Рекурсивный цифровой фильтр



Рекурсивный цифровой фильтр
Рекурсивный цифровой фильтр
Рекурсивный цифровой фильтр
Рекурсивный цифровой фильтр

 


Владельцы патента RU 2490786:

ООО Научное предприятие "Электронные информационные системы" (RU)

Изобретение относится к области обработки цифровых данных, в которых используется операция деления на постоянный целочисленный делитель. Техническим результатом изобретения является повышение точности цифровой фильтрации, а также уменьшение максимальной относительной погрешности в каждом такте целочисленного деления, возникающего в результате округления до целого частного. Фильтр содержит блок коррекции частного и остатка. При этом направление коррекции частного на каждом шаге определяется в зависимости от величины остатка и осуществляется по следующим правилам. Если значение целочисленного остатка превышает половину величины делителя, то коррекцию частного производят в большую сторону, а частное увеличивают на одну единицу младшего значащего разряда (МЗР), а от остатка вычитают величину делителя. Если остаток отрицательный и по абсолютной величине превышает половину величины делителя, то коррекцию частного производят в сторону меньшего отрицательного целого, при этом частное уменьшают на одну единицу МЗР, а к остатку прибавляют величину делителя. В остальных случаях остаток и частное не корректируют. 3 ил.

 

Изобретение относится к области обработки цифровых данных с помощью электрических устройств, в частности, может использоваться в электрических автоматических микропроцессорных регуляторах, цифровых интегрирующих, апериодических и дифференцирующих звеньях, а также в любых цифровых алгоритмах и устройствах обработки последовательных цифровых отсчетов, в которых используется операция деления на постоянный целочисленный делитель.

Цель изобретения - повышение точности цифровой фильтрации.

В качестве ближайшего аналога принято изобретение SU 1626335 А1 от 20.09.1988, МПК Н03Н 17/04, опубликованное 07.02.1991 в Бюл. №5, в котором приводится реализация цифрового рекурсивного фильтра низких частот и цифрового интегратора. Особенностью описанных устройств является применение накапливающего сумматора, на первый вход которого подается цифровое значение входного сигнала, на второй вход подается задержанный на один такт остаток от деления, а сигнал с выхода подается на вход блока деления.

Недостатком изобретения SU 1626335 является то, что максимальная относительная погрешность в одном такте целочисленного деления по сравнению с идеальным результатом составляет (1):

E ( 1 ) m a x = N 1 N , ( 1 )

где N>0 - величина целочисленного делителя (постоянный коэффициент).

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить максимальную относительную погрешность в одном такте целочисленного деления в два раза (2):

E ( 2 ) m a x = N 1 2 N . ( 2 )

Технический результат достигается с помощью ввода дополнительного блока коррекции частного и остатка, вход которого соединен со вторым выходом блока деления на постоянный коэффициент, а первый выход соединен с входом второго блока задержки, в третьем сумматоре добавлен третий вход, который соединен со вторым выходом блока коррекции частного и остатка.

На фиг.1 приведена электрическая структурная схема рекурсивного цифрового фильтра. Рекурсивный цифровой фильтр содержит первый, второй и третий сумматоры 1-3, блок целочисленного деления на постоянный коэффициент 4, первый и второй блоки задержки 5, 6; блок инверторов 7; блок коррекции частного и остатка 8.

При отсутствии элементов 1 и 7 (фиг.1) рекурсивный цифровой фильтр представляет собой интегратор с коэффициентом α = 1 N , сигнал на выходе которого в каждом такте n описывается рекуррентной формулой (3);

y n = y n 1 + α x n , ( 3 )

где xn - цифровое значение входного сигнала.

Если значения xn и yn представлены в памяти вычислительного устройства целыми числами конечной разрядности, а вычисления по формуле (3) производятся по правилам целочисленной арифметики, результат операции α x n = x n N представляется целым N числом, а остаток отбрасывается. При больших значениях N ошибка округления на каждом шаге может достигать значительной величины и накапливаться в ходе вычислений по рекуррентной формуле (3). Для компенсирования ошибки округления в SU 1626335 предложено интегрирование выполнять согласно рекуррентной формуле (4):

y n = y n 1 + x n + δ n 1 N , ( 4 )

где δn-1 - остаток деления xn-1, на N, при этом результат операции деления представляется целым числом, а дробная часть отбрасывается.

