Устройство для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования

Авторы патента:

G06F17/14 - преобразования Фурье, Уолша или аналогичные преобразования

Владельцы патента RU 2437147:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области цифовой вычислительной техники и может быть использовано в специализированных устройствах для обработки и анализа сигналов с использованием непрерывного вейвлет-преобразования. Техническим результатом является упрощение конструкции устройства при сохранении его быстродействия для дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования данных. Устройство содержит управляющее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок ячеек однородной структуры размером J×K, где J - максимальное количество масштабов по времени, К - максимальное количество сдвигов по времени дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования, при этом каждая из ячеек содержит блок адресации, интегратор, умножитель, блок сдвиговых регистров. 2 ил.

Изобретение относится к области цифровой вычислительной техники и предназначено для разработки и конструирования специализированных устройств для обработки и анализа сигналов разнообразной природы с помощью непрерывного вейвлет-преобразования.

Известны устройства для вычисления дискретного вейвлет-преобразования сигнала, содержащие цепочку пар фильтров высокой и низкой частоты, после каждой из которых производится децимация сигнала в 2 раза (см., например, «Введение в вейвлет-преобразование» R.Polikar, пер. с англ. В.Грибунин, изд. АВТЭКС, СПб., с.53, http://autex.spb.ru/wavelet/). Алгоритмы, на которых основаны эти устройства, характеризуются высоким быстродействием, небольшими аппаратурными затратами, но они основаны на отбрасывании части информации, которую относят к избыточной. Это обоснованно применимо, когда решается задача реконструкции сигнала по его вейвлет-преобразованию. Но для задач, отличных от реконструкции, например анализа данных, требуется полная информация о вейвлет-спектре. Если заранее не известно, какую информацию считать избыточной, то применение алгоритмов дискретного вейвлет-преобразования в таких случаях может приводить к потере полезной информации.

Полную информацию о вейвлет-спектре анализируемых данных получают с помощью алгоритмов непрерывного вейвлет-преобразования (НВП). При реализации этих алгоритмов на ЭВМ требуется оцифровка анализируемого сигнала, поэтому такие алгоритмы называют дискретизированным непрерывным вейвлет-преобразованием или дискретным вейвлет-преобразованием с произвольным шагом дискретизации.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство быстрого вычисления дискретного вейвлет-преобразования сигнала с произвольным шагом дискретизации масштабных коэффициентов (Патент РФ №2246132, МПК G06F 17/14, опубл. 10.02.2005). В качестве прототипа выбран второй вариант устройства.

Устройство состоит из аналого-цифрового преобразователя, вход которого является входом устройства, вычислителя быстрого преобразования Фурье, формирователя аналитического сигнала (устройство обнуления отрицательных частот), делителя, первого постоянного запоминающего устройства, матричного перемножителя, второго постоянного запоминающего устройства, вычислителя двумерного обратного преобразования Фурье и управляющего устройства.

Недостатком устройства является сложность реализации и, как следствие, большие аппаратурные затраты. Так, например, только перечисленный в качестве одного из блоков вычислитель быстрого преобразование Фурье является сложным арифметическим устройством, содержащим регистры, умножители и сумматоры (см., например, Патент РФ №2190874, МПК G06F 17/14, опубл. 10.10.2002). Еще более сложным является перечисленный в составе устройства вычислитель двумерного обратного преобразования Фурье.

Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства при сохранении его быстродействия для дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования данных.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования содержит, также как в прототипе, управляющее устройство и аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства.

Согласно изобретению веден блок ячеек однородной структуры размером J×K, где J - максимальное количество масштабов по времени, К - максимальное количество сдвигов по времени дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования, причем каждая из ячеек содержит блок адресации, связанный через магистраль общая шина с выходом управляющего устройства, интегратор, выход которого подключен к блоку адресации, а вход связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с магистралью общая шина, а второй подключен к выходу блока сдвиговых регистров, вход которого соединен с блоком адресации, при этом вход управляющего устройства подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя.

Использование ячеек однородной структуры, реализующих однотипные вычисления параллельно, позволяет легко наращивать их количество в зависимости от объема решаемой задачи. Однотипность вычислений в ячейках снижает сложность конструкции устройства. Параллельность вычислений обеспечивает как минимум сохранение высокого быстродействия.

