Рекурсивный медианный фильтр

 

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано в устройствах цифровой фильтрации сигнала. Целью изобретения является упрощение при повышении его быстродействия. Указанная цель достигается тем, что рекурсивный медианный фильтр содержит элементы 1.1.1.N задержки входного сигнала, блок 2 поиска максимального и минимального элементов и блок 3 выбора рекурсивной медианы. Вход первого элемента 1.1 задержки входного сигнала является входом фильтра, вход каждого элемента задержки входного сигнала, кроме первого, соединен с выходом предыдущего элемента задержки входного сигнала. Вход первого и выход каждого элемента задержки входного сигнала соединены с соответствующими входами блока 2 поиска максимального и минимального элементов. Выходы максимума и минимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока 3 выбора рекурсивной медианы, выход которой является выходом фильтра. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано в устройствах цифровой фильтрации сигнала.

Известный рекурсивный медианный фильтр содержит N элементов задержки входного сигнала и блок обработки, причем вход первого элемента задержки входного сигнала является входом фильтра, вход i-го элемента задержки входного сигнала соединен с выходом i-I элемента задержки входного сигнала, вход первого и выход каждого элемента задержки входного сигнала соединен с соответствующим входом блока обработки, выход которого является выходом фильтра [1, 2] Недостаток известного рекурсивного медианного фильтра заключается в том, что в нем осуществляются задержки величин выходного сигнала и совместная ранжировка величин входного и выходного сигналов, что существенно усложняет и снижает его быстродействие.

Целью изобретения является упрощение при повышении его быстродействия.

Для этого в рекурсивном медианном фильтре, содержащем N элементов задержки входного сигнала и блок обработки, причем вход первого элемента задержки входного сигнала является входом фильтра, вход i-го элемента задержки входного сигнала соединен с выходом i-го элемента задержки входного сигнала, вход первого и выход каждого элемента задержки входного сигнала соединены с соответствующим входом блока обработки, выход которого является выходом фильтра, блок обработки выполнен в виде последовательно соединенных блока поиска максимального и минимального элементов и блока выбора рекурсивной медианы, причем входы блока поиска максимального и минимального элементов являются соответствующими входами блока обработки, выходы максимума и минимума блока поиска максимального и минимального элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока выбора рекурсивной медианы, выход которого является выходом блока обработки.

Кроме того, блок выбора рекурсивной медианы содержит коммутатор медианы, первый и второй блоки сравнения медианы и регистр хранения результата, причем первый и второй входы блока выбора рекурсивной медианы являются соответственно первым и вторым входами коммутатора медианы, которые соединены соответственно с первыми входами первого и второго блоков сравнения медианы, вторые входы которых и третий вход коммутатора медианы соединены с выходом регистра хранения результата, выходы первого и второго блоков сравнения медианы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора медианы, выход которого соединен с входом регистра хранения результата, выход которого является выходом блока выбора рекурсивной медианы.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого рекурсивного медианного фильтра; на фиг. 2 блок-схема блока поиска максимального и минимального элементов; на фиг. 3 блок-схема блока выбора рекурсивной медианы.

