Цифровой нерекурсивный фильтр

 

ЦИФРОВОЙ НЕРЕКУРСИВНЫЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные коммутатор и регистр сдвига, выход которого подключен к второму входу коммутатора, последовательно соединенные первый накапливающий сумматор, умножитель и второй накапливающий сумматор, а также блок памяти приращений коэффициентов , выход которого подключен к второму входу умножителя, и блок синхронизации , выход управления, первый и второй тактовые выходы и выход сброса которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора , регистра сдвига, блока памяти приращений коэффициентов и объединенными управляющими входами первого и второго накапливающих сумматоров, при этом первый вход коммутатора является входом, а выход второго накапливающего сумматора - выходом цифрового нерекурсивного фильтра, отличающийс я тем, что, с целью расширения частотного диапазона работы в него введен умножитель на + первый ko вход которого соединен с выходом регистра сдвига, выход подключен к входу первого накапливающего сумматора а между вторьм его входом и вторым тактовым выходом блока синзфо- g низации включен введенный блок памяти знаков коэффициентов.

СОЮЗ СОжТСНИХ

СОЙ4АЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК..SU„„>124

Зад Н 03 Н 17/06

ГОСУДАРСТЯЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтнРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТБУ (21) 3644018/24-09 (22) 19.09.83 (46) 15.11.84. Бюл. Ф 42 (72) Ю.Т. Белоус (53) 681.32(088.8) (56) 1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., "Мир", 1978, с. 598.

2. Авторское свидетельство СССР

В 942247, кл. Н 03 Н 17/06, 1980 (прототип). (54) (57) ЦИФРОВОЙ НЕРЕКУРСИВНЫЙ

ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные коммутатор и регистр сдвига, выход которого подключен к второму входу коммутатора, последовательно соединенные первый накапливающий сумматор, умножнтель и второй накапливающий сумматор, а также блок памяти приращений коэффициентов, выход которого подключен к второму входу умножителя, и блок синх.ронизации, выход управления, первый и второй тактовые выходы и выход сброса которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора, регистра сдвига, блока памяти приращений коэффициентов и объединенными управляющими входами первого и второго накапливающих сумматоров, при этом первый вход коммутатора является входом, а выход второго накапливающего сумматора — выходом цифрового нерекурсивного фильтра, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения частотного диапазона работы в него введен уиножитель на +1, первый щ

Ф вход которого соединен с выходом регистра сдвига, выход подключен к входу первого ввхвппввввдвго оухввв-. тора, а между вторым его входом и вторым тактовым выходом блока синхро- низации включен введенный блок памяти. знаков коэффициентов. вв

1124430

Изобретение относится к радиотех..нике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации е

Известен цифровой нерекурсивный 5 фильтр,.содержащий последовательно соединенные коммутатор, регистр сдвига, умножитель и первый накапливающий сумматор „ а также блок управления и генератор весовых коэффициентов, 1О состоящий из блока памяти приращений коэффициентов и соединенного с ним второго накапливающего сумматора, выход которого подключен к второму входу умножителя (1g . t5

Блок памяти приращений коэффициентов цифрового нерекурсивного фильтра содержит величины малоразрядных приращений коэффициентов, которые становятся многоразрядными на выхо- 2р де накапливающего сумматора, цифровой нерекурсивный фильтр имеет небольшой объем памяти, однако из-за наличия операции умножения высокоразрядных чисел быстродействие его 25 недостаточно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифр .вой нерекурсивный фильтр, содержащий последовательна соединенные коммутатор и регистр сдвига, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, последовательно соединенные первый накапливающий сумматор умножитель и Второи накапливаю- 35 щий сумматор, а также блок памяти приращений коэффициентов, выход которого подключен к второму входу умножителя, и блок синхронизации, выход управления, первый и второй 4р тактовые выходы и выход сброса которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора, регистра сдвига, блока памяти приращений коэффициентов и объединенны- 45 ми управляющими входами первого и второго накапливающих сумматоров, при этом первый вход коммутатора является входом„ а выход второго накапливающего сумматора — выходом цифрового нерекурсивного фильтра f2), Недостатком известного цифрового нерекурсивного фильтра является ограниченный частотный диапазон его работы.

