Цифровой фильтр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

142584Î

Пи Е Н 03 И 3/02 Н 03 Н 17 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСН0МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4219929/24-24 (22) 31.03.87 (46) 23.09.88. Бюл. 9 35 (72) А.В. Тимченко (53) 681.325 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР. по заявке У 4139980/24, кл. Н 03 Н

17/06, 1986.

Погрибной В.А. Бортовые системы обобработки сигналов. — Киев: Наукова думка, 1984. с. 86.

Авторское свидетельство СССР

И 904201, кл. Н 03 Н 17/04, 1980. (54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи. его использование в системах цифровой обработки информации позволяет повысить быстродействие фильтра. Цифровой фильтр содержит генератор 1 импульсов, счетчики 2 — 4, модульный сумматор 5, блок 6 оперативной памяти, блоки 7 и 8 постоянной памяти, мультиплексор 9, формирователь 10 импульсов буферный регистр t1 перемножитель

12 и накапливающие сумматоры 13 и 14.

Благодаря введению накапливающих сумматоров 15 и 16 и соответствующей группировке коэффициентов импульсной характеристики фильтра время выполне.ния операции свертки для входных сигналов в формате многоуровневой дельтамодуляции существенно меньше, чем в ф прототипе. З.ил.

1 14258

Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи и может использоваться в системах цифровой обработки информации.

Цель изобретения — повышение быст" родейстния.

На фиг. 1 показана функциональная схема цифрового фильтра; на фиг. 2 схема сумматора; на фиг. 3 - времен- 10

: ные диаграммь) работы фильтра.

Цифровой фильтр содержит генера. тор 1 импульсов, первый — третий счетчики 2-4, модульный сумматор 5, блок

6 оперативной памяти, первый 7 и вто- 15 рой 8 блоки постоянной памяти, мультиплексор 9, формирователь 10 импульсов, буферный регистр 11, перемножитель 12, первый — четвертый накапливающие сумматоры 13-16, входы 17 и ныходы 18.

Накапливающий сумматор 13 может быть выполнен (Фиг. 2) на формирователе 19 переднего фронта, первом 20 и втором 21 регистрах сдвига и сум- 25 маторе 22. На фиг. 2 обозначены информационные входы 23, вход 24 синхронизации, вход 25 обнуления и выходы 26.

Накапливающие сумматоры 14-16 име- 30 ют такое же выполнение, но содержат вместо формирователя 19 переднего фронта формирователь заднего фронта.

На фиг. 3 представлены следующие сигналы: ..с(- тактовые импульсы с генератора 1; о — импульсы на выходе

35 формирователя 10; о — импульсы на втором выходе блока 7; Z — импульсы на выходе переполнения счетчика 4.

Цифровой фильтр работает следующим образом.

Перед началом фильтрации необходимо провести обнуление регистра 11 и накапливающих сумматоров 13-16 (цепи сброса на фиг, 1 не приведены).

При этом на выходах 18 устанавливается нулевое знач ние выходного сигнала. Такое обнуление необходимо также проводить при случайных сбоях, например питания, чтобы предотвратить накопление ошибок в выходном cèãíàëå 50 фильтра. В блок 6 при э-,îì заносится нулевое значение сигнала, т.е. последовательность S;-:(О).

Р) ) Устройство работает следующим об- 55 разом

Отсчет выходного сигнала цифрового фильтра в привычном формате импульс2 но-кодовой модуляции представляют в виде

40 у„=:С 8 8, (h1 (x)

w=a (2) 1 )1

vy; = Е. „; у„= Х: у, к= (=I

Эти этапы представляются н ниде последовательного включения трех накапливающих сумматс)рон, .первый из которых осуществляет "дозированное" суммирование M произведений по формуле (2) н каждом периоде дискретизации входного сигнала. !

