Цифровой фильтр

 

1. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР, содержащий блок памяти, информационный выход которого подключен к информационным входам первого и второго регистров , информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора , выход которого является информационньм выходом фильтра, блок синхронизации , первый, второй, третий и четвертый выходы которого подклю-. чены соответственно к управляющему входу блока памяти, счетному входу первого счетчика адреса, установочному входу первого регистра и установочному входу накапливающего сумматора, пятый выход блока синхронизации подключен к тактовым входам второго регистра и умножителя, шестой выход блока синхронизации подключен к тактовым входам первого ре гистра и накапливающего сумматрра и счетному входу второго г.четчика адf й. .л-...« , ..-,, f te,::- УI реса, информационный выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого подключен к второму ВХОДУ умножителя, отличающийся тем, что, с целью упрощения фильтра, он содержит блок памяти адресов и регистр адреса, причем информационный выход первого счетчика адреса подключен к адресному входу блока памяти адресов, информационный выход которого подключен к информационному входу регистра адреса, информационный выход которого подключен к адресному входу блока памяти, информационный вход которого является информационным входом (Л фипьтра, а седьмой выход блока синх-, ронизации подключен к тактовому входу регистра адреса. 2. Цифровой фильтр по п. Г, о т личающийся тем, что блок синхронизации содержит три элемента , И-НЕ, дешифратор, счетчик и генера ел тор тактовых ш пульсов, первый выход которого подключен к первым входам со первого, второго и третьего элементов И-НЕ и счетному входу счетчика, 4 информационный выход которого пода ключен к входу дешифратора, первый, второй и третий выходы которого подключены к вторым, входам соответственно первого, второго и третьего элементов И-НЕ, выходы которых являются соответственно первым, третьим и четверым выходами блока синхронизации , а второй, третий, четвертый и пятый выходы генератора тактовых импульсов являются соответственно пятым, шестым, вторым и седьмым выходами блока синхронизации.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН, „„SU 1145346

/. ;Я

° lg Д (у. (21) 3667655/24-24 (22) 25.11.83 (46) 15.03.85. Вюл . № 10 (72) Ю.M. Зорин, Ю.С. Каневский, И.П. Краснощеков и К.Г. Самофалов (71) Киевский ордена Ленина политехническийинститут им. 50-летия Великой

Октябрьской социалистической революции (5 3) 681 . 32(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 516043, кл. G 06 F 15/36, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 636616, кл. G 06 F 15/353, Н 03 Н 17/06, 1979 (прототип). (54)(57) i. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР, содержащий блох памяти, информационный выход которого подключен к информацион.ь ным входам первого и второго регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора, выход которого является информа— ционным вчходом фильтра, блок синхронизации, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подклю-. чены соответственно к управляющему входу блока памяти, счетному входу первого счетчика адреса, установочному входу первого регистра и установочному входу накапливающего сумматора, пятый выход блока синхронизации подключен к тактовым входам второго регистра и умножителя, шестой выход блока синхронизации подключен к тактовым входам первого регистра и накапливающего сумматора и счетному входу второго счетчика ад -

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

e

2. Цифровой фильтр по п.1, о т—

Ъ.. л и ч а ю шийся тем, что блок синхронизации содержит три элемента, И-НЕ, дешифратор, счетчик и генератор тактовых импульсов, первый выход которого подключен к первым входам СЛ первого, второго и третьего элемен- CQ тов И-НЕ и счетному входу счетчика, 4h информационный выход которого под- фф ключен к входу дешифратора, первый, второй и третий выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого, второго и третьего элементов И-НЕ, выходы которых явля- фф ются соответственно первым, третьим и четверым выходами блока синхронизации, а второй, третий, четвертый и пятый выходы генератора тактовых импульсов являются соответственно пятым, шестым, вторым и седьмым выходами блока синхронизации.

