Цифровой фильтр с линейной дельта-модуляцией

 

Изобретение относится к вычислительной технике. Его использование в устройствах обработки случайных процессов позволяет повысить быстродействие цифрового фильтра. Цифровой фильтр с линейной дельта-модуляцией содержит блок 1 оперативной памяти, мультиплексор 2,, реверсивный счетчик 5, сумматор 7, генератор 10 импульсов, счетчикки 11, 12, блок 13 постоянной памяти, формирователь 14 и myльcoв и накапливающие сумматоры 17, 18. Введение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 3, распределителя 4 импульсов, реверсивного счетчика 6, сумматоров 8, 9, буферных регистров 15, 16 и формирователя 19 переднего фронта обеспечивает вычисление выходного сигнала в формате импульсно-кодовой модуляции за меньшее, чем в прототипе, время за счет того, что в блок 13 постоянной памяти записываются только ненулевые значения импульсной характеристики цифрового фильтра с соответствующими индексами. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. с (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

tlO ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4140738/24-24 (22) 29. 10,86 (46) 15.09.88. Бюл. N 34 (72) А.В. Тимченко (53) 681. 325: 621. 376. 56 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 904201, кл. Н 03 М 17/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 919054, кл. Н 03 Н 17/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР и 955512, кл. Н 03 Н 17/06, -1980.

Авторское свидетельство СССР

М 1347188, кл . Н 03 И 3/02, 1985. (54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР С ЛИНЕЙНОЙ ДЕЛЪТА-МОДУЛЯЦИЕЙ (57) Изобретение относится к вычислительной технике. Его использование в устройствах обработки случайных процессов позволяет повысить быстродействие цифрового фильтра. Цифровой

„„SU„„1424119 А1 (51) 4 Н 03 Н 17/06 Н 03 М 3/02 фильтр с линейной дельта-модуляцией содержит блок 1 оперативной памяти, мультиплексор 2, реверсивный счетчик

5, сумматор 7, генератор 10 импульсов, счетчикки 11, 12, блок 13 постоянной памяти, формирователь 14 импульсов и накапливаклцие сумматоры 17, 18.

Введение элемента ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ

3, распределителя 4 импульсов, реверсивного счетчика 6, сумматоров 8, 9, буферных регистров 15, 16 и формирователя 19 переднего фронта обеспечивает вычисление выходного сигнала в формате импульсно-кодовой модуляции за меньшее, чем в прототипе, время за счет того, что в блок 13 постоянной памяти записываются только не- ф нулевые значения импульсной характеристики цифрового фильтра с соответ- ф Р ствующими индексами. 1 э.п. ф-лы, 2 нл.

1424119 л»(фровой фильтр с»))»!»ейной дельт, модуляцией работает следующим обраs ом.

Алгоритм работы I:,)ôðîâîãо фильтра

" линейной дельта-модуляцией может быть описан двумя разными способами.

Способ первый. В двух последовательных интервалах дискретизации имеет место м-» (к! е», е;»

О у„

»-o м (к! () е „, е

Ч у„.,= (2) m=»»

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в устройствах обработки случайных процессов.

Цель изобретения — повышение бы5 стродействия цифрового фильтра.

На фиг. 1 показана функциональная схема цифрового фильтра с линейной дельта-модуляцией на фиг ° 2

j ° 10 временные диаграммы, поясняющие его работу.

Цифровой фильтр с линейной дельтамодуляцией содержит блок 1 оперативной памяти, мультиплексор 2, элемент

ИСКЛ10ЧА1Я)!ЕЕ ИЛИ 3, распределитель 4 импульсов, первый и второй реверсивные счетчики 5, 6, первый, второй и третий сумматоры 7, 8 и 9, генератор

10 импульсов, первый и второй счетчики 11, 12, блок 13 постоянной па" мяти, формирователь 14 импульсов, первый и второй буферные регистры

15 и 16, пе1)вый! и второй накапливающие сумматоры 17, 18 и формирователь

19 переднего фронта. Формирователь

14 импульсов выполнен на первом и втором элементах 20, ИЛИ-НЕ 20 и 21, элементе ИЛИ 22, элементе НЕ 23» На фиг. 1 обозначены вход 24 и выходы

25 цифрового филь)ра.

