Устройство для цифровой фильтрации

 

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления дискретного преобразования Фурье и процедуры цифровой фильтрации и может быть использовано в системах цифровой обработки различного рода сигналов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет выполнения рекурсивной фильтрации. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят информационный вход устройства, входной сумматор, первая и вторая группы регистров суммы, регистры приема, умножители, входы задания коэффициентов, сумматоры, информационный выход устройства, два тактовых входа устройства, генератор тактовых импульсов, триггер управления, элемент И, элемент И-НЕ, два элемента ИЛИ, элементы НЕ, группа элементов И. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (Il) (51) 4 G 06 F 15/353 Н 03 Н 17/00

ОПИСДНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTMPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4332848/24-24 (22) 24.11.87 (46) 07.08,89, Бюл. ¹ 29 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю.С. Каневский, М.К.Клименко и С.Г. Овраменко (53) 681.32(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1196894, кл. G 06 F 15/332, 1985.

Авторское свидетельство СССР № 1348815, кл, G 06 F 15/353, 16.12.86. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ (57) Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления дискретного преобразоваИзобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления дискретного преобразования Фурье и процедуры цифровой фильтрации и может быть использовано в системах цифровой обработки различного рода сигналов °

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет вычисления рекурсивной фильтрации.

На фиг. 1-3 изображена структурная схема устройства; на фиг. 4— временная диаграмма управляющих сигналов режима рекурсивной фильтрации.

Устройство (фиг. 1) содержит информационный вход 1 устройства, входной

2 ния Фурье и процедуры цифровой фильтрации и может быть использовано в системах цифровой обработки различного рода сигналов. Цель изобретения— расширение функциональных возможностей за счет выполнения рекурсивной фильтрации. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят информационный вход устройства, входной сумматор, первая и вторая группы регистров суммы, регистры приема, умножители, входы задания коэффициентов, сумматоры, информационный выход устройства, два тактовых входа устройства, генератор тактовых импульсов, триггер управления, элемент И, элемент И-HF., два элемента ИЛИ, элементы НЕ, группа элементов И. 4 ил. сумматор 2, регистры З.i (i = 1,N) суммы, регистры 4 ° i приема, умножители 5.i входы б.i задания коэффициента устройства, сумматоры 7.i, регистры 8.i суммы, HHAopMBIJHQHHbN выход 9 устройства, генератор 10 тактовых импульсов, триггер 11 управления, элепент И 12 и элемент И-Е1Е 13, элемент ИЛИ 14, тактовый вход 15 устройства, элементы НЕ 16.1, элементы

И 17.i триггеры 18.i элемент ИЛИ 19, тактовый вход 20 устройства, модуль

21.i устройства.

При вычислении дискретного преобразования Фурье устройство работает следующим образом.

g-1 (1) = а„п, = О,Н-1 (1), n=o

Щ где а „ — элементы исходного вектора (аД регулярности N;

Х (К) - элементы выходного вектора (Х,Д коэффициентов Фурье 10 регулярности N кп

W — весовые коэффициенты, Х7

У - е " j = ) °

m - номер входной последовательно сти.

ФЪ)

Если вектор (аД образует действительные элементы, тогда выражение (1) можно переписать в виде

20 (2) fYl ки

ReeX (k) =, а„ W

«и

ImX (k) = à W (3) где Ке и Im — действительная и мни- 25 мая части комплексного числа.

Вычисление выражений (2) и (3) выполняются аналогично, с той лишь разницей, что на вторые входы умножителей подаются или действительные (Re) или митьке (Im) части комплексного .

МИ весового коэффициента W . Поэтому в дальнейшем работу устройства будем рассматривать при вычислении выражения (2), при этом обозначение действительной части числа Re можно опустить.

Примем, что прием информации в регистры З.i 4,i и 8.i. триггера 40

11 и 18,х выполняется положительным перепадом.

Режиму вычисления дискретного преобразования Фурье соответствует единичный уровень на входе 15 и на входе 20 код 1, О ... О. .. °, О.

На вход умножителей 5. i поступает последовательность весовых коэффициентов.!

1 -«N i к

W N, i=1N где n - -номер такта.

Для примера рассмотрим работу устройства при вычислении алгоритма дискретного преобразования Фурье для N = 4.