)i45346

Изобретение относится к вычислительной технике. и может быть использовано в системах цифровой обработки радиолокационных, сейсмических, гидроакустических и других сигналов, Известен цифровой нерекурсивный фильтр, содержащий блоки памяти входных отсчетов, умножитель, накопительный сумматор 51 3.

Недостаток известного фильтра обусловлен низким быстродействием в случае симметричных весовых коэффициентов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ) фильтр, содержащий блок памяти весовых коэффициентов, первый вход которого является входам записи коэффициентов фильтра, второй вход .и выход соединены соответственно с первым >g адресным счетчиком и входом первого регистра, выход которого соединен с первым входом умножителя, соединенного своим выходом накопительного сумматора, выход которого соединен с 25 цифроаналоговым преобразователем, два входа памяти входных отсчетов, первые входы которььх соединены с вторым и третьим адресными счетчиками соответственно, при этом второй вход и выход первого блока памяти входных отсчетов соецинекы с выходом второго и первым входом третьего ре- гистров, выход третьего регистра соединен с входом второго регистра, а второй вход третьего регистра являет-ся входом отсчетов входчого сигнала фильтра, четвертый и пятый регистрь| и оумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответ- 1О

J ственно третьего и четвертого регистров, а выход — с вторым входом умкожителя, при этом первый и второй входы пятого регистра соединены с входами соответственно второго и четвертого регистров, а второй вход и выход блока памяти входных отсчетов соединены соответственно с выходом пятого и входом четверто" î peãèñò— ров.

Формула свертки, реализуемая цифровым фильтром, имеет вид и

=."=,, Х, r=0 где Ъ вЂ” весовые коэффициенты, а х,, — отсчеты входного игкала. Для реализации этого алгоритма кеобха% мо, очевидно, N+ I обращений к памяти входных отсчетов. Из формулы видно, что входные отсчеты при вычислении каждого последующего выходного отсчета "сдвигаются" относительно весовых коэффициентов. В прототипе этот сдвиг осуществляется за счет того, что отсчет, считанный в памяти по некоторому адресу, в следующем такте переписывается по адресу на единицу больше. Таким образом, на каждый отсчет входного сигнала приходится два обращения к памяти входных отсчетов — одно чтение и одна запись.

В связи с этим в прототипе для достижения максимальной производителЬности фильтра при заданных ограНичекия на входящие в него узлы применены два блока памяти входных отсчетов, что, во-первых, усложняет устройство управления и, во-вторых, требует дополнительных затрат оборудования на реализацию обрамления этих двух блоков памяти, например требует применения двух регистров, каждый из которых принимает данные с двух направлений. Вместе с тем, объем оборудования цифрового фильтра ..;ожко уменью:-".ть практически без снижения его быстродействия. если на каждый входной отсчет сигнал обращаться к памяти входных отсчетов только один раз т.е. только читать входные данные без последующей их и » p с q т и " и

Цель изобретения — упрощение цифрового фильтра (уменьшение его аппаратурных затрат).

Р*оставлекная цель достигается тем, что цифровой фильтр, содержащий блок памяти„ информационный выход которого подключен к информационным входам первого и второго регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора, выход которого является информационным выходом фильтра, блок синхронизации, первый, второй, третий и четвертыи выходы которого подключены соотвест-.

I венка к управляющему входу блока памяти, счетному входу первого счетчика адреса„ установочному входу первого регистра и установочному входу накапливающего сумматора, пятык выход блока синхронизации подключен

114534 к тактовым входам второго регистра и умножителя, шестой выход блока синхронизации подключен к тактовым входам первого регистра и накапли- . ваюшего сумматора и счетному входу второго счетчика адреса, информационный выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого подключен к второму входу умножителя, содержит блок памяти адресов и регистр адреса. причем информационный выход первого счетчика адреса подключен к адресномУ входу блока памяти адресов, информационный выход которого подключен к информационному входу регистра адреса, информационный выход кОторого подключен к адресному входу блока памяти, информационный вход которого является информационным входом фильтра, а седьмой выход блока синхронизации подключен к тактовому входу регистра алвеса.

