Устройство для цифровой фильтрации Советский патент 1988 года по МПК G06F17/17 H03H17/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сейсмических, радиолокационных и других сигналов.

Целью изобретения является упрощение устройства.

На фиг, 1 показана структурная- схема устройства; на фиг, 2 - структурная схема блока синхронизации; на фиг. 3 - последовательность управляющих сигналов при цифровой фильтрации j на фиг. 4 - то же, при вычислении ДПФ.

Устройство для цифровой фильтрации (см, фиг. 1) содержит N входных регистров 1.1 (1 1,N), N умножителей 2.1, N регистров 3.1.коэффициентов, N сумматоров 4,1, N блоков 5.1 регистров результата, коммутатор 6, блок 7 синхронизации, выходы блока синхронизации 8.1-8.N, 9;1-9.N, 10.1- 10.N,11-14.

мым с выходов 8.1-8.3 блока 7 синхронизации, принимаются в регистры 3,3, 3.2 и 3.1 соответственно. После этого начинается процедура цифровой фильтрации. Первоначально в регистрах блока 5.1 записаны нули. Коммутатор 6 осуществляет пропуск О на второй вход сумматора 4.1.

0 В конце первого такта входной отсчет х(0) принимается по сигналам с выходов 9.1 и 11 блока 7 синхронизации во все входные регистры 1.1. Во втором такте на выходах умноt5 жителей 2.1 получим произведения

x(o)h(N-i), которые будучи сложенными с нулями на сумматорах 4.1, в конце такта записываются в блоки 5.1 регистров. В блок 5.3 регистров при20 нимается произведение x(0)h(0), т.е. отсчет Х(0), Кроме того, в конце второго такта в регистры 1.1 принимается входной отсчет Х(1).

В третьем такте на выходах умноБлок 7 синхронизации (фиг. 2) со- 25 жителей 2.1 получим произведения держит генератор 15, элемент И 16, x(1)h(n-i), каждое из которых суммимым с выходов 8.1-8.3 блока 7 синхронизации, принимаются в регистры 3,3, 3.2 и 3.1 соответственно. После этого начинается процедура цифровой фильтрации. Первоначально в регистрах блока 5.1 записаны нули. Коммутатор 6 осуществляет пропуск О на второй вход сумматора 4.1.

0 В конце первого такта входной отсчет х(0) принимается по сигналам с выходов 9.1 и 11 блока 7 синхронизации во все входные регистры 1.1. Во втором такте на выходах умно5 жителей 2.1 получим произведения

x(o)h(N-i), которые будучи сложенными с нулями на сумматорах 4.1, в конце такта записываются в блоки 5.1 регистров. В блок 5.3 регистров при0 нимается произведение x(0)h(0), т.е. отсчет Х(0), Кроме того, в конце второго такта в регистры 1.1 принимается входной отсчет Х(1).

В третьем такте на выходах умно

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сейсмических, радиолокационных видео- и других сигналов. Цель изобретения - упрощение устройства. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят N (N - порядок фильтра) входных регистров N умножителей 2,-2, N регистров коэффициентов 3,-3р4, N сумматоров 4,-4м, N блоков регистров 5,-5ц коммутатор 6, блок синхронизации, имеющий выходы синхронизации 8.1- .N, 9.1-9.N, 10.1-10.N, 11-14. 4 ил. с $ / EOSffff SfBOK/JKO

счетчик 17, узел 18 постоянной памяти (ПЗУ), в котором хранятся программы управления устройства.

Рассмотрим работу устройства в режиме цифрового фильтра.

Устройство должно вычислять вы- ражение вида:

N-I

Х(к) x(k-n)h-(n), (1) п о

где h(n) - коэффициенты импульсной

характеристики;

х(1) - отсчеты входного сигнала. Для простоты описания рассмотрим случай,когда N 3, т.е. устройство должно обеспечить следзтощие выражения:

Х(0) x(0).h(0);

Х(1) x(1)-h(0)+x(0)-h(1);

Х(2) x(2)-h(0)+x(1.)-h(T)+x(0)h(

Условимся, что прием информации во все регистры осуществляется по занему фронту синхроимпульса.

