Цифровой медианный фильтр

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов. Цель изобретения упрощение фильтра. Фильтр содержит блок управления, компаратор и узел упорядочения чисел, состоящий из блоков элементов И, блока элементов ИЛИ, регистров элементов И, элементов ИЛИ и элементов НЕ, узлы подсчета числа выборки, состоящие из счетчиков, блоков элементов И, элементов НЕ, блоков элементов ИЛИ, элементов ИЛИ и элементов И. 3 ил.

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов в радиоэлектронике.

Основные положения медианной фильтрации изложены в [1, 2, 3] Известно устройство для определения выборочной медианы, содержащее блок управления, блок анализа чисел, компараторы, элемент ИЛИ, регистр. Сравнение входных цифровых отсчетов в этом устройстве производится в компараторах последовательно побитно, что ограничивает быстродействие.

Известно устройство для определения медианы, содержащее блок управления, блок измерения интервалов времени, в котором все числа выборки обрабатываются параллельно, что приводит к существенно большому объему аппаратуры.

Наиболее близким из известных устройств к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения медианы, в которое введены схемы ИЛИ, И, НЕ, регистры, счетчики компараторы и n блоков анализа чисел (n объем выборки, нечетное число), а в блоки анализа чисел введены счетчики, компаратор, триггер, логические элементы. Работа устройства синхронизируется блоком синхронизации и основана на последовательном сдвиге чисел в регистрах и упорядочении их значений.

Недостатком известного устройства для определения медианы является повышенная сложность конструкции.

Предлагаемое техническое решение устраняет указанный недостаток.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием n счетчиков и n регистров выборки и блока управления с более простой логикой работы и связями с остальными элементами схемы. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение изобретения с другими известными техническими решениями из патентной и научно-технической литературы показывает, что счетчики, регистры, компаратор и блок управления достаточно известны. Однако введение их в указанной связи с остальными элементами схемы в предлагаемое решение позволяет значительно упростить конструкцию устройства, что дает возможность добиться однородности структуры цифрового медианного фильтра и удобства для реализации в виде большой интегральной схемы (БИС).

Таким образом, все перечисленные признаки в совокупности позволяют достичь новый положительный эффект цель изобретения, являются оптимальными и могут квалифицироваться как существенные признаки изобретения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 то же, узла подсчета числа выборок; на фиг.3 схема узла упорядочения чисел.

Цифровой медианный фильтр состоит из n узлов подсчета числа выборок 1, n узлов упорядочения чисел 2, компаратора 3, блока 4 управления и тактового генератора 5.

Каждый узел 1 содержит счетчик 6, блоки 7, 8 элементов И, элемент НЕ 9, элементы И 10-13, и элементы ИЛИ 14-17.

Каждый узел 2 содержит регистр 13, блоки 14-18 элементов И, регистры 19, 20, элемент ИЛИ 21, элемент И 22, элемент НЕ 23, элемент И 24, 25, элемент НЕ 26, элементы И 27, 28, элемент НЕ 29, элементы И 30, 31, элемент НЕ 32, элемент И 33, элемент НЕ 34, элемент И 35, элемент ИЛИ 36, 37, блок 38 элементов ИЛИ, элементы ИЛИ 39, 40.

Цифровой медианный фильтр работает следующим образом (фиг.1).

Цифровые отсчеты входного сигнала от источника входного сигнала в параллельном коде поступают в сопровождении тактового импульса на все узлы 2, но записываются только в тот узел 2, на разрешающий вход записи которого подан сигнал переполнения от связанного с ним узла 1. Узлы 1 содержат число, указывающее, сколько циклов ввода/вывода пробыл отсчет входного сигнала, находящийся в связанном с ним по разрешающему сигналу узла 2. При каждом новом вводе отсчета от источника выходного сигнала содержимое всех узлов 1 увеличивается на 1. Переполнение какого-либо из узлов 1 означает, что в связанный с ним узел 2 можно вводить новый отсчет.

