Программируемый цифровой фильтр

 

Использование: в вычислительной технике, в частности в измерительных устройствах систем автоматического регулирования, радио- и гидролокации и космической связи. Цель: высокое быстродействие, а также более широкий спектр функциональных возможностей. Сущность изобретения: программируемый цифровой фильтр содержит регистр 1 хранения текущего значения входного сигнала, блоки 2 и 8 умножения, сумматоры 3, 6 и 11, D-триггер 4, элементы 5 и 9 задержки, мультиплексоры 7 и 10, дешифратор 12, регистр 13 хранения состояния фильтра, преобразователи 14, 15 и 17 параллельных кодов в последовательные и блок 16 вычисления значения коэффициента передаточной функции. 5 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах систем автоматического регулирования, радио- и гидролокации и космической связи.

Известен рекурсивный цифровой фильтр (РЦФ) 2-го порядка, который содержит пять элементов задержки, пять матричных блоков умножения, шесть преобразователей кода и сумматор на пять входов. Вход первого блока умножения соединен с первым блоком задержки. Выход первого, третьего, четвертого и пятого элементов задержки подключены к первым входам соответственно второго, третьего, четвертого и пятого блоков умножения. Вторые входы всех блоков умножения соединены с шинами весовых коэффициентов, выход первого блока умножения соединен через дополнительный элемент задержки с соответствующим входом сумматора. Выход сумматора соединен через преобразователь дополнительного кода в прямой с входами четвертого элемента задержки, выход которого соединен с входами четвертого блока умножения и пятого элемента задержки. Цифровой фильтр имеет высокое быстродействие (1 мкс), благодаря применению матричных блоков умножения и выполнению основных операций в параллельных кодах.

Однако такой цифровой фильтр имеет фиксированные связи, т.е. настроен на передаточную функцию одного вида, причем с большими аппаратурными затратами. Сложность фильтра обусловлена применением пяти матричных блоков умножения, а также тем, что умножение выполняется в прямых кодах, а алгебраическое сложение в дополнительных. Поэтому на выходах блоков умножения введены преобразователи прямого кода в дополнительный, а на выходе сумматора преобразователи дополнительного кода в прямой. Блок управления в указанном фильтре отсутствует, но его функции по организации последовательности выполнения операций распределены между дополнительными элементами задержки, связанными с выходами блоков умножения. С учетом упомянутых элементов задержки входных и выходных сигналов общее количество элементов задержки достигает одиннадцати, причем каждый из них выполнен в виде многоразрядного регистра.

Известен программный РЦФ 2-го порядка, содержащий шесть регистров, два блока умножения, блок синхронизации, четыре сумматора, четыре мультиплексора, два сдвиговых регистра, дешифратор, два блока инвертирования знака, регистр константы и триггер.

Данный программный РЦФ существенно отличается от известного рекурсивного цифрового фильтра новым составом блоков, благодаря чему создана возможность оперативной перестройки частотных характеристик, причем не только путем смещения частот среза, но и путем преобразования формы характеристик. Программный РЦФ реализует систему разностных уравнений цифровых фильтров 2-го порядка, в том числе фильтра нижних частот (ФНЧ), фильтра верхних частот (ФВЧ) и полосового фильтра (ПФ): y_i= (1) где x_i, y_i текущие значения входного и выходного сигналов; x_i-1, x_i-2, y_i-1, y_i-2 предшествующие значения переменных; A и B весовые коэффициенты; С константа масштабирования.

Возможность оперативной трансформации передаточной функции и сброса содержимого регистров хранения и элементов задержки расширяет класс решаемых задач, например, в адаптивных системах автоматического регулирования.

Однако наличие выходного регистра фиксации результата уменьшает быстродействие фильтра. Кроме этого, масштабирующий множитель в программном РЦФ выбран фиксированным, что затрудняет его работу при скачкообразном изменении соотношения сигнал/шум на входе фильтра.

Наиболее близким к изобретению является программируемый рекурсивный цифровой фильтр 2-го порядка, включающий четыре регистра, два мультиплексора, регистр константы, дешифратор, три блока умножения, два блока инвертирования знака, три сдвиговых регистра, блок синхронизации, три сумматора, блок суммирования, состоящий из комбинированного сумматора и триггера округления результатов вычисления.

