Устройство для цифровой фильтрации Советский патент 1986 года по МПК G06F17/10 H03H17/00 

1211748

pa блока управления соединен с вхо- управления являются соответственно дами р.егистров адреса всех корреля- ij входом задания точностных характе- торов, второй информационный и уп- ристик и входом задания режима рабо- равляющий входы коммутатора блока ты устройства.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении специализированных вычислительных систем, функционирующих в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет фильтрации двухмерных сигналов.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - блок-схема вычислительного модуля} на фиг.3 - блок-схема блока управления; на фиг.4 - временные диаграммы сигналов на входе и втором выходе блока управленияJ на фиг.5 и 6 - схема алгоритма работы устройства при вычислении результата у(п) корреляции одномерных сигналов; на .фиг.7- и 8 - диаграмма работы устройства при вычислении результата корреляции двухмерных сигналов (фиг.7 и 8 соответствуют К-3 и ).

Устройство содержит К корреляторов 1.1, 1.2, ..., 1.К, блок 2 управления, причем, каждый j-ый коррелятор содержит регистр 3.J адреса, блок 4.J постоянной памяти, регистр 5.J коэффициента, умножитель 6.J, сумматор 7.J, первый регистр 8.j результатов, коммутатор 9.J, триггер 10.J, второй регистр 11.J результатов, буферньш регистр 12.J. Блок 2 управления содержит счетчик 13 по модулю К, коммутатор 1.4 дешифратор 15 и элемент ИЛИ-НЕ 16. Причем вход начальной установки счетчика 13 по модулю К объединен с управляннцим входом коммутатора 14, первым входом элемента ИЛИ-НЕ и является входом задания режима работы устройства, первый информационный вход коммутатора 14 объединен с входом дешифратора 15 и подключен к выходу счетчика 13 по модулю К, выход коммутатора 14 соединен со входами регистров 3.J адреса (где ,K). Второй информационный вход коммутатора 14 является входом задания точностных ха-- 5 ,рактеристик устройства. Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 16 подключен к выходу дешифратора 15, выход элемента ИЛИ-НЕ соединен с входами триггеров 10.J (где ,K). Выход регистра

3.J j-oro коррелятора соединен с адресным входом блока 4.J постоянной памяти, выход которого через регистр 5.J коэффициента соединен с первым входом умножителя 6.J, второй

5 вход которого объединен с входом буферного регистра 12.(j+1) и подключен к выходу буферного регистра 12.J, выход умножителя 6.J соединен с первым входом сумматора 7.j второй

0 вход Которого подключен к выходу коммутатора 9.J, выход сумматора 7.J через первый регистр 8.J результатов подключен к входу второго регистра 11.J результатов и к первому

5 информационному входу коммутатора 9.J, выход второго регистра 11.j результатов соединен с вторым информационным входом коммутатора 9(j+- +1) управляющий вход которого под0 ключей к выходу триггера lO.j. Второй информационньй вход коммутатора 9.1 и вход буферного регистра 12.1 являются соответственно первым и вторым информационными входами

5 У Ройства. Выход второго регистра 11.J результатов является выходом устройства.

В общем случае устройство вьтол- 0 няет операцию фильтрации (корреляции) двухмерных сигналов вида

К к

y(m,n) Z: 21 со (e,j)x(m-e-H, n-j + O, Г- (1)

5

где n,,2,...,N+K+1,

y(n,m)0 для n, или n, или

к к H(.)g, w(e,jlx(m+e-i,n+j-, (2)

m, n 1, 2, ..., N-K + 1,

Кроме того, устройство вьшолняет операцию фильтрации (корреляции) одномерных сигналов вида If

у(п) .Z. О) (j)x(n-j-H); (3)

у(п) 21 со (j)x(n-bj-l). (4)

При выполнении операций фильтрации (корреляции) одномерных сигналов устройство работает следующим образом.

