Устройство для цифровой фильтрации

 

Изобретение относится к вычислительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия. Устройство содержит фильтр 1 нижних частот, АЦП 2, коммутаторы 3 и 7, блок памяти 4, умножитель 5, накапливающий сумматор 6 , блок синхронизации 8, блок постоянной памяти 9 и мультиплексор 10. В устройстве осуществляется октавный частотный анализ с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов, отличающихся в два раза. Использован метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением. Цель достигается введением мультиплексора 10, определяющего с какого блока коммутируется исходная информация: с выхода блока памяти 4 или с выхода умножителя 5. При этом умножитель 5 и сумматор 6 по сигналам блока синхронизации 8 выполняют обработку в соответствии со структурой, выбранной прямой формы нерекурсивного полосового фильтра. Даны ил. выполнения коммутатора 3, блока синхронизации 8 и мультиплексора 10. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК аю <ю (51)4 Н 03 Н 17/04 цт Г, Е11Е и 1 .1 .:

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОсудАРстВенный кОмитет по изОБРетениям и ОТКРытиям

riPM ГКНТ СССР

1 (61) 1095357 (21) 4298115/24-09 (22) 06.07.87 (46) 30.05.89. Бюл. № 20 (71) Институт технической кибернетики АН БССР (72) В.Е.Куконин, С.Н,Демиденко, В.И.Петько и Г.Н.Кошик (53) 681.32(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1095357 кл. H 03 Н 17/04, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ (57) Изобретение относится к вычислительной технике. Цель изобретения повышение быстродействия. Устройство содержит фильтр 1 нижних частот, АЦП

2, коммутаторы 3 и 7, блок памяти 4, умножитель 5, накапливающий сумматор 6, блок синхронизации 8, блок по2 стоянной памяти 9 и мультиплексор 10.

В устройстве осуществляется октавный частотный анализ с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов, отличающихся в два раза. Использован метод прореживания входных о-.счетов по времени со смещением. Цель достигается введение;1 мультиплексора 10, определяющего с какого блока коммутируется исходная и:.формация: с выхода блока памяти 4 или с выхода умножителя 5. При зтом умножнтель 5 и сумматор 6 по сигналам блока синхро,;;:-;r низации 8 выполняют обработку в соот- g ветствии со структурой, выбранной прямой формы нерскурсивног0 полосового фильтра. Даны ил. выполнения коммутатора 3, блока синхронизации 8 и мультиплексора 10. 5 ил.

1483606

Устройство для цифровой фильтрации предназначено для частотного анализа с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов, отличающихся в два раза, т.е. 50 ср.v ср- н Еерк н 8еркн н к- 1 и

М-1

2 нн н.

N-1 Ю ннк,н.

N ср. н где f

55 среднегеометриастоты N-го диазначение ческой ч пазона;

Ьерх н

N э

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в устройствах многодиапазонного частотного анализа сигналов с постоянной относительной шири5 ной полос пропускания и является усовершенствованием изобретения по авт. св. Ф 1095357.

1(ель изобретения — повышение бы— l0 стродействия (при использовании в полосовых фильтрах передаточной функции с симметричными весовыми коэффициентами).

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для щ фровой фильтрации; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства для цифровой фильтрации; на фиг,3 — пример реализации блока синхронизации; на фиг.4 и 5 примеры реализации мульти тлексора и первого коммутатора соответственно.

Устройство для цифровой фильтрации содержит фильтр 1 нижних частот, ана- 25 лого-цифровой преобразователь (АЦП)

2, первый коммутатор 3, блок 4 памяти, умножитель 5, накапливающий сумматор 6, второй коммутатор 7, блок 8 синхронизации, блок 9 постоянной па- 30 мяти, мультиплексор 10.

Блок 8 синхронизации содержит генератор 11 тактовых импульсов, счетчик 12, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13, элементы задержки

14-1... 14-3 и элементы И 15-1...

15-7.

Мультиплексор 10 содержит инвертор 16, элементы И-ИЛИ 17, элемент задержки 18, регистр 19.