Прежде чем реализовать непосредственно процедуру цифровой фильтрации, требуется загрузить коэффициенты импульсной характеристики в регистры коэффициентов 3.1. На вход задания коэффициентов устройства последовательно поступают h(0), h(1), h(2), которые по синхроимпульсам, подавае

5

0

0

5

руется с произведениями, полученными в предыдущем такте и хранящимися в блоках 5,1 регистров. В конце третьего такта в блок 5.3 регистров принимается сумма X (1 )h (0).+x(0)h( 1) , т.е. Х(1), в блок 5.2 регистров принимается сумма x(1)h(l)+x(0)h(2). Кроме того, в конце третьего такта в регистры 1.1 принимается отсчет х(2).

В четвертом такте на выходах умножителей 2.1 получим произведения x(2)h(N-i), каждое из которых суммируется на сумматорах 4.1 с результатами предыдущего такта вычислений в конце 4-го такта, В блок 5,3 регистров принимается x(2)h(0)+x(1)h(1)+ +x(0)h(2),. т,е. отсчет Х(2).

На этом процедура цифровой фильтрации входного массива х(1) длины N заканчивается. При необходимости обработки новой последовательности входных данных работа устройства повторяется, начиная с первого такта. Повторно загрузка коэффициентов импульсной характеристики выполняется только при их изменении.

Рассмотрим работу устройства при выполнении дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Прием информации в регистры осуществляется по заднему фронту синхроимпульса. Перед выполнением ДПФ выполняется загрузка весовых коэффициентов Wo в регистры 3.1 коэф3

фициентов: коэффициент W загружается в регистр 3.2, коэффициент WJ - в регистр 3.3 и т.д. Коэффициенты загружаются только один раз.

Устройство должно вычислять следующее выражение:

N-I

I --JJ f)

X(k) .2lx(h).W , О k : N-1, (2) n o

где x(n) - элементы исходной последовательности;

X(k) - элементы преобразованной последовательности;

W

кп

весовые коэффициенты, WN e-J-лГ , j FT,

кп (кп)«оАН

Поскольку в формуле (2) величины х(п), X(k), W J являются комплексными, все элементы предлагаемого устройства рассчитаны на обработку комплексных чисел.

Требуется выполнить следующие вычисления для получения 6 выходных отсчетов:

Х(0) x(0)W°+x(l)W°+x(2)W°+x(3)W°+

rfx(4)W°+x(5)W°;

Х(1) x(0)W°+x(1)(2)w|+x(3)W

+x(4)(5)

Х(2) x(0)W°+x(1)W6+x(2)(3) W6 +

+x(4)(5)(3

X(3) x(0)W6+x(1)(2)W°+x(3)W6 +

+x(4)W°+x(5)W6.;

X(4) x(0)W6+x(1)(2)Wg+x(3)W° +

+ x(4)(5)Wg;

X(5) x(0)Wg+x(1)(2)(3)W6+

+x(4)We+x(5)w;.

Учитывая, симметричность весовых коэффициентов W , достаточно выполнить умножение на Wj,, где i 0,1,2 ...,N/2-1, а при вычислении сумм 21х(п)Нн в соответствии с формулой (2) - вычитание, учитывая, что W

-W

kn4 NfZ

X(0) x(0)W°+x(1)We+x(2)W°+x(3)W2+ +x(4)(5)W

724

X(1) x(0)W6+x(1)(2)(3)W° +

+x(4)(5)Wg; X(2) x(0)W°+x(1)(2)(3)W° +

+x(4)w4x(5)wl;(4)

X(3) x(0)W6+x(1)W°+x(2)(3)W6 +

+x(4)W°+x(5)W°;

X(4) x(0)W°+x(1)Wg+x(2)(3)W5 +

,,

+x(4)W,+x(5)

X(5) x(0)(1)We+x(2)(3)W°+ +x(4)(5)Wg;

В исходном состоянии в блоки 5.1 регистров результата записаны нули. Коммутатор 6 осуществляет пропуск О

на второй вход сумматора 4.1.