По сравнению с программным РЦФ цифровой фильтр (прототип) обладает более высоким быстродействием, так как отсутствует необходимость в выходном регистре фиксации результата, что сокращает цикл вычисления на 0,5 такта. Кроме того, введение третьего блока умножения позволяет устранить другой существенный недостаток программного фильтра, в котором масштабирующий множитель выбирается фиксированным.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, т. е. возможность реализации на базе одного устройства рекурсивных цифровых фильтров четырех видов с регулируемыми параметрами: фильтра нижних частот, фильтра верхних частот, полосовых и режекторных фильтров, а также обеспечение независимой регулировки основных параметров четырех видов фильтров, т.е. частоты среза f_c (для цифровых ФНЧ и ФВЧ), полосы пропускания Δf и центральной частоты f_o для полосовых РЦФ, полосы режекции Δf и частоты резонанса f_o^I для режекторных фильтров. При этом предлагаемый фильтр по быстродействию не должен уступать фильтру-прототипу.

Для этого в программируемый цифровой фильтр, содержащий три регистра, два мультиплексора, регистр константы, дешифратор, три блока умножения, два блока инвертирования знака, три сдвиговых регистра, блок синхронизации, четыре сумматора и D-триггер, дополнительно введены третий мультиплексор, четвертый множитель, четвертый сдвиговый регистр и блок вычисления коэффициента передаточной функции, причем выход первого сумматора является выходом фильтра, первый числовой вход первого сумматора соединен одновременно с входом множимого первого блока умножения и выходом первого мультиплексора, прямой и инверсный выходы первого регистра подключены к первому и второму числовым входам второго сумматора, выход которого соединен одновременно с вторым числовым входом первого сумматора и входом множимого второго блока умножения. Выход второго блока умножения соединен с входом первого блока инвертирования знака, выходом соединенного с первым числовым входом третьего сумматора, второй числовой вход которого подключен к выходу второго блока инвертирования знака, входом подсоединенного к выходу первого блока умножения. Входы множителя первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого и второго сдвиговых регистров, информационный вход первого сдвигового регистра соединен с первым выходом регистра задания константы фильтра, входом запуска последнего является вход запуска блока синхронизации, первый вход которого соединен с тактовым входом второго регистра, информационный вход которого является входом фильтра, входом первого и второго регистров и D-триггера. Выход D-триггера подключен к входу переноса четвертого сумматора, выход которого соединен с информационным входом третьего регистра и первым информационным входом третьего регистра и первым информационным входом первого мультиплексора. Выход первого разряда четвертого сумматора соединен с D-входом триггера. Первый и второй числовые входы четвертого сумматора соединены соответственно с выходом третьего сумматора и третьего блока умножения, вход множимого которого подключен к выходу второго регистра, выход множителя третьего блока умножения соединен с выходом третьего регистра сдвига, вход которого соединен с вторым выходом регистра константы, управляющие входы первого, второго и третьего блоков умножения соединены с вторым выходом блока синхронизации, третий выход которого подключен к тактовым входам первого, второго и третьего регистров сдвига. Третий выход регистра константы соединен с входом дешифратора, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с выходами переноса первого и второго сумматора, управляющими входами первого и второго мультиплексора соответственно, установочный вход регистра константы соединен с установочными входами первого и третьего регистров и является установочным входом фильтра, четвертый и пятый выходы регистра константы соединены с установочными входами первого и третьего регистров и является установочным входом фильтра. Четвертый и пятый выходы регистра константы подключены к управляющим входам соответственно первого и второго блоков инвертирования знака, первый и второй информационные входы третьего мультиплексора соединены соответственно с прямым и инверсным входами третьего регистра, выход третьего мультиплексора подключен к входу множимого четвертого блока умножения, вход множителя четвертого умножителя соединен с выходом четвертого регистра сдвига. Выход четвертого блока умножения подключен соответственно к второму числовому входу первого мультиплексора и информационному входу первого регистра. Шестой выход регистра константы подключен к входу четвертого регистра сдвига, седьмой выход регистра константы подключен к входу блока вычисления коэффициента передаточной функции, выход которого подключен к входу второго регистра сдвига, причем управляющие входы второго мультиплексора соединены с вторым выходом дешифратора, тактовые входы четвертого регистра сдвига и управляющие входы четвертого блока умножения соединены с вторым выходом блока синхронизации фильтра.

