Нерекурсивный цифровой фильтр

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (n>830636

Х АВТОРСКОМУ СВИДВТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 22.01.79 (2i) 2715027/18-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.0581. Бюллетень 8918

Дата опубликования описания 15 ° 05 . 81 (51)M. Кл З

Н 03 Н 17/06

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 681.14. (088. 8) (72) Авторы изобретения (7! ) Заявитель

Ленинградский электротехническйй связи им. проф. N.A. Бонч-Бру (54) НЕРЕКУРСИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к вычислительной технике, более конкретно к линейной цифровой фильтрации сигналов, и может быть использовано в системах связи и управления, системах передачи и обработки дискретйой информации, гидро- и радиолокации, а также в других устройствах, где требуются нерекурсивные цифровые фильтры с повышенными требованиями к производительности, под которой понимается число отсчетов сигнала, поступающих на вход фильтра в единицу времени.

Известен фильтр m-го порядка, содержащий (m+1) входных регистров, умножитель, сумматор, регистр нака- пливающего сумматора, блок регистров для хранения коэффициентов фильтра, причем входом фильтра является вход 20 первого регистра, выход которого подключен ко входу щ последовательно соед(иненных регистров, выход (m+1)-ro регистра подключен ко входу второго регистра и к первому входу умножителя, выход блока регистров хранения коэффициентов подключен ко второму входу умножителя выход которого соединен со входом сумматора, выход которого соединен с регистром накапливающего 30 сумматора, выход которого является выходом фильтра (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является фильтр m-го порядка, содержащий арифметическое устройство (АУ), имеющее (m+1) вход и один выход,включающее в себя (m+1) умножитель, (m+1) регистр, (m+1) входовое устройство суммирования, причем i-м входом АУ является вход i-ro умножителя, где i=1; m+1, выход которого через

1-й регистр соединен с i-м входом суммирующего устройства, выход которого является выходом АУ, распределительное устройство, включающее в себя m последовательно соединенных регистров, причем вход первого регистра является входом фильтра, выход i-го регистра, где i=1; m, соединен с (i+1)-м входом АУ, а первый вход АУ вЂ” co входом фильтра.

Данная структура позволяет получить наибольшую производительность фильтра за счет одновременного выполнения всех операций умножения, необходимых для вычисления одного выходного отсчета фильтра, что обеспе" чивается наличием отдельного умножителя на каждую операцию умножения.

830636

Кроме того, в этом фильтре одновременно с выполнением умножений, необходимых для вычисления и-го отсчета выходного сигнала, n=0,1,2, в суммирующем устройстве выполняется операция суммирования произведений, полученных на предыдущем такте работы фильтра и являющихся операндами для вычисления (n I)-го выходного отсчета фильтра. Описанная организация вычислений является методом поточной обработки информации и обеспечивается наличием регистров задержки в АУ, включенных между выходами умножителей и входами суммирующего устройства.

Множительная производительность (f) рассмотренного фильтра равна 15 т. =m n) %„,,,,, (1) где f — производительность умножи4 теля;

Š— производительность устрой- 20 ства сложения;

f — производительность распре1 делительного устройства.

В таком фильтре производительность всегда определяется величинами 1„, f >S т.е. производительностью устройства, так как производительность f реаль3 ного распределительного устройства всегда во много раз выше (2).

Недостатком данного устройства

30 является то, что в соответствии с формулой (1) производительность фильтра не может превышать производительности содержащихся в нем умножителей и сумматоров. Это ограничивает область применения таких. фильтров.

Цель изобретения — повышение производительности фильтра посредством совершенствования его структуры при той же производительности содержащихся в нем умножителей и сумматоров. 4()

Поставленная цель достигается тем, что в нерекурсивном цифровом фильтре, содержащем блок синхронизации, входное распределительное устройство, которое содержит m регистров, арифметическое устройство, содержащее сумматор, (в 1) регистров, (m+1) умножителей, при этом выход i-ro умножителя (i=1, в+1)соединен со входом

i-ro perHcTpa, выход котоРого подклю- чен к i-ому входу сумматора, в него введены, (к-1) арифметических ус— тройств и выходное распределительное устройство, содержащее M регистров, входы которых соединены с выходами сумматоров всех и арифметических устройств, а выходы M регистров являются выходами фильтра, при этом входное распределительное устройство дополнительно содержит (т+2к-1) регистров, выход i-го (i=1, к+в-2) ре- 60 гистра подключен ко входу i-го регистра и входу (r<+m+i)-ro регистра, вход первого регистра объединен со входом (+m-1)-го регистра, и является входом фильтра, выход к+в-1-ro 65 регистра подключен ко входу (2(m+