В первом такте на вход данных поступает х(0), которое в конце такта принимается в регистр 1.1.

Во втором такте на выходе умножителя 2.1 получим произведение x(0)W, которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5.1 регистров результата.

В третьем такте на выходе умножителя 2.1 получим произведение x(0)Wg, которое в конце такта поступает во второй регистр блока 5.1 регистров результата и в регистр 1.1. Кроме того, в конце третьего такта в регистр

В четвертом такте на выходе умножителя 2.1 получим произведение x(0)Wg, на выходе умножителя 2.2 - произведение х(1)Уб, на выходе сумматора 4.2

сумму x(0)w°+x(1)Wg, которая в конце такта принимается в первый регистр блока 5.2 регистров результата. В первый регистр блока 5.1 записывается x(0)W°.

В ПЯТОМ такте на выходе умножителя 2.1 получим произведение x(1)Wg на выходе умножителя 2.2 - произведение x(1)W, на вькоде сумматора 4.2 - разность x(0)(1)W5, кото- рая в конце такта принимается во второй регистр: блока 5.2 регистров результатов. Во второй регистр блока

в конце пятого такта в регистр 1,3 принимается отсчет х(2).

В шестом такте на выходе умножителя 2,1 получим произведение x(0)Wg, на выходе умножителя 2,2 - произведение xCDWfi, на умножите- .ля 2,3 - произведение x(2)W, на выходе сумматора 4,2 - сумму x(0)W6+ +x(1)Wg, которая в конце такта принимается в первьй регистр блока 5,2, На выходе сумматора 4,3 получим сумму x(0)W%x(1)(2)W/, которая в конце такта принимается в первый регистр блока 5,3, В первый регистр блока 5,1 поступает x(0)W. . .

В седьмом такте на выходе умножил

теля 2,1 получим произведение xCOW, на выходе умножителя 2,2 - произведение x(1)W, на выходе умножителя 2,3 - произведение x{2)W, на выходе

сумматора 4,2 - разность x(0) x(1)Wg, которая в конце такта поступает во второй регистр блока 5,3, На выходе сумматора 4,3 получим выражение x(0)(1)wf+x(2)w|, которое в конце такта принимается во второй регистр блока 5,3, В регистр 1,2 принимается x(1)W|, в регистр 1,3 - x(2)W|, Кроме того, в конце седьмого такта в регистр 1,1 поступает отсчет х(3) и выход 12 блока синхронизации 7 переключает коммутатор 6 таким образом, что он пропускает данные, поступающие на его второй информационный вход.

В восьмом такте на выходе умножителя 2,1 получим произведение x(3)Wg, на выходе умножителя 2,2 - произведение x(1)Wg, на выходе умножителя 2,3 - произведение x(2)Wg, На выходе сумматора 4,1 получим выражение

-2

та принимается во второй регист блока 5,1, На выходе сумматора получим сумму x(0-)W°+x( 1)W , ко в конце такта принимается во вт регистр, блока 5,2, На выходе су ра 4,3 получим разность x(0)(2)Wg, которая в конце такта п мается во второй регистр блока

10 В регистр 1,1 принимается x(3)W регистр 1,3 - x(2)Wg, Кроме тог конце девятого такта в регистр принимается отсчет х(4),

В десятом такте на выходе ум

15 теля 2,1 получим произведение x на выходе умножителя 2,2 - прои ние x(4)Wg, на выходе умножител произведение x(2)W,, На выходе

О

матора 4,1 получим выражение х( 20 +x(1)(2)W +x(3)W, которое це такта принимается в первый р блока 5,1, На выходе сумматора получим выражение x(0)Wg+x(1)Wg +x(2)W6-x(3)Wg-x(4)W, которое 25 це такта принимается в первый р блока 5,2, На выходе

35

x(0)W°+x(1)We+x(2)(3)W°, которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5,1, На выходе сумматора 4,2 получим разность x(0)W°- x(1)Wg, которая в конце такта принимается в первый регистр блока 5,2, На выходе сумматора 4,3 получим выражение x(0)(1)w|-x(2)W6, которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5.3.

