Цифровой фильтр Советский патент 1986 года по МПК H03H17/06 

козф, ( , поступающий с К(Р 5. Сигнал г. .элемента И 4 через преобразователь 6 последовательного кода в параллельный поступает на накапливающий сумматор 7. После п циклов раИзобретение относится к радиотехнике и вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации.

Цель изобретения - повьппенйе ка- честна фильтрации зашумленных сигналов ,

На фиг, 1 приведена структурная электрическая схема цифрового фильт- ра на фиго 2 и 3 структурные электрические схемы блока памяти и блока определения последовательности экстремумов сигнала соответственно, входящих в состав цифрового фильтра.

Цифровой фильтр содержит формиро- ватель 1 тактовых импульсов, блок 2 памяти, блок 3 определения последовательности экстремумов сигнала, элемент И 4, кольцевой сдвиговый регист 5, преобразователь 6 последовательно го кода в параллельный, накапливающий сумматор 7, умножитель 8, блок 9 памяти коэффициента, информационный вход 10 цифрового фильтра и управляющий вход П цифрового фильтра.

Блок 2 памяти содержит п регистров 12 (где п - порядок фильтра), п мультиплексоров 13, счетчик 14, информационный вход 15, установочный вход 16, вход 17 синхронизации и вы- ходы 18.

Блок 3 определения последовательности экстремумов сигнала содержит п элементов И 19, п элементов ИСКЛЮ- ЧАКЩЕЕ ИЛИ 21, п триггеров 22 первой группы, п триггеров 23 второй группы, селектор 24, п информационных входов 25, установочный вход 26 и вход 27 синхронизации.

Цифровой фильтр работает следующи образом

Предлагаемое устройство осуществляет в общем случае нелинейную цифровую фильтрацию входного сигнала согласно следующему уравнению:

боты цифрового фильтра двоичный код с накапливающего сумматора 7 поступает на умножитель 8, где происходит умножение на ко эф, усиления « 1 3.п. ф-лы, 3 ил,

У.

«L.R

xj,

где Rj (х.„ ,..«, х) порядковая статистика текущих отсчетов (выборок) входного сигнала У|. - значение К-го отсчета сигнала на выходе фильтра; - весовой коэффициент, имеющий значение О или 1; коэффициент усиления. Когда р 1 и только oди коэффициент (У- , то предлагаемый цифровой фильтр осуществляет ранговую фильтрацию входного сигнала. Например, когда j - (п+1)/2, где п - нечетное, то предлагаемый цифровой фильтр осуществляет медианную фильтрацию сигнала, которая является очень эффективной

для сглаживания импульсного шума. Медиана 5звляется порядковой статисти-

кой с номером (п+1)/2 при нечетном п. Если гголожить, что I , в 1 1 J п и р- 1/п, то получаем обычный сгла- живаюи1яй фильтр, который реализует операцию скользящего усреднения по формуле

п Ъ: Перед началом работы цифрового фильтра двоичный код коэффициента усиления р записьгоается в блок 9 памяти коэффициента (регистр)., а п-раз- рядный двоичный код всех .рвых коэффициентов . , i 1 s п записывается в ;п разрядный кольцевой сдвиговый регистр 5, при этом содержимое i-ro разряда сдвигового регист ра 5 равно значе 1ию iX,-.

Отсчеты входного сигнала каждый из которых имеет m разрядов, последовательно поступают на информационный вход 1 5 блока 2 памяти, одновременно

на установочный вход 16 блока памяти 2 с управляющего входа 11 фильтра поступает импульс записи нового отсчета и сдвига информации, записанной в п регистрах 12 блока памяти. В п го-разрядных регистрах 12 временн хранятся коды п последовательных отсчетов сигнала х„ ... х.. Блок

2 памяти также содержит п мультиплек соров 18 и счетчик 14 с коэффициенто I пересчета равным т. С помощью этих схем осуществляется последовательное поразрядное считывание из регистров 12 кодов отсчетов х,..., х., начиная со старшего разряда. Счетный вход счетчика 14 соединен с тактовым выходом формирователя I, который является выходом генератора тактовых импульсов. Таким образом, с каждьп-i тактом работы цифрового фильтра на выходах блока 2 памяти параллельно образуются сигналы, соответствующие значениям определенного разряда (с помощью счетчика 14) всех регистров 12.