+к)-1) -ro регистра, причем вход g-го (g=l в+1)умножителя i-ro (i=1,к) арифметического устройства подключен к выходу .(к+в+3)-го j=i+(g-1)) регистра входного распределительного устройства, при этом первый выход блока синхронизации соединен с синхронизирующими входами первых к+в-1 регистров входного распределительного устройства и управляющими входами регистров выходного распределительного устройства, второй выход блока синхронизации подключен к синхронизирующему входу i-ro (i=k+m,2(к+в) — 1) регистра входного распределительного устройства и синхронизирующим входам регистров выходного распределительного устройства.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обеспечивает такую организацию вычислительного процесса, при которой оказывается возможным одновременное вычисление выходных отсчетов, в к, независимых АУ. Распределительное устройство на входе фильтра обеспечивает подачу на входы каждого АУ тех входных отсчетов, которые необходимы для вычисления соответствующих выходных отсчетов, распределительное устройство на выходе обеспечивает последо- вательное во времени появление отсчетов на выходе фильтра, в то время как на выходах арифметических устройств к выходных отсчетов появляются одновременно. С увеличением к наступает такой момент, когда максимальная производительность f. фильтра окажется ограниченной величиной =сии 1,Х, (2) где f — производительность РУ 1;

f4 — производительность Ру 2.

На чертеже представлена структурная схема нерекурсивного цифрового фильтра второго порядка (m=-2) для случая к=3, m= — 3.

Фильтр содержит входное распределительное устройство (Ру) 1 арифметическое устройство (АУ) 2-4, выходное распределительное устройство 5, блок 6 синхронизации, последовательно включенные параллельные регистры

7-10, регистры 11-15, входы умножителей 16 -18, 19-21, 22-24 через регистры 25-27, 28 — 30, 31-33 соединены со входами суммирующих устрбйств

34 — 36, входы i-го разряда параллельно-последовательных регистров 3739 соединены с выходами разрядов 1-3 суммирующего устройства, вход 40 фильтра, выходы 41 — 45 Ру 1, выходы

46-48 разрядов сумматоров, выход 49 фильтра, первый 50 и второй 51 выходы блока синхронизации.

При подаче на синхронизирующие входы регистров 37-39 прямоугольного импульса в них происходит запись информации параллельным кодом, если на

830636

) Ч,если nT

4 1 V,в противном случае, 0 М=

V<, если рТ„» t 5 РТ,+ Т 1

$Vo,в противном случае, номер отсчета фильтр, n=0,1,2,3 и т.д;

Т . — Период следования входных отсчетов, p=entier(ф j,Т =kT;

V V — уровни, соответствующие логической единице и логическому нулю; минимальная необходимая ! длительность синхроимпульсов для надежной работы регистров.

На вход 40 фильтра подается по-. следовательность отсчетов входного сигнала х (n, где п 0,1,2 и т.д., 30 на выходах 41-45 РУ 1, соответствующих j=l, k+m, образуется последовательность отсчетов фР-(q-<>), (3) где p=entier (ф), n=0,1,2 и т.д.

Эти последовательности поступают на входы АУ 2-4, на выходах 46-48 ко торых, соответствующих i=1,k, получается последовательность отсчетов 4О

И

+-(<-<)-ка)=па .(tp- - -q-м) 4 где n=0, 1, 2 и т.д. и а,„— коэффициенты фильтра; с =В,m,d — количество периодов Т., 4 проходящих между подачей на входы АУ входных отсчетов и появлением соответствующего им результата на выходе.

Этот параметр зависит or степени использования метода поточной организации вычислений в умножителях и сумматорах. Если этот метод не используется в этих устройствах, то Й=2.

