Цифровой фильтр с многоуровневой дельта-модуляцией

 

Изобретение относится к вычислительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия. Цифровой фильтр содержит модулятор 1 многоуровневой дельта-модуляции, сумматоры 2, 3, накапливающие сумматоры 4, 5, блок 7 мультиплексирования, источник 8 логического нуля, блок 9 оперативной памяти, генератор 10 импульсов, счетчики 11, 12, дешифратор 13, блок 14 постоянной памяти, формирователь 15 импульсов и цифроаналоговый преобразователь 16. Благодаря введению накапливающего сумматора 6 и блока 17 управляемых инверторов операция умножения при вычислении свертки заменяется операцией сложения лишь для ненулевых значений коэффициентов импульсной характеристики фильтра. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиа,1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4268574/24-24 (22) 26.06.87 (46) 15.07.89. Ьюл. Ф 26 (72) А.В. Тимченко и В.А. Погрпбн и (53) 621.376.56(088.8) (56) В.А. Погрибной. Бпртовые сиса eв мы обработки сигналов. — Киев: Наукова думка, 1984, с. 86.

Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и о".работки сигналов: Тезисы докладов конференции ° — Рига, 1986, т. 1, с. 362.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1387174, кл . Н 03 Н 17/06, 1986. (54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР С МНОГОУРОВНЕВОЙ ДЕЛЬТА-МОДУЛЯЦИЕЙ (57) Изобретение относится к вычислительной технике. Цель изобретения

„„80„„1494210 А 1 (51) 4 !! 03 Н 17/06, Н 03 М 3/04

2 повышение быстродействия. Цифровой фильтр содержит модулятор 1 многоуровневой дельта-модуляции, сумматоры 2,3, накапливающие сумматоры 4,5, блок 7 мультиплексирования, источник 8 логического нуля, блок 9 оперативной памяти, генератор 10 импульсов, счетчики 11,12, дешифратор 13, блок 14 постоянной памяти, формирователь 15 импульсов и цифроаналоговый преобразователь 16. Благодаря введению накапливающего сумматора 6 и блока 17 управляемых инверторов операция умножения при вычислении свертки заменяется операцией сложения лиШь для ненулевых значений коэффициентов импульсной характеристики фильтра. 2 ил °!

1 м-!

3 149421

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре цифровой фильтрации и спектрального анализа слу5 чайных процессов.

Цель изобретения — повышение быстродействия.

На фиг. 1 приведена функциональная схема цифрового фильтра с многоуровневой дельта-модуляцией (МДМ); на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Цифровой фильтр с МДМ содержит модулятор 1 МДМ, первый 2 и второй

3 сумматоры, первый 4 — третий 6 накапливающие сумматоры, блок 7 мулью! 11 типл е к сир о в а ния, источник 8 0 блок 9 оперативной памяти, г е н ер ат ор 1 0 импул ьс ов, первый 1 1 и вто - 20 ро и 1 2 счетчики, дешифр ат ор 1 3, блок 1 4 постоянной памяти, формир ователь 1 5 импульсов, цифроанало говый преобразователь (ЦАП) 1 6 и блок 1 7 управляемых и нв ертор ов, ан а- 2 5 ло го вый 1 8 и цифровые 1 9 выходы .

Блок 1 7 может быть выполнен на элементах ИСКЛ10ЧА1ЩЕЕ ИЛИ.

Для обеспечения нормальной работы накапливающего сумматора 6 его 3р вход синхронизации и вход обнуления должны быть динамическими: первый инверсным, второй прямым.

Цифровой фильтр работает по следующему алгоритму.

Отсчет выходного сигнала фильтра в привычном формате импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) представляют в виде

М-1 — — !!а. (а

1шО

1 .К !7 ЧУ) )г 1

)а д 1

vk)» (2) чу, ау

У„

1ш 1

Ку /2., Ку(")= 0 той2, (Ку(!-1)/2, Ку = 1 mod2.

