Нерекурсивный цифровой фильтр

 

НЕРЕКУРСИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь , первый коммутатор и регистр сдвига, ш-разрядный выход которого подключен .к второму входу первого коммутатора, выходной сумматор, постоянное запоминающее устройство и формирователь управляющих импульсов, первый выход которого соединен с входами управления аналого-цифрового преобразователя, первого коммутатора и входом,установки выходного сумматора , второй выход формирователя управляющих импульсов подключен к вхот ДУ управления регистра сдвига; а третий выход формирователя управляющих импульсов соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, отличающийся тем, что. С целью повышения быстродействия , в него введены m дополнительных сумматоров, первый и вторые входы управления, входы установки и информационные входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов регистра сдвига, второму и перi вому выходам формирователя управляющих импульсов и выходу постоянного (Л запоминакидего устройства соответственно, второй коммутатор, включенный между выходами m дополнительных сумматоров и входами выходного сумматора , вход управления которого объединен с входом управления второго коммутатора и подключен к четвертому выходу формирователя управляющих импульсов . (;о 4

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИН (! 9) (I I) (5()4 Н 03 Н 17/06 ф1 «. ;.«««\;«r,q

1 (3,"

RH, (.,;ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3589069/24-09 (22) 11.05.83 (46) 07.08.85. Бюл. )(- 29 (72) В.В.Светличный. (53) 62 1.372.544(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 669476, кл. Н 03 Н 17/06, 1977.

Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., "Мир", 1978, с. 598, фиг.9.2. (54) (57) НЕРЕКУРСИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ

ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, первый коммутатор и регистр сдвига, m-разрядный выход которого подключен.к второму входу первого коммутатора, выходной сумматор, постоянное запоминающее устройство и формирователь управляющих импульсов, первый выход которого соединен с входами управления аналого-цифрового преобразователя, первого коммутатора

I и входом, установки выходного сучматора, второй выход формирователя управляющих импульсов подключен к вхо-. ду управления регистра сдвига; а третий выход формирователя управляю" щих импульсов соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены m дополнительных сумматоров, первый и вторые входы управления, входы установки и информационные входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов регистра сдвига, второму и первому выходам формирователя управляющих импульсов и выходу постоянного запоминающего устройства соответственно, второй коммутатор, включенный между выходами m дополнительных сумматоров и входами выходного сумматора, вход управления которого объединен с входом управления второго коммутатора и подключен к четвертому выходу формирователя управляющих импульсов.! 1171

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации.

Цель изобретения — повьш)ение быстродействия. 5

На фиг. 1 и 2 приведена структурная электрическая схема нерекурсивного цифрового фильтра," на фиг.3— диаграммы его работы; на фиг.4 структурная электрическая схема фор- 1О мирователя управляющих импульсов",на фиг.5 - диаграммы работы формирователя управляющих импульсов °

Нерекурсивный цифровой фильтр со-. . Держит аналого-цифровой преобразова- 15 тель (ЛЦП) 1, первый коммутатор 2, регистр 3 сдвига, формирователь 4 управляющих импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), m дополнительных сумматоров б, второй ком-р0 мутатор 7 и выходной сумматор 8.

Нерекурсивный цифровой фильтр по укрупненной блок-схеме (фиг.2) содержит AIUI 1, m условных нерекурсив- >5 ных цифровых фильтров (НЦФ) 9, третий коммутатор 10, m умножителей 11 и выходной сумматор 8, Формирователь 4 управляющих импульсов содержит генератор 12 импульсов, первый, второй и третий делители 1315 частоты, дешифратор 16, первый и второй элементы И 17 и 18.

НЦФ работает следующим образом.

На фиг,З обозначены непрерывный З5 входной сигнал X(t) и сигнал Х(пТ), где n=0 1,2,..., полученный путем дискретизации и квантования сигнала

X(t) через равные промежутки времени

Т и округления доближайшего разрешен- 40 ного уровня. U — наименьший шаг квано тования по амплитуде.

