Устройство для цифровой фильтрации Советский патент 1984 года по МПК H03H17/04 

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в устройствах многоди .апазонного. частотного анализа сигна лов с постоянной относительной шири ной полос пропускания. устройство для цифровой фильтрации, которое построено в вид спецвычислителя, где отсчеты входного сигнала обрабатываются поразрядно содержащее два циклических регистра первый для задержки входного сигнала а второй для хранения значений весовой функции, выходы регистров соединены с соответствующими входами разрядов двоичного счетчика, где образуется код выходного значения фильтра С П. Недостатком данного устройства является малое быстродействие вследствие того, что ведется поразрядная обработка информации. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является нерекурсивный цифровой фильтр, содержащий блок управления, блок памяти коэффициентов, блок умножения, накап ливающий сумматор, блок (оперативной памяти, дешифратор, элемент И, первую и вторую группу И, причем вход накап.пивающего сумматора подключен к выходу умножителя, первый вход которого подключен к выходу блока памяти коэффициентов, вход которого соединен с выходом блока управления, второй вход умножителя соединен с выходом блока памяти, второй выход блока памяти коэффициентов соединен с входом дешифратора, выход которого соединен с первыми входами элементов И первой и второй групп, и первым входом элемента И, выход которого подключен к первому входу блока памяти, второй вход которого соединен с выходами элементов И первой группы, вторые входы которых являются входами устройства, при этом выход накапливающего сумматора соединен с вторыми входами элементов И второй группы, выходы которых являются выходами фильтра, а выход блока управления соединен с вторым входом элемента И. Для использования данног устройства необходй о также включение перед ним последовательно соединенных антиэлайзингового фильтра ниж них частот (преселектора) и аналогоцифрового преобразователя L2. Недостатком указанного устройства является невозможность одновременной многодиапазонной фильтрации сигнала., Цель изобретения ,- расширение функциональных возможностей устройства за счет многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов (в реальном масштабе времени путем автоматической перестройки частотного диапазона фильтра с использованием метода прореживания входных отсчетов Jвремени со смещением). Поставленная цель достигается тем, что в устройство для цифровой фильтрации, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выхоДОМ блока синхронизации, второй выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационньй выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот является информационным входом устройства, введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, i -и выход (,«) которого является информационным выходом 1 -го канала устройства, а шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами соответственно первого и второго коммутаторов. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для 1щфровой фильтрации; на фиг.2 - схема, иллюстрирующая используемьй в устройстве метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением; на фиг.З - функциональная схема блока синхронизации; на фиг.4 - временные диаграммы его работы. Устройство (фиг.1) содержит (анти элайзинговый) фильтр 1 нижних частот (преселектор), аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), коммутатор (двухвходовой) 3,блок 4 памяти,умножитель 5, накапливающий сумматор 6, коммутатор 7, блок 8 синхронизации и блок 9 постоянной памяти (коэффици ентов) . Блок синхронизации (фиг.З) содержит генератор 10 тактовых импульсов, счетчик 11, узел 12 постоян ной памяти, элементы И 13-18, элементы задержки 19-21. Устройство предназначено для частотного анализа .с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов отличающимися в два раза, т.е. сср.2 рСр.2. ..верхн.-бер N M-f N NгНИ ;Н - значение среднегеометричес кой частоты N-rO диапазона значение верхней граничной частоты N-ro диапазона; значение нижней граничной частоты N-ro диапазона. Примером такого анализа с достаточной степенью точности может служить октавный частотный анализ. В устройстве использован метод прореживания входных отсчетов по вре мени со смещением, сущность которого состоит в следующем. Из выражения (1) с учетом теоремы отсчетов следует, что частота дискре тизаций (число отсчетов, взятое в единицу времени), необходимая для анализа сигнала в N -ом частотном диапазоне, составляет n-f , в (Nом диапазоне частота дискретизации равна соответственно ni., в (N-2)-oM /4 и т.д., где п - число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое для преобразования его без искажений (из теоремы Котельникова П7/2). Если каждый дискретный отсчет использовать Для фильтрации сигнала только в одном соответствующем ему частотном диапазоне, то суммарное количество дискрет в единицу времени (частота дискретизации), необходимое для анализа сигнала в Н - частотных полосах, равно сумме геометрической прогрессии: . пО N 2 N Так как сумма (2) не превосходит величины 2п., а лишь асиптотически приближается в ней с ростом N и если частота дискретизации сос. . i eepxri о(., 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-OM диапазоне, каждое четвертое - в более низкочастотном (N-l)-oM диапазоне, каждое восьмое в (N-2)-oM и т.д., причем каждый дискретньш отсчет участвует в обработке только в одной соответствующей ему ч.астотной полосе. Для реализации этого выборку дискретных значений для соответствующих частотных полос производят со смещением: для самого высокоЧ астотного N -го диапазона выборка начинается с 0-го отсчета, для следующего (N-l)-ro - с 1-го отсчета, для (М-2)-го - с. 3-го и т.