Нерекурсивный цифровой фильтр Советский патент 1985 года по МПК H03H17/06 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации.

Цель изобретения - повьшгение быстродействия.5

На фиг.1 и 2 приведена структурная электрическая схема нерекурсивного цифрового фильтpa;f на фиг.З диаграммы его работы; на фиг.4 структурная электрическая схема фор- -10 мирователя управляющих импульсов; на фиг.5 - диаграммы работы формирователя управляющих импульсов.

Нерекурсивный цифровой фильтр со. держит аналого-цифровой преобразова- 5 тель (АЦП) 1, первый коммутатор 2, регистр 3 сдвига, формирователь 4 управляющих импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, m дополнительных сумматоров 6, второй ком-20 Ыутатор 7 и выходной сумнатор 8. .

Нередурсивный цифровой фильтр по укрупненной блок-схеме (фиг.2) содержит АЦП 1, m условных нерекурсив- j, ных цифровых фильтров (НЦФ) 9, третий коммутатор 10, m умножителей 11 и выходной сумматор 8.

Формирователь 4 управляющих импульсов содержит генератор 12 импульсов, 30 первый, второй и третий делители ISIS частоты, дешифратор 16, первый и второй элементы И 17 и 18.

НЦФ работает следующим образом.

На фиг.З обозначены непрерывный 35 входной сигнал X(t) и сигнал Х(пТ), где ,1,2,..., полученный путем дискретизации и квантования сигнала X(t) через равные промежутки времени Т и округления до ближайшего разрешен- 40 ного уровня, и - наименьший шаг квантования по амплитуде.

Па фиг.35,5,2, представлено преобразование аналогового сигнала X(t) аналого-цифровым преобразователем 1 в45 т-разрядные двоичные числа. Для наглядности ограничимся четьфьмя разрядами А1Д1 1, при этом фиг.з5 соответствует первому (младшему), фиг.З 6 второму, фиг.Зг- третьему, фиг.З - 50 четвертому (старшему) разрядам выхода АЦП.

На фиг. Зе ,А,Ч., и показана аппроксимация сигнала Х(пТ) суммой иьтульсов, отношение a mлитyд которых кратно 2. 55 Минимальная амплитуда и шyльcoв равна Ujj - наименьшему шагу квантования входного сигнала (фиг.30().

На отрезке t,-Lj сигнал Х(пТ) аппроксимируется одним импульсом, амплитуда которого равна U (фиг.Зв); на отрезке j - импульсом с амплитудой 211 (фиг.Зж); ма отрезке 1,-Ц суммой двух импульсов с амплитудами Up (фиг.Зе) и 2Uo (фиг.З) и т.д., на отрезке - суммой трех импульсов с амплитудами U,, (фиг.Зе), 2UQ (фиг.З) и 4 U(, (фиг.Зг) , на отреке tg-tj - импульсом с амплитудой 8 Uj, (фиг.Зи).

Поскольку процесс фильтрации линейный, то профильтровав отдельными условными нерекурсивными хшфровыми фильтрами 9,. (фиг.2), частотные и фазовые характеристики которых одинаковы, каждую из импульсных последовательностей (фиг.Зе,,J, и) и складывая в моменты выходные реакции условных НЦФ 9, получим полную реакцию Y(nT) на входной сигнал Х(пТ), аналогичную свертке отсчетов входного сигнала с коэффициентами импульсной характеристики

Y(nT) 2:а-Х(пТ-1Т) (1)

14

Таким образом, отсчет выходного сигнала в общем виде

Y(nT)Y, (nD+Y (пТ) + .. .+Y(nT),(2

где Y;(nT) - реакция одного из условных НЦФ 9 в момент времени на i-импульсную последовательность (фиг.Зе,А,j,u).

Из сравнения диаграмм на фиг.Зб и фиг.Зе, на фиг.ЗВ и фиг.З, на фиг.Зг и фиг.З, на фиг.3| и фиг.3(/ видно, что сигналы на этих диаграмма отличаются только амплитудами импульсов . Если принять амплитуду сигналов с выходов АЦП равной Uj,, то соотношение амплитуд кратно 2.