При этом блок синхронизации содержит три элемента И-НЕ, дешифратор, счетчик и генератор тактовых импульсов, первый выход которого подключен к первым входам трех элементов И-НЕ и счетному входу счетчика, информационный выход,которог0

30 подключен к входу дешифратора, первый, второй и третий выходы которо,. го подключены к вторым входам соответственно первого, второго и третьего элементов И-НЕ, выходы которых,являются соответственно первым, третьим и четвертым выходами блока синхронизации, а второй, третий, четвертый.и пятый выходы генератора тактовых импульсов являются со- 4О ответственно пятым, шестым, вторым и седьмым выходами блока синхронизации.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого цифрового фильтра; на фиг. 2 — то же, блока синхронизации; на фиг. 3 — временная диаграмма работы блока синхронизации; на фиг.4— импульсная характеристика фильтра и диаграмма считывания данных из блока 50 памяти входных отсчетов; на фиг. 5— организация данных в блоке памяти адресов; на фиг. 6 — граф-алгоритм работы блока синхронизации, Цифровой фильтр (фиг. 1) содер- 55 жит блок 1 памяти (входных отсчетов), информационный вход 2 фильтра, ре-. гистр 3 адреса, выход 4 блока 5 син6 4 хронизации, блок 6 памяти адресов, счетчик 7 адреса, информационный выход 8 и счетный вход 9, выход 1О блока синхронизации, регистры 11 и 12, сумматор 13, умножитель 14, блок

15 памяти (весовых коэффициентов), счетчик 16 адреса, накапливающий сумматор 17, а также выходы 18-22 блока синхронизации.

Блок синхронизации (фиг. 2) содержит счетчик 23, выход 24 гене ратора 25 тактовых импульсов, дешифратор 26, выходы которого 26 ° 1, 26.2 н 26.3, элементы И-НЕ 27, 28 и

29, выходы 30-33 генератора 25.

Для иллюстрации работы устройства рассмотрим в качестве примера реализацию цифрового фильтра с импульсной характеристикой, представленной на фиг. 4, т.е. с общим числом Ы, равным 53 коэффициентам. В случае симметричной характеристики число нулевых коэффициентов составляет (Я-1)/2, а общее число ненулевых — (N-1)/2+1, т.е. равно 27 ° кпи с учетом симметрии характеристики число ненулевых коэффициентов по одну сторону от оси ординат составит 13 плюс один центральный. При таком числе ненулевых коэффициентов можно получить затухание в полосе подавления не хуже 80 дБ. На фиг. 4, кроме импульсной характеристики фильтра, изображены также диаграммы, указывающие порядок, в котором необходимо считывать данные из блока памяти входных отсчетов при вычислении трех последовательных выходных отсчетов.

Согласно фиг. 4 из блока 1 памяти входных отсчетов в регистры 11 и 12 принимаются входные отсчеты, умножаемые на симметричные ненулевые коэффициенты импульсной характеристики. Цифры под горизонтальными прямыми обозначают адреса ячеек блока 1 памяти входных отсчетов, из которых необходимо считывать данные; дугами со стрелками соединены ячейки, содержимое которых необходимо суммировать на сумматоре 13.

Закон изменения адресов при чтении из блока 1 памяти входных отсчетов описывается следующей системой рекуррентных соотношений () =((д )+2 ) тофа(14+1)

Ы, ) ((4 )+ и . 4е+Т) gad(N+1}

1145346 (о 1 ? = ((о )+8(2-1) mod(N>1}, n1-- 1,., N(2-1 1

5 где (;? — содерлЬмое ячейки блока

6 памяти с адресом i (i 0,1,...,N), Таким образом„ .,в блоке 6 памяти адресов последовательно записаны (И+1) последовательность адресов С (cL ?=

=0,1, ....,, N„

Рассмотрим вычисление i-го-результирующего отсчета фильтра. Каж-. дый цикл вычисления очередного отсче15 та результата состоит из 17-ти тактов синхросерии (11) генератора 25 см. диаграмму на фиг. 2,3). На фиг.6, представлен граф-алгоритм работы блока 5. Номера оперативных вершин