В исходном состоянии на второй вход 15 устройства подается единица, которая поступает на вход элемента

55

3 1499374

Устройство вычисляет следующее выражение

ИЛИ 14 и на вход входного сумматора

2, который работает в режиме передачи операнда на выход, т,е. не суммирует, а пропускает информацию с входа на выход, которая поступает на вход регистра 4.i. Единичное состояние с выхода элемента ИЛИ 14 поступает на Р-вход триггера 11, на прямом выходе которого — единичное состояние, которое поступает на управляющий вход регистра 8.i и на вход элемента И 12, на выходе которого присутствуют тактовые импульсы, при этом регистры суммы 8.i открыты, а дополнительный регистр суммы З.i закрыт и в вычислении дискретного преобразования Фурье не участвует., В триггеры 18.i записаны нули, на . входе 20 присутствует единичное зна= чение.

Первый такт. В триггерах 18.218.4 записаны нули, на вход элемента

ИЛИ 19 поступает единица (на другом его входе — нуль), с выхода последнего единичное значение поступает на D-вход триггера 18,1. Положительным перепадом тактового импульса, который поступает с выхода дополнительного элемента И 12, единичное значение записывается в триггер 18 ° 1 на выходе которого единичное значение разрешает прохождение инвертированного на элементе 16.1 тактового сигнала на синхровход. регистра 4.1 приема и до конца первого такта присутствует на Р-входе триггера 18,2.

На информационный вход устройства 1 поступает операнд а, который управляющим сигналом проходит через входной сумматор 2 и синхроимяульсом с выхода элемента 17.1 принимается в регистр 4. 1. На вход 6.1 задания ко- эффициентов поступает множитель W .

В умножителе 5.1 выполняется onepam o ция а И, результат умножения поступает на вход регистра 8.1 суммы.

Во втором .такте на D-вход триггера 18.1 поступает нулевое значение., тактовым импульсом выполняется прием в триггер 18.1 нуля, в триггер

18.2 - единицы. Единичное значение на выходе триггера 18.2 разрешает прием в регистр 4 ° 2 по инвертированному тактовому входу импульса данного а . Этим же тактовым импульсом

/II в регистр 8.1 принимается a,W . На выходы 6 ° 1 и 6,2 задания коэффициентов поступает Ъ . В умножителе 5.2

5 149 вычисляется а W и, суммируясь с вео личиной а М . на сумматоре 7,2, поступает на вход регистра 8.2, в умножителе 5.1 вычисляется опять а Ма. о

В третьем такте в триггер 18,3 записывается единичное значение, в триггеры 18.1, 18.2 и 18.4 — нулевое, в регистр 4,3 принимается а и вы»} о полняется умножение à W в регистр

8.2 принимается а М + а, М, в ре»} о гистр 8.1 а,W,,в умножителе 5.3 вычисляется a W » на сумматоре 7.3—

cyMMa a W + a„M + а М результат поступает на вход регистра 8.3. На вход 6.2 задания коэффициентов поступает W íà входы 6.1 и 6.3 задания коэффициентов M ° В умножителе 5,2

m вычисляется а М, на сумматоре 7.2—

О I}I сумма aoW + а,W, и результат поступает на вход регистра 8.2. На входе регистра 4.4 приема будет а .

В четвертом такте в триггер 18.4 записывается единица, в триггеры

18.1-18.3 — нули, в регистр 4.4 при» нимается а>, на входы 6.1 и 6.4 задао ния коэффициентов поступает W, на входы 6,2 и 6.3 задания коэффициентов М2. В умножителе 5.4 вычисляется

m а а>М, в регистр 8.3 принимается значение aoM + а»;М + а",М, которое суммируется с результатом умножения а"Мо- Получаем значения нулевого ко- . эффициента Фурье а,W + а,М + a W + о

О 1 2

+ a W = Х,. В регистр 8.2 принимается а W + а,W, на вход 6 ° 3 задания коэффициентов поступает М2. В умножиm теле 5.3 вычисляется «<М на суммаm торе 7.3 вычисляется а W + a,M +

}а о

+ а N . B регистр 8 1 принимается а W в умножителе 5.2 вычисляется

АМ на сумматоре 7,2 — сумма

a W + а",М

B пятом такте Хо принимается в регистр 8.4 и поступает на выход 9 устройства. В триггер 18. 1 принимается единичное значение, поступающее через второй вход элемента HJIH 19 в остальные триггеры 18.2-18.4 записаны нули.

Как и в первом такте, в регистр 4,1 принимается a (m+1)-й последовательности. В умножителе 5.1 вычисля»} о ется ао W и поступает на вход регистра 8,1, в регистр 8.1 принимается а М, на входы 6.1 и 6,3 задания о коэффициентов поступает М, на входы 6.2 и 6.4 — значение M, В умножителе 5.2 вычисляется а,И на сум» а маторе 7.2 — сумма а,Ч + а,W в

Режиму вычисления нерекурсивной фильтрации соответствует единичный уровень на входах 15 и 20.