В девятом такте на выходе умножителя 2,1 получим произведение x(3)Wg, на выходе умножителя 2.2 - произведение х(1)И,

.. , на выходе сумматора 4,1 - выражение x(0)Wj-x(1) +x(2)(3)W6, которое в конце так45

50

30

сумматора получим выражение x(0)Wj-x(1)Wg + x(2)Wg, которое в конце такта нимается в первый регистр б.лока В одиннадцатом такте на выхо 2,1 получим произведен умножителя 2,

ножителя

x(3)Wg, на выходе

произведение x(4)Wg, на выходе жителя 2,3 - произведение x(2)w

выходе сумматора 4,1 получим вы

ние x(0)W°-x(1)w|-x(2)(3)W торое в конце такта принимается второй регистра блока 5,1, На в сумматора 4,2 получим выражение 40 x(0)W°-x(1,)(2)wf+x(3)Wg-x(4 которое в конце такта принимает во второй регистр блока 5,2, На де сумматора 4,3 получим сумму +х(1 )(2)W°, которая в конце та принимается во второй регист ка 5,3, В регистр 1,1 принимает p(3)W, в регистр 1,2 - x(4)Wg, ме того, в конце одиннадцатого в регистр 1,3 принимается отсче В двенадцатом такте на выход 2,1 получим произведен

2,

на выходе умножителя 2, ние x(0)(1)W°+x(2)(3)W° произведение x(2)W

ножителя

х(3)Уб, на выходе умножителя произведение x(4)W, на выходе жителя 2,3 - произведение x(5)W выходе сумматора 4,1 получим вы

ЛЧ 4 / VKg AV-J/

торое в конце такта принимается первый регистр блока 5,1, На вы сумматора 4,2 получим выражение

та принимается во второй регистр блока 5,1, На выходе сумматора 4,2 получим сумму x(0-)W°+x( 1)W , которая в конце такта принимается во второй регистр, блока 5,2, На выходе сумматора 4,3 получим разность x(0)(1)w - x(2)Wg, которая в конце такта принимается во второй регистр блока 5,3,

0 В регистр 1,1 принимается x(3)Wg, в регистр 1,3 - x(2)Wg, Кроме того, в конце девятого такта в регистр 1,2 принимается отсчет х(4),

В десятом такте на выходе умножи5 теля 2,1 получим произведение x(3)W, на выходе умножителя 2,2 - произведение x(4)Wg, на выходе умножителя 2,3 - произведение x(2)W,, На выходе сумОО

матора 4,1 получим выражение х(0)Чб+ 0 +x(1)(2)W +x(3)W, которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5,1, На выходе сумматора 4,2 получим выражение x(0)Wg+x(1)Wg+ +x(2)W6-x(3)Wg-x(4)W, которое в кон- 5 це такта принимается в первый регистр блока 5,2, На выходе

0

сумматора 4,3 получим выражение x(0)Wj-x(1)Wg+ + x(2)Wg, которое в конце такта принимается в первый регистр б.лока 5,3, В одиннадцатом такте на выходе ум- 2,1 получим произведение умножителя 2,2 ножителя

x(3)Wg, на выходе

5

5

0

произведение x(4)Wg, на выходе умножителя 2,3 - произведение x(2)wl,Ha

Ь

выходе сумматора 4,1 получим выражение x(0)W°-x(1)w|-x(2)(3)W, которое в конце такта принимается во второй регистра блока 5,1, На выходе сумматора 4,2 получим выражение 0 x(0)W°-x(1,)(2)wf+x(3)Wg-x(4)w, которое в конце такта принимается во второй регистр блока 5,2, На выходе сумматора 4,3 получим сумму x(0)Wg+ +х(1 )(2)W°, которая в конце такта принимается во второй регистр блока 5,3, В регистр 1,1 принимается p(3)W, в регистр 1,2 - x(4)Wg, Кроме того, в конце одиннадцатого такта в регистр 1,3 принимается отсчет х(5).. В двенадцатом такте на выходе ум- 2,1 получим произведение