Непрерывное вейвлет-преобразование произвольного сигнала S(t) описывается уравнением:

где W(a,b) - искомая переменная;

t - время;

- некоторая функция с определенными свойствами (вейвлет);

b - сдвиг по времени;

а - масштаб по времени (соответствующий частоте).

Для оцифрованного с равномерным шагом сигнала, имеющего конечные пределы по времени, интеграл в уравнении (1) аппроксимируется конечной суммой:

где i, j, k - индексы по времени t, по масштабу а, по сдвигу по времени b;

n - количество шагов по времени;

Δt - шаг по времени;

S(t_i) - оцифрованный сигнал (данные).

Если принять начальный момент времени нулевым, а сдвиг по времени равным шагу по времени (что соответствует наибольшей разрешающей способности НВП), то уравнение (2) можно записать в виде системы уравнений:

Очевидно, что все выражения, на которые должны умножаться данные S(iΔt), могут быть вычислены заранее и занесены в виде коэффициентов для блока умножения. Систему уравнений (3) можно записать в виде итерационной формулы:

или

где

Формула (5) легко реализуется с помощью цифрового интегратора. Следовательно, объединяя блок умножения данных на заранее известные коэффициенты с цифровым интегратором в одну вычислительную ячейку, можно вычислить одну точку двумерного массива дискретизированного вейвлет-преобразования. Объединяя далее такие ячейки в однородную структуру размером J×K, где J - максимальное количество масштабов по времени, К - максимальное количество сдвигов по времени, можно получать дискретизированное непрерывное вейвлет-преобразование данных в полном объеме.

Таким образом, вычисление дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования оцифрованных данных распределяется между синхронно-параллельно работающими ячейками однородной структуры. На вход каждой ячейки синхронно подаются оцифрованные данные, подлежащие НВП, которые умножаются на заранее подготовленные коэффициенты (6), хранящиеся в каждой ячейке, и накапливаются в интеграторе в соответствии с формулой (4). Каждая ячейка однородной структуры дает одно значение дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования W(a_j, b_k), поэтому вся однородная структура ячеек размером J×K даст полный спектр значений НВП.

Техническим результатом является упрощение конструкции и снижение аппаратурных затрат при сохранении высокого быстродействия устройства для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования.

На фиг.1 представлена схема устройства для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования.

На фиг.2 представлена схема ячейки однородной структуры, входящей в состав устройства для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования.

Устройство для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП), вход которого является входом устройства, а выход соединен с входом управляющего устройства 2 (УУ), выход которого через магистраль общая шина 4 связан с блоком ячеек однородной структуры 3 (БЯ), который содержит J×K ячеек однородной структуры 5 (Яjk), где J - максимальное количество масштабов по времени дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования, К - максимальное количество сдвигов по времени дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования. Каждая ячейка 5(Яjk) соединена с магистралью общая шина 4.

Ячейка однородной структуры 5(Яjk) для устройства дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования содержит блок адресации 6 (БА), связанный с магистралью общая шина 4, интегратор 7 (И), выход которого подключен к блоку адресации 6 (БА), а вход связан с выходом умножителя 8 (У), первый вход которого соединен с магистралью общая шина 4, а второй подключен к выходу блока сдвиговых регистров 9(БСР), вход которого соединен с блоком адресации 6(БА).

Перечисленные элементы ячейки однородной структуры могут быть реализованы на базе цифровых интегральных микросхем, например, серии К500-К531 (Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т4, 2001), а также на базе ПЛИС или полузаказных БИС на основе БМК, выпускаемых, например, фирмами «Ангстрем» (www.angstrem.ru), «Модуль» (www.module.ru). Аналого-цифровой преобразователь и устройство управления могут быть реализованы на любых микросхемах, имеющих электрическое и логическое сопряжение с элементами, выбранными для реализации ячеек.

Устройство для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования работает следующим образом. Процесс решения состоит из двух циклов: цикла обмена данными ячеек однородной структуры 5(Яjk) с управляющим устройством 2 (УУ) и цикла итераций, в котором ячейки вычисляют значения искомой величины.

В цикле обмена данными управляющее устройство 2 (УУ) через магистраль общая шина 4 передает каждой ячейке заранее рассчитанные внешним устройством коэффициенты уравнения P_i,j,k. В каждой ячейке блок адресации 6 (БА) сверяет адрес, указанный в магистрали с собственным адресом, и, если они совпадают, записывает эти данные в блок сдвиговых регистров 9 (БСР). В этом же цикле, если он не первый, из интегратора 7 (И) считывается накопленный за предыдущий цикл результат расчета Wⁿ(a_j, b_k).