Это связано с тем, что с повышением центральной частоты (для полосового фильтра), либо частоты .среза (для фильтра нижних частот и фильтра верхних частот) при неизменной аппаратурной реализации и неизменной тактовой частоте приращения коэффициентов 4 а,1 = а „вЂ” а (К =

- О, 1, 2, ..., И), которые записываются в блок памяти, становятся сравнимыми по величине, а в некоторых случаях даже превосходят исходные коэффициенты а„. При этом положительный эффект в известном цифровом нерекурсивном фильтре сначала уменьшается, затем полностью исчезает и, наконец, превращается в отрицательный. Это происходит потому, что с повышением центральной частоты или частоты среза fey относительно тактовой частоты fT увеличивается частота Ьсцилляций отсчетов импульсной характеристики цифрового нерекур1 сивного фильтра, равных весовым коэффициентам а . При этом разности между соседними весовыми коэффициентами (приращения b.а ), имеющими разные знаки, становятся по величине равными или большими самих коэффициентов а» а количество таких разностей возрастает. Например, для цифрового нерекурсивного фильтра с центральной частотой йо = f /6 около трети приращений Ь а„ имеют величину, большую самих коэффициентов а, что приводит к ослаблению или к исчезновению положительного эффекта. Для цифрового нерекурсивного фильтра- с центральной частотой йо = f /4 все приращения равны исходным коэффициентам и положительный эффект полностью отсутствует, а для цифрового нерекурсивного фильтра с f = f„ /3 половина всех приращений 4а„ имеет значительно большую (примерно в 1,5 раза) величину, чем исходные коэффициенты, что приводит к исчезновению положительного и появлению отрицательного эффекта.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона работы цифрового нерекурсивного фильтра.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой нерекурсивный фильтр, содержащий последовательно соединенные коммутатор и регистр сдвига, выход которого подключен к второму входу коммутатора, последовательно соединенные первый накапливающий сумматор, умножитель и вто1124430 рой накапливающий сумматор, а также блок памяти приращений коэффициен тов, выход которого подключен к вто. рому входу умножителя и блок синх. ронизации, выход управления, первый и второй тактовые выходы и выход сброса которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора, регистра сдвига, блока памяти приращений коэффициентов и с объ- !О единенными управляющими входами первого и второго накапливающих сумматоров, при этом первый вход коммутатора является входом, а выход второго накапливающего сумматора — вы- f5 ходом цифрового нерекурсивного фильт ра, введен умножитель íà +1 первый вход которого соединен с выходом регистра сдвига, выход подключен к входу первого накапливающего сумма- 2О тора, а между его вторым входом и вторым тактовым выходом блока синхронизации включен введенный блок памяти знаков коэффициентов.

На фиг. 1 приведена структурная 25 электрическая схема цифрового нерекурсивного фильтра,: на фиг. 2— диаграммы его работы.

Цифровой нерекурсивный фильтр содержит коммутатор 1, регистр 2 сдвига, первый 3 и второй 4 накапливающие сумматоры, умножитель 5, блок 6 синхронизации, блок 7 памяти приращений коэффициентов, умножитель 8 на +1, блок 9 памяти знаков коэффициентов.

Цифровой нерекурсивный фильтр работает следующим образом.

Входная информация через коммутатор 1 с заданным тактом Т постУ- 4О пает на вход регистра 2 сдвига.

Очередная выборка входной информации Х (n) записывается в первый элемент памяти регистра 2 сдвига, а ранее записанные в регистре 2 выборки передвигаются в прямую сторону на один элемент, причем последняя выборка из регистра 2 выводится и теряется.

Управление записью и сдвигом информации осуществляется импульсами из блока 6 синхронизации, одно временно с этим производится обнуление накапливающих сумматоров 3 и 4. После этого блок б синхронизации 55 переключает коммутатор 1 и выдает на регистр 2 серию из N импульсов с тактом ь с . В результате действ вия этих импульсов производится пос ледовательное считывание выборок из регистра и подача их через умножитель 8 на накапливающий сумматор

3, Кроме того, считанные из регистра выборки по цепи обратной связи через коммутатор 1 подаются на второй вход регистра.2 сдвига, в котором после действия тактов сдвига устанавливается первоначальное расположение выборок.

Синхронно с.серией импульсов сдви

Г га блок 6 синхронизации выдает импульсы считывания информации из ! блока 9 памяти знаков коэффициентов и блока 7 памяти приращений коэффициентов. Информация .о знаках весовых коэффициентов (закодированная для каждого коэффициента, например, одним битом, причем "О" соответствует знаку "плюс", а "1" — знаку "минус") управляет умножителем

8, который умножает считываемые из регистра выборки в соответствии со знаками весовых коэффициентов на плюс или минус единицу.

Таким образом, на вход накапливающего сумматора 3 поступают по очереди выборки, умноженные на знаки весовых коэффициентов, т.е ° :

5ignja„5XEn-(N-f)j;si(nag z)X(n-(ff-2Д, ..,signIa, X(n).