д. В общем -елучае для диапазона (К4К) выборка начинается с (2: -1)-го . .. о N- к отсчета и идет с периодом 2 дискрет. Алгоритм выборки дискретных значений прореживанием по времени со смещением, иллюстрируется фиг,2, где а - йсследуемьй непрерывный сигнал на входе аналого-цифрового преобразователя; Ъ - сигнал после дискретизации, здесь же показана принадлежность дискретных отсчетов к 0-му, 1-му, 2-му, 3-му диапазона 1 анализа; с, d, е, f .- дискретные последовательности, относящиеся соответственно к 3-му, 2-му, 1-му и 0-му частотным 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« значение их среднегеометрических частот и границ диапазонов. В устройстве для фильтрации сигнала в нескольких частотных диапазонах с помощью одного цифрового фильтра используется тот известньй факт, что полоса пропускания и центральная частота фильтра изменяются с изменением тактовой частоты его работы, что происходит при использовании указанного метода прореживания. Для полосовой i фильтрации во всех диапазонах в это случае требуется всего лишь один на бор коэффициентов фильтра, что веде к высокой идентичности обработки в различных частотных полосах. Снижению частоты выделения дискр ных отсчетов (Что фактически происх дит при сортировке дискрет по час тотным диапазонам) должна предшеств вать и соответствующая низкочастотна фильтрация, чтобы избежать искажений вызываемых эффектом наложения. Для этого в предлагаемом устройстве каждьй дискретный отсчет подвергается сначала низкочастотной фильтрации, а затем уже полосовой фильтрации. Устройство работает следующим образом. Исследуемый сигнал (изменяющееся в широком диапазоне частот н-апряжение) поступает на вход фильтра 1 ниж них частот, работающего в качестве фильтра предварител-ьной выборки и подавляющего высокочастотные составляющие, присутствие.которых могло бы привести к искажениям из-за проявления эффекта наложения в процессе выборки дискретных значений в АЦП 2. Частота среза f р фильтра 1 соответствует верхней границе Р самого высокочастотного диапазона N анализа С выхода фильтра 1 аналоговый сигнал поступает в АЦП 2, частота дискретизации которого задается из блока 8 синхронизации и составляет г- Of/) pSSP . ацп ср N Двухкратное завьшение частоты дискретизации АЦП 2 диктуется используе мым в устройстве методом прореживани .по времени входных .отсчетов со смещением, cynjHOCTb которого изложена вьш1е. С выхода АДП2Дискретньа отсчет, соответствующий, например, К-му диапазону (Ke{0,Np поступает через пход коммутатора 3 на информационный вход блока 4 пймяти. При этом блок 8 синхронизации через соответствзтощи выход разрешает коммутатору 3 такую передачу входного отсчета, через соответствующий выход адресует этот отсчет в область хранения входных отсчетов блока 4 на место самого старого из m хранимых в ней значений входных отсчетов (т - порядок цифрового фильтра нижних частот) -. Затем по сигналам блока 8 синхрони7зации из блока 4 памяти последовательно считываются и передаются на первый информационный вход умножителя 5 все m отсчетов входной величины. Одновременно по сигналам блока 8 синхронизации из блока постоянной памяти 9 коэффициентов последовательно и синхронно с входными отсчетами поступают на соответствующий вход умножителя 5 m коэффициентов фильтра нижних частот с соответствующей данному К-му диапазону частотой среза. По сигналам с соответствующих выходов блока 8 синхронизации умножитель 5 и накапливающий сумматор 6 выполняют обработку поступающих входных отсчетов и коэффициентов в соответствии со структурой выбранной прямой формы нерекурсивного (трансверсального) фильтра. Реализация данной структуры и алгоритма в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом. Первьй из отсчетов, поступающих иа соответствующий вход умножителя 5 с выхода блока 4 памяти, умножается на значение первого коэффициента, поступающего с выхода блока 9 постоянной памяти коэффициентов. Полученное в умножителе 5 произведение поступает в накапливающий сумматор 6. Затем производится перемножение значений второго отсчета и второго коэффициента и полученное произведение суммируется со значением, хранимым в накапливающем сумматоре 6, далее обрабатывается третья пара и т.д. Полученное в сумматоре 6 отф шьтрованное значение с выхода последнего подается на соответствующий вход коммутатора 3. В данном случае на управляющий вход коммутатора 3 с соответствующего выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал, вызывающий передачу информации с этого входа коммутатора 3 на информационный вход блока 4 памяти. На управляющий вход последнего с соответствующего выхода блока 8 синхронизации подается сигнал, вызывающий запись поступившего отсчета в область памяти, соответствующую данному полосовому частотному иапазону,на место самого старого з f хранящихся в ней отсчетов, который при этом пропадает (б - поряок полосового фи-пьтра). Затем по сигналам блока 8 синхроизации из данной области памяти последовательно считываются и передаются на соответствующий вход умножителя 5 все Е хранимых значений. Одновременно по сигналам, поступающим с соответствующего выхода блока 8 на вход блока 9 постоянной памяти коэффициентов, из последнего считываются и последовательно, синхронно с К отсчетами подаются на соответствующий вход умножителя 5 Р коэффициентов полосового фильтра. Умножитель 5 и накаш1иваю1дий сумматор 6 по сигналам блока 8 синхронизации аналогично описанной вьше процедуре низкочастотной фильтрации выполняют вычисление значения выходного отфильтрованного отсчета, которое с выхода накапливающего сумматора 6 подается на вход коммутатора 7. На управляющий вход последнего с соответствующего выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал, по которому отфильтрованньй отсчет передается на один из выходов