Квантующая амплитудная характеристика дельта-кодера, формирующего входные сигналы фильтра соответствует одному из дн- х типов характеристики с центральнь 1 подавлением или центральным клиппиронанием слабых сигналов. В первом случае, для некоторых 1 - О возможно равенство $; = О, а во втором S; >- О для любых i> О. (l с

Поэтому для первого случая формула (2) может быть записана в виде (11! (х) м (3) где ш=п),m...,.,m„, — номера шагов квантования импульсной характеристики, не равных нулю;

N «М — количесво ненулевых шагов.

Обозначим число уровней квантования импульсной характеристики через (ь)

K . Тогда число различчых нечуле1

)) Мл („) и1 у„= Х С.СЯ„S, (1)

Р) где S r О, (° ) (rA

S ), s = О,M-1 — шаги квантования входного сигнала и импульсной характеристики соответственно;

M — - длина импульсной характеристики, Последовательности (S „", $ представлены в формате многоуровневой дельта-модуляции (ИДМ) или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции.

Вычисление последовательности 1у„Д по формуле (1) разделяется на три последовательных этапа (п1

К, К (н) Ч

f ) при К вЂ” четном;

1, при К вЂ” нечетном (>1 (в последнем случае исключено нулевое значение).

Проведем группирование шагов кван- 10 тования входного сигнала по одинаковым значениям весовых коэффициентов.

Число шагов квантования импульсной характеристики в каждой группе равВ но К., а М = Х К - Тогда выражение

) ) а (2) или (3) можно переписать в виде (h) (х)

= Я,,» 8„„, (4)

К,1 г

?0

Число умножений для вычисления одного значения Ч 2 по формуле (4)

1к равно 1 и с увеличением длины импульс=ной характеристики значение 1 остается неизменным, а отношение 1,N уменьшается, т.е. 1 (< И.

Кроме того, при вычислении V у„ пс (4) разрядность одного из входных сигналов умнсжителя равна разрядности МДМ, что также позволяет реали--,oâàòü высокое быстродействие устройства.

За счет более низкой разрядности коэффициентов импульсной характеристики фильтров с многоуровневой дельта/ модуляцией значение 1 значительно меньше такого же значения в аналогич» ном фильтре с импульсно-кодовой модуляцией. Это приводит к тому, что значения 1 К, j = 1,1, примерно одинаковые, что позволяет вычислять значение суммы щагов квантования входного сигнала параллельно с умножением предыдущей суммы на соответствующий .коэффициент, т.е. организовать поточную обработку---Ячейки памяти блока 7 разделены на два поля. В первом поле записаны индексы q(I, i О, K - i, j = 1, 1 весовых коэффициентов. Запись групп индексов одинаковых коээффициентов производится подряд; начиная с нулевого адреса блока 7. Первая группа начинается. согласно (2) нулевым индексом q О (принято что S / О), (о) (М вторая группа индексом q 1 (если

Я ф S > и т.д. Если S, = Б, то вто(п) (М -Ch) о рая группа начинается ближайшим индексом q, 1, для которого удовлетh) 3 14258 вых значений коэффициентов цифрового фильтра с МДМ равно

4. всряется условие S S,. Число индек(hl g,! h| сов К в каждой j-й группе равно чис ) — одинаковых коэффициентов этой груп.ы. Во втором поле, представляющем с ни разряд по всем адресам, записано

s: ëe;.ое значение кода и только по адресам соответствующим началу каждой группы индексов (нулевому и равному -1

;> К }, "-зписаны значения единичного

j=1 кода, " аким образом, всего в блоке 7 используется N ячеек памяти, Нумерация выходов блока 7 соответствует нумерации полей.

В блоке 8 памяти записаны только различнь:е ненулевые значения коэффи(h> циентсв, начиная с значения S, в том порядке, как они встречаются в формуле цифровой свертки (2) или (3). Если (hl

Б„= О, тс по нулевому адресу записывается ближайшее значение S „ О, (ol для которого -.-. минимальное. Всего используется 1 ячеек блока 8 памяти.

Генератор (импульсов генерирует непрерывную последовательность импульN ав (фиг. За) с частотой f = — где Т

Т период дискретизации входного сигнала. Зти импульсы поступают на счетный вход счетчика 2, имеющего коэф-* фициент деления N. Пс коду, соответствующему выходному сигналу счетчика 2, с первых выходов блока 7 паинти считывается последовательность индексов fq I, начиная с нулевого адресе блока 9.