На выходе накапливающего сумматора

3 формируются частичные суммы с учетом знаков весовых коэффициентов: н-< бф (пн 1 K Eff-(и f)); K. s1 п(п „ )((и- ) „, к-н-2

Я-1

° K sign(aff) N(n- ), которые последовательно, по мере пос-. тупления на выход накапливающего сумматора 3, умножаются в умножителе 5 соответственно на коэффициенты

Sa ff <,Ьа zZ., Sa синхронно поступающие из блока 7 памяти приращений коэффициентов с тем же таком

, задаваемым от блока 6 синхронизации.

Вычисляемые произведения в течение N тактов io поступают последовательно в накапливающий сумматор 4 и накапливаются в нем. Полученный

1124430

5S результат поступает на выход уСтройства. С приходом следующей выборки входной информации Х (n+1) цикл обработки повторяется.

Расширение частотного диапазона, объясняется тем, что приращения модулей коэффициентов 3а„, которые записываются в блок 7 памяти приращений коэффициентов, всегда меньше по величине исходных коэффициентов (за исключением нулевого, т.е.Sa, = ад), в то время как приращения самих коэффициентов Ь а в прототипе могут быть по величине больше этих коэффициентов. На фиг. 2 представлены импульсные характеристики дискретных нерекурсивных фильтров, имеющих одинаковую длину N = 33 и различные нормированные к тактовой

;.астоте f центральные частоты f т. е. Ро = Го / т При до точно низких частотах Р (Fo «

0,5) приращения модулей 3п и приращения коэффициентов ьа совпадают по величине практически для всех К (например, на фиг. 2а приведена импульсная характеристика фильтра с

F = 1/16 и 8 а = аа для всех К).

С повышением частоты Р по мере увеличения частоты осцилляций весовых коэффициентов ац, количество совпадений уменьшается и все больше число 8 а становится по величине меньЦ ше соответствующих Ь а которые, в свою очередь, становятся для многих К большими по сравнению с коэф фициентами а„. Так, например, для фильтра с центральной частотой

Ро = 1/6 (см. фиг. 2б) около трети приращений оаэи значительно меньше приращений ба<, которые, в свою очередь, почти вдвое больше исходных коэффициентов а . Таким образом, обеспечение в предлагаемом цифровом нерекурсивном фильтре приращений 8п„, всегда меньших по величине исходных весовых коэффициентов а> позволяет рас. ширить частотный диапазон его работы без ухудшения всех остальных параметров фильтра.

В качестве умножителя на «+1 в предлагаемом фильтре может быть использован, например, управляемый инвертор знаков информационных выбо5

35 рок В качестве блока памяти знаков исходных коэффициентов а„ вЂ” цифроВоН регистр, выполненный совместно с регистрами блока памяти приращений коэффициентов. При использовании в фильтре дискретно-аналогового регистра сдвига (например, на основе приборов с зарядовой связью). в качестве накапливающих сумматоров могут быть использованы интеграторы со сбросом, а в качестве умножителя — умножающий цифро-аналоговый преобразователь. В чисто цифровом варианте построения предлагаемого устройства фильтр содержит цифровые регистры сдвига, умножитель и цифровые накапливающие сумматоры.

Пример. Фильтр с центральной частотой Ро= 1/4.

Фильтры с F = 1/4 широко приме— няются в различных областях радио— техники. Это связано с тем, что для их реализации требуется вдвое мень" ше весовых коэффициентов а„, чем для фильтров на другие центральные частоты, поскольку в фильтрах с

Р = 1/4 все четные или нечетные весовые коэффициенты равны нулю (фиг. 2в). В этом случае для реализации алгоритма свертки, т.е для реализации конкретного цифрового. нерекурсивного фильтра, необходимо формировать вдвое меньше частичных сумм, а в качестве приращений модулей коэффициентов выступают значения 5 а,ь = аь„1 -1а,„, ); К =

М-1

ОФ 13 29 — 7 ая - 0 Кроме тогоу считывание из блоков памяти знаков коэффициентов и приращений коэффициентов в этом случае следует гроиз водить с частотой, вдвое меньшей тактовой частоты регистра сдвига

f>. Как видно из фиг. 2в, все приращения модулей 8 а значительно меньше, чем исходные коэффициенты а „ (за исключением о а„ = .а = 0) и могут быть представлены малым числом разрядов.

В случае фильтра-прототипа приращения коэффициентов а примерно вдвое больше коэффициентов а и строить фильтр с центральной частотой Р = 1/4 по схеме прототипа не имеет смысла.! 124430

Подписное

Заказ 8297/44 Тираж 861

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель А. Осипович

Редактор Л. Веселовская Техред Т.Маточка Корректор Г. Решетник