Выходы второго реверсивного счетчика 6 при подключении к сумматору

8 смещены на один разряд в сторону старших разрядов но отношeíè). к выходам первого реверсивного счетчика при этом на м))адший разряд вторых зходов сумматора 8 подается сигнал 3 . В результате при поступлении и»(ву.»ьса на тактовый вход счетчика 5

"lõoäHoé код сумматора 8 изменяется

40 в зависимости от управляющего сигнала на +1, а при поступлении имп;ль;на тактовый вход счетчика б — на

+2.

45 м-» чу = е е +. е е(+ с) у„,= е„е + е„.,е,. + () (»1)+ (x! (ь) е „,„, е»» + е „м е м.!.

»у у +

2 .М.!

»»» к») Пр ов едем замену m = i-1 и обьединим полученные суммы

М-!

2 2 (х! ()»! к (к) (h)

» =- 1

+ e;,) + e»»»»»» e м-! ° (x) (h) Перенесем ч у„., в первую правую

2 часть и введем дополнительные члены импульсной характеристики е )= ()»

-1 е лл= О.

Тогда можно записать

<=-о где S,.= е;+ е(1, е,= е(= О; !

) (hl (h) . (»»! ()») е; 6 (-1, 1 ) i = О, М-1; 92уо = О. (3) h

В выражении (Э) коэффициенты S; могут принимать значения О, +1, +2. И так как в импульсной характеристике цифрового фильтра с линейной дельта-модуляцией большое количество рядом расположенных коэф» ициентов противоположны е(. =- -е, ;, соот()

) -». ветствующие значения 5 равны я, что позволяет резко (примерно наполовину) уменьшить количество у. чожений и суммирований в выражении (3).

Второй способ. Для этого проведем вычитание выражения (2) из (1) м2 » (к) ()»! к (Х) (Ь! !

) у, -V y = е е +е - е.— !

»-! л»-2 (к» ()»! (x) (hl —,-»»»- е»!» е», м е м.» °

»»» =(»

);oc;)e преобразований получим м

2 !х) (hl Z

y»» . е !»-»

» =О (hl (hl (b) Ъ (4) (h! е; e(-1, 1)), i = О, М-1; qzу. = О.

Значения R; также могут при!»»има т.(h) значения О, +1, +2, и так как в импульсной характеристике цифрово! о фильтра с линейной д»льта-модуляцией имеются монотонные участки т.е. ),! с оотз етс твующие э нач ения R = О, э т

Суммируя выражения (1) и (2), получим

1424119 и у„=,Г.С м-!. е „

L е О, к=! где е = 2L -1; () (1

13;

1Ь;, i О, М-1 — весовые коэффици(л) енты в формате дельта-модуляции (шаги квантования импульсной характери5 стики цифрового фильтра);

jL„ }, K> Π— входная последовательность.

Последователь))ост!) !.; )) L „,! представляют собой кодированные последовательности шагов квантования соответствующих величин и представлены в формате линейной дельта-модуля ции.

Обычно вычисления в формуле (1) разделяются на три последовательных этапа: м-!

2 с и! (hl

v у„= = е„,„е =о

1 у; = у„;

tl .= :,ъ,.

Такое представление позволяет упростить вычисления выходного сигнала фильтра. Однако вычисление по (6) значения свертки е1у„. требует в каждом интервале дискретизации входного сигнала проведения всех M умножений и суммирований, что является существенным недостатком прототипа, снижающим его быстродействие.

В рассматриваемом цифровом фильтре перед записью в блок 13 постоянной памяти весовых коэффициентов импульсной характеристики фильтра все N нену45 левых значений в последовательностях

tS,. )или 1Р, lIIp)-.водятся к формату ли(Ь) ) нейной дельта-модуляции

40 фильтра проводится по формулам (3) и (5).