В цикле итераций анализируемый сигнал S(t) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), с выхода которого дискретная выборка S(iΔt) длиной n отсчетов поступает на вход управляющего устройства 2 (УУ), с выхода которого синхронно передается на входы всех ячеек блока 3 (БЯ) через магистраль общая шина 4.

Рассмотрим цикл итераций на первом слое ячеек (k=1). В начальный момент времени (i=0), входной сигнал S(0) подается на первый вход умножителя 8 (У) всех ячеек блока 3 (БЯ) через магистраль общая шина 4. На второй вход умножителя 8 (У) в это время подается с выхода блока сдвиговых регистров 9 (БСР) значение хранящегося там коэффициента

который умножается на входной сигнал S(0), и результат W¹(a_j,b₁) передается в интегратор 7 (И).

На втором шаге по времени на первый вход умножителя 8 (У) всех ячеек блока 3 (БЯ) через магистраль общая шина 4 подается входной сигнал S(Δt). На второй вход умножителя 8 (У) в это время подается с выхода блока сдвиговых регистров 9 (БСР) значение следующего хранящегося коэффициента

который умножается на входной сигнал S(Δt) и передается в интегратор 7 (И), где складывается с хранящимся там предыдущим значением, и в результате получается W²(а_j,b₁).

Аналогично цикл итераций выполняется и на следующих шагах по времени, пока не достигает заданного количества шагов по времени n. Результат Wⁿ(a_j,b₁) считывается из интегратора 7 (И) в следующем цикле обмена данными ячеек однородной структуры 5(Яjk) с управляющим устройством 2 (УУ).

Таким же образом в цикле итераций синхронно и параллельно работают все ячейки однородной структуры, в результате чего получается массив значений дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования Wⁿ(a_j,b_k).

Устройство управления 2 (УУ) осуществляет синхронизацию работы блоков 1 (АЦП), 3(БЯ), магистрали общая шина 4, а также производит индикацию полученного результата либо передает этот результат для индикации во внешнее устройство.

Устройство для вычисления дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования, содержащее управляющее устройство и аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, отличающееся тем, что введен блок ячеек однородной структуры размером J×K, где J - максимальное количество масштабов по времени, К - максимальное количество сдвигов по времени дискретизированного непрерывного вейвлет-преобразования, причем каждая из ячеек содержит блок адресации, связанный через магистраль общая шина с выходом управляющего устройства, интегратор, выход которого подключен к блоку адресации, а вход связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с магистралью общая шина, а второй подключен к выходу блока сдвиговых регистров, вход которого соединен с блоком адресации, при этом вход управляющего устройства подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к способам и устройствам для обработки данных, а именно к способам и устройствам для выполнения математических операций. .

Способ оценки частоты несущего колебания устройства преобразования сигналов // 2429532

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам точной оценки радиочастоты. .

Преобразования с общими множителями // 2429531

Снижение ошибок в ходе вычисления обратного дискретного косинусного преобразования // 2419855

Изобретение относится к способам и устройствам для сжатия информации. .

Эффективные аппроксимации с фиксированной запятой прямого и обратного дискретных косинусных преобразований // 2417423

Обратимое преобразование для сжатия двумерных данных с потерями и без потерь // 2413983

Изобретение относится к блочному основанному на преобразовании сжатию цифрового мультимедиа. .

Обратимая двумерная предварительная и постфильтрация для перекрывающегося биортогонального преобразования // 2412473

Изобретение относится к сжатию цифровых мультимедийных данных с использованием перекрывающегося преобразования. .

Способ размещения отсчетов быстрого преобразования фурье в памяти данных // 2388076

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении параллельных вычислительных систем. .

Способ определения структуры и демодуляции сигнала с неизвестной структурой // 2386165

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для целей радиоконтроля, согласованной фильтрации преднамеренных помех, скрытого определения характеристик источников радиоизлучения и для демодуляции сигнала с неизвестной структурой.

Демодуляция поддиапазонов для основанных на ofdm систем связи // 2353065

Изобретение относится к системам связи. .