Поэтому отсчет Y(nT), аналогичный выражению (1), на входную последовательность Х(пТ) с учетом выражения (2) можно получить путем сложения реакций в моменты отдельных (одинаковых) нерекурсивных цифровых фильтров на Импульсные последовательности (фиг. 35,В,2 , ч) с соответствующими весами. Веса определяют из.отношения амплитуд импульсов с выходов разрядов АЦП 1 (фиг .3,8 jZ, ) и соответствующих аппрокси№1руюш х импульсов (фиг.3е,,,и). Таким образом .,Y(nT)(nT)(nT) 2+Y (пТ) 4+ l-YjCnD.e,(3) .где Y,(nT) - реакция первого условно го НЦФ 9.1 в момент времени на импульсную последовательность (фиг.з5) с выхода первого (младшего) разряда АЦП 1 (фиг,2), Y(nT) - реакция второго условного НЦФ 9,2 в момент времени на импульсную последовательность () с выхода второго разряда АЦП 1. (nl) - реакция третьего условно го НЦФ 9.3 в момент времени на импульсную последовательность (фиг.Зг) с выхода третьего разряда АЦП 1, Y(iiT) - реакция четвертого услов ного НЦФ 9.4 в момент времени на импульсную последовательность (фиг.3d) с выхода четвертого (старше го) разряда АЦП 1. Поскольку отсчеты сигнала каждого разряда АЦП 1 для условных нерекурсивных цифровых фильтров 9.т (фиг.З) принимают только два значения 1 или О, то операции умножения в НЦФ вьфож даются и вычисление дискретной сверт ки для каждого входного сигнала (раз ряда АЦП 1) и коэффициентов НЦФ по формуле (1) осуществляется путем сум мирования тех коэффициентов фильтра а, сомножители (отсчеты входного сиг нала) у которых равнЬ 1. Согласно (3) сигналы Y(nT) с выхода i-ro условного НЦФ 9.га суммируются с разными весами (фиг.2). Но поскольку веса соответствуют числам (где m разряд выхода АЦП 1), то, следовател но, взвешивание сводится к сдвигу (в сторону увеличения) выходного сиг .нала соответствующего условного ИЦФ 9.т на (т-1) разрядов. Выходной OTсчет Y(nT) получается суммированием в накапливакицем выходном сумматоре 8 взвешенных реакций НЦФ в моменты . Поскольку такая реализация требует идентичности характеристик условных НЦФ 9.т, то для хранения коэффици ентов фильтров достаточно использоват одно ПЗУ. Следовательно, вычисление дискрет ной свертки,соответствующей выражению (О, осуществляется лишь с помощью операции суммирования. В работе нерекурсивного цифрового фильтра можно выделить два режима: режим записи отсчета входного принимаемого сигнала Х(пТ) в регистр 3 сдвига и установки в начальное состояние дополнительных сумматоров 6.1-6.т и выходного сумматора 8. и режим вычисления отсчета выходного сигнала Y(nT) методом дискретной свертки N отсчетов входного сигнала, хранящихся в регистре 3 сдвига, и коэффициентов фильтра а/, хранящихся в ПЗУ 5. Запись отсчета входного сигнала Х(пТ) и установка в начальное состояние составных частей НЦФ производит-, ся следукщим образом. Непрерьшный сигнал X(t) поступает на информационный вход АЦП 1, вход управления которого соединен с первым выходом формирователя 4 управляющих импульсов. Под воздействием импульса с первого выхода формирова- еля 4 (фиг.Зл) в момент времени АЦП 1 производит преобразование выборочного значе ния амплитуды принимаемого сигнала Х(пТ) в т-разрядное двоичное число, которое через .первые входы первого коммутатора 2 поступает на информационные входы регистра 3 сдвига. Запись отсчета входного сигнала в регистр 3 сдвига происходит под воздействием поступающего на его (сдвиговый) вход управления импульса с второго выхода формирователя 4 (фнг.Зб, нулевой импульс), по времени совпадающего с импульсом с перво го выхода формирователя 4 (фиг.5q). Импульсами с первого выхода формирователя 4 (фиг.5о|), следующими в моменты времени , производится установка по входам установки дополнительных сумматоров 6,1 - б.т и выходного сумматора 8 в начальное (нулевое) состояние. На этом режим записи отсчета входного сигнала заканчивается. После окончания импульса с первого выхода формирователя 4 выходы регистра 3 сдвига подключаются к егоинформационным входам через вторые входы первого коммутатора 2, что обеспечивает круговой сдвиг информации в регистре 3 сдвига. Режим вычисления отсчета выходного сигнала Y(nT) осуществляется межу записью в регистр 3 сдвига смежных тсчетов входного сигнала Х(пТ) и

X(n+1)tJ методом дискретной свертки N отсчетов входного сигнала, xpaFiHiuHxr.H в регистре 3 сдвига и N коэффициентов фильтра ао, хранящихся в ПЗУ 5.

Для этого формирователь 4 импульсов управления на втором выходе формирует серию из N импульсов (фиг.5, импульсы 1,2,...,N), которые поступают на вход управления (сдвига) ре-, гистра 3 сдвига, чем обеспечивается круговой сдвиг информации по принципу, когда каждый выходной сигнал под тактом записывается на вход, и на вторые входы управления дополнительных сумматоров 6.1-6.т. При этом ка:яады 1 разряд выхода регистра 3 сдвига соединен с первым входом управления соответствующего дополнительного умматора 6,1-6.т.

