вторым входом блока памяти входных отсчетов и вторым входом мультиплексора, выход которого подключен к первому входу второго накапливающего сумматора, 55 выход которого соединен со вторым вхо дом умножителя, второй вход второго накапливающего сумматора соединен с выхо01 4 дом формирователя импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока памяти рангов, второй вход которого является входом записи рангов фильтра, второй вход блока синхронизации соединен со входом третьего адресного счетчика, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход которого соединен с третьим входом блока памяти входных отсчетов, первый вход которого обьединен со вторым входом мультиплексора, третий вход которого подключен к выходу первого регистра.

На чертеже изображена функциональная схема цифрового фильтра.

Фильтр содержит вход 1 записи коэффициентов импульсной характеристики, формирователь 2 импульсов, адресный счетчик 3, блок 4 памяти коэффициентов, регистр 5, умножитель 6, накапливающий сумматор 7, цифроаналоговый преобразователь 8, аналоговый 9 и цифровой 10, выходы, накапливающий сумматор 11, дешифратор 12, вход 13 записи рангов . коэффициентов, блок 14 памяти рангов, сумматор 15, блок 16 памяти входных отсчетов (по адресному входу), регистр

17 и мультиплексор 18, адресные счетчики 19 и 20, вход фильтра 21, блок

22 синхронизации.

Цифровой фильтр работает следующим образом.

Перед началом обработки сигнала по, входу 1 в блок 4 памяти коэффициентов записывается массив из,различных коэффициентов фильтра, а в блок 14 памяти рангов по входу 13 записывается массив чисел, представляющий собой номера коэффициентов импульсной характеристики (КИХ), расположенные в определенном порядке.

Номер адреса ячейки блока памяти рангов, в которую записывается коэффициент

И и является рангом этого коэффициента. Таким образом, каждому коэффициенту 1ц ставится в соответствие. некоторое целое число 1, являющееся адресом ячейки блока памяти рангов, в которую записывается число Ч . В первых:ячейках блока памяти рангов записаны номера КИХ, численные значения которых равны h . Само число записывается в первую ячейку блока 4 памяти. В ячейках памяти с по K К блока 14 записываются йомера КИХ, численные значения которых равны Ь, а само число Ь за5 9042 писывается во вторую ячейку блока 4 паи мяти и т.д. B ячейках с Q К +1 из

Л=Л нала.

После окончания формирования всех

Ь 1 импульсов блоком 22 с выхода 10 накапливающего сумматора 7 снимается отсчет выходного сигнала () в цифровом виде, а с выхода 9 цифроаналогового преобразователя снимается текущее значение аналогового выходного сигнала.

Заканчивается процесс вычисления от» счета свертки Ч () формированием по второму выходу блоком 22 импульса, изменяющего на единицу состояние адресного счетчика 20. Во времени этот импульс формируется после N-1 импульса с задержкой, необходимой для завершения вычисления отсчета g () . Таким образом, к моменту приходи следующего отсчета входного сигнала х (и+ л) в адресном счетчике 20 записано число

a q . Это обеспечивает автоматичес- кий сдвиг массива входных отсчетов на единицу, что необходимо для вычисления и

К. K блока 14 памяти, где и+а ЬЛ

6 = 1,2,...,(и - 1) записываются номера КИХ, численные значения которых записаны в (n + 1) -ой ячейке блока

4 памяти и равны h> „. Текущая выборка входного сигнала Х подается на вход 21 и далее на информационный вход блока 16 памяти и вход мультиплексора

18. В исходном состоянии накапливающие сумматоры 7 и ll, счетчики 2 и

l9 находятся в нулевом состоянии. В адресном счетчике 20, имеющем модуль пересчета равный N-1, в исходном состоянии записан некоторый код a ., После поступления на вход 21 очередного счетчика входного сигнала Х(и). производится вычисление отсчета ) (a) свертки следующим образом. Блок 22 формирует N импульсов, которые поступают на вход адресного счетчика 19.