В конце каждого периода дискретизации Т, после заполнения счетчика 2, на его выходе переполнения формируется импульс, переключающий счетчик 3 с коэффициентом деления М в следующее положение. Код с разрядных выходов счетчика 3 и первых выходов блока 7 памяти суммируется по модулю M сумматором 5, выходной сигнал которого поступает на адресные входы блока б.

Последовательность нагов квантования входного сигнала (S ", r > О в формате многоуровневой дельта- или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции с входов 17 поступает одновременно на информационные входы блока б памяти и первые входы мультиплексора 9. Пс нулевому значению выходного кода счетчика 2 формирователь

10 генерирует импульс (фиг. 3), при наличии котсрогс счетчик 4, имеющий

5 14258 коэффициент пересчета 1, устанавливается в (1-i)-е состояние, блок 6 переводится иэ режима чтения в режим записи а мультиплексор 9 — в положеУ

5 .ние., при котором на его выходы передается значение шага квантования входного сигнала с входов 17 фильтра.

Рассмотрим функционирование фильт.ра с момента времени t, когда на вы- 10 ,. ходе формирователя 10 появляется импульс. Пусть в этом п-ом периоде дискретизации состояние счетчика 3 равно р = n(modM), р = О,М-1. Тогда зна, чение шага Б „ записывается в р-ю (xl ячейку блока 6 памяти, а на информационные входы сумматора 1 3 подаются в циклическом порядке К значений шаг ов квантования, записанных в блоке

6 по адресам (K (modM) = p +q,, .. ., (О ((1 р+ц „,, т.е. значения шагов кванто I вания, соответствующие коэффициенту, (значению) S По заднему фронту сигЮ нала тактового импульса эти шаги суммируются в сумматоре 13 и после пос- 255 тупления К1 тактовых импульсов на

: втором выходе блока 7 памяти генерируется импульс (фиг. Зв), по переднему фронту которого накопленное значение шагов квантования из сумматора 13 переписывается в регистр 11, а сумматор 13 обнуляется. Одновременно счетчик 4 переключается в следующее нулевое состояние, в результате чего на выходах блока 8 памяти появляется

35 значение шага квантования импульсной (ы характеристики Б . Указанные сигналы перемножаются перемножителем 12 и после поступления К импульсов U на втором выходе блока 7 генерирует- 40 ся очередной импульс U7, по переднему фронту которого накопленная сумма из блока 13 переписывается в регистр

11, затем блок 13 обнуляется, счетчик

4 переключается в следующее положе45 ние, в результате чего блок 8 памяти генерирует сигнал $, а в блок 14 за(ь1 писывается произВедение, вычисленное ранее перемножителем 12.

Работа накапливающего сумматора

13(14) происходит следующим образом.

По переднему (заднему) фронту сигнала на входе 25 поступающего на вход формирователя 19 последний формирует короткий импульс, устанавливающий регистры 20 и 21 в нулевое состояние. На выходе сумматора 22 из нулевых выходных сигналов регистров 20 и 21. формируется нулевое значение вы40 б ходного сигнала блока 13(14) . При поступлении на вход 24 синхронизации блока 13(14) тактового импульса по заднему фронту последнего в регистре 20 записывается значение сигнала со входов 23, а в ре>..истре 21 - предыдущее значение выходного сигнала блока 13 (14). В результате этого сумматор 22 вычисляет текущее значение выход(oro сигнала блока 13 (14), которое сохраняется на его выходах до поступления следующего тактового импульса. Далее работа блока 13 (14) происходит аналогично.