По сравнению с известными цифровыми фильтрами предложенный фильтр реализует систему разностных уравнений цифровых фильтров второго порядка четырех видов, в том числе полосовых фильтров нижних частот, фильтров верхних частот и режекторных цифровых фильтров с независимой регулировкой параметров _{для ПФ} (2) _{для ФНЧ} (3) _ФВЧ (4) _{РЖ ЦФ} (5) где x_i, y_i текущее значение входного и выходного сигналов; α β A, B весовые коэффициенты передаточной функции;
v_i, v_i-1, v_i-2 текущие значения переменных;
С константа масштабирования.

Входящие в (2) (5) коэффициенты передаточной функции связаны с параметрами характеристики ослабления следующими соотношениями:
(6)
(7) где Δ f_ε f₂ f₁ > 0 f₁ f₂ требуемые частоты среза ЦФ по уровню (1+ от H(z).

При этом ε точность аппроксимации; H(z)- модуль максимального значения передаточной функции H(z); f_∂ частота дискретизации;
f_o= arccoscoscos частота резонанса полосовых РЦФ или режекции (для режекторных РЦФ). Нужно заметить, что для цифровых ФНЧ и ФВЧ основным регулирующим параметром является частота среза f_c, при этом расчетные соотношения (6) и (7), очевидно, теряют смысл, и для вычисления значений коэффициентов передаточной функции и оценки диапазона масштабной перестройки следует применять другие известные соотношения.

Возможность реализации одной из трех систем уравнений (2) (5) обеспечивается с помощью дешифратора кода передаточной функции фильтра, мультиплексора, первого, второго, третьего и четвертого сумматоров. Использование преобразователей параллельного кода в последовательный и четырех блоков умножения создает возможность независимого изменения значений коэффициентов передаточной функции у масштабирующего множителя. Инверторы знака, четвертые сумматор и умножитель позволяют перестраивать рекурсивную часть систем уравнений (2) (5). Нужно отметить, что в фильтре-прототипе для обеспечения соответствующих характеристик ослабления, неравномерности в полосе пропускания амплитудно-частотной характеристики, частоты среза необходимо одновременно изменять значения трех коэффициентов A, B и С, изменение значения одного из них (в особенности коэффициентов A и B) приводит к значительному изменению характеристик фильтра, а в отдельных случаях и устойчивости фильтра. Предлагаемый фильтр позволяет за счет введения новых блоков и организации новых связей между ними обеспечить независимую регулировку параметров фильтрации с помощью изменения коэффициентов разностных уравнений (2) (5)
На фиг. 1 представлена функциональная схема программируемого цифрового фильтра; на фиг. 2 функциональная схема блока умножения; на фиг. 3 функциональная схема блока управления; на фиг. 4 функциональная схема блока вычисления коэффициентов передаточной функции; на фиг. 5 временная диаграмма работы фильтра.