коммутатора 7 (в соответствии с данным К-м диапазоном),и передается на дальнейшую обработку.

Затем по сигналу, поступающему с сЬответствующего выхода блока 8 синхронизации, АЦП 2 срабатывает снова и новый дискретный отсчет, соответствующий теперь уже R-му частотному каналу ( N), начинает обрабатываться в устройстве. Цикл обработки его аналогичен описанному выше, новьми являются лишь набор коэффициентов фильтра нижних частот,- поступающий из блока 9 постоянной памяти коэффициентов в умножитель 5, и адреса, задаваемые из блока 8 синхронизации в блок 4 памяти и коммутатор 7.

Таким образом, данное устройство обладает расширенными функциональными возможностями, заключающимися в многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов.

УСТРОЙСТВО ШШ ЩГФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подкл1Ьчен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подкл оче к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умноткителя, выход которого подключен к входу накатливающего сумматора,- управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот является информационным входом устройства, о. т л и ч а го щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет миого диапазонной цифровой фильтрации, в него введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя SS соединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, i-й выход ( 1 1,К) которого является информационным выходом i -го канала О устройства, а шестой и седьмой выхоСО ды блока синхронизации соединены с ел управляющими входами соответственно СлЭ ел первого и второго коммутаторов. VI

О 1 2 3 If У 7 9 $ Ю tt W ;

3- t-u i-iiH