При этом из блока 14 памяти последовательно считываются на вход сумматора

15 номера коэффициентов импульсной ха-Л рактеристики фильтра Й, сумма которых с числом сл является характе- ЗО ристикой адресом ячейки памяти блока 16, из которой отсчет входного сигнала Х(и-8Д

\ выводится через регистр 17 и мультиплексор 18 на вход накапливающего сумматора 11. Сначала из ячеек с адресами

j Е о К -1 последовательно считывают»

> ся номера N л коэффициентов импуль- сной характеристики, численно равных 4„

Из ячеек с адресами g " сл блока.16 памяти последовательно считываются от- gg счеты Х(и-л. ) через регистр 17 и мультиплексор 18 на вход накапливающего сумматора 11. После считывания номера коэффициента фильтра из ячеек с адресом J.= Ил-Л в накапливающем сумматоре 11 хранится су ма КЛ отсчетов входного сигнала х(и-t j>

Одновременно с формиров ллием этой сум мы в накапливающем сумматоре 11 из блока 4 памяти в регистр 5 считывается. из ячейки с нулевым адресом значение кода h . Адреса ячеек блока 4 памяти формируются адресным счетчиком 3, имеющим модуль пересчета, равный 3 . Накопл енная в сумматоре 11 сумма умножается в умножителе 6 на коэффициент

h„è записывается в накапливающий сумматор 7. При считывании номера КИХ из ячейки с адресом j= kÄ- 1 блок 14 па01 6 мяти вырабатывает сигнал, запускающий формирователь 2 импульсов, на.выходе которого с задержкой, необходимой для к, вычисления произведения Ь„ » х л л -1 формируется импульс, обнуляющий накапливаюшия сумматор ll и изменяющий на

1 состояние адресного счетчика 3. Во времени этот импульс, расположен между

4» - s и М, импульсами, формируемыми блоком 22. Следующая группа из К импульсов, формируемых блоком

22, аналогичным образом формирует к, сумму " Е ",, которая складыва

Л=Л ется с ранее вычисленной суммой в накапливающем сумматоре 7. Таким îáðàr зом, после импульса с номером "Е: K

l Л,=Л сформированного блоком 22, в накапливающем сумматоре 7 записывается сумма р Ке

," Ь 7: хе,j. е= =Л

Если в процессе вычисления сумм из некоторой ячейки блока 14 памяти рангов считывается код, соответствующий номеру коэффициента импульсной характеристики 4. = О, который дешифрируется дешифратором 12, то по сигналу с выхода дешифратора 12 блок 16 памяти входных отсчетов переключается в режим записи входного отсчета х () в ячейку с адресом а, а на выход мультиплексора 18 передается отсчет входного сиг904201

1О

26

55 следующего отсчета (и+л)выходного сигнала.

Сдвиг массива входных отсчетов про-изводится следующим образом. Пусть в

q -ый момент времени выборки входного сигнала записаны в блок 16 памяти следующим образом; выборка х(и- Й+л) в ячейку с адресом g выборка х(и-И+2) в ячейку с адресом ((CI + 1)) М -1, а выборка К (и -л.) записана в ячейку ((с + — 1 — + ))М-,1, где ". = 1,2,...> k-1 °

В блок 14 памяти рангов и блок 4 памяти коэффициентов информации записа» на следующим образом. В ячейку блока

4 памяти с нулевым адресом записывается код коэффициента 1 „,, a в ячейку блока 14 памяти с нулевым адресом записывается код "0". В следующие л- 1 ячейки блока 14 памяти записываются номера КИХ фильтра, численные значения которых равны h N< причем номер, записанный в блок 14 памяти соответствует исправленной последовательности коэффициентов, т.е. если коэффициент