На фиг.36,5, g, представлено преобразование аналогового сигнала X(t) аналого-цифровым преобразователем I в45

m-разрядные двоичные числа. Для наглядности ограничимся четырьмя разрядами АЦП 1, при этом фиг.З о соответствует первому (младшему); фиг.3 5в второму, фиг.З g — третьему, фиг.3 — 50 четвертому (старшему) разрядам выхода

АЦП, На фиг.38,@,p и показана аппроксимация сигнала X(nT) суммой импульсов, отношение амплитуд которых кратно 2, Минимальная амплитуда импульсов равна U — наименьшему шагу квантования б входного сигнала (фиг,Зд).

994 2

На отрезке -б -игнал Х(пТ) аппроксимируется одним импульсом, амплитуда которого равна Uo (фиг.3 6); на отрезке t>-t > — импульсом с амплитудой 2Uo (фиг.3a), на отрезке суммой двух импульсов с амплитудами

Uо (фиг. 36) и 2Vo (фиг.Зж) и т.д., на отрезке t<-tg — суммой трех импульсов с амплитудами Uo (фиг.Зе), 2Uo (фиг.Зж) и 4 Uo (фиг.Ç ), на отрезке t -t — импульсом с амплитудой 8

& 9

U< (фиг.Зи).

Поскольку процесс фильтрации линейный, то профильтровав отдельными условными нерекурсивными цифровыми фильтрами 9,.(фиг.2), частотные и фазовые характеристики которых одинаковы, каждую иэ импульсных последовательностей (фиг.Зе,e,, u) и складывая в моменты t=nT выходные реакции условных НЦФ 9, получим полную реакцию

Y(nT) на входной сигнал Х(пТ), аналогичную свертке отсчетов входного сигнала с коэффициентами импульсной характеристики

Y(nT)= K а Х(пТ-1Т) (1) с

Таким образом, отсчет выходного сигнала в общем виде

Y(nT) =Y, (nT)+Yг (nT)+ .. +Y„(пТ), (2) где Y„ (nÒ) — реакция одного из условных НЦФ 9 в момент времени t nT на

j.-импульсную последовательность (фиг.Зе,,p,u).

Из сравнения диаграмм на фиг.Зо и фиг.38, на фиг.3 3 и фиг.З», на фиг. 3 g иH ф иHг, 3), на фиг. 3 ) и фиг. Зц видно, что сигналы на этих диаграммах отличаются только амплитудами импульсов. Если принять амплитуду сигналов с выходов ЛЦП равной Uo то соотношение амплитуд кратно 2.

Поэтому отсчет Y(nT), аналогичный выражению (1), на входную последовательность Х(пТ) с учетом выражения (2) можно получить путем сложения реакций в моменты t=nT отдельных (одинаковых) нерекурсивных цифровых фильтров на импульсные последовательности (фиг.3,5,g, ) с соответствующими весами. Веса определяют из отношения амплитуд импульсов с выходов разрядов АЦП 1 (фиг.ЗГ,(,<,)) и соответствующих аппроксимирующих импуль сов (фиг.ЗЕ,ж,g,u) 1171994

Таким образом ф lf %

7 (пТ) 7„(пТ)+7 (n T) ° 2+7 (n T) ° 4+

+7 (пТ)е8 (3)

4 .где 7 (nT) - реакция первого условного НЦФ 9.1 в момент времени t=nT va импульсную последовательность (фиг.З ) с выхода первого (младшего) разряда АЦП 1 (фиг,2), Yf(nT) — реакция второго условного НЦФ 9,2 в момент времени tmT ua импульсную последовательность (фиг.Зй) с выхода второго разряда

АЦП 1 °

Y (пТ) - реакция третьего условно- 15

ro Н Ф 9.3 в момент времени пТ на импульсную последовательность (фиг.32) с ныхода третьего разряда

АЦП 1, 7"(пТ) - реакция четвертого услов- 20 ного НЦФ 9.4 в момент времени t=nT на импульсную последовательность (фиг.З ) с выхода четвертого (старшего) разряда АЦП 1.