Последовательности отсчетов с выходов 46-48 поступают на соответствующие входы Ру 2, на выходе которого получаем последовательность отсчетов ч(и-ж- ) -j(a), где n=0,1,2 и т.д., которая является выходным сигналом для фильтра. 60

Из описания алгоритма работы устройства видно, что на входы каждого АУ поступают последовательности отсчетов с периодом следования Т4 который в К раз больше периода сле- 65 где и

ЪТ

35 управляющие входы этих регистров подана единица, в противном случае происходит последовательный сдвиг информации.

Рассмотрим работу устройства во времени.

Для удобства описания работы устройства используют указанные буквенные обозначения параметров,m,k,ì, а не их конкретные числовые значения.

На выходах 50 и 51 блока синхронизации О формируются сигналы () (t)и П (t), равные дования отсчетов на входе фильтра.

Следовательно, производительность работы фильтра получается в К раз выше производительности работы арифметического устройства.

Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обеспечивает увеличение производительности фильтра в К раз по сравнению с наиболее совершенным по этому показанию известным фильтром. Единственным принципиальным ограничением производительности предлагаемого устройства в соответствии с формулой {2) является производительность распределительных устройств

РУ 1 и РУ 2, которая равна производительности входящих в них регистров и может быть сделана очень высокой.

3а счет высокой производительности прецлагаемого нерекурсивного цифрового фильтра существенно расширяется область возможного применения этих фильтров. Увеличение производительности предлагаемого фильтра по сравнению с известным в К раз увеличивает сложность фильтра менее чем в

К раз, что достигается таким построением РУ 1, при-котором входящие-в него регистры совмещают выполнение двух функций. В соответствии с заданным порядком фильтра обеспечивают необходимое распределение входных отсчетов между несколькими входами каждого из АУ и обеспечивают работу всех АУ в соответствии с алгоритмом параллельного вычисления К выходных отсчетов.

Применение предлагаемого устройства может оказаться эффективным в следующих случаях.

Если использованы все возможности для повышения производительности умножителей и суммирующего устройства, то единственным путем дальнейшего повышения производительности фильтра является построение фильтра в соответствии с предлагаемым изобретением.

В устройствах с переменной структурой, где, например в зависимости от условий, необходимо иметь либо некоторое количество фильтров с невысокой производительностью, либо меньшее число фильтров с повышенной производительностью.

В случаях, когда -ra основе стандартного набора арифметических устройств необходимо создать фильтры с различной производительностью. Это особенно важно, так как единственным путем создания недорогих и надежных цифровых фильтров является использование специально разработанного набора интегральных умножителей и сумматоров. формула изобретения

Нерекурсивный цифровой фильтр, содержащий блок синхронизации, вход830636

15

ВНИИПИ Наказ 2917/33 Тираж 988 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4 иое распределительное устройство, которое содержит m регистров, арифметическое устройство, содержащее сумматор, (m+1) регистров (m+1) умножителей, при этом выход i-го умножителя (i=1,m+1) соединен со .входом i-го регистра, выход которого подключен к i-му входу сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены к-1 арифметических устройств и выходное распределительное устройство, содержащее M регистров, входы которых соединены с выходами сумматоров всех и арифметических устройств, а выходы M регистров являются выходами фильтра, при этом входное распределительное устройство дополнительно содержит (щ+2к-1) регистров, выход i-ro (i=1, к+в-2) регистра подключен ко входу i-го регистра и входу (к+в+1)го регистра, вход первого регистра о5ъединен со входом (к+в-1) — го регистра, и является входом фильтра, выход (к+я-1)-го регистра подключен ко входу 2 (в+к) — 1-го регистра, причем вход q-ro (q=l,m+1) умножи теля i-ro (i=1, к) арифметического устройства подключен к выходу (rc+m+j)-го f(j=i+(q-1)) регистра. входного-распределительного устройства, при этом первый выход блока синхронизации соединен с синхронизирующими входами первых (к+в-1) регистров входного распределительного устройства и управляющими входами регистров выходного распределительного устройства, второй выход блока синхронизации подключен к синхрониэирующему входу i-ro (1=K+m,2(к+в)-1) регистра входного распределительного устройства и синхронизирующим входам регистров выходного распределительного устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Фрини Л. Специализированные аппаратные средства для цифровой фильтрации. ТИИЭР, 1975.

2. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., Мир, 1978 (прототип)