Программируемый цифровой фильтр (фиг. 1) содержит регистр 1 хранения текущего значения входного сигнала, выход которого соединен с числовым входом блока 2 умножения, выход которого соединен с первым числовым входом комбинационного сумматора 3. Выход первого разряда сумматора 3 подключен к информационному входу D-триггера 4, соединенного выходом с входом переноса этого же сумматора. Выходы остальных разрядов сумматора 3 соединены с числовым входом элемента 5 задержки и первым числовым входом сумматора 6. Прямой и инверсный выходы элемента 5 задержки подключены через мультиплексор 7 к входу множимого множительного устройства 8, выход которого подключен одновременно к второму числовому входу комбинационного сумматора 6 и к входу элемента 9 задержки, прямой и инверсный выходы которого соединены с числовыми входами мультиплексора 10. Выходы сумматора 6 и мультиплексора 10 соединены соответственно с первым и вторыми входами комбинационного сумматора 11. Выход сумматора 11 является выходом фильтра. Регистр 1, элементы 5 и 9 задержки, множительное устройство 8, мультиплексоры 7 и 10 содержат N двоичных разрядов (например N=8). В разрядной сетке сумматоров 6 и 11 N+2 разряда, а сумматор 3 имеет N+1 разряд. Входы управления мультиплексоров 7 и 10 и входы переноса сумматоров 6 и 11 соединены с выходами дешифратора 12, подключенного к первому выходу регистра 13 хранения вектора состояния фильтра. Второй и третий выходы регистра 13 хранения состояния фильтра соединены с числовыми входами соответственно преобразователей 14 и 15 параллельных кодов коэффициентов в последовательные коды множителей. Четвертый выход регистра 13 хранения состояния фильтра подключен к входу блока 16 вычисления значения коэффициента передаточной функции, выход которого соединен с числовым входом преобразователя 17 параллельного кода множителя в последовательный. Пятый выход регистра 13 хранения состояния фильтра соединен с числовым входом преобразователя 18 параллельного кода коэффициента в последовательный код множителя. Выходы сумматора 6 и мультиплексора 10 подсоединены к числовым входам множимого блоков 19 и 20 умножения соответственно. Выходы блоков 19 и 20 умножения соединены через инверторы 21 и 22 знака с входами комбинационного сумматора 23, выход которого соединен с вторым числовым входом сумматора 3. Входы управления инверторов 21 и 22 знака соединены с выходами знаковых разрядов регистра 13, входы множителей блоков 2, 8, 19 и 20 умножения соединены с выходами преобразователей 14, 15, 17 и 18 кода соответственно. Входы управления регистра 1, элементов 5 и 9 задержки, преобразователей 14, 15, 17 и 18 кода, блоков 2, 8, 19 и 20 умножения и тактовый вход D-триггера 4 соединены с соответствующими выходами блока 24 синхронизации, вход которого является входом пуска цифрового фильтра.

Каждый из блоков 2, 8, 19 и 20 умножения (фиг. 2) содержит N-разрядный комбинационный сумматор 25, мультиплексор 26, регистр-аккумулятор 27 и D-триггер 28. Выход мультиплексора 26 соединен с первым числовым входом сумматора 25, выход которого соединен с числовым входом регистра-аккумулятора 27, первый разряд выходного слова которого подключен к D-входу триггера 28, выходом соединенного с входом переноса сумматора 25. Остальные разряды регистра 27 соединены с разрядами 1 N+1 второго числового входа сумматора 25 с расширением (N-1) разряда на N-ый разряд. Первый числовой вход мультиплексора 26 подключен к выходу регистра 1 хранения, выходу мультиплексора 7, сумматора 6 или мультиплексора 10, а разряды второго числового входа соединены с шиной логического нуля. Вход управления мультиплексора 26 является входом множителя в прямом последовательном коде и соединен с выходом преобразователя 14, 15, 17 или 18 соответственно. Входы записи и сброса регистра 27 подключены к соответствующим входам блока 24 синхронизации. Выходы разрядов 2 N и знаковый разряд мультиплексора образуют N-разрядный выход произведения в дополнительном коде.

Блок 24 синхронизации (фиг. 1 и 3) содержит двухразрядный счетчик 29, четырехразрядный счетчик 30, триггеры 31 и 32, тактовый генератор 33 и дешифраторы 34 и 35. Тактовые входы счетчиков 29 и 30 соединены с выходом генератора 33, а входы управления с выходами триггеров 31 и 32. Вход S триггера 31 является входом импульса "Пуск" фильтра. Выход переполнения счетчика 29 соединен с входами сброса триггера 31 и счетчика 29. Выходы счетчика 29 соединены с входом дешифратора 35, входы которого, кроме того, соединены с парафазными выходами генератора 33, а также с выходом дешифратора 34, входом подключенного к выходу счетчика 30. Отдельный выход дешифратора 34 соединен с входом сброса счетчика 30 и триггера 32. Преобразователи 14, 15, 17 и 18 кода рекомендуется выполнить в виде регистра сдвига с параллельной записью весового коэффициента.