Одновременно на третьем выходе формирователя 4 управляющих импуль сов в двоичном коде формируются адресные Р-раэрядные числа от О до N-15 которые управляют выборкой ПЗУ 5 по соответствующим адресным Р-выходам. При этом S выходов ПЗУ 5 соединены с информационными входами дополнительных сумматоров 6.1-6.га.

Под воздействием сигналов формирователя 4 с выхода регистра 3 сдвига последовательно вьшоцятся т-разрядные отсчеты входного сигнала на соответствующие первые входы управления дополнительных сумматоров 6.1-6.т а из ПЗУ 5 последовательно считываются S-разрядные коэффициенты фильтра а на информационные входы дополнительных сумматоров 6.1-6.т. Если сигнал разряда отсчета входного сигнала поступающий на первьш вход управления соответствующего дополнительного сумматора 6.1-6.т, имеет значение 1, то. коэффициент фильтра, поступающий на информационный вход дополнительных сумматоров 6.1-6.т, под тактом, поступающим на вторые входы управления дополнительных сумматоров 6.1-6.т, складывается с ранее вычисленной суммой. Если сигнал разряда отсчета равен О, то сложение не производится и сумма в дополнительных сумматорах 6.1-6.т на этом такте не изменяется.

Таким образом за N тактов суммы, накопленные в каждом из дополнительных сумматоров 6.1-6.т, соответствуют дискретной свертке N коэффициенто

фильтраа и и сигналов одного из раз рядов N отсчетоввходного сигнала Д|я7

После этого вычисляется отсчет выходного сигнала У(пТ) путем сложения с определенными весами полученных сумм в дополнительных сумматорах 6,16.т. Вес каждой из сумм равен 2 , где m - разряд в отсчете входного сигнала Х(пТ), которым соединены первые входы управления дополнительных сумматоров 6.1-6.т. Под воздействием m тактов с четвертого выхода фop tиpoвателя 4 (фиг.5&) на вход управления второго коммутатора 7 происходит поочередная коммутация накопленных сумм с выходов дополнительных сумматоров 6.1-6.т через соответствующие входы второго коммутатора 7 на вход выходного сумматора 8. При этом коммутация разрядов с га выходов m дополнительных сумматоров б.т производится со сдвигом на (т-1) относительно одноименных разрядов выходного сумматора 8. Этим достигается увеличение числа с выходов m дополнительных сумматоров б.т в 2 %аза, Так, число с дополнительного сумматора 6.1 поступает на вход выходного сумматора 8 без изменения. Число с дополнительного сумматора 6.2 поступает на вход выходного сумматора 8 увеличенным в 2 раза. Число с дополнительного сумматора 6.3 увеличивается в 4 раза. Число с выхода дополнительного сумматора б.т увеличивается в 2 раз.

Под m тактами с четвертого выхода формирователя 4 на вход управлений выходного сумматора 8 происходит накопление с.уммы чисел с вьгходов дополнительных сумматоров 6.1-6.т.

Полученная таким образом сумма соответствует отсчету выходного сигнала Y(nT) (дискретной свертке N коэффициентов фильтра и N отсчетов входного сигнала).

После записи очередного отсчета входного сигнала в регистр 3 сдвига процесс по вычислению следующего отсчета выходного сигнала повторяется.

На основании изложенного можно сделать вывод, что быстродействию фильтра, равное

+mt.,

&

где m - разрядность отсчета входного сигнала

tg - время сложения двух чисел, существенно повьииается.

И 8Ио

7Иа бНо

5Яо 4Яо 3ffo

гио

И„

НЕРЕКУРСИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, первый коммутатор и регистр сдвига, ш-разрядный выход которого подключен .к второму входу первого коммутатора, выходной сумматор, постоянное запоминающее устройство и формирователь управляющих импульсов, первый выход которого соединен с входами управления аналого-цифрового преобразователя, первого коммутатора и входом,установки выходного сумматора, второй выход формирователя управляющих импульсов подключен к вхот ДУ управления регистра сдвига; а третий выход формирователя управляющих импульсов соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, отличающийся тем, что. С целью повышения быстродействия, в него введены m дополнительных сумматоров, первый и вторые входы управления, входы установки и информационные входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов регистра сдвига, второму и перi вому выходам формирователя управляющих импульсов и выходу постоянного (Л запоминакидего устройства соответст- венно, второй коммутатор, включенный между выходами m дополнительных сумматоров и входами выходного сумматора, вход управления которого объединен с входом управления второго коммутатора и подключен к четвертому выходу формирователя управляющих импульсов . (;о 4

ff б г

д

Ио

Фиг.З