Способ цифровой фильтрации сигналов и цифровой фильтр для реализации этого способа

 

Изобретение относится к области электронной вычислительной техники, в частности к технике цифровой фильтрации, и может быть использовано при разработке цифровых фильтров высокой точности. Способ цифровой фильтрации позволяет выделить полезный сигнал в условиях действия помех и может быть реализован в цифровом фильтре, содержащем аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, цифровой компаратор, элементы И. Цифровой фильтр имеет простую структуру и высокую степень фильтрации. Цифровой фильтр может быть реализован на простых стандартных элементах, вследствие чего имеет высокую надежность. Технический эффект, достигаемый при его реализации, состоит в повышении точности фильтрации и сокращении времени запаздывания выходного сигнала по отношению к входному сигналу. 2 c.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электронной вычислительной техники, в частности к технике цифровой фильтрации, и может быть использовано при разработке цифровых фильтров.

Известен способ цифровой фильтрации сигналов [1], основанный на последовательном преобразовании (сложении) входных двоичных кодов и формировании выходного двоичного кода в виде среднего арифметического значения.

Недостаток этого способа состоит в низкой точности фильтрации и большом запаздывании выходного сигнала по отношению к входному.

Известен цифровой фильтр [1] , содержащий комбинационное устройство, включающее в себя параллельный сумматор и множительное устройство, осуществляющие, например, формирование выходного цифрового сигнала в виде среднего арифметического значения нескольких измерений входного сигнала.

Недостаток этого фильтра состоит в низкой точности фильтрации и большом запаздывании выходного сигнала по отношению ко входному.

Наиболее близким способом цифровой фильтрации сигналов к предлагаемому является способ [2], включающий преобразование входного сигнала Х в цифровую форму X_i (i= 1, 2, 3...), сравнение преобразованного входного сигнала X_i с выходным цифровым сигналом X_i ^ф путем определения разностного сигнала ΔX_i = X_i-X^ф_i-1 и формирование выходного сигнала X_i ^ф путем преобразования (суммирования, умножения) разностного сигнала.

Недостаток этого способа фильтрации состоит в сложности его реализации, так как этот способ требует проведения операций умножения и сложения многих переменных.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому цифровому фильтру является устройство [2] , включающее аналого-цифровой преобразователь, генератор, блоки сравнения, умножения и суммирования.

Недостаток этого цифрового фильтра состоит в сложности его реализации.

Задача изобретения - упрощение способа фильтрации и цифрового фильтра.

Эта задача достигается тем, что способ цифровой фильтрации сигналов, включающий преобразование входного сигнала Х в цифровую форму Х_i, сравнение преобразованного входного сигнала X_i с выходным цифровым сигналом X_i ^ф путем определения разностного сигнала ΔX_i = X_i-X^ф_i-1, предполагает формирование выходного цифрового сигнала X_i ^ф в виде суммы предыдущего значения X^ф _i-1 и дополнительного сигнала Δ_i, причем дополнительный сигнал Δ_i выбирают равным заданному значению Δ, если ΔX_i≥Δ, значению минус Δ, если ΔX_i≤ -Δ, и нулю, если -Δ<ΔX_i<Δ. В цифровой фильтр, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход запуска которого соединен с выходом генератора, дополнительно введены цифровой компаратор, реверсивный счетчик, первый и второй элементы И, выходы которых соединены соответственно со входом суммирования и входом вычитания реверсивного счетчика, первые входы первого и второго элементов И подключены к выходу готовности аналого-цифрового преобразователя, выходная шина которого соединена с первой входной шиной А цифрового компаратора, входная шина В которого соединена с выходной шиной цифрового фильтра и выходной шиной реверсивного счетчика, выход А>В цифрового компаратора соединен со вторым входом первого элемента И, выход А<В цифрового компаратора соединен со вторым входом второго элемента И.

На фиг.1 представлена блок-схема цифрового фильтра, реализующего предлагаемый способ фильтрации сигналов.

На этой схеме 1 - шина входного сигнала X, 2 - аналого-цифровой преобразователь, 3 - генератор, 4 - цифровой компаратор, 5 - реверсивный счетчик, 6 - первый элемент И, 7 - второй элемент И, 8 - выходная шина цифрового фильтра.

В цифровом фильтре шина 1 входного сигнала Х соединена со входом аналого-цифрового преобразователя 2, вход запуска которого соединен с выходом генератора 3, выходная кодовая шина аналого-цифрового преобразователя 2 подключена к первой входной шине А цифрового компаратора 4, вторая входная шина В которого соединена с выходной кодовой шиной 8 цифрового фильтра и выходной шиной реверсивного счетчика 5. Суммирующий вход реверсивного счетчика 5 соединен с выходом первого элемента И 6, а вычитающий вход реверсивного счетчика 5 соединен с выходом второго элемента И 7, первый вход которого соединен с выходом готовности аналого-цифрового преобразователя 2 и первым входом первого элемента И 6, второй вход которого соединен с выходом А>В цифрового компаратора 4, выход А<В которого подключен ко второму входу второго элемента И 7.

Цифровой фильтр работает следующим образом.

Пусть на входную шину 1 поступает сигнал Х в виде (1) X = a t, a = 0,05 с^-1 (1) Предположим, что период Т генератора 3 равен 0,01 с. (определяет частоту преобразования сигнала Х в цифровой код _i). В моменты времени t_i=iT (i= 1,2,3. . . ) аналого-цифровой преобразователь 2 осуществляет преобразование сигнала Х в цифровой код X_i. Пусть аналого-цифровой преобразователь 2 имеет n разрядов (n=10) и его максимальный сигнал (все единицы во всех разрядах, кроме знакового) соответствует максимальному значению Х (например, 1,0). Тогда цена младшего разряда Δ (заданное значение) равна 10^-3 (Δ = 10^-3). Значения сигналов X, X_i и X_i ^ф в моменты времени iT приведены в табл.1 (значения даны в величинах Δ).

