Устройство для цифровой фильтрации

 

УСТРОЙСТВО ШШ ЩГФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подкл1Ьчен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подкл оче к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умноткителя, выход которого подключен к входу накатливающего сумматора ,- управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации , четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации , а вход фильтра нижних частот является информационным входом устройства, о. т л и ч а го щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет миого диапазонной цифровой фильтрации, в него введены первый и второй коммутаторы , причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя SS соединен с первым входом первого коммутатора , выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, i-й выход ( 1 1,К) которого является информационным выходом i -го канала О устройства, а шестой и седьмой выхоСО ды блока синхронизации соединены с ел управляющими входами соответственно СлЭ ел первого и второго коммутаторов. VI

COOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(59 Н 03 Н 17 04

6M6ANg" »;

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2i) 3566247/18-24 (22) 22.03.83 (46) 30.05.84. Бюл. К - 20 (72) С.H. Демиденко, В.Е. Куконин, В.И. Петько, Н.Н. Столяров и П.М. Чеголин (71) Институт технической кибернетики АН БССР (53) 681.32(088.8) (56) 1, Гольденберг Л.N. Левчук И.П,, Поляк М.Н. Цифровые фильтры. М., "Связь", 1974, с. 117 †1.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 758166, кл. r. 06 Г 15/31, 1980 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО Д1Я ЦИФРОВОЙ

ФИЛЬТРАЦИИ, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора; управляющий вход которого

„„SU„„1095357 А соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот является информационным входом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет многодиапазонной цифровой фильтрации, в него введены первый и второй коммута торы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя ф соединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммута- д тора и входом второго коммутатора, 1-й выход (f = f,Ê) которого является информационным выходом 1-го канала устройства, а шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами соответственно первого и второго коммутаторов.

©@ („ д

1095357

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в устройствах многоди,апаэонного.частотного анализа сигна-, лов с постоянной относительной шири- 5 ной полос пропускания.

Известно устройство для цифровой фильтрации, которое построено в виде спецвычислителя, где отсчеты входного сигнала обрабатываются поразрядно, 30 содержащее два циклических регистра, первый для задержки входного сигнала, а второй для хранения значений весовой функции, выходы регистров соединены с соответствующими входами раз- 15 .рядов двоичного счетчика, где о6разуется код выходного значения фильтра Г1 3.

Недостатком данного устройства является малое быстродействие вслед- 20 ствие того, что ведется поразрядная обработка информации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является не- 25 рекурсивный цифровой фильтр, содержащий блок управления, блок памяти коэффициентов, блок умножения, накапливающий сумматор, блок (оперативной) памяти, дешифратор, элемент И, пер- щ0 вую и вторую группу И, причем вход накапливающего сумматора подключен к выходу умножителя, первый вход которого подключен к выходу блока памяти коэффициентов, вход которого соединен с выходом блока управления, второй вход умножителя соединен с выходом блока памяти, второй выход блока памяти коэффициентов соединен с входом дешифратора, выход которого 40 соединен с первыми входами элементов

И первой и второй групп, и первым входом элемента И, выход которого подключен к первому входу блока памяти, второй вход которого соединен 45 с выходами элементов И первой группы, вторые входы которых являются входами устройства, при этом выход накапливающего сумматора соединен с вторыми входами элементов И второй группы, выходы которых являются выходами фильтра, а выход блока управления соединен с вторым входом элемента И. Для использования данного устройства необходймо также включе55 ние перед ним последовательно соединенных антиэлайзингового фильтра нижних частот (преселектора) и аналогоцифрового преобразователя 52), Недостатком укаэанного устройства является„невозможность одновременной многодиапазонной фильтрации сигнала., Цель изобретения ; расширение функциональных возможностей устройства за счет многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов (в реальном масштабе времени путем автоматической перестройки частотного диапазона фильтра с использованием метода прореживания входных отсчетов по ,времени со смещением).

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для цифровой фильтрации, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот является информационным входом . устройства, введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, 1 -й выход (i =1,k) которого является информационным выходом 1 -го канала устройства, а шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами соответственно первого и второго коммутаторов.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для цифровой фильтрации; на фиг.2 — схема, иллюстрирующая используемый в устройстве метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением; на фиг.З - функциональная схема блока синхронизации; на фиг.4 — временные диаграммы его работы.

1095357

Устройство (фиг.1) содержит (антиэлайзинговый) фильтр 1 нижних частот (преселектор), аналого-цифровой преобразователь 2 (АПД), коммутатор (двухвходовой) З,блок 4 памяти, умножитель 5, накапливающий сумматор 6, коммутатор 7, блок 8 синхронизации и блок 9 постоянной памяти (коэффициентов). Блок синхронизации (фиг.3) содержит генератор 10 тактовых им- 10 пульсов, счетчик 11, узел 12 постоянной памяти, элементы И 13-18, элементы задержки 19-21.