Поскольку отсчеты сигнала каждого 25 разряда АЦП 1 для условных нерекурсивных цифровых фильтров 9.m (фиг.З) принимают только два значения 1 или

О, то операции умножения в НЦФ вырождаются и вычисление дискретной сверт- 30 ки для каждого входного сигнала (разряда АЦП 1) и коэффициентов НЦФ по формуле (1) осуществляется путем суммирования тех коэффициентов фильтра

ag, сомножители (отсчеты входного сиг- З5 нала) у которых равнМ 1. Согласно (3) сигналы 7 (пТ) с выхода i-ro условного НЦФ 9.m суммируются с разными весами (фиг.2). Но поскольку веса .соответствуют числам 2 (где m— я-1

40 разряд выхода АЦП !), то, следовательно, взвешивание сводится к сдвигу (в сторону увеличения) выходного сиг.нала соответствующего условного НЦФ . 9.ш на (ш-1) разрядов. Выходной от- .4> счет Y(nT) получается суммированием в накапливающем выходном сумматоре 8 взвешенных реакций НЦФ в моменты

twT.

Поскольку такая реализация требу- Sp ет идентичности характеристик услов ных НЦФ 9.m то для хранения коэффициентов фильтров достаточно использовать одно ПЗУ.

Следовательно, вычисление дискрет-55 ной свертки,.соответствующей выраже нию (1), осуществляется лишь с помощью операции суммирования.

В работе нерекурсивного цифрового : фильтра можно выделить два режима: режим записи отсчета входного принимаемого сигнала Х(пТ) в регистр 3 сдвига и установки в начальное состояние дополнительных сумматоров 6. 1-6.m u выходного сумматора 8, и режим вычисления отсчета выходного сигнала

Y(nT) методом дискретной свертки N отсчетов нходного сигнала, хранящихся в регистре 3 сдвига, и коэффициентовфильтра а, хранящихся в ПЗУ 5.

Запись отсчета входного сигнала

X(nT) и установка в начальное состоя" ние составных частей НЦФ произнодится следующим образом.

Непрерывный сигнал X(t) поступает на информационный вход АЦП 1, вход управления которого соединен с первым выходом формирователя 4 управляющих импульсов.

Под воздействием импульса с перво го выхода формирователя 4 (фиг.5e) в момент времени t=nT АЦП 1 производит преобразование выборочного эначе» ния амплитуды принимаемого сигнала (X(nT) н m-разрядное двоичное число, которое через первые входы первого коммутатора 2 поступает на информационные входы регистра 3 сдвига.

Запись отсчета входного сигнала в регистр 3 сдвига происходит под воздействием поступающего на его (сдвиговый) вход управления импульса с второго выхода формирователя 4 (фиг.5о, нулевой импульс), по времени совпадающего с импульсом с перво.

ro выхода формирователя 4 (фиг.5g).

Импульсами с первого выхода формирователя 4 (фиг.5ol), следующими в моменты времени =nT производится установка по входам установки дополнительных сумматоров 6.1 — 6.тп и выход-. ного сумматора 8 н начальное (нулевое) состояние.

На этом режим записи отсчета входного сигнала заканчивается.

После окончания импульса с первого выхода формирователя 4 выходы регистра 3 сдвига подключаются к его. информационным входам через вторые входы первого коммутатора 2, что обеспечивает круговой сдвиг информации в регистре 3 сдвига.

Режим вычисления отсчета выходного сигнала Y(nT) осуществляется между записью в регистр 3 сдвига смежных отсчетов входного сигнала Х(пТ) и

1171994

К ((и+1)Т) методом дискретной свертки Й отсчетов входного сигнала„ хранящихся в регистре 3 сдвига и М коэффициентов фильтра а, хранящихся в ПЗУ 5.

Для этого формирователь 4 импульсов управления на втором выходе формирует серию из N импульсов (фиг.S импульсы 1,2,...,N) которые посту- 10 пают на вход управления (сдвига) ре- . гистра 3 сдвига, чем обеспечивается круговой сдвиг информации по принци-. пу, когда каждый выходной сигнал под тактом записЫвается на вход, и 15 на вторые входы управления дополнительных сумматоров б. 1-6.m. При этом кащ ьпr разряд выхода регистра 3 сдвига соединен с первым входом.управления соответствующего дополнительного 20 сумматора 6 ° 1-6.m.

