Цифровой фильтр

 

Союз Советски к

Социалмстичесиин

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Опубликовано 23.1 2,80.бюллетень .% 47

G 06 Г 15/31

Гасударстаанный комнтет

СССР до делам нзобретеннй н вткрытнй (53) УДК 681.14 (088.8) Дата опубликования описания 25.12.80

А. К. Горшков, В. А. Лесников, Е. П. Петров и А. B. Частиков (72) Авторы изобретения

Кировский политехнический институт (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР связана

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться при цифровой обработке сигналов.

Известны цифровые фильтры (ЦФ),,отличающиеся повышенным быстродействием эа счет увеличения скорости работы умножителей на коэффициенты путем увеличения их количества при представлении коэффициентов в системе счисления, каждый разряд в которой может содержать значения О, +1, -1, и за счет вычисления всех возможных кратных ! входного сигнала 1,1 .

Известны также комбинаторные струк туры Е1Ф, отличающиеся от укаэанных алгоритмом обработки и имеющие различную скорость работы за счет распараллеливания $2).

Из известных Lt@ наиболее близким по технической сущности является фильтр, описаннный в P3), фильтрующий после- °

2" довательные двоичные отсчеты Zq сигнала, где „представлено в форме )=i в котором выходная величина с Z „функцией н тГ Я = 7.u;2.„=ъ..2.

" j=i где каждое 9„ является весовым коэффициентом, а

14 ь = а„ ., йЬ,"" и содержащий Н блоков хранения после- . довательных отсчетов ; сигнала, блок

4 памяти для запоминания соответствующих величин Ъ, имеющий н позиций, адресуемых множеством

2 23 Х "...Е ... e...z т" N1 1 8" 1

=уммирующит1, блок для формирования про3 789995 изведений 2? Q и цля комбинирования б гце произведений в вице суммы гтрк .7 2 s, 5=i средства, последовательно соединяющие сп блоки хранения последовательных отсчено тов сигнала с каждым сигнальным мнони жеством!

15

Х „...2 „, ьде 1аj(x для выборки величины 9 из блока памяти по адресам определяемым этим.мир жеством, и передачи величины на суммирующий блок. Алгоритм работы Цч имеет виц, 5-1 н = " 2. .Ь, Ь =X а;, где цифровой фильтр содержит и блоков

Хранения последовательных отсчетов сигнала, где Я определяется порядком фильтра и видом его передаточной функции, блок памяти, блок формирования адреса, суммирующий блок, причем вход одного из блоков хранения последовательнык отсчетов сигнала является входом фильтра, выходы N блоков хранения последовательных отсчетов сигнала подключены к входам блока формирования адреса, выход которого соединен с входом блока памяти, выход блока памяти подключен к вкоду суммирующего блока, выход которого является выходом фильтра.

При решении ряда технических задач возникает необходимость в построении

ЦФ с перестраиваемыми параметрами путем изменения (перестройки) значений весовых. коэффициентов. При этом изме- 4 нять требуется не все коэффициенты, а только часть из них. Но даже изменение части коэффициентов при построении фильтра по схеме фильтра-прототипа вецет к изменению всего содержимого блока па45 мяти, т. к. в нем хранятся числа, составленные из комбинаций коэффициентов, что снижает скорость смены информации в блоке памяти, уменьшая этим скорость работы фильтра. Следовательно, устра50 нить указанные недостатки можно путем уменьшения количества чисел, кранимых в блоке памяти. фильтра. В фильтре-прототипе предложен способ уменьшения (в два раза), который сводится к тому, что каждый последовательный отсчет

SS сигнала представляется в виде

2.=(-, -Z.) 2 -2., ь, ь

2„ — инверсный коц числа «, — сдвиг числа на один разряд в сторону младших разрядов;

- 13

2 — единица младшего разряда числа с! . Однако, этим особом не исчерпываются все возмож-» сти уменьшения количества чисел, xpaMbIx в блоке памяти комбинаторного фильтра. Его структура не может учитывать следующих факторов; часть коэффициентов фильтра может быть кратной степени числа два, часть коэффициентов фильтра .даже в процессе перестройки

его параметров не подлежит изменению, часть коэффициентов фильтра в двоичном прецставлении может содержать ограниченное число ециниц. Созцание ЦФ, учитывающего перечисленные факторы, позволяет значительно сократить количество чисел, хранимых в блоке памяти фильтра. Особенно важная .задача создания такого фильтра возникает тогда, когда ЦФ должен работать в адаптивной системе обработки сигналов, т. к. при этом даже незначительное сокращение количества чисел вецет к значительному сокрашению объемов памяти в системе и увеличению скорости ее работы за счет увеличения скорости смены инфор« мации в блоке памяти фильтра и повышения этим скорости его работы, а в конечном итоге и системы в целом.

