Цифровой бих-фильтр для прецизионных измерений в составе бортовой аппаратуры космического аппарата

Изобретение относится к автоматике и информационно-вычислительной технике и может быть использовано в цифровых системах измерения параметров различных объектов. Техническим результатом является реализация цифрового БИХ-фильтра в однородной среде со схемой передискретизации, обеспечивающая быстродействие алгоритма фильтрации при сниженных вычислительных затратах без изменения исходных характеристик фильтра, а также гибкость считывания результата обработки входного сигнала за счёт его хранения в запоминающем устройстве. Цифровой БИХ-фильтр со схемой передискретизации, выполненный в однородной регистровой среде, содержит блок формирования тактовых импульсов, блок передискретизации, содержащий аналого-цифровой преобразователь и экспандер частоты, блок хранения кода типа фильтра, блок хранения кода структуры фильтра, блок фильтрации, блок запоминающего устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к автоматике и информационно-вычислительной технике и может быть использовано в цифровых системах сбора и обработки данных для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации в аппаратуре различного назначения, в том числе бортовой радиоэлектронной аппаратуре автоматических космических аппаратов.

Известен цифровой фильтр для реализации способа цифровой фильтрации дискретного сигнала (патент RU №2559707 С2, МПК H03Н 17/02), содержащий шину входного сигнала, генератор, первый и второй элементы И, триггер, элемент ИЛИ, инвертор, реверсивный счётчик и первый цифровой компаратор, второй цифровой компаратор, задатчик сигналов ограничения А1 и А2, второй и третий инверторы, источник опорного напряжения и резистор, при этом выход генератора соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, выход элемента ИЛИ соединен с входом С реверсивного счётчика, выходная шина которого соединена с входной шиной В первого цифрового компаратора, первый вывод резистора соединен с нулевой шиной источника опорного напряжения, второй вывод резистора соединен с шиной входного сигнала, входом первого инвертора, первым входом второго элемента И и входом «+/-» реверсивного счётчика, выходная шина которого соединена с входной шиной В второго цифрового компаратора, выходные шины задатчика сигналов ограничения А1 и А2 соединены соответственно с шиной А1 первого цифрового компаратора и с шиной А2 второго цифрового компаратора, выход которого В=А2 соединен с входом третьего инвертора и входом S триггера, вход R которого соединен с выходом В=А1 первого цифрового компаратора и входом второго инвертора, выходы второго и третьего инверторов соединены со вторыми входами первого и второго элементов И соответственно, третьи входы которых соединены соответственно с выходом первого инвертора и выходом генератора, выход триггера подключен к шине выходного сигнала.

Недостатком описанного фильтра является реализация на дискретных элементах, следствием которой является снижение надёжности из-за возможного выхода из строя отдельных элементов схемы цифрового фильтра. Также данное исполнение не может обеспечить должной помехозащищённости и исключить дрейф параметров электронных компонентов.

Известен цифровой фильтр с программируемой структурой (патент RU №2399152 С2, МПК Н03Н 17/04, Н03Н 17/06, Н03Н 21/00), содержащий регистровую среду с сумматорами по модулю два, блок формирования тактовых импульсов, блок хранения кода типа формируемого в регистровой среде фильтра, блок хранения кода структуры фильтра, блок фильтрации, входы блока формирования тактовых импульсов, блока хранения кода типа формируемого в регистровой среде фильтра и блока хранения кода структуры фильтра соединены с выходом внешнего устройства настройки, выход блока формирования тактовых импульсов соединен с синхронизирующими работу входами блока фильтрации, входы настройки блока фильтрации соединены с выходами блока хранения кода типа формируемого в регистровой среде фильтра и выходами блока хранения кода структуры фильтра, блок фильтрации выполнен в виде однородной регистровой среды с сумматорами по модулю два в цепях обратной связи, входы каждой ячейки упомянутой однородной регистровой среды, образующей блок фильтрации, в зависимости от типа и структуры фильтра соединяются с соответствующими выходами блока хранения кода типа формируемого в регистровой среде фильтра и блока хранения кода структуры фильтра, выходы каждой предшествующей ячейки соединены с входами последующей ячейки, фильтруемая последовательность вводится в первую ячейку, результат фильтрации снимается с выхода ячейки, которая в соответствии с настройкой определена в качестве выходной, блок фильтрации имеет выход, позволяющий выводить информацию последовательно с выхода любого из элементов программируемой однородной регистровой среды, выбранного кодом настройки структуры, и выход, позволяющий осуществить параллельный вывод состояния всех элементов среды.