Во время этой операции под воздействием сигнала Одномерная обработка, поступающего на управляющий вход коммутатора 14, элемент ШТИ-НЕ 16 формирует уровень логического О, передаваемый посредством триггеров 10.J на управлякицие входы коммутаторов 9. j . Под воздействием этого же сигнала Одномерная обработка коммутатор 14 пропускает на выход блока 2 управления код числа К, передаваемый посредст- вом регистров 3.J адреса на адресный вход блока 4.J памяти, в результате чего из ячейки этого блока с адресом К считьюается коэффициент 00(j), который в течение всей операции фиксируется в регистре 5.j коэффициента. Через промежуток времени, равньй по крайней мере одному такту от момента подачи сигнала Одномерная обработка, на второй вход буферного регистра 12.1 коррелятора 1.1 со скоростью одного, отсчета на такт начинают поступать отсчеты входной последовательности х(1), х(2),..., x(N) (на второй информационный вход коммутатора 9.1 в этом случае подается код нуля).Определим базовую операцию А, которая осуществляется в течение одного такта в корреляторе l.j и выполняется следующим образом. В исходный момент времени в первом регистре 8.j результатов и втором регистре 11.J результатов хранятся соответственно частичные результа. Щ , (1 .

ты b i и b а в буферном регистре . j хранится операнд а- , который затем поступает на второй вход умножителя 6.J, на первый вход которого с выхода регистра 5.J коэффици-

ента поступает коэффициент co(j). Затем умножитель 6.j формирует произведение ,w(j)dj, которое поступает на первый вход сумматора 7.j. Одновременно с выхода второго регистра ll.(j-l) результатов (j-l)-oro коррелятора на второй информационный вход коммутатора 9.J поступает частичный результат bi., , который (поскольку на управляющий вход коммутатора 9.J подан логический О) передается на второй вход сумматора 7.J. Затем сумматор 7.j формирует сумму co(j)a--b-|, которая с приходом тактового импульса записывается в

первый регистр 8.J результатов, прежнее содержимое которого переписывается во второй регистр ll.j результатов. Под воздействием тактового импульса осуществляетсятак-

же перезапись содержимого буферного регистра 12.(j-1) в буферный регистр 12.J (или просто запись нового входного отсчета в рег,истр 12.1 в случае модуля 1.1).

Рассмотрим формирование отсчета выходной последовательности с номером п(,2,...,N-K+1), определяе- мого выр.ажением

у(п) (0(1)x(n)+u(2)x(n+1) + ...+Cd(K) хх(п+К-1).

работу устройства представим потактно перечисляя только те из микроопераций, выполняемые в данном такте базовой операцией А, которые

влияют на формирование у(п).

Такт п. В буферный регистр 12.1 записьшается входной отсчет х(п).

Такт п+1. В корреляторе 1.1 формируется произведение со(1)х(п),

которое записывается в первый регистр 8J результатов. Кроме этого, в буферный регистр 12.1 поступает новый входной отсчет х(п+1).

Такт п+2. Произведение со(1)х(п)

переписывается во второй регистр 11.1 результатов, отсчет х(п+1) поступает в буферный регистр 12.2, а новый входной отсчет х(п+2) записывается в буферный регистр 12.1.

Такт п+3. В корреляторе 1.2 формируется сумма cj(1)x(n)+ w(2)x(n+1), которая записьшается в первый 8,2 регистр результатов. Кроме этого.

5

отсчет x(n+2) поступает в буферный регистр 12,2, а новьй входной отсчет х(п+3) записьшается в буферный регистр 12.1.

Такт п+4. Сумма со (1)x(n)+w(2)x х(п+1) переписывается во второй регистр 11.2 результатов, отсчет х(п+ +2) поступает в буферный регистр 12.3, отсчет х(п+3) поступает в буферный регистр 12.2, а новый входной отсчет х(п+4) записывается в буфер- ньй регистр 12.1.

Такт п+5. В корреляторе 1.3 формируется сумма Q (1)х(п)+со(2)х(п+1) + +ы(3)х(п+2), которая записьшается в регистр 8.3 результатов. Кроме этого, отсчет х(п+3) поступает в буферный регистр 12.3, отсчет х(п+ +4) - в буферный регистр 12.2, а новый входной отсчет х(п+5) записы- вается в буферный регистр 12.1 и т.д.

Такт (п-ь2К-3). В корреляторе 1.(К-1) формируется сумма ы(1)х(п)+ + to(2)x(n+1) + ...+СО(К-1)х(п+К-2),(5) которая записьшается в регистр 8.(К- 1) результатов. Кроме этого, отсчет х(п+К-1) поступает в буферный регистр 12.(К-1).

Такт (п+2К-2). Сумма (5) перепи- сывается в регистр 11.(К-1) результата, а отсчет х(п+К-1) поступает в буферньй регистр 12.К.

Такт (п+2К-1). В корреляторе 1.К формируется окончательное значение выходного отсчета у(п), которое записьшается в регистр 8.К результатов.