Коды отсчетов сигнала х х поразрядно параллельно поступают на соответствующие информационные входы блока 3. Перед .поступлением первых разрядов всех п отсчетов из блока 2 памяти, все п триггеров 23 второй группы устанавливаются в единичное состояние при поступлении импульса с управляющего входа 11 цифрового фильтра. Блок 3 последовательно поразрядно вычисляет значения всех п порядковых статистик последователь ности отсчетов, которые хранятся в блоке 2 памяти. Порядковые статистики вычисляются путем последовательного вычисления максимумов соответствующих последовательностей отсчетов сигнала З. С помощью элементов И 19 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, триггеров 22 первой группы, п-входового элемента ИЛИ 20 поразрядно вычисляется максимальное значение входной последовательности кодов. На вьпсоде элемента ИЛИ 20 появляется поразрядно т-раз- рядный код максимального значения последовательности х. ,..., х. т.е. код первой порядковой статисти- ки R (х .. 5 fc) S результате этого после m тактов работы устройства все триггеры 22 первой группы устанавливаются в нулевое состояние, кроме триггера (триггеров), номер которого соответствует максимальному отсчету.

5

Селектор 24 реализует следующую функцию. Если 1-й триггер 22 первой группы находится в единичном состоянии, а все триггеры 22 первой группы с номерами, меньшими i, находятся в нулевом состоянии, то на i-м выходе селектора 24 появляется сигнап 1, а на всех остальных (п-1) выходах селектора - О. Такой селектор

0 может быть реализован с помощью п параллельно действующих элементов И, причем К-и элемент И имеет (К+1) входов. Входы К-го элемента И соединены соответственно с инверсными выходами

5 триггеров 22 первой группы с номерами, меньшими К, с прямыми выходами , К - го триггера 22 первой группы и с тактовьгм входом селектора 24,

После вычисления всех га разрядов максимума на вход 27 синхронизации блока 3 поступает импульс синхронизации с выхода управления формироватеТтя 1 . Выход управления формирователя 1 является выходом делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов. Частота импульсов на этом выходе формирователя 1 в ш раз меньще частоты на тактовом выходе. При поступлении импульса на вход 27 синхронизации блока 3 определения последовательности экстремумов сигнала осуществляется установка в единичное состояние триггеров

5 22 первой группы и запись информации с выходов селектора 24 в триггеры 23 второй группы. При поступлении импульса синхронизации на тактовьй вход селектора 24 на его к-м выходе

0 будет сигнал 1, если К-и триггер 22 находится в единичном состоянии и все триггеры 22 с номерами, меньш гми К, находятся в нулевом состоянии. В результате связи триггеров 23 с вхо-

5 дами элементов И 19 код определенного ранее максимума не учитывается при определении максимума в следующем цикле работы цифрового фильтра. Таким образом, во втором цикле работы

0 цифрового фильтра на выходе элемента НИИ 20 появляется поразрядно код второй порядковой статистики R2 - n-n-f ..., х). В п-м цикле работы цифрового фильтра на вьсходе элемента

ИЛИ 20, т.е. на выходе блока 3, появ-

х).

0

ляется код числа К(х

т.е.

счетов сигнала х

п к-и ч ° минимум последовательности от-

5

к

С пыкода блока 3 код д -й порядковой статистики R ( + ч tc поразрядно (пачиная со старшего разряда) поступает на первый вход элемента И 4, FTa второй вход элемента И 4 с выхода кольцевого сдвигового регистра 5 поступает одноразрядньй код коэффициента :( . Элемент И 4 реализует операцию уьпюжения (w-«4 --. xj., Последова- тельный код на выходе элемента И 4 преобразуется в соответст вующий .параллельный код на выходе преобразователя 6, который может быть реализован в виде сдвигового регистра. Код произведения i , R (х,, , . . . , х поступает на информационный вход накапливающего сумматора 7. При поступлении очередного отсчета на информационный вход 10 цифрового ф пьтра им пульс управления с управляющего входа 1 устанавливает накапливающий сумматор 7 в нулевое состояние (происходит сброс сумматора).

Таким образом, после п циклов работы цифровог о фильтра Б накапливающем сумматоре 7 сформируется двоичны

код числа у

-Г Г

Умножитель

8 реализует операцию умножения кода

числа па выходе накапливающего сум- матора 7 на код содержимого блока 9 памяти коэффициента, т.е. на двоичный код значения коэффициента усиления р.