Одновременно на третьем выходе формирователя 4 управляющих импуль"сов в двоичном коде формируются адресные P-разрядные числа от О до 25

N- 1, которые управляют выборкой ПЗУ

5 по соответствующим адресным P-выходам. При этом S выходов ПЗУ 5 соединены с информационными входами дополнительных сумматоров 6.1-6.m, 30

Под воздействием сигналов формирователя 4 с выхода регистра 3 сдвига последовательно выводятся m-разрядные отсчеты входного сигнала на соответствующие первые входы управле- 35 ния дополнительных сумматоров 6. 1-6.m, а иэ ПЗУ 5 последовательно считываются S-разрядные коэффициенты фильтра а на информационные входы дополнительных сумматоров 6.1-.6.m. Если сиг-40 нал разряда отсчета входного сигнала, поступающий на первьп вход управления соответствующего дополнительного сумматора 6.1-6.m, имеет значение 1, то коэффициент фильтРа, поступающий на 45 информационный вход дополнительных сумматоров 6.1-6.m, под тактом, поступающим на вторые входы управления дополнительных сумматоров 6.1.=6.m, складывается с ранее вычисленной сум- 0 мой. Если сигнал разряда отсчета равен О, то сложение не производится и сумма в дополнительных сумматорах

6. 1-6.тп на этом такте не изменяется.

Таким образом за N тактов суммы, накопленные в каждом из дополнительных сумматоров 6.1-6.m соответству- ют дискретной свертке N коэффициентов фильтра а и сигналов одного из разрядов М отсчетов входного сигнала )((g.

После этого вычисляется отсчет выходного сигнала Y(nT) путем сложения с определенными весами полученных сумм в дополнительных сумматорах 6. 1Ю- б.m. Вес каждой из сумм равен 2 где m — разряд в отсчете входного сигнала Х(пТ), которым соединены пер" вые входы управления дополнительных сумматоров 6. 1-6.m. Под воздействием

m тактов с четвертого выхода формирователя 4 (фиг.5 5) на вход управления второго коммутатора 7 происходит поочередная коммутация накопленных сумм с выходов дополнительных сумматоров б. 1-б.m через соответствующие входы второго коммутатора 7 на вход выходного сумматора 8. При этом коммутация разрядов с m выходов m дополнительных сумматоров б.m производится со сдвигом на (m-1) относительно одноименных разрядов выходного сумматора 8, Этим достигается увеличение числа с выходов m дополнительных сумматоров б.m щ-1 в 2 раза. Так, число с дополнитель" ного сумматора 6.1 поступает на вход выходного сумматора 8 беэ изменения.

Число с дополнительного сумматора 6.2 поступает на вход выходного сумматора 8 увеличенным в 2 раза. Число с дополнительного сумматора 6.3 увеличивается в 4 раза. Число с выхода до полнительного сумматора б.m увеличиЩ-1 вается в 2 раз.

Под m тактами с четвертого выхода формирователя 4 на вход управлений выходного сумматора 8 происходит накопление суммы чисел с выходов дополнительных сумматоров 6.1-б.m.

Полученная таким образом сумма соответствует отсчету выходного сигнала

Y(nT) (дискретной свертке N коэффициентов фильтра и N отсчетов входного сигнала).

После записи очередного отсчета входного сигнала в регистр 3 сдвига процесс по вычислению следующего отсчета выходного сигнала повторяется.

На основании изложенного можно сделать вывод, что быстродействию фильтра, равное

t=Nt +mt<, где m — разрядность отсчета входного сигнала, время сложения двух чисел, существенно повышается.

1 T 71994

1171994

Ж. 7Ид

6<5

< AYp

Ио

Dfq

Ио

1171994

Составитель А.Осипович

Редактор О.Юрковецкая Техред А.Бабинец

Корректор О.Тигор

Заказ 4916/51 Тираж 872

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4