Прием входного отсчета а выполня}} ется во все регистры 4.i приема. На вход б.i задания коэффициентов постоянно поступает коэффициент h(N-i), Вычисление выходных отсчетов Х(1с) осуществляется за пять тактов, Рассмотрим работу вычисления рекурсивной фильтрации, 9374 6 регистр 8.2.-принимается а",Мо + а», Ю, В умножителе 5.3 вычисляется à W, на сумматоре 7.3 — сумма a M + a W +

+ aP, в регистр 8.3 принимается .. а"M + a

:вычисляется a MР, на сумматоре 7.4— сумма а W0 + a W + а W — а,М = Х,.

В шестом такте работа устройства

1д в модулях 21,1 и 21.2 аналогична вто-, I}It I I}} с! рому такту для данных а, и а л (m+1)-й последовательности. В регистр

8.4 принимается X и поступает на выхоп 9 устройства, в регистр 8.2

/ »} а»}» принимается ааМ + а,М, на входы

6.3 и 6.4 задания коэффициентов поступает ЪР. В умножителе 5.3 вычисляется a M, на сумматоре 7.3 — сум»} ма а,М + a М + à М » в регистр 8.3

2Q принимается а,W + а„W + а М .

»!

В умножителе 5.4 вычисляется a>W на сумматоре 7.4 — сумма à M }+аМ +a

В седьмом такте работа устрс}й25 ства в модулях 21.1-21,3 аналогична третьему такту. В регистр 8.3 принимается а М + à,W + a W, на вход

o »»} !»}, 2

6.4 задания коэффициента поступает

W . В умножителе 5.4 вычисляется до а" M на сумматоре 7.4 — сумма

»

В восьмом такте работа устройства аналогична четвертому такту, в регистр 8 ° 4 принимается Х >и поступа"

}tl ет на выход устройства 9. Хаким образом, в каждом такте на выходе устройства 9 получаем значения коэффициентов Фурье.

Рассмотрим работу вычисления не4О рекурсивной фильтрации.

Устройство вычисляет выходные отсчеты в соответствии с выражением

}}-

X(k) = ;7 а(Е-и) ° h(n), (4)

}}=о

45 где h(n) — коэффициенты ылпульсной характеристики;

a(n) — отсчеты входного сигнала.

1499374

При реализации режима рекурсивной фильтрации устройства вычисляет выхоцные отсчеты в соответствии с выражением й-(5

X(k) =, а(к-и) ° h(n) + X(k-и+1) g(n+1), n=p где h(n), у(п) — коэффициенты импульсной характеристики; 10 а (n) — отсчеты входного сигнала;

X(k) — выходные отсчеты.

При работе устройства в режиме рекурсивной фильтрации на вход 20 подается уровень логической единицы, на вход 15 — уровень логического нуля. Входной сумматор 2 работает

В режиме суммирования операндов а 20 триггер 11 управления работает в счетном режиме. На входе 20 управляющий сигнал высокого уровня обеспечивает работу триггеров 18.1-18.3 аналогично режиму нерекурсивной фильтра 25 ции. В исходном состоянии все регистры обнулены. Прием в регистры

З.i, 4i и 8i осуществляется в конце такта. На вход входного сумматора 2 поступает содержимое дополнительного регистра З.i суммы, а на другой вход поступает входной отсчет. Результат входного сумматора 2 поступает на информационные входы регистров 4. 14.3 приема. На входе 1 устройства отсчеты меняются каждые два такта, при35 ем информации в регистры 4.1-4.3 также осуществляется каждые два такта.

Для примера рассмотрим работу устройства при вычислении рекурсивной фильтрации для N = 3.

В первом такте на второй вход 15 . устройства подается нуль, который поступает на вход элемента ИЛИ 14 и на вход входного сумматора 2. На выходе элемента ИЛИ 14 будет состояние инверсного выхода триггера 11 управления, которое в первом такте равно нулю. Единичное состояние на прямом выходе триггера 11 управления обеспечивает включение регистра 8.i суммы и выдачу импульса приема i-го регистра 4.i приема, в котором фиксируется результат суммы входного сумматора 2, а также обеспечивает выдачу импульса приема i-ro регист55 ра 8„i суммы. Единичное состояние на инверсном выходе триггера 11 управления обеспечивает включение дополнительного регистра З.i суммы и выда" г чу импульса приема i-ro дополнительного регистра З,i суммы. В первом такте входной отсчет а(0), поступивший на вход входного сумматора 2, суммируется с нулем, поступившим с выхода регистра 3.N и результат суммирования поступает в регистры

4. 1-4.3 приема в конце первого такта.