Устройство предназначено для частотного анализа,с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов, отличающимися в два раза, т.е. ср.2 ср.2 верхн 2ГвеРхи 20 ни и нижн (a)

8-4

СР где f — значение среднегеометричес- >> кой частоты N-га диапазона; верхи

Х вЂ” значение верхней граничной

Н частоты Й-ro диапазона; ни и значение нижней граничной

N частоты N -го диапазона.

Примером такого анализа с достаточной степенью точности может служить октавный частотный анализ.

В устройстве использован метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением, сущность которого состоит в следующем.

Из выражения (1) с учетом теоремы отсчетов следует, что частота дискретизаций (число отсчетов, взятое в единицу времени), необходимая для

40 анализа сигнала в N -ом частотном диапазоне, составляет и f <, в (N-1)верхн ом диапазоне частота дискретизации равна соответственно nf Р" /2, в (М-2)-ом — nf /4 и т.д„где и — число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое для преобразовании его без искажений (из теоремы Котельникова о 2) . Если каждый дискретный отсчет использовать для фильтрации сигнала только в одном соответствующем ему частотном диапазоне, то суммарное количество дискрет в единицу времени (частота дискретизации), необходимое для анализа сигнала в 8 — - частотных полосах, равно сумме геометрической прогрессии:

5- 1 1ьерхн 1 ..Еверхн,, " 1ирхнл

2о N 24 N 2N 4 и (2.1

Так как сумма (2) не превосходит величины 2nf < а лишь асиптотиверхи чески приближается в ней с ростом

М и если частота дискретизации составит верхи

Е =2,0.f (3) то возможен частотный анализ в H непересекающихся частотных диапазонах с постоянной относительной шириной полос. Здесь каждое второе значение участвует в фильтрации в самом высокочастотном М-ом диапазоне, каждое четвертое — в более низкочастотном (й-1) -ом диапазоне, каждое восьмоев (N-2)-ом и т.д., причем каждый дискретный отсчет участвует в обработке только в одной соответствующей ему частотной полосе. Для реализации этого вь!барку дискретных значений для соответствующих частотных полос производят со смещением: для самого высокочастотного М -го диапазона выборка начинается с 0-го отсчета, для следующего (N-1)-го — с 1-ro отсчета, для (N-2)-го — с . 3-го и т.д.

В общем епучае для К-го диапазона (К<К) выборка начинается с (2 -1)-го

Я-К+1 отсчета и идет с периодом 2 дискрет. Алгоритм выборки дискретных значений прореживанием по времени со смещением иллюстрируется фиг.2, где е - исследуемый непрерывный сигнал на входе аналого-цифрового преобразо. вателя; Ъ вЂ” сигнал после дискретизации, здесь же показана принадлежность дискретных отсчетов к О-му, 1-му, 2.-му, 3-му диапазонам анализа; с, d, е, f ; дискретные последова" тельности„ относящиеся соответственна к 3-му, 2-му, 1-му и 0-му частотным диапазонам.

Как видно из фиг.2, частота. дискретизации для различных диапазонов оказывается различной и отличается в два раза для смежных частотных полос, так же каки значение их среднегеометрических частот и границ диапазонов.

В устройстве для фильтрации сигнала в нескольких частотных диапазонах с помощью одного цифрового фильтра используется тот известный факт, что полоса пропускания и центральная частота фильтра изменяются с изменением тактовой частоты его работы, что происходит при использовании указанного метода прореживания. Для паласовой

С выхода АЦП 2 дискретный отсчет, 45 соответствующий, например, К-му диапазону (КЕtO„N)) поступает через вход коммутатора 3 на информационный вход блока 4 памяти. При этом блок

8 синхронизации через соответствующий выход разрешает коммутатору 3 такую передачу входного отсчета, через соответствующий выход адресует этот отсчет в область хранения входных отсчетов блока 4 на место самого

"старого" из tn хранимых в ней значе- ний входных отсчетов (в — порядок цифрового фильтра нижних частот).

Затем по сигналам блока 8 синхрони3

10953 фильтрации во всех диапазонах в этом случае требуется всего лишь один набор коэффициентов фильтра, что ведет к высокой идентичности обработки в различных частотных полосах. 5

Снижению частоты выделения дискретных отсчетов (что фактически происходит при "сортировке" дискрет по частотным диапазонам) должна предшествовать и соответствующая низкочастотная 1О фильтрация, чтобы избежать искажений, вызываемых эффектом наложения. Для этого в предлагаемом устройстве каждый дискретный отсчет подвергается сначала низкочастотной фильтрации, 15. а затем уже полосовой фильтрации.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый сигнал (изменяющееся в широком диапазоне частот напряже- 20 ние) поступает на вход фильтра 1 нижних частот, работающего в качестве фильтра предварительной выборки и подавляющего высокочастотные составляющие, присутствие: которых могло 25 бы привести к искажениям из-за проявления эффекта наложения в процессе выборки дискретных значений в АЦП 2.