Первый коммутатор 3 содержит мультиплексор 20, элемент задержки 21, регистр 22. не частота дискретизации равна соответственно и Ркн /2, в (N-2)-ом— верх н

n. f /4 и т,д,, где п — число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое для преобразования его без искажений (п >< 2).

Если каждый дискретный отсчет использовать для фильтрации сигнала только в одном, соответствующем ему частотном диапазоне, то суммарное количество дискрет в единицу времени, необходимое для анализа сигнала в частотных диапазонах, равно сумме геометрической прогрессии

— N 1 М °

1 ьерк н 1 6рркн (2)

Так как сумма (2) не превосходит перхн величины 2п К >, а лишь асимптотически приближается к ней с ростом N и если частота дискретизации состав ляет

Ьернн

fВцп =- 2n fм (3) то возможен частотный анализ в N непересекающихся частотных диапазонах с постоянной относительной шириной полос. Здесь каждое второе значение участвует в фильтрации в самом высокочастотном N-ом диапазоне, каждое четвертое — в более низкочастотном (N-1)-ом диапазоне, каждое восьмое в (N-2)-ом и т.д., причем каждый дискретный отсчет участвует в обработке только в одной, соответствующей ему частотной полосе. Для реализации этого, выборку дискретных значений для соответствующих частотных полос производят со смещением:-для самого высокочастотного И-го диапазона выборка значения верхней и нижней граничных частот N-го диапазона.

Примером такого анализа может служить октавный частотный анализ, В устройстве использован метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением. Рассмотрим сущность его.

Из выражения (1) с учетом теоремы отсчетов следует, что частота дискретизации, необходимая для анализа сигнала в N-ом частотном диапазоне, сос8еркн тавляет и f „ (N-1)-ом диапазо5 14836 начинается с О-га отсчета, д.тя следующего (N 1)-гс с 1-га отсчета, для (N-2)-го — с 3 † и т.д. В общем случае для К-га диап",»n»à (К 6 N) выбор. и- .5 ка начинается с (2 — 1)-га отсчета и- IC 4-1 и идет с периодам 2 дискрет. Алгоритм выборки дискретных значений прорежива»ием по времени со смещением иллюстрируется фиг.2: на фиг.2а исследуемый сигнал на выходе аналогоцифрового преобразователя на фиг.2hсигнал после дискретизации, здесь же .показана принадлежность дискретных отсчетов к О-му, 1-му, 2-му, 3-му диапазонам анализа, на фиг.2с, 2d, 2е, 2f показаны дискретные последовательности,, относящиеся соответственно к З-му, 2-му, 1 — му и О-му частстным диапазонам. Как видно из фиг ° 2, частота дискретизации для различных диапазонов оказывается различной и отличается в два раза для смежных частотных полос, так же как и значения их среднегеометрических частот и границ 25 диапазонов.

Для фильтрации в нескольких частотных диапазонах с помощью одного цифрового фильтра используется тат известный факт, что паласа пропускания и центральная частота фильтра изменяются с изменением тактовой частоты ега работы, что происходит при прореживании, используемом в предлагаемом устройстве. Для паласовой, фильтрации во всех диапазонах в этом случае требуется всего лишь один набор коэффициентов фильтра, что ведет к высокой идентичности обработки в различных частотных полосах. Кроме

40 того, в предлагаемом устройстве фазовые характеристики паласовых фильтров являются нулевыми, что приводит к симметрии коэффициентов фильтра относительно центрального коэффициента.

Необходимо отметить, что снижению

45 частоты выделения дискретных отсчетов должна предшествовать и соответствующая низкочастотная фильтрация, чтобы избежать эффекта наложения.

Для этого, в предлагаемом устройстве каждый дискретный отсчет подвергается сначала низкочастотной фильтрации, а затем паласовой.

Устройство для цифровой Аильтрации работает следующим образом.

Исследуемый аналоговый электрический сигнал поступает на вход фильтра 1 нижних частот, работающего в

Об 6 качестве фильтра препвариталь»ой выборки и подавляющего высокочастотные. сс ñòà вля>ошие, присутствие каторльк могло бы привести к эАфекту »алажения в процессе выборки д::скретных значений в ЛЦП 2. Частота среза фильтра 1 соатветствует верхней I.pB веехн нице f „, самого высокочастотного диапазон". анализа. С выхода фильтра

1 аналоговый сигнал поступает в АЦП

2, частота дискретизации которого задается из блока 8 синхронизации и составляет (4) где йЪ 2.

