Устройство для цифровой фильтрации

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5и 4 Н 03 Н 17/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ССОР

1983.

ФИЛЪТрадиоупроГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ll0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1095357 (21) 4296027/24-09 (22) 22.06.87 (46) 07..01.89. Бюл. Я- (72) Ю.О.Охлобыстин (53) 621.32(088.8) (56) Авторское свидетельство

Ф 1095357, кл. Н 03 Н 17/04,. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ

РАЦИИ .(57) Изобретение относится к технике. Цель изобретения—.,Я0„„1450081 А 2 щение устройства. Устройство для цифровой фильтрации содержит фильтр

1 нижних частот, блок 2 синхронизации,АЦП 3, коммутаторы 4, 6, 10 и

13, блок 5 памяти, умножитель 7, блок 8 постоянной памяти, сумматор

9, накапливающий сумматор 11 и ключ

12. Цель достигается путем уменьшения объемов памяти блока 5 памяти и блока 8 постоянной памяти. Даны ил. выполнения блока 5 памяти и бло.ка 2 синхронизации. 5 ил.

1450081

Изобретение относится к радиотех-! нике и может быть использовано для рекурсивной цифровой фильтрации сигналов в N частотных диапазонах и является усовершенствованием устройства по авт. св. 1р 1095357.

Цель изобретения — упрощение путем уменьшения объемов памяти блока и блока постоянной памяти. 10

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема устройства для цифровой фильтрации, на фиг. 2блок памяти; на фиг. 3 — блок синхронизации; на фиг. 4 и 5 — временные диаграммы, поясняющие работу много-. частотного цифрового фильтра.

Устройство для цифровой фильтрации (фиг. 1) содержит фильтр 1 нижних частот, блок 2 синхронизации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, первый коммутатор 4, блок 5 памяти, третий коммутатор 6, умножитель 7, блок 8 постоянной памяти, сумматор 9, четвертый коммутатор 25

10, накапливающий сумматор 11, ключ

12 второй коммутатор 13.

Блок 5 памяти (фиг. 2) содержит. блоки 14 и 15 совпадения, коммутатор

16, регистр 17 сдвига, коммутатор 30

18, регистры (19-1)-(19-N) сдвига.

Блок 2 синхронизации (фиг. 3) содержит делитель 20 частоты, счетчик

21 импульсов, элемент 22 задержки, одновибраторы 23 и 24, счетчик 25 импульсов, тактовый генератор 26, одновибраторы 27, элементы ИЛИ 28, дешифратор 29.

Устройство для цифровой фильтрации работает следующим образом. 40

Входной сигнал, предварительно ограниченный по спектру фильтром нижних частот с частотой среза Г р, преобразуется в цифровую Форму с

АЦП З,выходнои cH нал кото 4 рого изображен на фиг. 4 а. Частота

Т >1 дискретизации сигнала в АЦП 3 выбирается из условия

Т = 2 F,р, где и i 2 °

Двукратное завышение частоты дискретизации необходимо для обеспе" чения наличия отсчетов, не участвующих в обработке в самом высокочастотном канале и которые можно было .бы использовать для обработки в более низкочастотных каналах. Пример распределения отсчетов для обработки в трех различных частотных каналах приведен на фиг. 4 б, в, г б отсчеты, участвующие в обработке в самом высокочастотном канале (каждый второй отсчет), в, r — отсчеты, участвующие в обработке в двух более низкочастотных каналах (каждый четвертый и каждый восьмой отсчеты).

Прореживание потоков отсчетов эквивалентно снижению частоты дискретизации в разных частотных каналах.

Поскольку частота настройки полосовых рекурсивных фильтров при постоянных весовых коэффициентах линейно зависит от используемой частоты дискретизации, то частоты настройки канальных полосовых фильтров при одних и тех же весовых коэффициентах будут относиться между собой так же, как и значения частот дискретизации, использованных в различных частотных каналах, т.к. как i 2": ... :2 .

Фактическое снижение частоты дискретизации в каждом канале без дополнительного ограничения спектров сигналов может привести к появлению искажений, связанных с наложением спектров, поэтому полосовой фильтрации должна предшествовать низкочастотная фильтрация с индивидуальной частотой среза f c v в каждом

k-м канале, выбираемой в соответствии с резонансной частотой f > полосового фильтра k-ro канала (должно выполняться условие Й

Ъ этого в каждом канале использован алгоритм нерекурсивной фильтрации

m-го порядка, а для последующей полосовой фильтрации — алгоритм рекурсивной фильтрации и-го порядка.