Во втором такте нулевое состояние на прямом выходе триггера 11 управления выключает регистры 8а1-8.3 суммы, а единичное состояние на инверс.ном выходе триггера 11 управления включает дополнительные регистры

3,1-3,3 суммы. Это состояние на триггере 11 управления возникает каждый четнЫй такт работы устройства. На входы 6.1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают коэффициенты g(3), g(2) и g(1). В умножителях 5.1-5.3 производится вычисление произведений a(0)g(3) а(0) g(2), а(0) g(1), которые через сумматоры 7,1-7.3 принимаются в регистры 3.1-3.3 соответственно.

В третьем такте единичный уровень на прямом выходе триггера 11 управления включает регистры 8,1-8.3 суммы и обеспечивает выдачу импульсов записи регистров 4.1-4.3 приема и регистров 8.1-8,3 суммы, На входы

6 ° 1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают h(2), h(1) и

h(0), в умножителях 5 ° 1-5.3 проводится вычисление произведений

a(0)h(2), a(0)h(1) и a(0)h(0) = X(0), которые проходят через сумматоры

7.1-7,3 и принимаются в регистры

8.1-8.3 соответственно. Из регистра

8.3 на выход устройства 9 поступает

Х(0). На входном сумматоре 2 в этом такте производится суммирование вход ного отсчета a(1) и произведения, которое поступило с выхода регистра

3.3. Результат суммирования а(0)g(1) +

+ а(1), который обозначим А, принимается в регистры 4.1-4.3 в конце такта.

В четвертом такте на входы 6.1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают g(3), g(2) и g(1) . В умножителях 5.1-5.3 выполняется умножение

А,g(3), А,g(2) и А,g(1), результаты поступают на сумматоры 7.1-7.3. На выходе сумматора 7.1 получаем сумму

А,g(3) + О, которая принимается в ре1499374

Устройство для цифровой фильтрации, содержащее N умножителей (N гистр 3.1, на выходе сумматора 7,2— сумма А,g(Z) + a(0)g(3), которая принимается в регистры 3.2, на сумматоре 7,3 — сумма A„g(1) + a(0) g(2), которая принимается в регистр 7.3.

В пятом такте на входы 6,1-6 ° 3 задания коэффициентов соответственно поступают коэффициенты h(2), h(1) и h(0), которые в умножителях 5.1-5,3 10 умножаются на A . На выходах умножителей 5.1-5.3 соответственно получаем произведения А

A

= Х(1), которая принимается в регистр 8.3. Из регистра 8,3 на выход

9 устройства поступает Х(1). На входном сумматоре 2 входной отсчет а(2) суммир ется с суммой A,g (1) + а (О) К (2) > поступающей с выхода регистра З,З

Результат суммирования A g(1) +

+ а(0)@(2) + а(2), который обозначим

А, принимается в регистры 4.1-4.3.

В шестом такте на входы 6. 1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают д(3), g(2) и 8(1). В умножителе 5.1 вычисляется A2g(3), на сумматоре 7.1 — сумма A g(3) + О, г

35 которая в конце такта принимается в регистр 3.1. В умножителе 5.2 вычисляется А g(2), на сумматоре 7.2— сумма A,g(2) + А,g(3), которая в конце такта принимается в регистр 3 °

3 2

В умножителе 5.3 вычисляется А g(1), на сумматоре 7.2 — сумма Аф(1) +

+ A„g (2) + a(0) g (3), которая принимается в регистр 3.3.

B седьмом такте на входы 6.1-6.3 45 задания коэффициентов соответственно поступают h(2), h(1) и h(0). В умножителе 5.1 вычисляется A2h(2), на сумматоре 7.1 — сумма А h(2) + 0, которая в конце такта принимается

50 в регистр 8.1. В умножителе 5.2 вычисляется А h(1), на сумматоре 7.2сумма А h(1) + А,h(2), которая в конце такта прины<ается в регистр 8.2.

В умножителе 5.3 вычисляется А 1 (О), на сумматоре 7.3 — c a A h(0) +

+ А,h(1) + a(0)h(2) = Х(2), которая в конце такта принимается в регистр

8,3.. Из регистра 8,3 на выход 9 устройства попадает Х(2). На входной сумматор 2 с выхода регистра 3.3 поступит A.g(1) + А,g(2) + a(0)g(3) и входной отсчет a(3), которые в этом такте суммируются, и результат Ар(1)

+ А,g(2) + a(0)g(3) + a(3) = А в конце такта принимается в регистры 4.1-4.3.