Недостатком известного технического решения ЦФ является большое количество чисел, хранимых в блоке памяти, и низкая скорость.

Цель изобретения - уменьшение объема оборудования и увеличение быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что

ЦФ, содержащий Я блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, блок памяти, блок формирования адреса, суммирующий блок, причем выход блока формирования ацреса соединен со входом блока памяти, вход одного из )ч блоков хранения последовательных отсчетов сигнала является входом фильтра, выход суммирующего блока является выхоцом фильтра, дополнительно содержит арифметико-логический блок, причем выходы

К блоков хранения послецовательных отсчетов сигнала, rge К г), подключены к входам блока формирования адреса, выхоцы (Й - g, ) блоков кранения последовательных отсчетов сигнала и выход блока памяти подключены ко BKoflBM арифметикопогическогсг блока, выход которого подключен ко входу суммирующего блока. (3) Ъ 4 где -, » 0 . 6 =-314 5(д) Р д5, Qq - весовые коэффициенты; hJ30 круговая частота; Г - период дискретизации.

Передаточной функции (3) соответствует раэностное уравнение

5 7899

На фиг. 1 приведена структурная скема рекурсивного фильтра; на фиг. 2схема нерекурсивного фильтра. цифровой рекурсивный фильтр содержит вкод 1, блоки 2,3,4,5,6 хранений последоватвлвнык отсчетов сигнала, блок 7 формирования адреса, блок 8 памяти, арифметико-логический блок 9, суммирующий блок 10, выход 11.

Вход 1, являющийся входом фильтра, соединен с входом блока 4. Выход блока

2 подключен к входу блока 3 и к пер вому входу блока 7 формирования адреса, второй вход ко ррого подключен к выходу блока 3. Выход блока 7 формирования и адреса соединен с входом блока 8 памя ти. Выход блока 8 памяти и вторые выко.1 ды блоков 4,5,6 хранения последовательнык отсчетов сигнала подключены к входам арифметикологического блока 9. 20

Первый выход блока 4 соединен с вкодом блока 5; а первый выход блока 5 - со входом блока 6. Выход арифметикологического блока, 9 подключен ко входу суммирующего блока 1Ñ выход кото- 25 рого соединен со входом блока 2 кране ния последовательного отсчета сигнала.

Выход il суммирующего блока 10 яв» ляется выходом фильтра.

Прежде чем рассмотреть работу НФ, ЗО изображенного на фиг. 1, запишем урав- .

: нение, описывающее работу комбинаторного ЦФ.

tTl = Е 2 Ъ ) .().

95 d .

Передаточная функция фильтра на фиг, 1 имеет вид где $,Ми )1 -ый выходной и входной отсчеты соответственно О » t. (-ый весовой коэффициент; Ио =CA< «.1; + 2; у„ - (ll-1) -ый входной и выкод ной отсчеты соответственно; Кп д, g > <ф 2) -ой входной и выходной отсчеты соответственно. Запишем (4) с учетом значений весовык коэффициентов.

1„= + ЧЪ,+ л1+ Д» 1+ 5„3и-g (5),Для уравнения (5)И A, t- e- g вХе- в

) и.. ° К - гу т ° е. п, Ф )ф 1 и М»К - 3, т. е. Хи и-1 4-е

Уравнение (.2) для (5) можем записать

S + О и 1 с" О, . Значения слов

5 приведены в табл. 3: Уравнение (1) для (5) имеег вид.

I н (г) которое определяет алгоритм работы фильтра, изображенного на фиг. 1.

ЦФ работает следующим образом.

В Я =5 блохах 2,3,4,5,6 хранения последовательных отсчетов сигнала записаны соответственно jy q а М»,,Ч „,1 . В блок 8 памяти записаны Q - разрядные слова 9 (табл. 1).