2,2 5 ние x(0)(1)W°+x(2)(3)W°

ножителя

х(3)Уб, на выходе умножителя произведение x(4)W, на выходе умножителя 2,3 - произведение x(5)Wg, На выходе сумматора 4,1 получим выражеко ЛЧ 4 / VKg AV-J/,

торое в конце такта принимается в первый регистр блока 5,1, На выходе сумматора 4,2 получим выражение

x(0)W°+x(1)(2)w;+x(3)W°+x(4)W, . которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5.2. На выходе сумматора 4.3-получим выражение x(0)We+x(1)Wg+x(2)tf6-x(3)W°-x(4)Wg+ x(5)W| Х(1), которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5.3.

В тринадцатом так те на выходе умножителя 2.1 получим произведение x(3)Wg, на выходе умножителя 2,2 - произведение jc(4)Wg, на выходе умножителя 2.3 - произведение x(5)W.

10

в конце такта принимается в первый регистр блока 5.3.

В семнадцатом такте на вькоде умножителя 2.3 получим произведение x(5)W. На выходе сумматора 4.3 получим сумму x(0)(1)W°+x(2)w;+ fx(3)W°+x(4)W°+x(5)W° Х(0), которая в конце такта принимается во второй регистр блока 3.3.

Далее работа устройства аналогична.

Блок 7 синхронизации работает следующим образом. При поступлении сигнаНа выходе сумматора 4.1 получим сум- 15 ла Пуск на вход элемента И 16 с ге- му x(0)W°+x(1)(2)Wg+x(3)Wg, которая в конце такта принимается во второй регистр блока 5.1. На выходе сз мматора 4.2 получим выражение x(0)(1)w|-x(2)W6-x(3)(4)W,, которое в конце такта принимается во второй регистр блока 5.2. На выходе сумматора 4.3 получим выражение x(0)W°-x(1)w;+x(2)(3)W°-x(4)

20

+x(5)W4 Х(4), которое в конце такта25

нератора 15 синхронизирующие импульсы через элемент И 16 подаются на счетный вход счетчика 17, который начинает счет с нулевого значения, так как сигнал Пуск устанавливает счетчик 17 в нуль. С выхода счетчика 17 на адресные входы ПЗУ 18 поступает последовательность адресов команд для управления работой устройства. ПЗУ 18 хранит программы загрузки коэффициентов, цифровой фильтрации и вычисления ДПФ. Выбор требуемой программы осуществляется подачей управ- , ляющих сигналов на адресные входы ПЗУ 30 18. Сигнал Режим обеспечивает выбор режима фильтрации (единичное значение сигнала) либо режима вычисления ДПФ (нулевое значение сигнала). Подачей единичного сигнала на вход Загрузка осуществляется выбор программы, осуществляющей прием коэффициентов фильтра либо весовых коэффициентов для ДПФ в регистры 3,1.

принимается во 5.3. В регистр

x(4)W

второй регистр 1.2

блока

6

принимается в регистр 1.3 - x(5)W,

6 В четырнадцатом такте на выходе

:умножителя 2.2 получим произведение x(4)Wg, на выходе умножителя 2.3 - произведение x(5)W. На выходе сум- матора 4.2 получим выражение x(0)Wg- x(1)W°+x(2)W°-x(3)(4)W6, которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5.2. На выходе сумматора 4.3 получим выражение x-(0)Wg + + x(1)(2)(3)(4)w|-x(5)W6 Х(2), которое в конце такта принимается в первый регистр блока 5.3.

В пятнадцатом такте на выходе умножителя 2.2 получим произведение x(4)Wg, на выходе умножителя 2.3 - произведение x(5)W. На выходе сум

матора 4.2 получим сумму x(0) + x(1)W°+x(2)Wj+x(3)W°+x(4)Wg, которая в конце такта принимается во второй регистр блока 5.2. На выходе сумматора 4.3 получим выражение x(0)Wg- x(1)w -x(2)w;-x(3)(4)wf+x(5)W Х(5), которое в конце такта принимается во второй регистр блока 5.3. В регистр 1.3 принимается x(5)Wg. В шестнадцатом такте на выходе умножителя 2.3 получим произведение x(5)W5. На выходе сумматора 4.3 получим выражение )W6+x(2) x(3)Wg-x(4)W6-x(5)W6 Х(3), которое

в конце такта принимается в первый регистр блока 5.3.