Рекурсивный медианный фильтр содержит элементы 1.1.1.N задержки входного сигнала, блок 2 поиска максимального и минимального элементов и блок 3 выбора рекурсивной медианы. Вход первого элемента 1.1 задержки входного сигнала является входом устройства, вход каждого элемента 1.2.1.N, кроме первого, задержки входного сигнала соединен с выходом предыдущего элемента 1.1.1.N-1 задержки входного сигнала, вход первого и выход каждого элемента 1.1.1.N задержки входного сигнала соединены с соответствующими входами блока 2 поиска максимального и минимального элементов. Одним из возможных способов реализации блока 2 поиска максимального и минимального элементов является следующий: блок 2 поиска максимального и минимального элементов содержит блоки 4.1.0.4.М.1 сравнения и коммутаторы 5.1.0.5.М.О максимума и 6.1.1.6.М.1 минимума, где первый индекс определяет уровень, а второй позицию в уровне, причем первый и второй входы блоков 4.1.0.4.М.1 сравнения соединены соответственно с первым и вторым информационными входами соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 5.1.0.5.М.0 максимума и 6.1.1.6.М.1 минимума, а выход каждого из блоков 4.1.0.4.М.1 сравнения соединен с управляющим входом соответствующего ему по уровню и позиции коммутатора 5.1.0.5.М.1 максимума и 6.1.0. 6. М.1 минимума. Блокам 4.1.0.4.1.К сравнения первого уровня соответствуют коммутаторы как 5.1.0.5.1.2К максимума, так и 6.1.1.6.1.2K+1 минимума, причем каждому блоку сравнения первого уровня и позиции i4.1.i соответствует коммутатор максимума первого уровня в позиции с удвоенным номером 5.1.2i и коммутатор минимума первого уровня в позиции с удвоенным номером, увеличенным на единицу 6.1.2i+1, а блокам сравнения остальных уровней 4.2.0. 4. М. 1 соответствуют коммутаторы или 5.2.0.5.М.0 максимума, или 6.2.1.6.М.1 минимума в зависимости от позиции. Первый и второй входы блоков 4.2.0.4.М.1 сравнения всех уровней, кроме первого, соединены с выходами коммутатора предыдущего уровня: 5.1.0.5.М-1.0 максимума, если номер позиции блока четный, тогда первый вход блока сравнения, находящегося на уровне i в позиции j4. i. j. соединен с выходом коммутатора максимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером 5.i-1.2j, а второй его вход соединен с выходом коммутатора максимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером, увеличенным на два 5.i-1.2j+2, или 6.1.1.6.М-1.1 минимума, если номер позиции блока нечетный, тогда первый вход блока сравнения, находящегося на уровне i в позиции j 4.i.j, соединен с выходом коммутатора минимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером, уменьшенным на единицу 5.i-1.2j-1, а второй его вход соединен с выходом коммутатора максимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером, увеличенным на единицу 5.i-1.2j+1. В случае нечетного числа коммутаторов 5.1.0.5.М.-1,0 максимума или, что эквивалентно, 6.1.1.6.М-1.1 минимума, в уровне непарный коммутатор считается принадлежащим следующему уровню. Первые входы блоков 4.1.0.4.1.К сравнения первого уровня соединены с входами блока 2 поиска максимального и минимального элементов, соответствующими удвоенному номеру позиции, увеличенному на единицу, а их вторые входы соединены с входами блока 2 поиска максимального и минимального элементов, соответствующими удвоенному номеру следующей позиции. Выход коммутатора 5.М. О максимума последнего уровня является выходом максимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов, а выход коммутатора 6.М.1 минимума последнего уровня является выходом минимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов. Выходы максимума и минимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока 3 выбора рекурсивной медианы.

Блок 3 выбора рекурсивной медианы может быть реализован следующим образом.

Первый и второй входы блока 3 выбора рекурсивной медианы являются соответственно первым и вторым входами коммутатора 7 медианы, которые соединены соответственно с первыми входами первого и второго блоков 8.1 и 8.2 сравнения медианы, вторые входы которых и третий вход коммутатора 7 медианы соединены с выходом регистра 9 хранения результата. Выходы первого и второго блоков 8.1. и 8.2 сравнения медианы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора 7 медианы, выход которого соединен с входом регистра 9 хранения результата, выход которого является выходом блока 3 выбора рекурсивной медианы.

Элементы 1.1.1N задержки входного сигнала и регистр 9 хранения результата могут быть реализованы на интегральных микросхемах К155 ИР13, коммутаторы 5.1.0.5.М.О максимума и 6.1.1.6.М.1 минимума и коммутатор 7 медианы могут быть реализованы на интегральных микросхемах К555 КП12, блоки 4.1.0.4. М. 1 сравнения и блоки 8.1 и 8.2 сравнения медианы могут быть реализованы на микросхемах К555 СП1.