Один период дискретизации или один цикл по обработке входного отсчета )( состоит пз тп тактов. где И - разрядность последовательнык двоичных отсчетов сигнала. В первом такте арифметикологический блок 9 вычисляет сумму

ый выходной отсчет фильтра; разрядность последовательнык отсчетов сигнала; вес разряда последовательного отсчета сиг где = Я.„rn нала; разрядное число, хранимое в блоке памяти фильтра; количество блоков хранения последовательнык отсчетов сигнала;

ый весовой коэффициент, 4 Р РД55

-го последовательного отсчета си нала, которое может быть 0 или 1. „Ф „+ +М Б

Полученная блоком 9 сумма добавляется к содержимому суммирующего блока

10, при этом в суммирующем блоке 10 деление на два полученной в нвм суммы не происходит. S представляет собой

rae n A 4 и-4 Я n-Q, n-3) (6) как

Уравнение (1) для (6) принимает вид "«х -5,+%. r.>++<

UC работает следующим образом.

В Й =4 блоках 2,3,4,5 кранения послецовательных отсчетов сигнала запи саны соответственно у в, Ип-< 4 п-q <

М п . В блок 7 памяти записаны Q разрядные слова 9 .(табл. 3). Один период дискретизации или один цикл по обработке входного отсчета Хп состоит из щ тактов, где YH - разрядность последовательнык двоичных отсчетов сигнала. Первый такт заключается в вычис-. лении арифметикологическим блоком 8

7 78999 число 5> (табл. 1), выбранное из блока

8 памяти под воздействием на блок 7 м 1и формирования адреса элемента ф множества Д ., гце L с.1 С Ы ° йалее содержимое блоков 2-6 сдвигается на один разряд в сторону старших. Нц этом выполнение первого такта заканчивается.

Второй такт выполняется следующим образом. Блок 7, анализируя элемент . lg множества, формирует адрес -1 . для обращения к блоку 8. Из блока 8 памяти выбирается соответствующее Sj которое через арифметико погический блок 9 добавляется к соцержимому суммирующего блока 10, где полученная сумма целится на два. В блоках 2-6 происходит сдвиг чисел на один разряц в сторону старших. На этом выполнение второго такта заканчивается. Оставшие- рй ся (w-2) такта выполняются аналогично второму. В результате выполнения тактов в суммирующем блоке 10 получен выходной отсчет Ч . В результате выполнения всех описанных действий ЦФ находится в состоянии, когда на суммирующем блоке 10 получен выходной отсчет число .„, находившееся .перец началом выполнения цикла в блоке

2, записалось в блок 3, а блок 2 содержит нулевую кодовую комбинацию.

Аналогично число Чщ 4 из блока 5 записалось в блок 6, а число М из блока 4 — в блок 5. Блок 4 содержит нулевую кодовую комбинацию. Выходной отсчет Ц записывается в блок 2, а и в блок 4 принимается очередной входной отсчет. Згим обеспечивается подготовка фильтра к обработке поступившего входного отсчета. При использовании известного способа уменьшения количества чисел, хранимых в блоке памяти, объем памяти можно уменьшить в два раза (табл. 2), при этом передача чисел на суммирующий блок должна выпол- 4> няться следующим образом: если

4 то на суммирующий блок поступает допол» б нительный код, если же, „1, то на суммирующий блок поступает прямой код 9, а хранятся в блоке памяти только прямые коды S . Описанную передачу чисел в прецлагаемой структуре фильтра должен выполнять арифметикологический блок. Сущность известного способа заключается в том, что каждый последовательный отсчет сигнала представляется в внце х,=(х,--х.) r. и ", 5 8.

)l - инверсный коц числа ><

Я " — сдвиг числа на один разряд в сторону младшкх разрядов;

2 - единица млацшего разряда м - разрядного числа Х;

Цифровой нерекурсивный фильтр содержит вход 1, блоки 2,3,4,5 хранения послецовательных отсчетов сигнала, блок

6 формирования адреса, блок 7 памяти, арифметико-погический блок 8, суммиру ющий блок 9, выход 10.

Вход 1, являющийся входом фильтра, соецинен со входом блока 2, первый выход блока 2 - со вкодом блока 3. Выход блока 3 соединен со входом блока 4 и первым входом блока 6 формирования адреса. Выход блока 4 подключен ко вкоду блока 5 и второму входу блока 6. Выход блока 6 формирования адреса соединен со входом блока 7 памяти. Второй выкод блока 2, выход блока 7 и выход блока 5 подключен ко вкодам арифметикологического блока 8. Выход блока 8 подключен ко входу сммирующего блока

9, выход 10 которого является выходом фильтра.

Передаточная функция фильтра, изображенного на фиг. 2, имеет вяц Н() =

=; -3Z .3Z - 1, которой соответствует разностное уравнение

"Ь Ь hl П- П-Q>,иначе где р(= - 3; g =+3.