Вышеописанное устройство принято за прототип.

Устройство имеет три недостатка:

1. Большое количество дискретных элементов для реализации алгоритмов КИХ-фильтра, что влечёт за собой снижение надежности.

2. Отсутствие функции БИХ-фильтра, который требует меньших объёмов памяти для хранения коэффициентов, необходимых для его реализации.

3. Отсутствие блока запоминающего устройства вынуждает обеспечивать постоянное считывание фильтруемой последовательности с выхода блока фильтрации, на организацию чего у внешней системы может не быть свободных ресурсов, из-за чего имеется вероятность потери данных.

Технические задачи для предлагаемого изобретения заключаются в увеличении быстродействия и надежности фильтра, а также организации хранилища для фильтрованных данных.

Технические проблемы решаются тем, что в цифровой фильтр, содержащий однородную регистровую среду с сумматорами по модулю два, блок формирования тактовых импульсов, блок хранения кода типа формируемого в регистровой среде фильтра, блок хранения кода структуры фильтра, блок фильтрации введены блок передискретизации, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), экспандер частоты, фильтр-интерполятор нижних частот (ФНЧ) и блок запоминающего устройства.

Входной сигнал фильтра является входным сигналом блока передискретизации 1. Выходы сигнала Fclk и Fen блока формирования тактовых импульсов 1 соединены с соответствующими входами блока фильтрации 5; выход сигнала Fclk соединен со входом экспандера частоты блока передискретизации 2; выход сигнала Fацп соединен с соответствующим входом АЦП блока передискретизации 2. Выход цифрового сигнала f(n) блока передискретизации 2 соединен с соответствующим входом блока фильтрации 5. Выходные шины блока хранения кода типа фильтра 3 и блока хранения кода структуры фильтра 4 соединены с соответствующими входами настройки блока фильтрации 5, выход которого соединен шиной с блоком запоминающего устройства 6.

Достигаемым техническим результатом является — реализация цифрового БИХ-фильтра в однородной среде со схемой передискретизации, обеспечивающая быстродействие алгоритма фильтрации при сниженных вычислительных затратах без изменения исходных характеристик фильтра, а также гибкость считывания результата обработки входного сигнала за счёт его хранения в запоминающем устройстве.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлена функциональная схема описываемого цифрового БИХ-фильтра.

Цифровой БИХ-фильтр содержит в своём составе блок формирования тактовых импульсов 1, блок передискретизации 2, блок хранения кода типа фильтра 3, блок хранения структуры фильтра 4, блок фильтрации 5, блок запоминающего устройства 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени от внешней системы вводятся настройки в блок формирования тактовых импульсов 1, в блок хранения кода типа фильтра 3 и в блок хранения кода структуры фильтра 4, которые обеспечивают формирование в блоке фильтрации 5 соответствующего типа и структуры фильтрующего полинома. Хранящиеся в блоках 3 и 4 параметры для расчёта и осуществления математического алгоритма обработки сигнала f(n) могут быть модифицированы или скорректированы в ходе работы устройства настройками от внешней системы.

Блок формирования тактовых импульсов 1 обеспечивает формирование: частоты F_АЦП для осуществления операций дискретизации по времени и квантования по уровню аналого-цифровым преобразователем из состава блока передискретизации 2 и частоты Fclk для осуществления операции интерполяции экспандером из состава блока передискретизации 2. Также блок формирования тактовых импульсов 1 обеспечивает синхронное поступление в блок фильтрации 5 последовательности отсчётов выходного сигнала f(n) из блока передискретизации 2 через равные промежутки времени с частотой передискретизации Fclk. Частота Fclk может иметь значение, превышающее минимально необходимое по теореме Котельникова в несколько раз.

В блоке передискретизации 2 происходит передискретизация с частотой Fclk входного сигнала устройства за счёт восстановления промежуточных отсчётов сигнала, вычисляемых по уже имеющимся отсчётам, т.е. происходит вставка нулевых значений между двумя соседними узловыми точками входного сигнала. Вследствие передискретизации входного сигнала увеличивается разрешающая способность фильтра. Также в результате операции интерполяции из сигнала убираются спектральные составляющие, которых заведомо не могло быть в сигнале согласно теореме Котельникова.