Блок 16 вычисления значения коэффициента передаточной функции (фиг. 4) позволяет устанавливать значение полюса передаточной функции вида A^I α ( A 1 ) α ˙ A α Схема содержит блок 36 элементов Исключающее ИЛИ, блок 37 элементов И логического умножения, схему 38 вычисления знака вычислений "Исключающее ИЛИ", блок 39 элементов Исключающее ИЛИ, комбинационный сумматор 40. Следует заметить, что коэффициенты α и A содержат N разрядов (в нашем случае N=10), разрядность комбинационного сумматора равна N+1 разряд.

Предпочтительной элементной базой для реализации предлагаемого фильтра является полузаказная БИС на базовых матричных кристаллах, выполненная по К-МОП технологии. Поэтому макет-прототип был выполнен на элементах серии 1564 средней степени интеграции. Серия содержит функциональные блоки, используемые в предлагаемом фильтре, в том числе регистры хранения и сдвига, мультиплексоры и комбинационные сумматоры.

Предлагаемый фильтр работает следующим образом.

Для настройки фильтра на выбранную передаточную функцию в регистр 13 (фиг. 1) импульсом "Начальная установка" вводится вектор состояния V(F, A, B, α βC), где F двухразрядный код передаточной функции. Там же импульсом стирается содержимое элементов 5 и 9 задержки. Содержимое регистра 13 сохраняется на время работы с заданной передаточной функцией фильтра. Результатом начальной установки является выбор одного из трех уравнений (2) (5), которые можно записать следующим образом
где ρ γ переменные на выходе дешифратора 12, зависящие кода F, который принимает значения 00 для ФНЧ, 01 для ФВЧ, 10 для ПФ, 11 для режекторного цифрового фильтра.

Дешифратор 12 обеспечивает формирование функций ρ (F) и γ (F)
ρ γ
Константа масштабирования С не зависит от кода F и определяется расчетным путем в зависимости от вида сигнала на входе и величины модуля передаточной функции фильтра.

При настройке на фильтр нижних частот между блоками устройства устанавливаются следующие связи:
мультиплексор 7 подключает прямой выход элемента 5 задержки к второму входу множимого умножителя 8, выход которого соединен с вторым входом сумматора 6 (множитель β при этом равен 1);
мультиплексор 10 соединяет прямой выход регистра 9 задержки с вторым входом сумматора 11,
на входы переноса сумматоров 6 и 11 из дешифратора 12 подается потенциал логического нуля.

При настройке на ФВЧ:
мультиплексор 7 соединяет инверсный выход элемента 5 задержки с входом множимого умножителя 8, выход которого подключен к входу сумматора 6 (коэффициент β при этом равен 1);
мультиплексор 10 соединяет прямой выход элемент 9 задержки с входом сумматора 11;
на вход переноса сумматора 6 из дешифратора 12 поступает потенциал логической единицы, а на вход переноса сумматора 11 потенциал логического нуля.

При выборе ПФ:
мультиплексор 7 запирается и выдает нули по всем разрядам на вход множимого блока 8 умножения;
мультиплексор 10 соединяет инверсный вход элемента 9 задержка с вторым входом сумматора 11;
на вход переноса сумматора 6 из дешифратора 12 поступает потенциал логического нуля, на вход переноса сумматора 11 поступает потенциал логической единицы.

При настройке на режекторный фильтр:
мультиплексор 7 соединяет прямой выход элемента 9 задержки с входом множимого умножителя 8, выход которого подсоединен к второму входу сумматора 6;
мультиплексор 10 соединяет прямой выход регистра (элемента) 9 задержки с вторым входом сумматора 11;
на входы переноса сумматоров 6 и 11 из дешифратора 12 подается потенциал логического нуля.

В любом из рассмотренных вариантов настройка ЦФ завершается не более чем через 0,1-0,15 мкс после записи вектора состояния в регистр 13.