Такт П+2К. Выходной отсчет у(п) переписывается в регистр 11.К результатов, откуда поступает на выход устройства.

При выполнении операции фильтрации (корреляции) двухмерных сигналов устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчик 13 по модулю к обнулен. Затем на управляющий вход коммутатора 14 поступает сигнал Двухмерная обработка, под воздействием которого счетчик 13 по модулю К начинает реагировать на поступающие на его вход тактовые импульсы (этот ход не показан), осуществляя их счет по модулю К. Комму- татор 14 пропускает на выход блока 2 управления содержимое счетчика 13 по модулю, передаваемое посредством

5 ю

15 20

5

О

0

5

°

7486

регистров 3 адреса на адресный вход блоков 4 постоянной памяти. В результате этого в течение такта с номером Т ( ,2, ...) таким, что

T-j(e-1)mod К,

причем , из ячейки блока 4.J постоянной памяти с адресом (е-1) происходит микрооперация считывания . коэффициента (jO(e,j), которьй затем в течение следующего такта (т.е. (Т+1) фиксируется в регистре 5.J коэффициента. Содержимое счетчика 13 по модулю К дешифрируется с помощью дешифратора 15, на выходе которого в течение такта с номером таким, что б 1 mod 3, вырабатывается уровень логической 1, под воздействием которого элемент ШШ-НЕ 16 формирует на своем выходе уровень логического О, передаваемый посредством триггеров 10.J на управляющий вход коммутатора 9.J. В течение остальных тактов дешифратор 15 и элемент ШШ-НЕ 16 вырабатывают на выходе элемента ИЛИ-НЕ 16 блока 8 управления уровень логической 1, также передаваемый посредством триггеров 10.J на управляющие входы коммутаторов 9. Таким образом, в течение такта с номером t таким, что

mod К,

в коррелят.оре 1 .-j выполняется базовая операция А. В течение остальных тактов в корреляторе l.j выполняется базовая операция В, которая от пре- дьщущей отличается лишь тем, что коммутатор 9.J (поскольку на его управляющий вход поступает логичес - кая 1) передает на второй вход сумматора 7.j частичный-результат Ь; (1) , хранящийся в первом регистре 8.J результатов. Через промежуток времени, равный по крайней мере одному такту от момента подачи сигнала Двухмерная обработка на соот- ветствующий информационный вход устройства со скоростью один отсчет на такт начинают поступать отсчеты входного массива х(1,1),х(2,1),...; x(N,N) таким образом, что вьшолняет- ся следукяцая закономерность. В течение тактов (m-1)KN+1 - inKN(,2, ...,N-K+1) поступают те отсчеты входного массива, которые принадлежат строкам с номерами от m до (ш+К-1). При этом указанные строки передаются

в следующем порядпо столбцам, T.i

ке

х(т+1,1);... . ,х(т+К-1,1) ,х(т,2) ,х{т+

+ 1,2),..., х(т+К-1,2)x(m,N),х V

itCm+l ,N),,. . ,x(in+K-1 ,N) . TaKHti образом, в течение тактов (га-1)K(N+1) - mKN на вход устройства поступают отсчеты входного массива, из которых формируется строка выходного массива с номером т, т.е. у(т, 1),y(ra,2),...,y(m,N-K-H).

Рассмотрим формирование произвольного отсчета выходной последова Гакт R+K+3. В корреляторе 1.2 выполняется базовая операция В,- в

результате которой в регистр 8.2 результатов записьгеаетСя сумма у(т,

(™) +(2,2)х(т+Г, п+1); а отсчет x() переписьшается в регистр 12.2. Кроме этого, в регистр 12.1 Поступает новьй входной отсчет х(т+3, п+1) и т.д.

to Такт . В корреляторе 1.К

выполняется базовая операция В, в

% результате которой в первый регистр

8К результатов записывается сумма y(m,n)..-.,y(m,n)(К-1, К)х(т+

тельности y(m,n) (n,,2,...,N-K+1), +j,2 n+K-1), отсчет x(m+K-1, n+K-1)

переписывается в буферньй регистр 12.К.

Такт . В корреляторе 1.К выполняется базовая операция В, в 20 результате которой в регистр 8 К результатов записьшается сумма у(т, п)к y(m,ri)--y(m,n)7,+ соСК,К)х(т+К- -1, п+К-1).

Такт . Выходной отсчет 25 y(m,n) переписывается во второй регистр 11.К результатов, откуда поступает на выход устройства.