Для реализации нерекурсивной низкочастотной фильтрации последних выходных отсчетов АЦП 3 (фиг. 4 а) сигналы хранятся в соответствующей зоне блока 5 памяти. Со стороны выхода АЦП 3 первый коммутатор 4 открывается при появлении каждого последующего отсчета на выходе АЦП 3, сигнал управления коммутацией выхода

АЦП 3 на блок 5 памяти аналогичен сигналу на фиг. 4 а. Этот же сигнал, но в увеличенном масштабе показан на фиг. 5 а.

После записи последнего выходного отсчета АЦП 3 с выхода блока 2 синхронизации на третий коммутатор

6 поступает управляющий сигнал (фиг. 5 б), разрешающий последова1 450081 тельное считывание m отсчетов (фиг. 5 в), хранящихся в памяти блока 5 памяти, на умножитель 7, на другой выход которого иэ блока 8 постоянной памяти коэффициентов пос" ледовательно поступают m весовых коэффициентов k-ro канала, который обрабатывается на данном интервале

Тд. В соответствии с использованным способом прореживания отсчетов, в начале каждого второго интервала длительностью Т д из блока 8 постоянной памяти считываются m весовых коэффициентов первого (высокочастотного) канала, в начале каждого четвертого интервала — коэффициенты второго канала и т.д., что обеспечивается соответствующим управлением блока 8 постоянной памяти коэффициентов со стороны блока 2 синхронизации. Результаты произведений пос тупают в первый сумматор 11, являющийся накапливающим и обеспечивающим их последовательное сложение. В результате этого в конце каждого интервала (момент t на фиг.4 в) на выходе накапливающего сумматора 11 появляется значение U<,ф„,являющееся результатом обработки последних

m отсчетов АЦП 3 k-ro канала. Полученное значение Б „ф„ «() (i - номер . текущего интервала длительностью

Т „) подается через ключ 12 сумматор

9, после чего накапливающий сумматор

11 сбрасывается (сигналы управления ключем 12 и сбросом накапливающего сумматора 11, сформированные в блоке

2 синхронизации, показаны на фиг.5 г и д соответственно).

После окончания низкочастотной фильтрации начинается обработка полученного отсчета U „ „ (i) полосовым фильтром k-го канала.

Полосовая фильтрация рассматриваt ется далее на примере алгоритма рекурсивного фильтра второго (n = 2) порядка с пятью весовыми коэффициентами а1 ... а (при более высоких порядках и фильтра соответственно увеличивается число весовых коэффициентов, которое становится равным

2n + 1), соответствующего структуре, приведенной на фиг. 1, и реализующего передаточную функцию вида

ztU„в.,. „)= tz (vд„„) 1

15

- I (a + a Z + a>Z ) ZLV„>(a<+ a Z + а 7. ), (2) где Z(v „< )=Z t v«„ J(1-a,Z -a

Легко убедиться, что введенный сигнал U „ соответствует выходному сигналу накапливающего сумматора ti и является промежуточным результатом рекУРсивной обРаботки.

Равенствам (2) и (3) в области действительной переменной соответствуют разностные уравнения и

V„(i )= U„„„(i) + a„V„,(i 1 ) +

+ ад С„, (i — 2), (4) 30

П ьых к (1) U«(i)а z + U <(i

1)а + U«(i — 2)а, (5) 35 где U „„(i — 1), U „,(i - 2) — предшествующие значения сигнала Ut„, полученные в k-м канале.

В рассматриваемом i-м интервале

Т д (фиг. 5 а) значение Б кф <«(i ) уже вычислено в моменту t (фиг.5 б) .

Значения U «,(i — 1), U «<(i — 2 ) хранятся в зоне блока 5 памяти, соответствующей k-му-каналу. Поскольку в следующем (i + 1)-м интервале длительностью Tä, в котором снова будет вестись обработка в k"ì канале, в указанной зоне должны храниться уже

50 отсчеты U <, (i), U <,,(i-1), значение

U „,(i) приходится каждый раз вычислять отдельно с помощью второго сумматора 9 и записывать в зону блока

5 памяти отсчетов U >„ k-го канала, 55 а отсчет U < (i-2) прй этом стирается.

Для реализации вычисленной в соответствии с (4) и (5) производится следующая последовательность операций. В моменты времени где комплексная переменная Z = е < " а Т„ — частота дискретизации, используемая в k-м частотном канале.