Ц. (, то в блок 14 памяти запии-л сывается номер bl л, соответствующий этому коэффициенту. Расположение коэффициентов внутри kq группы и расположение самих групп коэффициен- тов могут быть произвольными, существенным является присвоение коэффициен« ту 1 ц л нулевого ранга. При такой организации заполнения блока 4 памяти и блока 14 памяти вы числение отсчета выходного сигнала g (v) производится следующим образом. Сначала из блока 14 памяти считывается по нулевому адресу код "0", а по адресу с1 + 0 иэ блока 16 памяти считывается выборка x(>-N+<), при этом вычисляется произведение q q Хи-Ч+Л . 3атем из следующей ячейки блока 14 памяти считывается код я л соответствующий коэффициенту и, а из ячейки блока 16 памяти с адресом ((О+ g-y-@Я 1 „считывается выборка

Х(° )., что соответствует вычиса лению произведения hg< М„ л и т.д.

Если из некоторой ячейки блока 14 памяти был считан код Я-1, который соответствует коэффициенту, hq то по сигналу с дешифратора 12 входная выборка Х„записывается в ячейку блока 16 памяти с адресом, равным ц, что приводит к обновлению информации в блоке 16 памяти.

При вычислении отсчета g (и+л) исходное состояние счетчика 20 равно о1 + 1. Таким образом, при первом об ращении к ячейкам блока 14 памяти на выходе сумматора 15 сформировывается код 8 + 1, а из блока 16 памяти считывается выборка Ми-й +Г,, что соответствует вычислению произведения

Х(„,л) Ял 1 по фоРмУле неРекУРсивной фильтрации при и+1 . Текущее значение входной выборки при этом записывается в ячейку с адресом <+ l.

Изменение начального состояния счетчика

20 на единицу производится обновление и сдвиг массива входных отсчетов на единицу.

Предлагаемое устройство выгодно от1 личается от известного. Время вычисления отсчета свертки равно

С Зп

Ф. = И " ., 1 "(" О3 О

Так как умножение является определяющей быстродействия устройства операцией и vn «(k-" +g ) при больших э

N то быстродействие устройства выше.

Кроме того, не требуется обращение к блоку памяти на перезапись массива входных отсчетов, что при параллельной работе двух блоков памяти входных отсчетов позволит получить выигрыш во времен -1 И ни вычисления, равный

Е >3) Фор мула изобретения

Цифровой фильтр, содержащий блок памяти входных отсчетов, первый регистр, формирователь импульсов, выход которого соединен со входом первого адресного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока памяти коэффициентов, выход которого соединен со входом второго регистра, выход которого подклю° чен к первому входу умножителя, выход которого соединен со входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является, аналоговым выходом фильтра, а выход первого накапливающего сумматора является цифровым выходом фильтра, причем выход блока памяти входных отсчетов соединен со входом первого регистра, первый вход блока памяти входных отсчетов является входом фильтра, а второй вход блока памяти коэффициентов является входом записи коэффициентов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него

9 90420 введены второй и третий адресные счетчики, блок памяти рангов, дешифратор, сумматор, мультиплексор, второй накапливаюший сумматор и блок синхронизации, первый выход которого подключен ко входу второго. адресного счетчика, выход которого соединен с первым входом блока памяти рангов, первый выход которого подключен к первому входу сумматора и входу дешифратора, выход щ которого соединен со вторым входом блока памяти входных отсчетов и вторым входом мультиплексора, выход которого подключен к первому входу второго накапливаюшего сумматора, выход которого соединен со вторым входом умножителя, второй вход второго накапливаюшего сумматора соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока памяти рангов, 1 10 второй вход которого является входом записи рангов фильтра, второй вход блока синхронизации соединен со входом треть его адресного счетчика, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход которого соединен с третьим входом блока памяти входных отсчетов, первый вход которого обьединен со втс>рым входом мультиплексора, третий вход, которого подключен к выходу первого регис цэ а.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Голд B., Рабинер П. Теория и применение цифровой обработки сигналов.

М., "Мир", 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

l4 636616, кл. 5 06 F 15/36, 1976 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 165/74 Тираж 953 Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, уп. Проектная, 4