Текущее значение переменной y_i на выходе фильтра вычисляется циклически с частотой выборки входной переменной x_i. Эта частота зависит от быстродействия внешнего источника информации. Последний по мере готовности нового значения x_i на входе регистра 1 посылает импульс "Пуск" на вход блока 24 управления (фиг. 5а) и с этого момента начинается цикл работы фильтра. В блоке 24 управления (фиг. 1 и 3) в триггер 31 переходит в состояние "1" (фиг. 5б) и остается в нем в течение двух тактов генератора 33 (фиг. 5в). Импульс "Пуск" используется и как команда пересылки числа из элемента 5 задержки в элемент 9 задержки через мультиплексор 7 и множительное устройство 8.

В результате в элемент 9 задержки записывается значение γ ˙ v_i-2. Дешифратор 35 по первому тактовому импульсу формирует импульс передачи содержимого регистра 1 в элемент 5 задержки (фиг. 5г), благодаря чему запоминаются новые значения ρ ˙ v_i-1 В первой половине второго такта дешифратор 35 формирует импульс записи очередного значения в регистр 1 (фиг. 5е). Эти же импульсом производится сброс регистров-аккумуляторов 27 в блоках 2, 8, 19 и 20 умножения, а также запись модулей весовых коэффициентов A, B, C, β в преобразователи 14, 15, 17 и 18.

Нужно заметить, что значение коэффициента A^I α ( A 1 ) α ˙ A α вычисляется предварительно в блоке 16 вычисления значения коэффициента передаточной функции. Если коэффициент α и произведение α ˙ A имеют положительное либо отрицательное значение, то вектор α и значение вектора произведения α ˙ A проходят на вход комбинационного сумматора 40 без изменения, при этом на управляющие входы 1 и 2 схемы (фиг. 4) подается потенциал логического нуля. Напротив, если коэффициент α и произведение α ˙ A имеют различные знаки, то вычисление выражения A^I α ˙ A α производится в дополнительном коде, при этом на управляющий вход 1 либо 2, т.е. слагаемого, имеющего отрицательное значение ( α ˙ A или α ), подается потенциал логической "1", а слагаемого, имеющего положительное значение, логический нуль. Нужно учитывать, что для устранения переполнений расчетные значения коэффициентов α и А необходимо уменьшить вдвое.

Во втором такте дешифратор 35 переводит триггер 32 в состояние "1" (фиг. 5ж), а триггер 31 возвращается в нулевое состояние импульсом переполнения счетчика 29.

Триггер 32 разрешает работу счетчика 30, с помощью которого формируется серия управляющих импульсов для преобразователей 14, 15, 17 и 18 и блоков 2, 8, 19 и 20 умножения. Серия заканчивается в начале N+2 такта работы счетчика 30, когда дешифратор 34 фиксирует такт с указанным номером и возвращает триггер 32 в нулевое состояние (фиг. 5ж, з). В рассматриваемом примере блок синхронизации 24 выполнен для десятиразрядных коэффициентов A, B, C, β. Поэтому серия управляющих импульсов включает в себя девять импульсов сдвига для преобразователей 14, 15, 17 и 18 (фиг. 5и), из которых модули коэффициентов A, B, C, β выходят младшими разрядами вперед (фиг. 5к), девять импульсов записи чисел из сумматоров 25 в регистры-аккумуляторы 27 (фиг. 5л), восемь импульсов записи содержимого первого разряда регистра-аккумулятора 27 в триггер 28 (фиг. 5м), импульс округления результата в сумматоре 3 (фиг. 5н).

Так как сумматоры 3, 6, 11 и 23 комбинационного типа, то сразу после выполнения масштабирования входной переменной с помощью блока 2 умножения на входе сумматора 3 появляется число x_i=v_i, на выходе сумматора 6 v_i+ β ˙ v_i-1, на выходе сумматора 11 число y_i v_i + β ˙ v_i-1 + γ ˙ v_i-2 В соответствии с выбранной передаточной функцией на выходе сумматора 11 получится значение выходного сигнала y_i.