Генератор 10 импульсов генерирует непрерывную последовательность импуль-1 сов (фиг. 2а) с частотой f NT кратной частоте дискретизации Т- входного сигнала, где N — число ненулевых членов в последовательности

j S ). Эти импульсы поступают на вход счетчика 11 и тактовый вход распределителя 4. Выходные сигналы счетчика

11 поступают на входы блока 13 памяти и на входы формирователя 14 импульсов. По коду, соответствующему выходному сигналу счетчика 11, с пе1 5 = (S + К) /2К, (Ы ((!) !

50 позволяет уменьшить количество умножений и суммирований в (4), т.е. увеличить быстродействие фильтра.

Выходной сигнал фильтра в формате импульсно-кодовой модуляции имеет .5 вид гдеК= 1 для =0,2=МиК=2 дляi=1,M-1, В блок 13 записываются только.значени последова.!ельностей,L <.)или (II) i (.)! 5

,1.)I, вместе со âîè÷è индексами г, „М .,:..u зетотвуюврми индексам

I с ()

);! нулевых;ьнач."ний в (ь; ) или 1К .

11идексы последних формируются следую(4! щим образом. "„— I = О; S, — r М, SI r= S r= l, Рре))!1 ет) эулвтате индексная последовательность имеет вид r = О, М, И-l,..., 1. Запись в блок 13 производится подряд по возрастающим индексным номерам 1г ), соответствующим только ненулевым !наченкям в IS(, )или!К . 1, начиная ь) (h! с нулевого адреса. Причем по нулевому адресу в блоке 13 будет записано значение I,, r = 0; по первому: 1., r= (ы () ) (!

1; по второму: 1(„„ „r 2 и т.д.

Если, например, Sö,,= = О0, то по второму адресу в блоке l 3 должно быть за()ц писано значение 1.<-2 „с ближайшим

r) 2, соответствующее ненулевому .(h) ) значению в последовательностях tS (h) или 1R ) е

При такой записи каждое выходное слово блока 13 разбито на два поля.

В поле, соответствующее первому вьг ходу блока 13 записывается индекс

r, а в поле, соответствующее второму выходу, — однобитовое значение 1,, (h)

Всего используется N ячее . памяти.

Перед началом фильтрации необходимо провести обнуление счет«иков

5, Ь, регистров 15, 16 и накапливающих сумматоров 17, 18. При этом на вь)ходах 25 фильтра устанавливается нулевое значение выходного сигнала.

Такое обнуление необходимо также проводить при случайных сбоях, например литания, чтобы предотвратить накопление ошибок в вь)ходном сигнале фильтра. В блок 2 оперативной памяти, куда должны записываться шаги квантования входного сигнала, при этом заносится нулевое значение сигнала, т ° е. последовательность (О, 1).

Примем для определенности, что в блоке 13 памяти записана последовательность (L,.) I. = О, N- 1, т.е. (h) вычисление отсчета выходного сигнала

5 1424 вых выходов блока 13 памяти на входы первого сумматора 7 считывается последовательность индексов г), начиная с нулевого адре а блока 13.

В конце каждоГо периода дискретизации Т (после поступления импульсов с генератора 10) счетчик 11 генерирует импульс переноса, переводящий счетчик 12 в следующее положе"i ние. Счетчик 12 считает по модулю

M+1. Его выходной сигнал поступает на другие входы первого сумматора

7, суммирующего коды по модулю И+1, на выходах сумматора ормируется 15 сигнал, поступающий на адресные входы блока 1 памяти.