При вычислениях по формуле (4) на каждом шаге, вследствие операции отбрасывания дробной части, может возникнуть расхождение с идеальным (аналоговым) вычислением и представлением чисел с неограниченной разрядностью. Максимальная относительная погрешность операции деления на N определяется по формуле (1).

Если в (4) операцию деления с отбрасыванием дробной части частного заменить округлением до ближайшего целого, то максимальную относительную погрешность можно снизить в два раза согласно формуле (2). Операция округления реализуется вводом дополнительного блока коррекции частного и остатка. Направление коррекции частного на каждом шаге определяется в зависимости от величины остатка δn, и осуществляется по следующим правилам. Если значение целочисленного остатка δn превышает половину величины делителя N, то коррекцию частного производят в большую сторону, а частное увеличивают на одну единицу младшего значащего разряда (МЗР), а от остатка вычитают величину делителя. Если остаток δn отрицательный и по абсолютной величине превышает половину величины делителя N, то коррекцию частного производят в сторону меньшего отрицательного целого, при этом частное уменьшают на одну единицу МЗР, а к остатку прибавляют величину делителя. В остальных случаях остаток и частное не корректируют.

Алгоритм работы блока коррекции частного и остатка определяется формулами (5):

{ q n = z n + 1 ; r n = δ n N , е с л и δ n > N 2 ; q n = z n 1 ; r n = δ n + N , е с л и δ n < N 2 ; ( 5 )

где δn - целочисленный остаток, полученный на шаге n; z n = [ x n + δ n 1 N ] - целочисленное частное, полученное на шаге n; qn - откорректированное частное; rn - откорректированный остаток.

В качестве поясняющего примера на фиг.2, 3 приведены диаграммы, показывающие результат работы интеграторов, реализованных по схеме ближайшего аналога SU 1626335 (фиг.2) и предлагаемого изобретения (фиг.3). По оси абсцисс отображены номера тактов вычислений, по оси ординат - значения выходов интеграторов. Непрерывной линией показан сигнал на выходе идеального интегратора, точками - его цифровых реализации. В расчетах использовались следующие параметры: коэффициент каждого интегратора α = 1 40 , начальные условия: y0=0. Входной сигнал был представлен последовательностью: х=0, 0, 1, 1, 1, ….

Предлагаемое изобретение может быть реализовано как аппаратно, так и программно. Все элементы устройства выполняют операции над целыми числами ограниченной разрядности в какой-либо позиционной системе счисления с положительным целым основанием.

Рекурсивный цифровой фильтр, содержащий последовательно соединенные первый блок задержки, блок инверторов и первый сумматор, второй вход которого является входом рекурсивного цифрового фильтра, выходом рекурсивного цифрового фильтра является вход первого блока задержки, а также последовательно соединенные второй блок задержки, второй сумматор, блок деления на постоянный коэффициент и третий сумматор, второй вход второго сумматора соединен с выходом первого сумматора, второй вход третьего сумматора соединен с выходом первого блока задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фильтрации, введен блок коррекции частного и остатка, вход которого соединен со вторым выходом блока деления на постоянный коэффициент, а первый выход соединен с входом второго блока задержки, в третьем сумматоре добавлен третий вход, который соединен со вторым выходом блока коррекции частного и остатка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации.

Изобретение относится к области обработки информации, может использоваться в цифровых системах контроля, слежения и управления различными объектами. .

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в системах, в которых требуется аппаратная реализация алгоритмов цифровой фильтрации сигналов, например, при оценке уровня нуля на фоне импульсных сигналов/помех или в условиях несимметричного относительно уровня нуля ограничения динамического диапазона.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для построения в общесистемной аппаратной среде цифровых авторегрессионных фильтров и фильтров с конечным импульсным откликом, устройств идентификации, свертки и модульных вычислений.

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации.

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки радиотехнических сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации.

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки радиотехнических сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации.

Изобретение относится к цифровой обработке данных и может быть использовано в радиотехнике и системах связи. .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах цифровой обработки сигналов. .

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации с высокими требованиями к частотной избирательности выполнения фильтрации. Техническим результатом является повышение частотной избирательности полосовой фильтрации без снижения быстродействия. Устройство содержит блок умножения, сумматор, блок хранения выборочных значений сигнала, блок хранения коэффициентов, мультиплексор, четыре регистра, блок управления. 7 ил.
Наверх