С выхода ЛЦП 2 дискретный отсчет, соатветству>>щий. на»ример, К-му диапазону (К Е $0, 1,..., 11}), поступает через первый вход первого коммутатора 3 на информационный вход блока памяти. При этом блок 8 синхра»изации через соответствующий (шестай) выход разрешает первому коммутатору 3 такую передачу входного отсчета и через соответствующий (второй) выход адресует этот отсчет в область хранения входных отсчетов блока 4 памяти на место самого "старого" из m хранимых в ней значений вход».,;х отсчетов (m — порядок фильтра »иж»их частот). Затем по сигналам блока 8 синхронизации из блока 4 »амятн последовательно считываются и передаются на первый информационный вход умножителя 5 все m атсчетсв вхсднога сигнала. Одновременна па сигналам блока 8 синхронизации пз блока 9 IIocледовательна и си»храп>1о са входными отсчетами поступают на второй информационный вхац умнажителя 5 т коэффициентов фильтра ниж»их частот с соответствующей данному К-му диапазону частотой среза.

По сигналам с соответствующих выходов блока 8 синхронизации умнажитель 5 и накапливающий сумматор 6 выполняют обработку поступающих входных отсчетов и коэААициентав в соответствии со структурой, выбранной прямой формы нерекурсивнога фильтра.

Реализация данной структуры и алгоритма в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом. IJepвый из отсчетов, поступающих на первый информационный вход умнажителя 5 с выхода блока 4 памяти, умножается на значеиие первого коэффициента, поступающего с выхода блока 9.

1483606

i0 рес, по которому производится запись промежуточного произведения в блок 4 памяти, и адрес, по которому выполняется считывание самого "старого промежутачнага произведения из храня5 щихся во второй области гамяти, относящейся к обрабатываемому К-му частотному диапазону, После того, как подобная обработка произойдет со все- 10 ми 1/2 отсчетами, в накапливающем сумматоре 6 получается отсчет отфильтрованного сигналя в К-м частотном диапазоне. Данное значение с выхода накапливающего сумматора 6 подается на вход коммутатора 7. На управляющий вход последнего с седьмого выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал, по которому отфильтрованный отсчет передается на выход второго кам- 20 мутатора, 7, соответствующий данному

К-му диапазону, и передается на дальнейшую обработку.

Затем па сигналу, поступающему с соответствующего выхода блока 8 син- 25 хронизации, AIUI 2 срабатывает снова и новый дискретный отсчет, соответствующий теперь уже R-му частотному каналу (R б $0, 1, ..., И)), начинает обрабатываться в устройстве. 11икл об- 30 ряботки ега аналогичен описанному выше, новыми являются лишь набор коэффициентов фильтра нижних частот, поступающий из блока 9 в умнажитель

5„ и адреса, задаваемые из блока 8 синхронизации в блок 4 памяти и второй коммутатор 7.

Функционирование блока 8 происходит следующим образом, Генератор 11 генерирует последовательность импульсов частотой f

Рассмотрим прохождение одного из импульсов этой последовательности. С . выхода генератора 11 он поступает на счетный вход кольцевого адресного

45 счетчика 12 и увеличивает хранящийся в.нем код на единицу. С выхода счетчика 12 числовой код поступает на ад ресные входы АО-АК ПЗУ 13. Кроме того, импульс с выхода ГТИ 11 поступает через элемент 14-1 задержки на тактовый вход С считывания ПЗУ 13 синхронно с поступлением информации на адресные входы последнего, Б управляющем слове, получаемом на выходе ПЗУ 13 в соответствии с поступившим адресом, отдельным блокам устройства отведены числовые поля соответствующей разрядности. С выхода элемента задержки 14-1 импульс поступает также на вход элемента 14-2 за— держки, величина задержки ня катарам равна времени срабатывания ПЗУ 13, С выхода элемента 14-2 задержки импульс поступает на вторые входы элементов И t5-1... 15-7, к первым входам которых подключены 1-й, З-й, m+2"й, j+1 й, d+1 é, 2-й, 1-й выходы числовых полей P L N S Т, К, М соответственно. Значение каждого из этих разрядов определяет включение в работу соответствующего блока для . цифровой фильтрации. Например, при необходимости выполнения аналого-цифрового преобразования значения сигнала, задаваемое в выходном слове ПЗУ