Аналогично происходит работа циф-. рового фильтра для всех последующих групп индексов. Поэтому после генерирования 1 импульсов на втором выхо де блока / накопленная в блоке 14 величина равна выражению (4). Время выполнения арифметической операции суммирования в блоке 14 не превышает

Т/N, поэтому по заднему фронту импульса с выхода переполнения счетчика

4 (фиг. 3r) накопленное в блоке 14 значение сигнала переписывается в накапливающий сумматор 15, где суммиру-ется с его предыдущим значением, формируя величину у„, а сумматор 14 обнуляется, чем подготавливается накопление.по формуле (4) для следующего периода дискретизации, По переднему фронту сигнала с выхода перепол:нения счетчика 4 в следующем периоде дискретизации сигнал Ч у„ переписывается в накапливающий сумматор 16, где суммируется с его предыдущим значением, в результате =.его на выходах 18 фильтра формируется выходной сигнал у в формате импуль но-кодовой модуИ ляции.

Для следующих периодов дискретизации .работа фильтра происходит аналогично.

Для нормальной работы фильтра длительность с тактовых импульсов должна выбираться из условия (, где. Г„ „ время чтения из блока 6 памяти очередного значения шага квантования входного сигнала °

Таким образом, в цифровом фильтре минимальное значение частоты дискретизации входного сигнала определяется временем вычисления свертки (4), которое определяется числом 1 различных ненулевых шагов квантования импульсной характеристики и может быть. определено из выражения

1 1425840 где все времена относятся к трем посI ледовательным группам индексов

max(K ) t — время выполнения од) X< ной операции суммирования блоком 13; — время выполнения операции перем-!

Ь

1 ножения блоком 12; t — время выпол-, нения одной операции суммирования в блоке 14.

За счет предварительного суммирования соответствующих шагов квантования входного сигнала величина 1«N 15 где N — число ненулевых членов импульсной характеристики..

Кроме того, за счет уменьшения разрядности шагов квантования входного сигнала и импульсной характеристики, т.е. представление в формате многоуровневой дельта- или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, 1 значения t, t< существенно мень 1ь ше, чем в известйом Фильтре, а значит 25 при одинаковом значении N предлагаемый цифровой фильтр позволяет проводить фильтрацию в указанных форматах с существенно более высокой частотой дискретизации, а значит обрабатывать более широкополосные сигналы.

Формула изобретения

Цифровой фильтр, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого счетчика, выходы разрядов которого подключены к входам первого блока постоянной памяти, -второй счетчик, выходы катарога соединены с первыми входами модульного сумматора, выходы которого подключены к адресным входам блока оперативной памяти, информационные входы которого являются входами фильтра, формирователь импульсов, выход которого подключен к установочному входу третьего счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами второго блока постоянной памяти, мультиплекар, выходы которого подключены к ин-,,.1армационным входам первого накапливающего сумматора, буферный регистр, вы.;-ды которого соединены с первыми в .адами перемножителя, выходы котороподключены к информационным входам второго накапливающего сумматора, а т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия в фильтр введены третий и четвертый накапл.: вающие сумматоры, первые информационные входы мультиплексора подключены к входам фильтра, выходы блока оперативной памяти соединены с вторыми информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого объединен с управляющим входом блока оперативной памяти и подключен к выходу формирователя импульсов, входы катарога подключены к выходам разрядов первого счетчика, выход перепол-. нения которого соединен с входом второго счетчика, первые выходы первого блока постоянной памяти соединены с вторыми входами модульного сумматора второй выход первого блока постоянной памяти подключен к входу синхронизации второго накапливающего сумматора, управляющему входу буферного регистра, счетному входу третьего счетчика и входу обнуления первого накапливающего сумматора, вход синхронизации и выходы которого подключены соответственно к выходу генератора импульсов и информационным входам буферного регистра, выходы второго блока постоянной памяти соединены с вторыми входами перемножителя, выход переполнения третьего счетчика подключен к входам синхронизации третьего и четвертого накапливающих сум-"маторов и входу обнуления второго накапливающего сумматора, выходы которого соединены с информационными Входами третьего накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам четвертого накапливающего сумматора, выходы которого являются выходами фильтра, 1425840

Составитель О. Ревинскнй

Редактор Г. Волкова Техред Л.Сердюкова Корректор С.Черни

Заказ 4783/55

Тираж 928 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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