Точно таким же образом выполняется операция фильтрации двухмерных 30 сигналов с той лишь разницей, что в блоке 4.J постоянной памяти в ячейке с адресом е-1 хранится коэффициент и(К-1 + 1, K-J + 1).

Предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возопределенного выражением

y(m,n) со(1 ,1)x(m,n)+Cd(2,1)x(m+ + 1 ,п)+(У(К,1)х(т+К-1 ,n)+w(1,2)x)in,ii+ + 1) + b(2,2)x(m+1, n+1) + ...+ оа(К,К)хх x(m+K-1,п+К-1),

Такт R(m-1)KN+(n-1)K-1. В буферньй регистр 12.1 записывается входной отсчет x(m,n).

Такт R+1. В корреляторе 1.1 выполняется базовая операция А, в результате которой в первьш регистр

8.1результатов записывается произведение y(m,n), со (1,1)x(m,n) а в буферньш регистр 12.1 поступает новый входной отсчет х(т+1,п)..

Такт R+2. В корреляторе 1.1 выполняется базовая операция В, в результате которой в регистр 8.1 результатов записывается сумма y(m,n) y(m,n), +u(2,1)x(m+1 ,n), a в буферный регистр 12.1 поступает новый входной отсчет x(m+2,n) и т.д.

Такт R+K. В корреляторе 1.1 выполняется базовая операция В, в регистр 8.1 результатов записывается сумма y(m,n)y(m,n)y;., +оо(К,1) х(т+К-1,п), а в регистр 12.1 поступает новьм входной отсчет х(т,п+1).

Такт R+K+1. Сумма у(т,п)к переписывается во второй регистр 11.1 результатов, отсчет х() записывается в буферньш регистр 12.2, а новый входной отсчет x(m+1,n+1) поступает в регистр 12.1.

Такт R+K+2. В корреляторе 1.2 выполняется базовая операция А, в результате которой в первый регистр

8.2результатов записывается сумма У (m,n),,, у (га,п) +ц( 1 ,2)х(т,п+1) ,

а отсчет х(т+1, п+1) переписывается в буферный регистр 12.2. Кроме это- го, новьй входной отсчет х(т+2, п+1) поступает в регистр 12.1.

35

40

45

50

55

можности, так как кроме операции фильтрации или корреляции одномерных сигналов, которая вьтолняется прототипом, предлагаемое устройство позволяет также выполнять операцию фильтрации или корреляции двухмерных сигналов, например изображений.

Предлагаемое устройство позволяет также почти неограниченно наращивать количество корреляторов. Это обусловлено тем, что в нем входные данные, результаты, адреса и упраЬляю- щие сигналы передаются между соседними корреляторами по локальным коммуникационным каналам. В то же время в прототипе необходимо обеспечить с помощью глобального коммуникационного канала одновременное поступление входных данных на все корреляторы. Наличие глобального коммуникационного канала является причиной того, что при увеличении количества корреляторов уменьшается доПредлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные воз

можности, так как кроме операции фильтрации или корреляции одномерных сигналов, которая вьтолняется прототипом, предлагаемое устройство позволяет также выполнять операцию фильтрации или корреляции двухмерных сигналов, например изображений.

Предлагаемое устройство позволяет также почти неограниченно наращивать количество корреляторов. Это обусловлено тем, что в нем входные данные, результаты, адреса и упраЬляю- щие сигналы передаются между соседними корреляторами по локальным коммуникационным каналам. В то же время в прототипе необходимо обеспечить с помощью глобального коммуникационного канала одновременное поступление входных данных на все корреляторы. Наличие глобального коммуникационного канала является причиной того, что при увеличении количества корреляторов уменьшается до9121174810

пустимая тактовая частота (из-за производительности имеет особо важ- проблем с возрастакицей нагрузкой), ное значение в случае поразряд- и cлeдoвafельно, уменьшается произ- него режима обработки информа- водительность устройства. Уменьшение ции.

фиг. /

фие. 2

7f

Дбумертя oSpaSomKO

1 л 7 10

П f1 П П

Отоперноя oSpaSomifa

j

t

( на Ч ал0

Pr3-j K ,Pr5.)(j РгП, Tp10.

Т Вреая, QbipafffeH- ное дтокшах

(

)

+2j-l

PrB.j Pr1t{j-1 РГ 5.J X РГ 12.j

K-2 ,,r(L I

Фиг, S

u.S

(-Конец J

фиг, 8