Вводя Z-преобразование Z ГП кфнч1 выходного потока отсчетов ФНЧ k-ro канала, Z-преобразование 2 CU «ц„„ выходного сигнала полосового фильтра

k-ro канала на основании (1) можно

10 записать в следующем виде:

1450081

5 (фиг. 5 б) иэ блока 5 памяти через третий коммутатор 6 на умножитель 7 происходит считывание отсчета U <,(i-

-1), а на другой вход умножителя 7 иэ блока 8 постоянной памяти последо5 вательно считываются весовые коэффициенты а,, а . Четвертый коммутатор

10 осуществляет подачу результатов . умножения либо на сумматор 9, либо на накапливающий сумматор 11. Сигналы управления четвертым коммутатором

10, формируемые блоком 2 синхрони, зации, показаны на фиг. 5 е, ж. Та1 ким образом значение U q,(i-1)а,, сформированное в момент t, поступает в сумматор 9, где складывается

; с хранящимся там значением Ut, „„(i), ; а значение U q,(i-1)а поступает в

1 момент t ъ в накапливающий суатор 20

11, В следующие моменты времени t> !..

t из блока 5 памяти через третий коммутатор 6 на умножитель 7 считывается значение отсчета U g,(i-2) 25 умножитель 7 формирует значение

U <„(i-2) a и U 1,,(i-2) а, иэ которых первое поступает во второй сумматор

9, а второе в накапливающий сумматор

11, что обеспечивается соответствующими сигналами управления четвертого коммутатора 10 со стороны блока 2 синхронизации (фиг..5е, ж).

Таким образом, к моменту времени (фиг. 5 s) в накапливающем сумматоре 11 содержится значение

U>, (i-1)а + U „(i-2)а, а в сумматоре 9 — значение U <,(i), определяемое равенством (4) . Значение U <,() через первый коммутатор 4 поступает на вход 40 блока 5 памяти, где записывается в зону хранения отсчетов U q< k-го канала. Одновременно с этим значение

U 1,„(i) через третий коммутатор 6 поступает на умножитель 7, где формируется значением И „,(i)а, которое через четвертый коммутатор 10 поступает в накапливающий сумматор

1t, где складывается с накопленным в нем значением lU 1,, (1. 1) G э + U,(-2)а J, в результате чего на выходе первого сумматора 11 формируется значение U qq q(i) в соответствии с выражением (5), являющееся результатом рекурсивной обработки входного сигнала в k-м частотном канале. Это значение переключается на соответствующий

k-й выход второго коммутатора 13. В начале следующего интервала Тд в

6 момент ty (фиг. 5 и) первый и второй сумматоры 11 и 9 устанавливаются в исходное (нулевое) состояние сигналами сброса (фиг. 5л, д), поступающими с соответствующего выхода блока 2 синхронизации и подготавливаются таким образом к работе в следующем интервале (tz, з + Т ), на котором будут обрабатываться отсчеты другого канала в соответствии с распределением отсчетов между каналами, приведенными на фиг. 6б, в, г.

Для обеспечения необходимой коммутации сигналов используются первый, третий и четвертый коммутаторы 4, 6 и 10. Для обеспечения описанной коммутации на управляющие входы с выхода блока 2 синхронизации подаются пары сигналов (фиг. 5 и, к),(фиг.5, б, з) и (фиг. 5е, ж) соответственно.

Кроме того, для выделения канальных сигналов используется второй коммутатор 13, имеющий один вход и

N выходов. Для управления проключением выходного сигнала накапливающего сумматора 11 на один k-й из

М выходов второго коммутатора 13 может использоваться управляющий сигнал в виде двоичного кода, задающего номер коммутируемого выхода второго коммутатора 13, и вводится стробирование второго коммутатора

13 сигналом фиг. 4 а. Еще один коммутационный элемент в составе устройства (ключ 12) замыкается при управляющем сигнале (фиг. 5 г).

Блок 8 постоянной памяти может быть выполнен на базе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), управляемого с соответствующего выхода блока 2 синхронизации.

Блок 5 памяти отсчетов может быть выполнен на базе регистров 17, (19-1) †(19-N) сдвига. В момент (фиг. 5а) входной сигнал блока 5 памяти отсчетов записывается через блок 15 совпадения в регистр 17 сдвига, хранящий н выходных отсчетов

АЦП 3, используемых при нерекурсивной низкочастотной фильтрации. В момент t g (фиг. 5 к) входной сигнал блока 5 памяти отсчетов, равный

U q,(i), через блок 14 совпадения поступает на коммутатор 16, который по сигналу управления от блока 2 синхронизации в соответствии с номером канала k, обрабатываемого на данном интервале, записывается в регистр

1450

081

7

19-к сдвига. Последовательное считывание т отсчетов из регистра 17 через коммутатор 18 происходит в интервале (t, t ) (фиг. 5 в), а считывание отсчетов с одного N-ro регистра 19 сдвига — в интервале (t,„,t ) (фиг. 5е, ж). Считывание из регистра