Проведем группирование шагов квантования импульсной характеристики по одинаковым значениям и сделаем перестановку сомножителей в формуле для второй разности в цифровой свертке (2) по возрастающим значениям модулей коэффициентов: которые представляются в виде последовательного включения трех накапливающих сумматоров, причем первый из них осуществляет дозированное суммирование M слагаемых по формуле (2) в каждом периоде дискретизации входного сигнала.

Квантующая амплитудная характеристика модулятора МДМ или ДИКИ всегда соответствует одному из двух типов: с центральным подавлением или центральным клиппированием слабых сигналов. Тип характеристики полностью определяется числом уровней квантования Ку(): при нечетном Ку — цент(1 ральное подавление, при чет!.ом Ку()— центральное клиппирование слабых сигналов (2) . В первом случае для некоторых . ) 0 возможно равенство

S(:" =О, а во втором — 5: 0 для лю(.)

1 ! бых i ) О.

Обозначим число уровней квантования импульсной характеристики Ку ()! )

Тогда число различных значений коэффициентов цифрового фильтра (без учета знака) гда (S„" !, г)0, (S !), 1=0,М-1 — шаги квантования сигнала и импульсной характеристики соответственно, М— длина импульсной характеристики.

Последовательности ES „") } и S j представляют собой последовательности шагов квантования соответствующих величин и представлены в формате МДМ или дифферен)в)альной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ).

Вычисление псследовательности )у ) по формуле (1) разделяется на трй последовательных этапа: ч у, = ч(чу) = Q S(") S, (3)

111 где m = mp, m,, ..., m, — последовательность индексов коэффициентов в порядке возрастания их абсолютных значений, т.е. (5() )с < 5( (m;E d(d=0, М1).

Число одинаковых коэффициентов в каждой группе при этом равно К

J а длина импульсной характеристики

1494210

Р

M = 2 К 1., 1,)я получения пс следоваJ= 1 тельности значений (ч у), согласг

5 но (3) достаточно умножить каждое значение шага квантования входного ,(х) сигнала S только на 1 различных значений коэффициентов в каядом периоде дискретизации, а затем соответстгую- 10 щие значения произведений просуммировать. Увеличение длины М импульс— ной характеристики при заданном значении Кц оставляет число 1 неизменным, а отношение 1/М уменьшается, что резко (т.к. 1 (- М для цифровых фильт) Ов с дельта-молуляциеи) сокращает число умножений для получения отсчета выходного сигнала цифрового фильтра с МД)". по формуле цифровой 20 свертки (1).

Однако прямое выполнение операции умножения требует значительных затрат времени и поэтому применение перемножителя для получения указанных произведений нерационально. Поскольку численное значение шага квантования в формате МЩ

lS(Ie (а(а = 1, Ку(У2 i, Зр дпя Ку четного и ,И

l S > t (bib = 0, ENT(K) Ä) для Ку — нечетного (? ), лоследова,() тельность произведений (S S 1.) ) ) для всех j = 1, 1 различных значений модулей коэффициентов в шаровом фильтре получается последовательно путем суммирования значения S 40 накапливающем сумматоре. При суммировании результата умножения по формуле цифровой свертки необходимо учитывать знак произведения для положительных и отрицательных значений ко- 4S эффициентов.

В соответствии с описанным алгоритмом цифровой фильтр работает следующим образом.

Перед началом работы необходимо провести обнуление накапливающих сумматоров 4-6 (на фиг. 1 цепи сброса не приведены), а в блок 9 оперативной памяти занести нулевос значение сигнала, т.е. последовательность (О ). При этом на выходах 18 и 10 устройства устанавливаются нулевые значения выходного сигнала. Такое обнуление необходимо также проводить

lIPlf слУчай))ых г бонх, II;IflPII IPP ни 1, ч гоби llpt fnòlfð;I г))тl 1)акоп )ение

Ошибок в в) )хг дном сигнале фильтра.