Операции умножения на коэффициенты A, B, C и β выполняются синхронно четырьмя блоками умножения следующим образом. Двоичная цифра последовательного кода множителя A, B, C и β управляет состоянием мультиплексора 26 в блоках 2, 8, 19 и 20 умножения. Если цифра множителя a_j=0 (b_j=0), где j=0, 1, 2, 8, то на выходе регистра-аккумулятора 27 будет число "0", а если a_j=1 (b_j=1), то число v_i-1 (в блоках 8 и 19), v_i-2 (в блоке 20) или x_i (в блоке 2). На выходе сумматора 25 в блоке 19 умножения в j-ом такте образуется сумма
Z_ij v_i-2 ˙ A_j + 0,5 ˙ Z _i,j-1 + q_i-1 где Z_i,j-1 число в регистре-аккумуляторе 27 к началу j-го такта;
q_i-1 цифра в триггере 28 к началу j-ого такта.

Умножение на коэффициент 0,5 в указанных уравнениях обеспечивается за счет косых связей между выходом регистра-аккумулятора 27 и вторым входом сумматора 25, т. е. за счет смещения содержимого регистра 27 на один разряд вправо. При таком сдвиге отбрасываемая цифра первого разряда запоминается в триггере 28 и учитывается в следующем такте как цифра переноса в сумматоре 25. В середине каждого такта умножения число выхода сумматора 25 записывается в регистр-аккумулятор 27. К концу девятого такта умножения в блоке 19 умножения формируется число / A^I / ˙ v_i-1, в блоке 20 умножения B ˙ v_i-2, в блоке 8 умножения β ˙ v_i-1 а в блоке 2 умножения C ˙ x_i Если коэффициенты A и β принимают отрицательное значение, то произведение инвертируется по всем разрядам, а к содержимому младшего разряда прибавляется единица. В результате число остается в дополнительном коде, но его знак меняется на противоположный. Если знак коэффициентов положительный, то произведение передается через инвертор 21 и 22 знака без изменения. В случае работы блока 2 умножения блок инвертирования отсутствует, так как коэффициент С всегда положительный. Из условия устойчивости рекурсивного цифрового фильтра 2-го порядка модуль коэффициента A выбирается в пределах от 0 до 2, коэффициент B от 0 до 1. Так как число A может быть больше единицы, то все множители приходится уменьшать вдвое. Поэтому сумма произведений передается с выхода регистра-аккумулятора 27 на инверторы 21 и 22 знака со сдвигом на один разряд. Кроме того, при передаче результата из блока 2 умножения и из сумматора 23 соответственно на первый и второй вход сумматора 3 производится сдвиг слагаемых на один разряд влево, т.е. тем самым восстанавливают истинные значения произведений на выходе блоков умножения. При передаче результата с блока 8 умножения сдвиг результата не производится, однако рассчитанное значение коэффициента β уменьшается при подготовке работы устройства в два раза. Во второй половине последнего такта работы блока 24 синхронизации число на выходе сумматора 3 округляется путем записи содержимого первого разряда этого сумматора в D-триггер 4 (фиг. 4н) с последующим добавлением этой цифры к содержимому младшего разряда по входу переноса. После округления число с выходов 2 N+1 подается на вход сумматора 6, выход которого соединен с входом комбинационного сумматора 11, т.е. после сложений получаем результирующее значение y_i выходного сигнала фильтра. При этом управляющий импульс возвращает триггер 32 блока управления в нулевое состояние и тем самым переводит цифровой фильтр в ждущий режим. Результирующее значение y_i на выходе сумматора 11 получается в дополнительном коде.

Цикл работы фильтра от момента прихода импульса "ПУСК" до получения результирующего значения y_i на выходе сумматора 11 включает в себя 1,5 такта формирования нерекурсивной части системы уравнений (2) (5), М-тактов умножения, 0,5 такта округления результата. Следовательно, длительность цикла составляет
t_ц ( 2 + М ) ˙ Т (8) где Т период повторения импульсов тактового генератора 33;
М количество разрядов модуля множителя.

В макете цифрового фильтра, выполненного согласно изобретению на микросхемах серии 1564 (при М=9) и тактовой частоте 5 МГц (Т=0,2 мкс) на выполнение очередного значения y_i затрачивается время t_ц ( 2 + 9 ) ˙ 0,2 ≈ 2,2 мкс.