В графах X_i и X_i ^ф даны значения сигналов в моменты времени iT, при этом числа определяют количество заданных значений Δ (код цифрового значения сигнала).

Считаем, что в момент времени t=0 выходной код X_i ^ф реверсивного счетчика 5 соответствует нулевому значению. При i=1 значение X_i=0, так как Х<Δ. Выходной сигнал X_i ^ф остается неизменным и равным нулевому значению. При i=2 значение сигнала Х_i=Δ (0,001), а значение X_i ^ф в начале этого интервала равно нулю. В момент формирования аналого-цифровым преобразователем 2 сигнала готовности G= 1 на выходе цифрового компаратора 4 формируется сигнал А>В, так как на первой входной шине А цифрового компаратора 4 присутствует сигнал X_i= Δ (А=Δ), а на второй входной шине В присутствует сигнал •X_i ^ф = 0 (В=0). Поскольку X_i > X_i ^ф (А>В), то выходной сигнал цифрового компаратора А>В имеет высокий уровень и на выходе первого элемента И 6 появляется также высокий уровень, который поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 5, изменяя его код на плюс единицу, а его выходной сигнал X^ф_i = 1•Δ. Аналогично работает схема на фиг.1 и при других значениях i=3, 4, 5.... В случае выполнения условия X_i <X ^ф при некоторых значениях i на выходе цифрового компаратора 4 формируется сигнал А<В высокого уровня и при наличии сигнала готовности G=1 (высокий уровень) аналого-цифрового преобразователя 2 выходной сигнал второго элемента И 7 также будет иметь высокий уровень. Этот сигнал поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 5 и изменяет его выходной код на минус единицу. Результат цифровой фильтрации приведен в графе X_i ^ф табл.1. По сравнению со значениями входного сигнала Х выходные значения X_i ^ф цифрового фильтра отличаются на заданную малую величину Δ. Таким образом, в рассматриваемом цифровом фильтре производится сравнение входного сигнала X_i и сигнала X_i ^ф путем определения разностного сигнала ΔX_i = X_i-X^ф_i-1, формирование дополнительного сигнала Δ_i = Δ, если ΔX_i≥Δ, Δ_i = -Δ, если ΔX_i≤ -Δ, и Δ_i = 0, если -Δ<ΔX_i<Δ, и его сложение с предыдущим значением выходного сигнала X^ф _i-1 цифрового фильтра.

Оценим работоспособность цифрового фильтра в условиях действия помех. Будем считать, что в некоторые моменты времени iT на входе аналого-цифрового преобразователя 2, кроме полезного сигнала Х, присутствует сигнал помехи, искажающий цифровой код X_i. Результаты отобразим в табл.2.

Как видно из табл.2, заведомо ложные (выделены) значения X_i при i=3, 5, 6, 8, 9, 12, 13, 15 не приводят к существенному изменению выходных значений X_i ^ф (табл. 2) по отношению к истинным значениям полезного сигнала X_i (табл. 1). Эти изменения не превышают малой заданной величины Δ для любого момента времени iT несмотря на то, что 8 измерений из 16 заведомо ложны, что свидетельствует о высокой степени фильтрации рассматриваемого цифрового фильтра.

По сравнению с прототипом [2] предлагаемый способ фильтрации и цифровой фильтр, реализующий этот способ, значительно проще известных решений, так как предлагаемый способ не требует операций многократного умножения и суммирования многих переменных, а цифровой фильтр не требует соответственно блоков умножения и суммирования.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации цифрового фильтра можно использовать аналого-цифровой преобразователь типа К1108 ПВ1, цифровой компаратор типа 564 ИП2, реверсивный счетчик и элементы И серии 564.

Литература 1. Л.М. Гольденберг, Ю.Т. Бутыльский, М.Н. Поляк "Цифровые устройства на интегральных схемах в технике связи" М.: Связь, 1979 г. Стр.135, рис. 5.10. а.

2. Л. Т. Кузин "Расчет и проектирование дискретных систем управления", Государственное научно-производственное издательство машиностроительной литературы, М., 1962 г., фиг.70, стр.115 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ цифровой фильтрации сигналов, включающий преобразование входного сигнала Х в цифровую форму X_i (i=1,2,3,...), сравнение преобразованного входного сигнала _i с выходным цифровым сигналом X_i ^ф путем определения разностного сигнала ΔX_i = X_i-X^ф_i-1 отличающийся тем, что выходной цифровой сигнал X_i ^ф формируют в виде суммы предыдущего значения X_i-1 ^ф и дополнительного сигнала Δ_i, причем дополнительный сигнала Δ_i выбирают равным заданному значению Δ, если ΔX_i≥Δ, значение минус Δ, если ΔX_i≤-Δ, и нулю, если -Δ<ΔX_i<Δ, где Δ соответствует максимально допустимому превышению сигнала помехи над полезным сигналом.

2. Цифровой фильтр, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход запуска которого соединен с выходом генератора, частота которого соответствует частоте преобразования аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены цифровой компаратор, реверсивный счетчик, первый и второй элементы И, выходы которых соединены соответственно с входом суммирования и вычитания реверсивного счетчика, первые входы первого и второго элементов И подключены к выходу готовности аналого-цифрового преобразователя, выходная шина которого соединена с входной шиной А цифрового компаратора, входная шина В которого соединена с выходной шиной реверсивного счетчика и является выходной шиной цифрового фильтра, выход А>В цифрового компаратора соединен с вторым входом первого элемента И, выход А<В цифрового компаратора соединен с вторым входом второго элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3