Уравнение (2) для (6) запишется

9 суммы Х,- Ч, >-Sj и добавлении ее к содержимому суммирующего блока 9.

При етом в суммирующем блоке 9 деление на два полученной суммы не происхоцит. 5 i является числом g< (табл, 3), выбранным из блока 7. памяти под воздействием на блок 6 формирования адреса элемента Х, И„; множества )(. « 0 4

М4,1, где 1 C QA, и переданным блоком 8 на вход блока 9 инверсным ко- 10 цом. Далее содержимое блоков 2,3,4,5 сдвигается на один разряд в сторону старшик, при этом в освободившиеся при сцвиге разряды блоков 3,4,5 записываются старшие разряды чисел, записанных 35 в блокак 2,3,4 соответственно. В освободившийся при сдвиге младший разряд блока 2 записывается пуль. На этом выполнение первого такта заканчивается.

Во втором такте блок 6 формирования 20 адреса, анализируя элемент Ъ Ь, В- УП-1 множества, формирует адрес цля обращения к блоку 7. Из блока 7 памяти выбирается соответствующее Sj, которое через блок 8 добавляется к содержимому 25 суммирующего блока 9, и полученная сумма целится на два, В блоках 2-5 проискоцит сдвиг чисел на один разряд в сторону старших. На этом выполнение. второго такта заканчивается. Оставшиеся 30 (р-2) такта выполняются аналогично вто рому. В результате выполнения щ тактов в суммирующем блоке 9 получен выходной отсчет Q . В блок 2 принимается î lepeanoN последовательный входной 35 отсчет сигнала. Этим обеспечивается поцготовка к работе фильтра в очередном. цикле. Применение вышеописанного способа позволяет сократить количество хранимых в блоке памяти чисел цо двук 40 (таСуг. 4).

95 10 то в блоке памяти предлагаемого фильтра . требуется хранить 4 или 2 числа. Перестройка параметров в фильтре-прототипе и предлагаемом фильтре выполняется изменением чисел, записанных в их блоках памяти, причем, изменяться должны все числа. Предлагаемый ЦФ содержит в блоке памяти меньшее количество чисел по сравнению с прототипом, поэтому изменение содержимого его блока памяти выполняется as меньшее время, чем увеличивается скорость. Отсюда ясно, что преимущества предлагаемого фильтра наиболее очевидны при использовании в адаптивных системах обработки сигналов.

Зчачения ф

Значения gJ

Тад лица Г

Использование арифметикопогического блока отличает предлагаемый БФ or известного тем, что уменьшено количест45 во чисел, хранимык в блоке памяти, и время, необходимое для изменения этик чисел при перестройке параметров ЦФ.

Этим упрощено применение фильтра в адаптивных системах обработки сигналов, что расширяет сферу его использования. .Если в приведенном примере рекурсивного 11Ф в блоке памяти фильтра-прототипа требуется кранить 32 или 16 чисел, .то в блоке памяти прецлагаемого фильт55 ра требуется кранить 4 или 2 чйсла.

Если в приведенном примере нерекурсивного БФ в блоке памяти фильтра-прототипа требуется хранить 16 или 8 чисел, Значения g> та@ uqa3

789995 12 тов сигнала является входом фильгра, вы хоц суммирующего блока является выходом фильтра, о т Л и ч а ю шийся тем, что, с целью сокращения оборудования и повышения быстродействия, îí со держит арифметико-логический блок, причем выходы К (К С К ) блоков хране ния послецовательных отсчетов сигнала, подключены ко входам блока формирования адреса, выходы (И -К) блоков хра кения последовательных отсчетов сигнала и выход блока памяти подключены ко входам арифметико-погического блока, выход которого подключен ко входу суммирующего блока.

3иаченйа ф

Цифровой фильтр, содержащий И блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, блок памятк, блок формирования адреса, суммирующий блок, причем выход блока формирования адреса соецинен со входом блока памяти, вхоц одного из. . Блоков хранения последОвательных отсчеФиг.t

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CILIA Ж 3521041, 20 кл. 235-156, 1971.

2. Патент США М 3993890, кл. 235-152, 1976.

3. Патент США № 3777130, кл. 235-152, 1973 а прототип).

789995

Составитель А. Баранов

Редактор В. Парасюн Техред С.Мигунова Корректор:, :. Шомак.

Заказ 9138/78 Тираж 751 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/6

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4