Д пустим, что число уровней квантования имп) .II i )I i>lf Х;) р;11. TPp)IC Tff KH четное — Ку ° = = 0 ш >c)2., ()ъ)

В бл1 не 14 пост янног) памяти зов и )сана пос.)ед Вател),)li сть индексов коэффициентсв (11)=п)„,..., m, вмес— те с соответствуB11UII>I дан))ому коэффициенту знаком. Ь) )х .) Il б,.fli ка 14 раздел :.ны на два части, а запис ь f )pi)fnffnдится подряд начиная с нулевого адреса блока 14. В перво и части, соответствующей первь)м выходам блока

1ч, записано конкретное значение индекса m,, i = О, Н-1, а во второй, соответствующей второму выходу блока

14 -знак коэффициент;.1 Е „,; = sign(S „ ). (h) индексы коэффициентов сгруппирова-. ны следующим образом.

Первая группа начинается с индекса т, = min (m }, для которого S =1.

Следующим записывается индекс m m

1 о соответствующий такому же значению (f)

S и т.д., пока в формуле цифровой свертки (1) не исчерпается указанное значение шага квантования. Затем записываются индексы коэффициентов с противоположным знаком начиная с

m; = min(m), для которого S = — 1 и т.д. После этого записываются индексы следуюшей группы, т.е. индексы шагов квантования импульсной характеристики, имеющие значение (Ы (S < 1= 2. Запись индексов повторяется для всех 1 групп с различными значениями (S . !Одновременно во вто,(h)

1 рую часть по соответствующим адресам заносится знак коэффициента: Π— для знака плюс, 1 — для знака минус.

Таким образом, в блоке 14 всего используется М ячеек памяти .

Дешифратор 13 выделяет адрес г блока 14, по которому записан индекс

m = 0 коэффициента S,,,. (ь)

Тактовые импульсы (фиг. 2а) частотой М/Т (Т вЂ” период дискретизации) с выхода генератора 10 импульсов поступают на счетный вход счетчика 11 и управляющий вход блока 9 оперативной памяти.

После поступления М импульсов с генератора 10 на выходе счетчика 11 формируется импульс переполнение (фиг. 26), по переднему фронту которого (момент t ) производится считывание выходного сигнала 8 " модулятоk

1494210 ра 1. На информационный вход модулятора 1, являющийся входом фиг1ьтра, падается входной аналоговый сигнал х(). Одновременно в момент t6 11роисходит обнуление накапливающего сумматора 6.

Рассмотрим формирование последовательности произведения шага кван(к> тования входного сигнала S 9 на все различные модули значений коэффициентов.

В интервале (О,Т j на втором выходе блока 14 постоянной памяти формируется последовательность (фиг. 2в) состоящая иэ 1 импульсов. В первом такте, соответствующем интервалу из блока 14 считывается сигнал нулевого уровня, соответству-. ющий знаку +" коэффициента с индексом mo и по заднему фронту сигнала (фиг. 2в) значение шага Б 1 записыва(ю)

% ется в накапливающий сумматор 6, на выходе которого формируется произведение S(„" 1 Через К с К1 тактов 25 на втором выходе блока 14 памяти формируется единичное значение сигнала (фиг. 2в), соответствующее изменению знака коэффициентов. Это не изменяет состояния сумматора 6 и поэтому в момент 1,. соответствующий

30 считыванию из блока памяти 14 первого индекса второй группы коэффициентов. (j=2), по заднему фронту сит и ла (фиг. 2в) производится суммирование. ранее записанного в сумматоре 6 сиг- 35 нала с выходным сигналом модулятора

1. В результате этого на выходах сумматоров формируется произведение (xl >

S (2. Аналогично формируются произk ведения для всех остальных групп

40 индексоз.