В семнадцатом такте на вькоде умножителя 2.3 получим произведение x(5)W. На выходе сумматора 4.3 получим сумму x(0)(1)W°+x(2)w;+ fx(3)W°+x(4)W°+x(5)W° Х(0), которая в конце такта принимается во второй регистр блока 3.3.

Далее работа устройства аналогична.

Блок 7 синхронизации работает следующим образом. При поступлении сигнала Пуск на вход элемента И 16 с ге-

нератора 15 синхронизирующие импульсы через элемент И 16 подаются на счетный вход счетчика 17, который начинает счет с нулевого значения, так как сигнал Пуск устанавливает счетчик 17 в нуль. С выхода счетчика 17 на адресные входы ПЗУ 18 поступает последовательность адресов команд для управления работой устройства. ПЗУ 18 хранит программы загрузки коэффициентов, цифровой фильтрации и вычисления ДПФ. Выбор требуемой программы осуществляется подачей управ- , ляющих сигналов на адресные входы ПЗУ 18. Сигнал Режим обеспечивает выбор режима фильтрации (единичное значение сигнала) либо режима вычисления ДПФ (нулевое значение сигнала). Подачей единичного сигнала на вход Загрузка осуществляется выбор программы, осуществляющей прием коэффициентов фильтра либо весовых коэффициентов для ДПФ в регистры 3,1.

Формула изобретения

Устройство для цифровой фильтрации, содержащее N (N - порядок фиЛьт- ра) входных регистров, N регистров коэффициентов, N умножителей, N сумматоров, N блоков регистра и блок синхронизации, i-й (i 1,N) выход первой группы которого подключен к

тактовому- входу i-ro регистра коэффициента, вывод которого подключен к первому входу i-ro умножителя, выход которого подключен к первому входу i-ro сумматора, выход которого подключен к информационному входу i-ro блока регистров, i-й выход второй группы блока синхронизации подключен к входу разрешения приема i-ro входного регистра, i-й выход третьей

группы блока синхронизации подютючен к входу синхронизации i-ro сумматора, первьй выход блока синхронизации подключен к тактовым входам блоков регистров и входных регистров, второй и третий выходы блока синхронизации подключены соответственно к входам разрешения приема и входам рааре- шения выдачи блоков регистров, выход i-ro входного регистра подключен к второму входу i-ro умножителя, выход j-ro (j 1,N-1) блока регистров подключен к второму входу (J+1)-го сумматора, а выход N-ro блока регистров является информационным выходом устройства, информационным входом которого являются соединенные между собой первые информационные входы

коэффициентов устройства, входом запуска которого является вход запуска блока синхронизации, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, оно содержит коммутатор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выход N-ro блока регистров подключен к вому информационному входу коммутатора, второй информационный вход которого является входом задания логического нуля устройства, входом задания режима загрузки коэффициентов и вхо,с дом задания режима вычислений которого являются соответственно первый и второй входы задания режима блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к управляющему входу коммунходных регистров, информационные вхо-2о татора, а выход i-ro (i - 1,N) умножи- ды регистров коэффициентов соединены теля подключен к второму информацион- между собой и являются входом задания ному входу i-ro входного регистра.

Фие. 2

коэффициентов устройства, входом запуска которого является вход запуска блока синхронизации, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, оно содержит коммутатор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выход N-ro блока регистров подключен к первому информационному входу коммутатора, второй информационный вход которого является входом задания логического нуля устройства, входом задания режима загрузки коэффициентов и вхос дом задания режима вычислений которого являются соответственно первый и второй входы задания режима блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к управляющему входу комму5.7 П

Фиг. J