Дельта-модулированная последова(r1 тельность шагов квантования и > 0 входного сигнала фильтра в виде (11

1Ь„1с входа 24 фильтра поступает одновременно на первые входы блока памяти и мультиплексора 2. По нулевому значению выходного кода счетчика 11 формирователь 14 импульсов генерирует импульс (фиг. 2б), поступающий на управляющие входы блокоч

1 и 2 и вход формирователя 19 переднего фронта. При наличии этого сигнала блок 1 памяти находится в режиме записи, а мультиплексор 2 передает (r) входной сигнал L я на первый вход элемента ИСКЛЮЧАКМЦЕЕ ИЛИ 3. При отсутствии указанного импульса блок 1 памяти находится в режиме чтения, мультиплексор 2 передает сигнал с его выхода на первый вход элемента 3. Кроме того, по переднему фронту этого импульса (момент t ) обнуляются счетчики 5 и 6 (фиг. 2г).

Пусть в и-м периоде дискретизации 4О состояние счетчика 12 равно j = и .mod(M+1),, j e (0, M ). Тогда значение записывается в 1-ю ячейку блока 1 (xl м памяти, а на первый вход элемента

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 3 поступают в цикли- 45 ческом порядке К значения

Ü(К = 1,..., М, О,..., j-1; причем номера индексов k формируются сумматором

7 как сумма индексов (r 3 ненулевых значений последовательности tS,. ), 50 (bi считываемых с первых выходов блока 13 памяти и значения выходного кода счетчика 12: k = (j+r)mod(M+1) .

На второй вход элемента 3 за периощ дискретизации синхронно с yL „) no М ступают в циклическом порядке с второго выхода блока 13 все элеиенты последовательности 1Ь,, д О, N-1. (Ь) 119 ь

Результат перемножен я L О Ь пода(Ь! (В1, ! ется на управляющие направлением счета входы счетчиков 5 и 6, которые изменяют свое состояние по заднему фронту импульсов, поступающих на .их тактовые входы.

Формирователь 14 при состоянии счетчика 11, равном "0" и "1", формирует сигнал (фиг. 2в), который является управляющим для распределителя 4. При наличии этого сигнала импульсы с генератора 10 поступают через распределитель 4 на тактовый вход счетчика 5, а при отсутствии на второй тактовый вход счетчика 6.

Поэтому в первом случае сумматор 8 изменяет в каждом периоде Т/N свое состояние на + 1, а во втором случае на +2 ° С учетом того, что управляющим сигналом счетчиков 5 и 6 являетГлТ Гк / ся произведение Ь; Э Ь „, в конце периода дискретизации Т (после поступления N тактовых импульсов) на выходах сумматора 8 формируется эначение сумщы

S (b P (rl (=о

Регистры 15, 16 совместно с сумматором 9 предназначены для формирования значения ч у„. Это происходит

2 следующим образом.

По переднему фронту импульса (фиг, 2б) в регистр 16 записывается выходное значение сумматора 9, т.е.

v у „,, а в регистр 15 — значения выходного сигнала сумматора 8, после чего счетчики 5 и 6 обнуляются. Сумматор 9 из значения выходного сигнал;. l сумматора 8 вычитает сигнал ч у„, который для этого преобразуется на выходе регистра 16 в свое дополнениее. Время выполнения с уммир ова ния в блоке 9 не превышает Т/N, поэтому по заднему фронту импульса (фиг. 2б) сформированное сумматором 9 значение ч у„ записывается в накапливающий сумматор 17, где сумиируется с предыдущим значением ч у„,, в результате чего на выходе блока 17 формируется значение чУ„ .

По очередному переднему фронту сигнала (фиг. 2б) в накапливающий сумматор 18 записывается значение выходного сигнала блока 17, которое суммируется с храняющимся в блоке

18 значением у „;, в результате чего формируется выходной сигнал цифрового

119

7 1424 фильтра в формате импульсно-кодовой модуляции у„, который подается на выходы 25 фильтра.

Аналогично работает фильтр при записи в бло 13 памяти последова5

)) тельности (?.));, i = О, N-1. В этом

4, случае сигнал v у„, на выходе регистра 16 не преобразуется в свое дополнение, а блок 9 суммирует значение выходного сигнала блока 8, равное м (l1 (х) е ) . с эн.".чением ч у„, в результате чего формируется у у„, т. е. вычисления соответствуют форму- 15 лам (4) и (5) . Дальше работа фильтра происходит аналогично.