С переходном на элементную основу в виде БИС на базовых матричных кристаллах Н1537ХМ1 тактовая частота работы устройства равна 10 МГц, что позволяет сократить время цикла фильтрации до 1,1 мкс.

По сравнению с прототипом предложенный фильтр обладает более широкими функциональными возможностями, так как реализует фильтры с передаточными функциями четырех видов (в прототипе реализуются устройствах 3-х типов); обеспечивает независимую регулировку характеристик фильтрации (устройство-прототип взаимонезависимую), а также не уступает прототипу в быстродействии.

Формула изобретения

ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР, содержащий регистр, два элемента задержки, первый мультиплексор, регистр константы, дешифратор, три блока умножения, два блока инвертирования знака, три преобразователя параллельного кода числа в последовательный код, блок синхронизации, четыре сумматора, D-триггер, причем выходом фильтра является выход первого сумматора, первый числовой вход которого соединен одновременно с входом множимого первого блока умножения и выходом первого мультиплексора, первый и второй числовые входы которого подключены к прямому и инверсному выходам первого элемента задержки, причем выход второго сумматора соединен одновременно с вторым числовым входом первого сумматора и входом множимого второго блока умножения, выходом соединенного с входом первого блока инвертирования знака, выход которого подключен к первому числовому входу третьего сумматора, второй числовой вход которого подключен к выходу второго блока инвертирования знака, входом соединенного с выходом первого блока умножения, входы множителя первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого и второго преобразователей параллельного кода числа в последовательный код, причем информационный вход первого преобразователя параллельного кода числа в последовательный код соединен с первым выходом регистра константы, входом запуска фильтра является вход запуска блока синхронизации, первый выход которого соединен с тактовым входом регистра, информационный вход которого является входом фильтра, тактовыми входами первого и второго элементов задержки и D-триггера, выходом соединенного с входом переноса четвертого сумматора, выход которого соединен одновременно с информационным входом второго элемента задержки и первым информационным входом второго сумматора, причем выход первого разряда четвертого сумматора соединен с информационным входом D-триггера, первый и второй числовые входы четвертого сумматора соединены соответственно с выходами третьего сумматора и третьего блока умножения, вход множимого которого подключен к выходу регистра, причем вход множителя третьего блока умножения соединен с выходом третьего преобразователя параллельного кода числа в последовательный код, вход которого соединен с вторым выходом регистра константы, причем управляющие входы первого, второго и третьего блоков умножения соединены с вторым выходом блока синхронизации, третий выход которого подсоединен к тактовым входам первого, второго и третьего преобразователей параллельного кода числа в последовательный код, причем третий и четвертый выходы регистра константы соединены соответственно с первым и вторым входами дешифратора, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входами переноса первого и второго сумматоров и управляющими входами первого мультиплексора, установочный вход регистра константы соединен с установочными входами первого и второго элементов задержки и является установочным входом фильтра, пятый и шестой выходы регистра константы подключены к управляющим входам первого и второго блоков инвертирования знака, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй мультиплексор, четвертый блок умножения, четвертый преобразователь параллельного кода числа в последовательный код и блок вычисления коэффициента передаточной функции, причем первый и второй информационные входы второго мультиплексора соединены соответственно с прямым и инверсным выходами второго элемента задержки, выход второго мультиплексора соединен с входом множимого четвертого блока умножения, вход множителя которого соединен с выходом четвертого преобразователя параллельного кода числа в последовательный код, информационный выход четвертого блока умножения соединен соответственно с вторым информационным входом второго сумматора и информационным входом первого элемента задержки, седьмой выход регистра константы соединен с входом четвертого преобразователя параллельного кода числа в последовательный код, восьмой выход регистра константы соединен с входом блока вычисления коэффициента передаточной функции, выход которого подключен к входу второго преобразователя параллельного кода числа в последовательный код, управляющие входы второго мультиплексора соединены с вторым выходом дешифратора, тактовые входы четвертого преобразователя параллельного кода числа в последовательный код и управляющие входы четвертого блока умножения соединены с вторым выходом блока синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5