После ввода каждого нового отсчета в компараторе 3 начинается сравнение содержимого узла 2, куда введен этот новый отсчет, с содержимым правого от него узла 2. Если новый отсчет больше, то компаратор 3 вырабатывает сигнал "больше" и под действием блока 4 происходит обмен содержимого узла 2, где находится новый отсчет, и связанного с ним узла 1 с первыми узлом 2 и узлом 1. Если при сравнении вырабатывается сигнал "равно", при этом обмена не происходит. При первом "правом" сравнении может быть выработан сигнал "меньше", тогда начинается сравнение содержимого узла 2 с левым от него узлом 2, и в случае, если компаратор 3 вырабатывает сигнал "меньше", происходит обмен содержимого узла 2 и связанного с ним узла 1 с левым от него узлом 2 и узлом 1. В общем случае "правые сравнения" и "обмены" продолжаются до тех пор, пока компаратор 3 не выработает сигнал "меньше" или "равно", а, в свою очередь, "левые сравнения и обмены" продолжаются до тех пор, пока компаратор не выработает сигнал "больше" или "равно". В этот момент все отсчеты, введенные в узлы 2 медианного фильтра, упорядочены по величине, образуя вариационный ряд (1, 2, 3), длина которого равна n (n нечетное число, n 2k-1). В самом левом узле 2 находится наименьший по величине отсчет, в cамом правом n-ом узле 2 наибольший по величине отcчет. В узле 2 под номером к после завершения упорядочения всегда находится медиана. Блок 4 управления 2 вырабатывает сигнал "ввод/вывод", и в медианный фильтр вводится новый отсчет входного сигнала, а на выход из узла 2 с номером к выводится текущее значение медианы, соответствующее выборке из отсчетов входного сигнала, находящейся в узлах 2. После завершения операции "ввод/вывод" весь процесс сравнений и обменов повторяется. Смена всех циклов тактируется сигналом "такт" от блока управления.

Рассмотрим более подробно работу отдельных блоков, изображенных на фиг. 1.

На фиг. 2 представлена блок схема узла 1. Первый и второй кодовые входы через блоки 5 и 6 предназначены для обмена кодами с левым или правым соседними узлами 1. Разрешение на эту запись кода в узел 1 дает сигнал "Обмен" (ноль или единица, в зависимости от результата сравнения в компараторе 3), поступающий от блока управления на первый управляющий вход узел 1. Введем обозначение: сигнал переполнения от i-го узла 1 обозначим через П_i.

На второй управляющий вход каждого i-го узла 1 подан сигнал переполнения П_i-1 от левого узла 1, а на третий управляющий вход подан сигнал переполнения П_i+1 от правого узла 1. В соответствии с логикой, определяемой узлом 1, 1) при комбинации сигналов &&П_i Обмен производится запись по первому кодовому входу; 2) при комбинации сигналов &&П_i Обмен производится запись по второму кодовому входу; 3) при комбинации сигналов &&П_i Обмен производится запись по первому кодовому входу; 4) при комбинации сигналов &&П_i Обмен производится запись по второму кодовому входу.

Положительный эффект от использования изобретения по сравнению с прототипом заключается в следующем.

Упрощается конструкция. Добиваются получения однородной структуры цифрового медианного фильтра и удобства реализации в виде большой интегральной схемы (БИС). Изобретение позволяет получить возможность наращивания длины медианного фильтра, реализованного в виде БИС, путем последовательного соединения, а также предусмотреть взаимодействие с реальными источниками и приемниками сигнала по асинхронному принципу квитирования.