Далее в блоке фильтрации 5 реализуется цифровая обработка дискретного сигнала в соответствии с алгоритмом, который формируется настройками, полученными из блока хранения кода типа фильтра 3 и блока хранения кода структуры фильтра 4. Блок фильтрации представляет собой однородную программируемую фильтрующую среду, состоящую из однотипных функциональных ячеек, которые соединяются между собой посредством гибких и управляемых связей и обеспечивают приём сигналов как на каждый элемент сформированной регистровой структуры с общего входа от внешней среды, так и по цепям обратных связей.

Параллельно с процессом цифровой обработки происходит запись полученных значений в блок запоминающего устройства 6. После окончания обработки сигнала внешняя система считывает результат фильтрованного сигнала из блока запоминающего устройства 6.

Применение алгоритма БИХ-фильтра совместно со схемой передискретизации обеспечивает сниженный порядок фильтра, т.е. сокращение количества операций свёртки и элементов для их осуществления, что позволяет ускорить процесс обработки сигнала, не допуская снижения качества обработки. Реализация функционала БИХ-фильтра с использованием, в отличие от прототипного исполнения на дискретных элементах, сверхбольших интегральных схем, например, микроконтроллеров, программируемых логических интегральных схем или систем-на-кристалле, обеспечивает гибкость настройки и возможность внесения модификаций в алгоритм обработки сигнала, если имеется необходимость изменить структуру и коэффициенты фильтра. Также немаловажным преимуществом использования средств ЦОС является нечувствительность к отклонениям и дрейфу параметров электронных компонентов, что повышает надёжность работы устройства. В дополнение к свойствам ЦОС стоит отметить воспроизводимость и прецизионность измерений, что позволяет получать максимально близкие по значению результаты, при повторных измерениях, и проводить измерения с высокой точностью, т.е. низкой погрешностью, которую не могут обеспечить аналоговые измерительные системы.

Применение блока запоминающего устройства для хранения фильтрованного сигнала обеспечивает считывание результата обработки в любой, непривязанный к работе фильтра, момент времени, так как блок запоминающего устройства предназначен для сглаживания различий между скоростями процессов цифровой обработки и считывания результата этой обработки внешней системой для дальнейшего анализа.

Из известных авторам патентных материалов и дополнительных источников информации не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявляемого объекта.

Цифровой БИХ-фильтр для прецизионных измерений в составе бортовой аппаратуры космического аппарата, выполненный в однородной регистровой среде с сумматорами по модулю два, содержащий блок формирования тактовых импульсов, блок хранения кода типа фильтра, блок хранения кода структуры фильтра, блок фильтрации, входные шины блока формирования тактовых импульсов, блока хранения кода типа фильтра и блока хранения кода структуры фильтра соединены с соответствующими выходными шинами внешней системы, выходные шины блока хранения кода типа фильтра и блока хранения кода структуры фильтра соединены с соответствующими входами блока фильтрации, отличающийся тем, что в него введены блок передискретизации, содержащий аналого-цифровой преобразователь и экспандер частоты, и блок запоминающего устройства, причём входной сигнал аналого-цифрового преобразователя блока передискретизации является входным сигналом фильтра, выход аналого-цифрового преобразователя соединён с входом экспандера частоты блока передискретизации, выход экспандера частоты является выходом цифрового сигнала f(n) блока передискретизации, а выход цифрового сигнала f(n) блока передискретизации соединен с входом блока фильтрации, выходы блока формирования тактовых импульсов Fclk и Fen соединены с синхронизирующими работу входами блока фильтрации, выход Fclk также соединён с входом экспандера частоты блока передискретизации, выход F_АЦП блока формирования тактовых импульсов соединён с соответствующим входом аналого-цифрового преобразователя блока передискретизации, выходная шина блока фильтрации соединена с входной шиной блока запоминающего устройства, блок фильтрации имеет однородную структуру и реализует функции БИХ-фильтра, алгоритм работы которого формируется в зависимости от настроек внешней системы через блоки хранения кода типа фильтра и структуры фильтра, результат обработки сигнала считывается внешней системой из блока запоминающего устройства.

2. Цифровой БИХ-фильтр по п. 1, отличающийся тем, что функционал фильтра выполнен на сверхбольшой интегральной схеме.