Рекурсивный медианный фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал, представленный своей двоичной величиной, поступает на вход первого элемента 1.1 задержки входного сигнала, на вход остальных элементов 1.2.1N задержки входного сигнала поступает сигнал с выхода предыдущего элемента 1.1.1N-1 задержки входного сигнала, чем достигается запаздывание выходного сигнала каждого элемента 1.1.1N задержки входного сигнала по отношению к входному сигналу на число тактов, определяемое индексом. С входа первого 1.1 и выхода каждого 1.1.1.N элемента задержки входного сигнала сигналы поступают на соответствующие входы блока 2 поиска максимального и минимального элементов. Рассмотрим работу элементов внутренней структуры блока 2 поиска максимального и минимального элементов. Сигналы с первого и второго входов блока 4.1.0. 4.М.1 сравнения поступают соответственно на первый и второй информационные входы соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 5.1.0.5.М.0 максимума и 6.1.1.6.М.1 минимума, а сигнал с выхода каждого из блоков 4.1.0.4.М.1 сравнения поступает на управляющий вход соответствующего ему по уровню и позиции коммутатора 5.1.0.5.М.1 максимума и 6.1.0.6.М.1 минимума. Блокам 4.1.0.4.1.К сравнения первого уровня соответствуют коммутаторы как 5.1.0.5.1.2К максимума, так и 6.1.1.6.1.2К+1 минимума, причем каждому блоку сравнения первого уровня в позиции i4.1.i соответствуют коммутатор максимума первого уровня в позиции с удвоенным номером 5.1.2i и коммутатор минимума первого уровня в позиции с удвоенным номером, увеличенным на единицу 6.1.2i+1, а блокам 4.2.0.4.М.1 сравнения остальных уровней соответствуют коммутаторы или 5.2.0.5.М.0 максимума, а или 6.2.1.6.М.1 минимума в зависимости от позиции.

Сигналы на первый и второй входы блоков 4.2.0.4.М.1 сравнения всех уровней, кроме первого, поступают с выходов коммутатора предыдущего уровня: 5.1.0. 5.М-1.0 максимума, если номер позиции блока четный, тогда на первый блок блока сравнения, находящегося на уровне i в позиции j 4.i.j, поступают сигналы с выхода коммутатора максимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером 5.i-1.2j, а на второй его вход поступают сигналы с выхода коммутатора максимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером, увеличенным на два 5.1-1.2j+2, или 6.1.1.6.М-1.1 минимума, если номер позиции блока нечетный, тогда на первый вход блока сравнения, находящегося на уровне i в позиции j4.i.j, поступает сигнал с выхода коммутатора минимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером, уменьшенным на единицу 5.i-1.2j-1, а на второй его вход поступает сигнал с выхода коммутатора максимума предыдущего уровня, находящегося в позиции с удвоенным номером, увеличенным на единицу 5.i-1.2j+1. В случае нечетного числа коммутаторов 5.1.0.5.М-1.0 максимума или, что эквивалентно, 6.1.1.6.М-1.1 минимума в уровне непарный коммутатор считается принадлежащим следующему уровню. На первые входы блоков 4.1.0.4.1.К сравнения первого уровня поступают сигналы с входов блока 2 поиска максимального и минимального элементов, соответствующих удвоенному номеру позиции, увеличенному на единицу, а на их вторые входы поступает сигнал с входов блока 2 поиска максимального и минимального элементов, соответствующих удвоенному номеру следующей позиции. С выхода коммутатора 5.М.О максимума последнего уровня снимается сигнал максимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов, а с выхода коммутатора 6. М минимума последнего уровня снимается сигнал минимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов. Сигналы максимума и минимума блока 2 поиска максимального и минимального элементов поступают соответственно на первый и второй входы блока 3 выбора рекурсивной медианы. Рассмотрим работу блока 3 выбора рекурсивной медианы. Величины максимума и минимума, поступающие соответственно на первый и второй входы блока 3 выбора рекурсивной медианы, поступают соответственно на первый и второй входы коммутатора 7 медианы и на первые входы первого и второго блоков 8.1 и 8.2 сравнения медианы, на вторые входы которых и третий вход коммутатора 7 медианы поступает величина предыдущего значения выходного сигнала из регистра 9 хранения результата. Результаты сравнения с выходов первого и второго блоков 8.1 и 8.2 сравнения медианы поступают на управляющие входы коммутатора 7 медианы, на выходе которого в случае, если величина в регистре 9 хранения результата находится в пределах между минимальной и максимальной величинами, полученной в блоке 2 поиска максимального и минимального элементов, находится величина медианы на прошлом шаге, если она меньше минимума, то величина минимума, а если больше максимума величина максимума. Эта величина из коммутатора 7 медианы поступает в регистр 9 хранения результата для хранения выходной величины блока 3 выбора рекурсивной медианы.