2Q совпадают с номерами тактов работы устройства. При изображении алгоритма приняты следующие обозначения

СТ7 — счетчик адреса;

RG3 — регистр адреса 3;

RG — регистр 11

11 Р

RG1 — регистр 12;

NP1 — входной каскад умножителя 14; 30

NP0 — выходной каскад умножителя

SN 17;

ОЗУ вЂ” блок 1 памяти отсчетов„ (А) — содержимое узла А; (А):= 35

= (В > — содержимому узла Л присвоить значение, равное содержимому узла В ; (А>. — соцержимое узла Л переслать в узел В.

В первом такое счетчик 7. адреса по импульсу синхросерии 10 увеличивает свое состояние на единицу, из блока 6 памяти адресов по синхро45 серии 4 (диаграмма на фиг. 3) в регистр 3 адреса, принимается адрес (Ы ?. Считанное по этому адресу из.. блока 1, памяти входных отсчетов число х„ по сигналу 19 блока 5 принимается в регистр 12. В этом же такте по синхросерии 10 счетчик адреса 7 изменяет свое состояние на единицу, а из блока 6 памяти адресов в ре5 гистр 3 по сигналу 4 принимается адрес C 41?. По сигналу 20 в такте 2 в регистр .11 принимается число х,„, читанное из блока 1 памяти входньгх отсчетов. Значения входных отсчетов, хранимые на регистрах 11 и 12, суммируются в такте 2 сумматором 13 и по сигналу 19 вычисленная сумма принимается на второй вход умножителя 14.

По этому же сигналу на первый вход умножителя 14 принимается значение коэффициента h считанного из памяти коэффициентов 15 по адресу, задаваемому адресным счетчиком 16, на счетный вход которого подается синхросерчя 20 генератора 25 (диаграмма на фиг, 3). По следующему импульсу синхросерии 19 (в такте 3) сформированное произведение y Ь „(x +х z ) (ди аграмма на фиг. 4) принимается в выходной каскад умножителя *14. В первой половине такта 3 по сигналу 22 обнуляется сумматор 17 и в такте 4 по импульсу синхросерии 20 произведение у записывается в сумматор 17.

Одновременно в такте 2 (диаграмма на фиг. 6) счетчик 7 адреса увеличивает свое состояние на единицу, в регистр 3 адреса из блока 6 памяти адресов принимается адрес (с ?, по этому адресу из блока 1 памяти входных отсчетов в регистр 12 принимается число х, счетчик 7 вновь увеличивает не единицу свое состояние, а .Г в регистр 3 принимается адрес (гг ?, по которому в такте 3 из блока 1 памяти входных î-,ñ÷åòîâ в регистр 11 принимается число х . Считанные в тактах 2 и 3 из блока 1 памяти входных отсчетов числа х и х в та-те 3 складываются на сумматоре

13 и по импульсу синхросерии l9 принимаются на второй вход умножите-! ля 14. По этому же сигналу на первый вход умножптеля 14 из блока 15 памяI ти коэффициентов принимается значение коэффициента h . Произведение у "=h (х +х ) и такте 4 по импульсу синхросерии l9 принимается в вьгходной каскад умножителя 14. В такте 5 по импульсу синхросерии 20 в сумматор 17 принимается сумма вновь сформированного произведения у" с ранее накопленным произведением у, Аналогичным образом устройство работает до такта 14. В такте 15, в отличие от предыдущих (диаграммы на фиг. 4, 6), на центральный коэффициент h умножается не сумма двух входных отсчетов, а оцин отсчет х2 по этой причине в такте 15 на установочный вход регистра 11 подается

1145346

5 сигнал 21 обнуления блока 5. Таким образом, на второй вход умножителя

14 в такте 15 по импульсу синхросерии 19 принимается содержимое регистра 12, т,е. входной отсчет х

26

В такте 16 произведение h х им2б 2б пульсом синхросерии 19 принимается в выходной каскад умножителя.