Сигнал генератора 10 тактовой частоты (ф т. 2) является также управляющим с,пя блока 9 оперативной памяти: при высоком уровне производится 45 чтение из блока 9, а при низком — запись в него. На первые входы сумматора 3 подается сигнал с выхода блока 9 памяти, а на вторые входы сумматора 3 через блок 17 — результат умножения из сумматора 6. При нулевом уровне сигнала с блока 14 (фиг. 2в) на управляющем входе блока 17 производится суммирование сигналов с выходов блоков 6 и 9, а при единичном — вычи-55 тание значения сигнала сумматора 6 из сигнала блока 9. Поэтому сумматор

3 суммирует на протяжении интервалов

ltd ti f (Г, t э 3 и т,д. «ыхолные значения сумматора 6 с запомненными в блоке 9 суммами произведений шагов квантования входного сигнала на коэффициенты (неполными, т.е. содержа— щими менее M слагаемых свертками 3).

В последующие интервалы (t,,t 1 (t g С ) и т.д. начиная с задне о фронта тактового сигнала (фиг. 2а) и при нулевом значении последнего производится запись накопленной величины сигнала (соответствующего неполной свертке) в ту же ячейку блока 9 оперативной памяти через блок 7 мультиплексирования.

Такое накопление сигнала в виде неполной свертки производится на протяжении всех интервалов Т/М, кроме

t „+ ), когда появляется импульс (фиг. 2г), с вы ода деиифратора 13. В этом интервале времени сигнал с выхода блока 9 памяти, соответствующий неполной свертке и содер— жащий М-1 слагаемых, суммируется в сумматоре 3 с очередным значением выходного сигнала накапливающего сумматора 6. В результате этого суммирования он становится равным полной вертке (3). Импульс дешифратора (фиг. 2г) на время

t,< ) переводит блок 7 мультиплексирования в другое положение, в результате чего в момент t „„ (по переднему фронту импульса с выхода формирователя 15) выходной сигнал сумматора 3 записывается в первый накапливающий сумматор 4, а в соответствующую ячейку блока 9 оперативной памяти в интервале времени (t ä,,+,, t « j записывается через блок .7 мультиплексирования нулевое значение сигнала источника 8.

Накапливающий сумматор 4 формирует за период (t „... t <„+з 1 (время существования импульсов формирователя

15 (фиг, 2д) значение сигнала ч у „, который по заднему фронту указанного импульса (в момент 1 „,Э) записывается в сумматор 5, где суммируется с предыдущим отсчетом выходного сигнала фильтра у „,, в результате чего на цифровых выходах 19 фильтра форми— руется выходной сигнал у в формате

h импульсно-кодовой модуляции. При помощи ЦАП 16 сигнал (у„ преобразуется в аналоговую форму y(t) и подается на аналоговый выход 18 фильтра.

В последующие периоды дискретизации работа фильтра происходит аналогично, 1494210

1О, 1ля пра вильной работы с умматоров

3 и 6 необходимо, чтобы выходной сигнал модулятора 1 был представлен н дополнительном коде (для S (О).

I

Таким образом, в предлагаемом цифровом фильтре затраты времени на вычисление одного значения поллой свертки (3) 10

t = max(1t,, Nt„,,„)+N(t +t ) 45

Номера ячеек блока 9 оперативной памяти. являются рециркулирующими относительно номеров ячеек блока 14 постоянной памяти. Они вычисляются сумматором 2, суммирующим по модулю

М код из первых выходов блока 14, соответствующий последовательности индексов шагов квантования импульсной характеристики (m=mÄ ...,m „,}, сгруппированных указанным образом со значением кода на выходах второго счетчика 12, имеющего коэффициент пересчета М. Допустим, что в k-ом периоде дискретизации значение выходного кода счетчика 12 k=o (фиг. 2).