13 на выходе 1 поля R равно 1, и тогда, поступивший с выхода элемента

14-2 задержки импульс, через схему

И 15-1 поступает на вход запуска АЦП

2 и инициирует выполнение дискретизации и аналого-цифровага преобразования последним. Аналогично производится синхронизация включения и остальных блоков устройства. Укажем назначение остальных выводов числовых полей, cooTBPTcTBvKLJHõ блокам устройства для цифровой фильтрации. 1..1 и L,? выходы поля задают адрес входа первого коммутатора 3, подключаемого ня вход блока 4 памяти (L = 00 — подключается выход АЦП " L = О1 — подключается выход умнажителя 5 и 1. = 10подключается выход накапливающего сумматора 6). Разряды N.1-N m поля N задают адрес информации, записываемой или считываемой из .блока 4 памяти, а значение N(m+1)-го разряда определяет: запись производится или считывание (N.(m+1) = 0 — запись, N.(m+1) = 1 — считывание) . Выходы (S 1-Sj) поля S определяют адрес, по которому производится считывяние информации из блока 9, значения Т.1—

Т.d разрядов поля Т определяют номер выхода устройства (намер октавы), на который выдается из накапливающего сумматора 6 найденный атфпльтра" ванный отсчет через второй коммутатор 7. Выход элемента И 15-7 подключен к входу синхронизации умнажителя 5 и, кроме того, подан ня вход элемента 14-3 задержки. Последний задерживает импульс с выхода элемента И 15-7 на величину tJ, равную времени, необходимому;;ля псремнаж»вЂ” ния отсчета и коэффициента в умнажи1483606

1 2 Ю Ф Х Е 7 6 8 fy fg12а 1Ô теле 5 и прохождения сигнала через мультиплексор 10. С выхода элемента

14-3 задержки импульс поступает на вход синхронизации накапливающего сумматора 6.

Мультиплексор 10 работает следующим образом.

Исходная коммутируемая информация поступает с выхода блока 4 и умножи теля 5. На вход адреса К. 1 поступает сигнал, определяющий, с выхода какого блока коммутируется информация (?

= 0 — коммутируется информация с выхода блока 4, L = 1 — с выхода умножителя 5). По сигналу стробирования

С, задержанному на элементе 18 задержки, информация записывается на регистр 19. Величина задержки выбрана таким образом, чтобы сигнал записи приходил на регистр 19 к моменту наличия на его информационных входах данных.

Первый коммутатор 3 работает следующим образом.

По адресным входам 1. 1 и L.2 от блока 8 поступает сигнал, определяющий, с какого входа информация подается на вход регистра 22, а по входу L,3 от блока 8 поступает строби5 рующий сигнал, который стробирует поступающую информацию ".а входе мультиплексора 20 и через время, необходимое для прохождения через него данных и формируемое элементом 21 зао держки, записывается в регистр 22, Формула изобретения устройство для цифровой фильтрации по авт. св. N - 1095357, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, выход умно-, жителя подключен к входу накапливающего сумматора через введенный мультиплексор, второй вхоп которого соединен с выходом блок-- памяти,. причем управляющий вход мультиплекссра подключен к восьмому выходу блока синхронизации, а. выход умножи; еля соединен с третьим входом перв го коммутатора.

1483 606 ЦРГ

aep&ny

ngmamupg 3 к Ьвку9

/74ЧФМЮ

<и Ьчпрй у

nepvpumupg 7

Рф ЯФЛ71/8 Д N ку иожителю1

К НПСППЛУ° Яющгиу egn гетру б

isussos

148:3606

Составитель С.Иузычук

Техред М. Ходанич Корректор О,Кравцова

Pедактор Н.Киштулинец

Заказ 2850/54 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101