Уменьшение ошибок во время вычисления обратного дискретного косинусного преобразования // 2439682

Изобретение относится к средствам сжатия графики, изображений и видеоинформации

Эффективный способ проектирования набора фильтров для mdct/imdct в приложениях для кодирования речи и аудиосигналов // 2451998

Изобретение относится к кодирующим устройствам и декодерам

Структура преобразования с масштабированными и немасштабированными интерфейсами // 2460129

Изобретение относится к средствам и методам выполнения преобразования данных

Способ цифровой рекурсивной полосовой фильтрации и цифровой фильтр для реализации этого способа // 2460130

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации с высокими требованиями к частотной избирательности выполнения фильтрации

Способ анализа электроэнцефалограмм // 2467384

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для автоматизированного исследования электроэнцефалограмм (ЭЭГ) человека

Устройство для приема дискретных сигналов // 2480839

Изобретение относится к области систем передачи и приема дискретных сигналов

Способ построения спектра n-мерных неразделимых цифровых сигналов // 2484523

Изобретение относится к области обработки n-мерных цифровых сигналов и может быть использовано для анализа и синтеза фильтров, n-мерных неразделимых цифровых сигналов, для преобразования и обработки статических и динамических изображений, стеганографии, спектрального анализа многомерных дискретных полевых структур

Эффективные аппроксимации с фиксированной запятой прямого и обратного дискретных косинусных преобразований // 2496139

Группа изобретений относится к способу и устройствам для сжатия и отображения изображения. Техническим результатом является исключение ошибок аппроксимации вычисления обратного дискретного косинусного преобразования с использованием вычислений с фиксированной запятой. Способ содержит этапы, на которых масштабируют каждый коэффициент в матрице закодированных коэффициентов с размерами 8×8 одним из множителей для формирования матрицы масштабированных коэффициентов, повторно применяют масштабированные одномерные преобразования с фиксированной точкой для преобразования матрицы масштабированных коэффициентов в матрицу преобразованных коэффициентов, сдвигают вправо преобразованные коэффициенты для формирования матрицы скорректированных коэффициентов, причем каждый скорректированный коэффициент в матрице скорректированных коэффициентов аппроксимирует соответствующее значение в матрице значений, которые можно сформировать с применением идеального двумерного обратного дискретного косинусного преобразования к матрице закодированных коэффициентов, отображают блок пикселей с размерами 8х8, причем каждый пиксель в блоке пикселей включает в себя значение компонента пикселя с учетом скорректированного коэффициента. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл.

Звуковое кодирующее устройство и декодер для кодирования декодирования фреймов квантованного звукового сигнала // 2507572

Звуковое кодирующее устройство (10), приспособленное для кодирования фреймов квантованного звукового сигнала для получения кодированных фреймов, где фрейм включает ряд звуковых образцов временной области. Звуковое кодирующее устройство (10) включает этап анализа предиктивного кодирования (12) для определения информации о коэффициентах синтезирующего фильтра и фрейма области предсказания, основанного на фрейме звуковых образцов. Звуковое кодирующее устройство (10) далее включает преобразователь, вводящий временное совмещение имен (14), для преобразования перекрывающихся фреймов области предсказания в частотную область для получения спектров фрейма области предсказания, где преобразователь, вводящий временное совмещение имен (14), приспособлен для преобразования перекрывающихся фреймов области предсказания способом критической выборки. Кроме того, звуковое кодирующее устройство (10) включает кодирующее устройство, уменьшающее избыточность (16) для кодирования спектров фрейма области предсказания для получения кодированных фреймов, основанных на коэффициентах, и кодированных спектров фрейма области предсказания. 6 н. и 15 з.п. ф-лы, 20 ил.

Устройство для вычисления дискретных полиномиальных преобразований // 2517694

Изобретение относится к области цифровой обработки сигналов и может быть использовано при обработке видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени. Техническим результатом является обеспечение выполнения различных подклассов дискретных полиномиальных преобразований (ДПП) и для реализации КИХ-фильтров с использованием заданной системы функций на конечном интервале длины N=2c. Устройство содержит систему из n N-разрядных регистров сдвига, Т блоков вычисления системы функций ДПП и Т блоков комбинационных сумматоров для N ƒ-разрядных двоичных чисел, где Т - количество элементов образа заданного подкласса ДПП, представленных (ƒ-1+log2N)-разрядными двоичными числами, ƒ=n+r, n - количество двоичных разрядов входа устройства, r - максимальное количество двоичных разрядов постоянных коэффициентов для заданного подкласса ДПП. 4 ил.