В рекурсивном медианном фильтре снижены аппаратурные затраты на его реализацию, поскольку для реализации блока 2 поиска максимального и минимального элементов требуется приблизительно 1,5N блоков 4.1.0.4.М.1 сравнения, N коммутаторов 5.1.0.5.М.0 максимума и N коммутаторов 6.1.1.6.М.1 минимума, а при реализации блока 3 выбора рекурсивной медианы блоки 8.1 и 8.2 сравнения медианы эквивалентны по структуре блокам 4.1.0.4.М.1 сравнения, а коммутатор 7 медианы по сложности эквивалентен коммутаторам 5.1.0.5.М.0 максимума и 6.1.1.6.М.1 минимума, регистр 9 хранения результата эквивалентен по сложности элементам 1.1.1N задержки входного сигнала. В то время как для реализации прототипа вместо вышеперечисленных элементов требуется N элементов задержки выходного сигнала и реализация блока ранжировки, содержащего приблизительно 2N² блоков сравнения, эквивалентных блока М 4.1.0.4.4.1 сравнения, 2N² коммутаторов максимума, эквивалентных коммутаторам 5.1.0.5.М.0 максимума, и 2N² коммутаторов минимума, эквивалентных коммутаторам 6.1.1.6. М. 1 минимума. Кроме того, отсутствие в рекурсивном медианном фильтре обратной связи через элементы задержки выходного сигнала позволяет существенно повысить быстродействие и подавать входные сигналы с тактовой частотой устройства, в то время как в устройстве, выбранном в качестве прототипа, новый входной сигнал не может появиться на входе, пока на выходе не появится выходной сигнал.

Формула изобретения

1. РЕКУРСИВНЫЙ МЕДИАННЫЙ ФИЛЬТР, содержащий N элементов задержки входного сигнала и блок обработки, причем вход первого элемента задержки входного сигнала является входом фильтра, вход i-го элемента задержки входного сигнала соединен с выходом (i-1)-го элемента задержки входного сигнала, вход первого и выход каждого элементов задержки входного сигнала соединены с соответствующим входом блока обработки, выход которого является выходом фильтра, отличающийся тем, что блок обработки выполнен в виде последовательно соединенных блока поиска максимального и минимального элементов и блока выбора рекурсивной медианы, причем входы блока поиска максимального и минимального элементов являются соответствующими входами блока обработки, выходы максимума и минимума блока поиска максимального и минимального элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока выбора рекурсивной медианы, выход которого является выходом блока обработки.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что блок выбора рекурсивной медианы содержит коммутатор медианы, первый и второй блоки сравнения медианы и регистр хранения результата, причем первый и второй входы блока выбора рекурсивной медианы являются соответственно первым и вторым входами коммутатора медианы, которые соединены соответственно с первыми входами первого и второго блоков сравнения медианы, вторые входы которых и третий вход коммутатора медианы соединены с выходом регистра хранения результата, выходы первого и второго блоков сравнения медианы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора медианы, выход которого соединен с входом регистра хранения результата, выход которого является выходом блока рекурсивной медианы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3