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ МЕДИАННЫЙ ФИЛЬТР, содержащий блок управления, компаратор, узлы упорядочения чисел, каждый из которых состоит из четырех блоков элементов И, блока элементов ИЛИ, первого регистра, пяти элементов И, четырех элементов ИЛИ и первого элемента НЕ, каждый узел упорядочения чисел, кроме первого, содержит дополнительно пятый блок элементов И и узлы подсчета числа выборок, каждый из которых состоит из счетчика, причем в каждом узле упорядочения чисел выходы первого и второго блоков элементов И соединены с первым и вторым входами блока элементов ИЛИ, выход первого элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, в каждом узле упорядочения чисел, кроме первого, выход пятого блока элементов И соединен с третьим входом блока элементов ИЛИ, первый выход блока управления соединен с первыми входами вторых элементов И узлов упорядочения чисел, выход первого регистра каждого узла упорядочения чисел, кроме последнего, соединен с информационным входом пятого блока элементов И последующего узла, выход первого регистра каждого узла упорядочения чисел, кроме первого, соединен с информационным входом второго блока элементов И предыдущего узла, информационные входы первых блоков элементов И узлов упорядочения чисел соединены с информационным входом фильтра, выход второго элемента ИЛИ подключен к синхровходу первого регистра, отличающийся тем, что, с целью упрощения, в него в каждый узел упорядочения чисел, кроме первого, введены два регистра, четыре элемента И, четыре элемента НЕ и пятый элемент ИЛИ, в каждый узел подсчета числа выборок введены два блока элементов И, блок элементов ИЛИ, три элемента ИЛИ, элемент НЕ и четыре элемента И, в первый узел упорядочения чисел введены два элемента И, четыре элемента НЕ и два регистра, причем в каждом узле упорядочения чисел, кроме первого, выход первого элемента НЕ соединен с первым входом первого элемента И, выход третьего элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом второго блока элементов И, выход блока элементов ИЛИ соединен с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с информационными входами третьего и четвертого блоков элементов И, выходы которых подключены к информационным входам соответственно второго и третьего регистров, выход второго элемента НЕ соединен с первыми входами третьего, четвертого и пятого элементов И, выход третьего элемента НЕ подключен к первому входу шестого элемента И и второму входу пятого элемента И, выход четвертого элемента НЕ соединен с вторыми входами третьего, четвертого и шестого элементов И, выход пятого элемента НЕ подключен к третьим входам четвертого и шестого элементов И, выходы третьего и шестого элементов И соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом третьего блока элементов И и синхровходом второго регистра, выходы второго, четвертого и пятого элементов И подключены к входам третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу четвертого блока элементов И и синхровходу третьего регистра, в первом узле упорядочения чисел выход первого элемента НЕ соединен с первым входом седьмого элемента И, выходы седьмого и восьмого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом пятого блока элементов И, в каждом узле подсчета числа выборок выход первого элемента НЕ соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы первого и третьего элементов И подключены к входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом первого блока элементов И, выходы второго и четвертого элементов И подключены к входам второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом второго блока элементов И, выходы первого и второго блоков элементов И подключены к входам блока элементов ИЛИ, выход которого соединен с информационным входом счетчика, тактовый вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, второй вход первого элемента И первого узла подсчета числа выборки, второй вход четвертого элемента И последнего узла подсчета числа выборок, вход второго элемента НЕ, второй вход седьмого элемента И и четвертый вход шестого элемента И первого узла упорядочения чисел и вход четвертого элемента НЕ, второй вход третьего элемента И и четвертый вход пятого элемента И последующего узла упорядочения чисел соединены с шиной нулевого потенциала, выход счетчика каждого узла подсчета числа выборок, кроме последнего, соединен с информационным входом первого блока элементов И последующего узла подсчета числа выборок, выход счетчика каждого узла подсчета числа выборок, кроме первого, подключен к информационному входу второго блока элементов И предыдущего узла подсчета числа выборок, информационный вход первого блока элементов И первого узла подсчета числа выборок соединен с информационным входом фильтра, первый выход блока управления подключен к первым входам вторых элементов ИЛИ узлов упорядочения чисел и со счетными входами узлов подсчета числа выборок, второй выход блока управления подключен к входам пятых элементов НЕ и четвертым входам третьих и пятых элементов И узлов упорядочения чисел, третий выход блока управления соединен с входами первых элементов И и первыми входами третьих и восьмых элементов И узлов упорядочения чисел и с входами первых элементов НЕ и первыми входами третьего и четвертого элементов И узлов подсчета числа выборок, четвертый выход блока управления подключен к вторым входам вторых элементов ИЛИ узлов упорядочения чисел и первым входам третьих элементов ИЛИ узлов подсчета чисел выборок, вход запуска фильтра соединен с третьими входами первых элементов ИЛИ, вторыми входами третьих элементов ИЛИ счетчиков выборки и входом запуска блока управления, выход переполнения счетчика в каждом узле подсчета числа выборок соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И своего счетчика выборки и входом третьего элемента НЕ, с вторыми входами первого и восьмого элементов И, четвертыми входами третьего и четвертого элементов И и управляющим входом первого блока элементов И одноименного узла упорядочения чисел, выход переполнения счетчика каждого узла подсчета числа выборок, кроме последнего, соединен с вторым входом первого элемента И узла последующего узла подсчета числа выборок и входом второго элемента НЕ, вторым входом седьмого элемента И и четвертым входом шестого элемента И последующего узла упорядочения чисел, выход переполнения счетчика каждого узла подсчета числа выборок, кроме первого, подключен к второму входу четвертого элемента И предыдущего узла подсчета числа выборок и к входу четвертого элемента НЕ, второму входу четвертого элемента И и четвертому входу пятого элемента И предыдущего узла упорядочения чисел, выходы вторых регистров узлов упорядочения чисел соединены с первой группой входов компаратора, выходы третьих регистров узлов упорядочения чисел являются выходами фильтра и соединены с второй группой входов компаратора, выход которого подключен к входу останова блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3