В восьмом такте на входы 6.1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают g(3), g(2) и g(1). B умножителе 5,1 вычисляется А g(3), на сумматоре 7.1 — сумма A„g(3) + О, которая в конце такта принимается в регистр 3.1, В умножителе 5.2 вычисляется A>g(2), на сумматоре 7.2 — сумма А g(2) + А g(3), которая в конце такта принимается в регистр 3.2.

В умножителе 5.3 вычисляется A>g(1), на сумматоре 7.3 — сумма А g(1) +

+ А g(2) + А,g(3), которая в конце такта принимается в регистр 3.3, В девятом такте на входы 6.1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают h(2), h(1) и h(0) °

В умножителе 5.1 вычисляется A h(2), на,сумматоре 7.1 — сумма А h(2) + О, < которая в конце такта принимается в регистр 8.1, В умножителе 5.2 вычисляется A>h(1) на сумматоре 7.2— сумма А h(1) + А h(2), которая в

2 конце такта принимается в регистр

8.2. В умножителе 5.3 вычисляется

А Ь(0), на сумматоре 7.3 — сумма

А Ь(0) + А h(1) + А h(2) = Х(3), которая в конце такта принимается в регистр 8.3, откуда поступает на выход 9 устройства выходной отсчет

Х(3). На входной сумматор 2 с выхода регистра 3,3 поступает сумма

A>g(1) + А g(2) + А 8(3) и входной отсчет a(4), которые в этом такте суммируются, и результат А,g(1) +

+ A2g(2) + A

4. 1-4. 3.

В дальнейшем работа устройства происходит аналогично.

Таким образом, в конце каждого нечетного такта работы устройства на выходе 9 устройства получаем значения выходных отсчетов.

Формула и з о б р е т е и и я

1499374 длина импульсной характеристики), N регистров приема, первую группу из

N регистров суммы,,группу из N элементов И, Ы триггеров, N элементов

НЕ, первый элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, причем выход

i-го (i = 1,N) регистра приема подключен к первому входу i-го умножителя, второй вход которого является

i-м входом задания коэффициентов устройства, а выход х-го умножителя подключен к информационному входу

i-го регистра суммы первой группы, выхоц .j ãî (j = 1, N-1) регистра суммы первой группы подключен к первому входу (1+1)-го сумматора, первый вход первого элемента ИЛИ является первым тактовым входом устройства, второй вход первого элемента

ИЛИ подключен к выходу i-го триггера, а выход первого элемента ИЛИк 0-входу первого триггера, выход

i--го триггера подключен к первому входу i-го элемента И группы, а выход j-ro триггера подключен к D-входу (j+1)"го триггера, выход i-ro элемента И группы подключен к тактовому входу i-ro регистра приема, выmop N-ro регистра суммы первой групra является информационным выходом устройства, выход i»»ro элемента НЕ подключен к второму входу i-го эле мента И группы и тактовому входу

i-го регистра суммы первой группы, первый вход первого сумматора явля

35 ется входом задания логического нуля устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет выполне- 4> ния рекурсивной фильтрации, в него введены вторая группа из И регистров суммы, входной сумматор, триггер управления, элемент И-НЕ, элемент И, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с входом синхронизации входного сумматора и является вторым тактовым входом устройства, выход второго элемента ИЛИ подключен к

В-входу триггера управления, тактовый вход которого подключен к прямому выходу генератора тактовых импульсов, инверсный выход которого подключен к первым входам элемента И-НЕ и элемента И, второй вход элемента И-НЕ, второй вход второго элемента ИЛИ и входы разрешения приема регистров суммы второй группы подключены к инверсному выходу триггера управления, выход элемента И подключен к тактовому входу i-ro триггера и входу i-го элемента НЕ выход элемента И-НЕ подклю,Ф чен к тактовому входу i-ro регистра суммы второй группы, прямой выход триггера управления подключен к входу разрешения приема j-ro регистра суммы первой группы и второму входу элемента И, входы разрешения приема И-х регистров суммы первой и второй групп соединены между собой и являются входом задания логической единицы устройства, выход -га сумматора подключен к информационному входу i-горегистра суммы второй группы, выход

j -го регистра суммы второй группы подключен к второму входу (j+1)-го сумматора, выход N-го регистра сум мы второй группы подключен к первому входу входного сумматора, второй вход которого является информационным входом устройства, а выход входного сумматора подключен к информационному входу i-го регистра приема.

1499374

1499374 гни

15 фямй8 лаигге ч1/

ЖФ ежЧьщ

Юьд п риггеро 11

8ьапУ

ase wmu

1/i

Рыдай меаюю

1,У

Составитель А. Баранов

Техред Л.Сердюкова Корректор И. Муска

Редактор В.Петраш

Заказ 4696/49 Тираж 668 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113()35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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