За счет возможности осуществления ранговой фильтра1 и сигналов предла- гаемый цифровой фильтр позволяет повысить качество фильтрации зашумлен- ных сигналов по сравнению с известными цифровыми фильтрами. Например, за счет возможности реализации медианной фильтрации сигналов данньй цифровой фильтр позволяет хорошо сгладить импульсньгй шум и при этом не исказить значительно полезный сигнал- С помощью предлагаемого цифрового фильтра: можно осуществлять также сгла живание шумов других видов, например сглаживание белого шума путем вьшол- нения скользящего усреднения сигнала.

Формула Изобретения

.Цифровой фильтр ,содержащий блок памяти, элемент И, накапливающий сум- i iaTop, блок памяти коэффициентов, . формироватешь тактовых импульсов и ;)Гмножитель, первьп1 вход которого соединен с выходом блока памяти коэффи5«

0

5

циентов, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности фильтрации зашумленных сигналов, вве- даны блок: определения последовательности экстремумов сигнала, кольцевой сдвиговый: регистр и преобразователь последовательного кода в параллельный, выходы блока памяти соединены с соответствующими информационными входами блока определения последовательности экстремумов сигнала, выход которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом кольцевого сдвигового рег:истра, выход элемента И подключен к :ннформационному входу преобразователя последовательного кода в параллельный код, выход которого соединен с входом накапливающего сумматора, второй вход умножителя подключен к выходу накапливакмцего сумматора, выход которого является выходом цифрового фильтра, тактовый выход формирователя тактовых импульсов соединен с входами синхронизации преобразователя кода и блока памяти, а выход управлений подключен к входам синхронизации накапливающего сумматора, кольцевого сдвигового регистра и блока определения последовательности экстремумов сигнала, установочнйе входы накапливающего сумматора, блока определения последовательности экстремумов сигнала и блока памяти объединены между собой и являются управ- входом цифрового фильтра, а информационный вход блока памяти является информационным входом цифрового ф шьтра.

2 Фш1ьтр по п. 1, отличающийся- тем, что блок определения последовательности экстремумов сигнала содержит п элементов И, где п I, 2, 3,.,. - порядок цифрового фильтра, п элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, :а триггеров первой группы, п триггеров второй группы, селектор и элемент ЮТИ входы которого соединены с выхо- дами сП элементов И, первые входы которых 5гвляются соответствующими информационными входами блока определения последовательности экстремумов сигнала, а вторые и третьи входы п элементов И соединены соответственно с выходами п триггеров первой и второй групп, выходы п элементов И под- 1шючены к первым входам элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ШШ, вторые входы которых соединены с выходом элемента ШШ, яв7

ляющнмся выходом блока определения .последовательности экстремумов сигнала, выходы п элементов ИСКЛЮЧАКЛЦЕЕ ИЛИ подключены к входам установки в О триггеров первой группы, выход 1-го из которых (где i 1,,п). соединен с i-M входом селектора, i-й выход которого подключен к входу установки в

О i-ro триггера второй

J5

В

группы, причем входы установки в 1 п триггеров второй группы объединены между собой и являются установочным входом, а

тактовый вход селектора и входы установки в 1 триггеров первой группы объединены между собой и являются входом синхронизации блока определения последовательности экст- - .ремумов сигнала.

Изобретение относится к радиотехнике и вычислительной технике и может использоваться в системах цифровой обработки информации. Повьппа- ется качество фильтрации зашумпенных сигналов. Устройство осуществляет нелинейную фильтрацию входного сигнала согласно уравнению Уц -.и-и .)5 В частности ранговую фильтрацию. Двоичный код коэф. усиления PI записывается в блок 9 памяти коэф. п разрядныё двоичные коды вес. коэф. е(. (i I, п) записываются в п-разрядный кольцевой сдвиговый регистр (КСР) 5. Содержание 1-го разряда КС 5 равно значению (, m-раз- рядные отсчеты входного сигнала поступают на блок памяти (ВП) 2. По тактовым импульсам формирователя 1 тактовых импульсов коды отсчетов сигнала Х|. ,...,х поразрядно параллельно поступают с БП 2 на блок 3 определения последовательности экстремумом. В этом блоке определяются значения всех, п порядковых статистик R; :ц ) последовательности отсчетов. Порядковые статистики определяются путем последовательного вычисления максимумов. Элемент И 4 осуществляет операцию умножения кода 1-й порядковой статистики на вес, 1C (Л Фиг.1

Редактор М. Товтин

фие.З

Составитель А. Осипович

Техред Н.Бонкало Корректор 0. Луговая

Заказ 3927/58 Тираж 816 Подписное

. ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий N3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

77