Формирователь 12 переднего фронта предназначен для обнуления счетчиков 5 и 6. Запись в регистр 15 зна20 чения выходного сигнала блоха 8 производится по переднему фронту импульса (фиг. 2б), поэтому включение формиронателя 19 по валяет провести обнуление блока 8 после указанной записи, 25 т.е. разделить эти операции Во времени.

Та ким обра эом, нычисл ение выходного сигнала цифрового фильтра с дельта-модуляцией у ) в формате имь 30 пульсно-кодовой модуляции с промежу-.очным вычислением значений ч у „может быть проведено за меньшее время, чем с М умножениями и суммированиями, что позволяет увеличить быстродействие фильтра.

Формула изобретения

1. Цифровой фильтр с линейной дельта-модуляцией, содержащий мультиплексор, первый реверсивный счетчик, генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого счетчика, выходы разрядов которого подключены к входам блока постоянной памяти, вы- . 5 .сод переполнения гервого счетчика саединен с входом второго счетчика, выходы которого ., =динены с первьми входами перно: о сумматора, выходы которого подк.:к ены к адресным входам 5лока опе .-)тивнои памяти, формирона;:ель импульсов, первый выход которого соединен с входами синхронизации перч-го и второго на;,-.ппинающих су :ато-. ы,-.l;b) пера.;го накапливающего

" ..„; гора . -,и. "ны с информационньпэ .

)ходами:,3 о; ..; о накз )линающего .уми-. .тора, о т л " a к щ и и с::. тем, что, с целью повышения бь)стродействия цифрового фильтра, в него введены распределитель импульсов, второй ренерсивньы счетчик, второй и третий сумматоры, первый и второй буферные регистры, формирователь переднего фронта и э- емент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выI ход котс,>ого подключен к управляющим входам первого и второго реверсив ых счетчиков, выходы которых соединены соотнетственно с первьвп. и вторыми соответствующими входами второго сумматора, выходы которого соединены с информационными входами первого буферного регистра, вход синхронизации которого объединен с входом синхронна;,ции второго буферного регистра, входом формирователя переднего фронта, управляющими входами мультиплексора и блока оперативной памяти и подключен к первому выходу формирователя импульсон, входы которого подключены к выходам одноименных разрядов первого счетчика, второй выход формирователя импульсон. соединен с управляющим входом распределителя им- пульсон, тактовый вход которого подключен к выходу генератора импульсов, первый и второй выходы распределителя импе)ьсон соединены с тактовыми входами соответственно первого и второго ренерсинных счетчиков, выход формирователя переднего фронта подключен к входам обнуления перво-o H второго реверсинных счетчиков, выход блока оперативной памяти соединен с первым информационным входом мультиплексора, второй информационный вход которого объединеи. с информационньм входом блока оперативной памяти и является входом цифрового фильтра, выход мультиплексора соединен с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые и второй выходы блока постоянной памяти подключены соответственно к

BTopMI входам перв го сумматора и второму входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ, выходы первого и второго буферных регистров соединены соответстненно с первыми и вторьп.п входами третьего сумматора, выходы которого подключены к информационньР! входам второго буферного регистра и первого накапливающего сумматора, в.:лхоп t второго накапливающего сумматора являются выходами цифрового фильтра.

2. Фильтр поп. 1, о тл и с а ю шийся тем, что формирователь

Составитель О. Ревинскнй

Техред Л. Сердюкова Корректор С. Черни

Pедактор М. Келемеш

Заказ 4696/56 Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного омитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

9 1424 импульсов выполнен на элементе HJIH, элементе НЕ и элементах ИЛИ-НЕ, первый вход первого элемента ИЛИ-НЕ объединен с входом элемента НЕ и является первым входом формирователя, 5 выход элемента НЕ соединен с первым входом второго элемента ИЛИ-HE выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй — k-й входы пер- 10

119 о вого и второго элема т .в ИЛИ-НЕ