В такте 17 результирующая сумма у. принимается в сумматор 17 и счи1 тывается из устройства. Таким обра-. зом, чтение из блока 1 памяти входных отсчетов происходит в течение первых 14 тактов. Запись очередного входного отсчета осуществляется в такте 16 сигналом 18 блока 5. Адрес, по которому осуществляется эта запись, также считывается из блока 6 памяти адресов. При этом, учитывая; что счетчик 7 адреса работает в не- 20 прерывном режиме и последний адрес (Ын 2) для чтения из блока 1 памяти входных отсчетов считывается в такте 14, после ячейки со словом (о щ2) в блоке 6 памяти адресов (фиг. 5} лежат три ячейки, содержимое которых безразлично для работы устройства, а затем расположена ячейка с адресом (а ;) для записи входного отсчета и еще три без- 3О различные ячейки, после которых начинается очередная последовательность адресов чтения из блока 1 памяти входных отсчетов в следующем цикле вычислений. Первый адрес (;)в этой последовательности совпадает с последним адресом, по которому осуществлялась запись, поскольку на коэффициент h, умножается сумма входного отсчета, пришедшего последним по времени, с входным отсчетом, находящимся в блоке 1 памяти входных от,счетов наибольшее время (диаграмма на фиг. 4). Счетчик 7 адреса имеет коэффициент пересчета, равный количеству слов в блоке 6 памяти адресов.

Поэтому по достижении значения А (фиг. 5) он обнуляется (принимает значения А ), при этом очередная последовательность адресов чтения начинается с (с,). В то же время последняя запись также осуществлялась по адресу (a(>, следовательно, закон изменения последовательности адресов чтения и записи не нарушается.

В такте 1 следующего цикла вычислений из блока 6 памяти адресов по синхросерии 4 в регистр адреса 3 принимается (oLz) . Считанное по этому адресу из блока 1 памяти входных отсчетов число принимается в регистр

12. В этом же такте в регистр 3 при» нимается адрес Qd,<). Считанное по этому адресу число принимается в регистр !1, а сумма содержимых регистров 11 и 12 в такте 2 принимается на второй вход умножителя 14 и т.д.

Таким образом, предложенное выполнекие цифрового фильтра упрощает

его конструкцию и снижает аппаратные затраты.

1145346

1145346

1!4534б

1145346

1145346

На ЧТО

< СТ7) — ЯЫ

Прае ч Я 13

<ст7):-(ст7)+!

<СТ7) — R83 щщпщ Заказ 1173/36 . Тираж 710 Подписное фипн@л дщ "П@р ьнг", г, Ужгород,ул.Проектная, 4

l7риею Ю12

/iу ÍÐÅ

<ст7) < ст7)+!

<ст7) — ы3

/7риен ФР13 . <ст7): =<СТ7)+!

<СТ7) -RG3

/7риеи R812

Ь( КРО

Л3 - ИР1

<СТ7):

<СТ7) " RG3

4юегк RG13

<СТ7 ): = <СТ7 0 + 1

Дрие1 ЯУ12

hy ИР1 (

Ь3 (<ЯС13)+<ЯС12))КР9

<8й ) = <ИРО)

<ст 7):= <ст7Р+1

<СТ1 ) - RCS

7рие 1 УбУХ

<СТ7) — Rf3

< й613) — ÌÐ,Ã

Ae(C RGU)Ф<ЮИ2) } %

<ЬЮ:-<НРО)

<СТ7):-<СТ7)+! (CT7) R03

<СТ7 ) . < СУ7 ) +

<СТ7 ) - RG3

Завис@ Шу

<3й ): < НРО)

Ь е(<т3И - Pa

<СТ7) RG3

<СТ7): =

<СТ7 ) — RG3

<$М ): = < ИРО )

<СТ7): = <СТ7 ) .!

< СТ7) RG3