Частота среза Е фильтра 1 соответствует верхней границе ер самого высокочастотного диапазона N анализа.

С выхода фильтра 1 аналоговый сигнал поступает в АЦП 2, частота дискретизации которого задается из блока 8 синхронизации и составляет

=2.оЮ =2п Е . (4-) аип сР

Двухкратное завышение частоты дискретизации АЦП 2 диктуется используемым в устройстве методом прореживания40 .по времени входных отсчетов со смещением, сущность которого изложена Sbmre, 57 6 зации иэ блока 4 памяти последовательно считываются и передаются на первый информационный вход умножителя 5 все п отсчеуов входной величины. Одновременно по сигналам блока 8 синхронизации из блока постоянной памяти 9 коэффициентов последовательно и синхронно с входными отсчетами поступают на соответствующий вход умножителя 5 rn коэффициентов фильтра нижних частот с соответствующей данному К-му диапазону частотой среза.

По сигналам с соответствующих выходов блока 8 синхронизации умножитель 5 и накапливающий сумматор 6 выполняют обработку поступающих входных отсчетов и коэффициентов в соответствии со структурой выбранной прямой формы нерекурсивного (трансверсального) фильтра. Реализация данной структуры и алгоритма в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом. Первый из отсчетов, поступающих на соответствующий вход умножителя 5 с выхода блока 4 памяти, умножается на значение первого коэффициента, поступающего с выхода блока

9 постоянной памяти коэффициентов.

Полученное в умножителе 5 произведение поступает в накапливающий сумматор б. Затем производится перемножение значений второго отсчета и второго коэффициента и полученное произведение суммируется со значением, хранимым в накапливающем сумматоре 6, далее обрабатывается третья пара и r.ä. Полученное в сумматоре 6 отфильтрованное значение с выхода последнего подается на соответствующий вход коммутатора 3. E данном случае на управляющий вход коммутатора 3 с соответствующего выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал, вызывающий передачу информаций с этого входа. коммутатора 3 на информационный вход блока

4 памяти. На управляющий вход последнего с соответствующего выхода блока

8 синхронизации подается сигнал, вызывающий запись поступившего отсчета в область памяти, соответствующую данному К-му полосовому частотному диапазону,на место самого "старого" из хранящихся в ней отсчетов, который при этом пропадает (0 — порядок полосового фильтра) .

Затем по сигналам блока 8 синхронизации из данной области памяти по7 10953 следовательно считываются и передаются на соответствующий вход умножителя 5 все 1 хранимых значений. Одновременно по сигналам, поступающим с соответствующего выхода блока 8 на вход блока 9 постоянной памяти коэффициентов, из последнего считываются и последовательно, синхронно с Р, отсчетами подаются на соответствующий вход умножителя 5 1 коэффициентов 10 полосового фильтра. Умножитель 5 и накапливающий сумматор 6 по сигналам блока 8 синхронизации аналогично описанной выше процедуре низкочастотной фильтрации выполняют вычисление зна- 15 чения выходного отфильтрованного от-счета, которое с выхода накапливающего сумматора 6 подается на вход коммутатора 7. На управляющий вход последнего с соответствующего выхода 20 блока 8 синхронизаций поступает сиг-, нал, по которому отфильтрованный отсчет передается на один из выходов

57 8 коммутатора 7 (в соответствии с данным К-м диапазоном),и передается на дальнейшую обработку.

Затем по сигналу, поступающему с соответствующего выхода блока 8 синхронизации, AUII 2 срабатывает снова и новый дискретный отсчет, соответствующий теперь уже Й -му частотному каналу (Ре(0 Nj), начинает обрабатываться в устройстве. Цикл обработки его аналогичен описанному выше, новыми являются лишь набор коэффициентов фильтра нижних частот,. поступающий из блока 9 постоянной памяти коэффициентов в умножитель 5 и адреса, задаваемые из блока 8 синхронизации в блок 4 памяти и коммутатор 7.

Таким образом, данное устройство обладает расширенными функциональными возможностями, заключающимися в многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов.

1095357

АЦП2

proweymuTldpg

Кдмау 4 ааияти

g Ющьгу У пдсптяннай пвюти

/граспредглип юю 7

)(д)чимияелю 5

ff gHNQ РУРрф б

u()

u() г()

v()

Составитель А. Баранов

Редактор И. Дылын Техред В. Далекорей Корректор С. Пыжова

Заказ 3620/40 Тираж 862 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и,открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Финна.я 1ПП! "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4