Тогда последовательность номеров ячеек блока 9 памяти имеет вид

1 ) = )(m+k)modM = „ ..., „„,) (фиг. 2е). В этом периоде дискретизации значение сигнала, соответствую20 щего неполной свертке, имеющей M-1 слагаемых, находится в ячейке

n = m<+k=m > блока 9 и подается в интервале (t >, t „, I на сумматор 3 с Ф! 25 в результате чего на его выходах формируется полная свертка (3), а в ячейку m „ записывается нулевое значение кода. В следующем периоде дискретизации последовательность (n3 смещается на единицу (n f = ((m +

+ k) modM=m „...,m m,jcâåðòêà, содержащая М-1 слагаемых, находится в ячейке n=m +k=m +1=m . Последнее

i-,, = I t 1 тождество справедливо для принятого ранее условия Ку " = Omod2. После 35 суммирования в-сумматоре 3 ячейка п блока 9 памяти обнуляется, а в остальные ячейки записываются те же суммы (неполные свертки), содержащие дополнительно значение S S . 40

ki!

1=ш„, m,, причем в ячейку m обнуленную в предыдущем периоде дискретизации, записывается значение (к) (Ы 1< м

При нечетном числе уровней квантования импульсной характеристики

Ку в блоке 14 памяти записывается (ь1 последовательность индексов fm ) только N (М ненулевых значений коэфф ффициентов, где N количество нену50 левых коэффициентов, сгруппированные по указанным группам, причем для нормальной работы фильтра необходимо (131 у чтобы S, О. Частота импульсов генератора 10 в этом случае Т/N. В ос55 тальном цифровой фильтр при нечетном числе уровней квантования работает также, как и при четном Ку " . где t ...„и t „„„— время обращения блока 9 оперативной памяти

Ф z 1 время выполнения операции суммирования в сумматорах 6 и 3 соответственно; 1 — число различных модулей значений коэффициентов.

Из приведенного выражения видно, чти число суммирований 1, эквивалентных N умножениям в прототипе, уменьшено, а кроме того, время суммирования, существенно меньше времени умножения. Поэтому быстродействие цифрового фильтра с многоуровневой дельта-модуляцией выше, чем у прототипа. формула и з о б р е т е н и я

Цифровой фильтр с многоуровневой дельта †модуляци, содержащий модулятор многоуровневой дельта-модуляции, информационный вход которого является входом фильтра, генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, управляющим входом блока оперативной памяти и входом первого счетчика, выход переполнения которого подключен к входу второго счетчика, выходы разрядов первого счетчика соединены с входами дешифратора и блока постоянной памяти, первые выходы которого и выходы второго счетчика подключены к первым и вторым входам первого сумматора, выходы которого соединены с адресными входами блока оперативной памяти, выходы которого подключены к первым информационным входам второго сумматора, выходы которого соединены с первыми информационными входами блока муль— типлексирования и информационными входами первого накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам второго накапливающего сумматора, выходы которого соединены с входами цифроаналогового преобразователя и являются цифровыми выходами фильтра, источник!

) Щ

Составитель О.Ревинский

Техред 7. Олийнык Редактор Л.Пчолинская

Корректор О.Кравцова

Заказ 4 129/55

Тираж 884

Подписное

В1!ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, Ж-3, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10!

II l4 942 логического нуля, выходы которого подключены к вторым информационным входам блока мультиплексирования, выходы которого соединены с информационными входами блока оперативной памяти, выход дешифратора подключен к управляющему входу блока мультиплексирования и второму входу формирователя импульсов, выход которого соединен с входами синхронизации накапливающих сумматоров, выход цифроаналогового преобразователя является аналоговым выходом фильтра, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены третий накапливающий сумматор и блок управляемых инверторов, выходы модулятора многоуровневой дельта-модуляции соединены с информационными входами третье го накапливающего сумматора, вход обнуления которого объединен с тактовым входом модулятора многоуровневой дельта-модуляции и подключен к выходу переполнения первого счетчика, второй выход блока постоянн и памяти сое>" вен с управляющим входом блока управляемых инверторов и входом синхронизации третьего накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам блока управляемых инверторов, выходы которого соединены с вторыми информационными входами второго накапливающего сумматора, выход переполнения которого подключен к его входу переноса.