17 или одного из регистров (19-1)(19-N) обеспечивается подачей на коммутатор 18 соответствующих управляющих сигналов от блока 2 синхронизации, который работает следующим образом. Делитель 20 в (m+8) раз понижает частоту fsq выходного сигна- 15 ла тактового генератора 26, чем формируется сигнал (фиг. 5 а) . Число

m+8 равно числу тактов, образующих один полный цикл обработки отсчетов длительностью Т . Группа сигналов, 20 сформированных на выходах одновибраторов 27, включенных на выходах всех разрядов N-разрядного счетчика 25, кроме самого младшего разряда, который выводится непосредственно, соот- 25 ветствует сигналам, показанных на фиг. бб, в, г, с той разницей, что длительность каждого единичного импульса сигналов с помощью одновибраторов 27 растянута на Т„. Таким образом, в каждом интервале Тд указанная группа сигналов образует номер обрабатываемого, канала в виде позиционного кода. Сигнал Б N „ „ подается на блок 5 памяти, где используется для управления коммутаторами

16 и 18, определяя какой из регистров (19-1)-(19-N) сдвига должен участвовать в обработке на данном интервале Тд. Сигнал U „,„(îáðàçóþùèé 40 группу из N неперекрывающихся во времени сигналов) используется и для тактирования регистров (19-1)(19-N) сдвига. При этом на каждом интервале обработки отсчетов какого- 45 либо фиксированного канала сдвиг будет разрешен только в том регистре (19-1)-(19-N) сдвига, который хранит информацию именно этого канала. Другие N-1 регистров (19-1)-(19-М)сдви50 га при этом находятся в режиме хранения информации. Кроме того, сигнал U g «> участвует в выборе зоны блока 8 памяти, хранящей m весовых коэффициентов фильтра нижних частот и 5 весовых коэффициентов рекурсивного полосового фильтра данного канала. Сигнал U „„„ подается также на второй коммутатор 13, определяя на какой именно выход следует переключить выходной сигнал накапливающего сумматора 11. Стробирование второго коммутатора 13 осуществляется сигналом (фиг. 5а). С помощью элемента 22 задержки и одновибратора

24 формируется сигнал фиг. 5 б, а с помощью одновибратора 23 — сигнал, равный уровню логической единицы на интервале (t,,, t,) и подаваемый на блок 5 памяти. При этом на выход коммутатора 18 переключаются выходы регистра 17 сдвига (режим низкочастотной фильтрации) при уровне логического нуля выходы одного из р .— гистров 19 сдвига, выбранного в соответствии с сигналом U „ „. Счетчик 2 1 циклически просчитывает (m+8) импульсов f„„, автоматически обнуляясь к началу каждого интервала Тд. Двоичный код на выходе счетчика 21 подается на блок 5 памяти, обеспечивая последовательный опрос ячеек регистров сдвига 11, (19-1)(19-N). Тот же сигнал совместно с сигналом U« „ oáðàçóåò адреса считывания весовых коэффициентов из зоны блока 8 постоянной памяти, соответствующей каналу, в котором на данном интервале Т ведется обработка. Дешифратор 29, включенный на выходе счетчика 21, обеспечивает выделение временных позиций (фиг.5à-л) на своих выходах. Дешифратор может быть выполнен в виде нескольких блоков совпадения, на первые объединенные входы которых подан выходной сигнал счетчика 21, а на вторые входы — двоичные числа, равные числу периодов Й „ между началом интервала t; и выбираемой позицией. Объединяя соответствующие выходы дешифратора 29 (на элементах ИЛИ 28), можно получить сигналы фиг. 5 r-л. Выходной сигнал f „ тактового генератора 26 обеспечивает тактовым питанием блоки 5 и 8, умножитель 7 и первый и второй сумматоры 11 и 9. формула изобретения

Устройство для цифровой фильтрации по авт.св. Р 1095357, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью упрощения путем уменьшения объемов памяти блока памяти и блока постоянной памяти, информационный выход блока памяти через введенный третий коммутатор сое1ч50081

10 динен с входом умножителя,выход которого через введенный четвертый коммутатор подключен к информационному входу накапливающего сумматора, введены последовательно соединенные ключ, информационный вход которого соединен с выходом накапливающего сумматора, и сумматор, второй информационный вход которого соединен с вторым выходом четвертого коммутатора, а выход соединен с вторым информационным входом первого коммутатора и вторым информационным

5 входом третьего коммутатора, при этом восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами соответственно третьего коммутатора, 10 четвертого коммутатора, сумматора и ключа.