Цифровой фильтр Советский патент 1988 года по МПК G06F17/17 H03H17/04 

(21) 4140129/2Д-24 .(2255,20.10.86 /(46) 07.04.88. Бюл. № 13 i(71)Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю.С.Каневский, В.А.Кубьпикин, Л.М.Логинова и А.Л.Третьяк (53) 681.32(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР

1059670, кл. G 06 F 15/353, 1983.

Авторское свидетельство СССР :№ 1145346, кл. G 06 F 15/353, 1985.

(54)J№®POBOn ФИЛЬТР

(57)Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сейсмических, акустических и других сигналов. Цель изобретения - упрощение цифрового фильтра. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят регистры 1, 2, информационньй вход 3, умножитель 4, блок 5 постоянной памяти коэффициентов, сумматор 6, блок 7 памяти, информационный выход 8, блок 9 постоянной памяти адресов, адресные регистры 10, 11, регистр 12, блок 13 синхронизации, выход 14 блока синхронизации, элемент НЕ 15, выходы 16-20 блока синхронизации, элемент НЕ 21, выход 25 блока синхронизации. 4 ил. 1 табл.

i

(Л

со 00

(JUff

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь зовано в системах цифровой обработки сейсмических, акустических ч других сигналов.

Целью изобретения является упрощение цифрового фильтра,

На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового фильтра;на фиг.2 структурная схема блока синхронизации { на фиг. 3 - импульсная характеристика фильтра; на фиг. 4 - временные диаграммы управляющих сигналов блока синхронизации.

Цифровой фильтр (фиг. 1) содержит регистры 1 и 2, информационньй вход 3 устройства, умножитель 4, .блок 5 постоянной памяти (весовых) коэффициентов, сумматор 6, .блок 7 памяти (промежуточных результатов), информационный выход 8 устройства, блок 9 постоянной памяти адресов, адресньй регистр 10, адресньй регистр 11, регистр 12, ..блок 13 синхронизации, выход 14 блока синхронизации, элемент НЕ 15, выходы 16-20 блока синхронизации, элемент НЕ 21, выход 22 блока синхронизации.

Блок 13 синхронизации. .(фиг. 2) содержит элемент 1ШИ 23, дешифратор 24, первьм счетчик 25, второй счетчик 26 и генератор 27 тактовых импульсов.

Рассмотрим в качестве примера pea лизацию цифрового фильтра с импульсной характеристикой (ИХ), представленной на фиг. 3. Общее число коэффициентов . В силу симметрии ИХ общее число ненулевых козффициен- тов равно N (N-0/2+1 9, а число различных- ненулевых коэффициентов равно пяти (четыре боковых и один цЕнтральньй), Б рассматриваемом случае фильтрация осуществляется с про- режйванием данных вдвое, т.е. каждый выходной отсчет формируется по получении двух входных отсчетов (четного и нечетного). Пусть на вход устрой ства поступает нечетный отсче т х. Произведения на весовые коэффици-л . енты he, h,, h, hg используются для получения вг кодных отсчетов у, Уа+г УСТ-И учетом симмет- рии ИХ). Поэтому при поступлении н а

1 вход отсчета х. вычисляются произве-

дения х h, XQ- hj, Xjj h,, и заносятся в блок 7 памяти промежуто ных результатов в. соответствующие

но

где

ячейки oig - (каждое произведение - в две ячейки).

При поступлении на вход четного отсчета Xj-, необходимо умножить er только на центральный коэффициент h. Полученное произведение Хд, h также как и произведение Хд-Ь , т.е предыдущего отсчета, используется для вычисления выходного отсчета . Ус+б Поэтому оно не хранится в отдельной ячейке, а слагается с cow держимым ячейки jstt и результат записьшается в эту .же ячейку, в которой накапливается пpoмeжytoчный результат выходного отсчета .

Для адресации блока 7 памяти используется блок 9 постоянной памяти адресов. .Закон применения адресов в. блоке 9 памяти адресов описьшает- ся следующей системой рекуррентных .соотношений:

(л„ + k) mod(N -1)-, гк+, ( - k) mod(N -l); ог,5,р, - безразличное состояние

обм ,ег.цу-,сг,н. LoC... г k 1 (N-1)/2; N (N-1)/2 + 1 - общее число

ненулевых коэффициентов , N - длина 1Щ

o. содержимое ячейки блока 9 памяти с адресом i(i О,, 1, ..., N ).

Таким образом, в блоке 9 постоян ной памяти адресов последовательно записьюается (М -1) последователь-,

ность адресов с о4о 0 1

N -2.

В таблице представлено восемь ва риантов таких последовательностей (при ) и в соответствии с ней выполняется прошивка блока 9 памяти адресов.

В таблице X - безразличное состо ние, но 1.Со,.

В данном случае счетчик,. 25 работает по модулю М ± (N-1)/2 + 2 . 10 и для его реализации требуется ш 3 1°82.W С 4 разряда. Счетчик 26 имеет модуль L Ы -1 8, для его реализации используется Г log2(N -1){ 3 разряда.

Прием информации в регистр и умножитель, выдача результата из ум;но жителя, переключение счетчиков осуществляются положительным перепадом

синхросерии, выбранному выходу дешифратора 24 соответствует единичное значение, установка в нуль регистра 12 осуществляется уровнем логической единицы на его первом управляющем входе.

В блоке 7 памяти промежуточных результатов находятся в активном сое тоянии оба канала А и Б. т.е. постоянно происходит чтение по каналу А по адресу, поступающему на первьй адресный вход блока 7, запись по каналам В происходит по адресу, поступающему на второй адресньш вход, режиму записи соответствует уровень логической единицы на управляющем входе блока 7, при наличии нуля на этом входе запись не происходит. Кроме того, установка в третье состояни регистров 1 и 2 происходит нулевым уровнем на первых управляющих входах.

В исходном состоянии счетчики 25 и 26 установлены в нуль, в регистр 1 принимается нечетный отсчет XQ, регистр 2 находится в третьем состоянии.

Цикл работы устройства составляет

N-1 М -;г + 2 10 тактов, или пять

0

5

о

5

Xjy h, полученного на умножителе 4 в предыдущем такте, со значением, накопленным в ячейке icsil.q, которое в этом такте принимается в регистр 12.

Во втором такте из умножителя выдается произведение . Состояние счетчика 25 0010. В регистр 10 принимается ,, считанное по адресу 0000001 из блока 9 памяти адресов, а в регистр 11 - с выхода регистра 10. В регистр 12 принимается накопленное значение у для вы- выходного отсчета , считанное из блока 7 памяти по адресу в предыдущем такте у хо«Ь( + Xc-4-h2+ %-6-h} X -7-h4 + Х(7-в«

h, + xc.io hj + xg.-h, + Хе,д-Ьо. Это значение накапливается в ячейке по адресу АО за семь предыдущих циклов работы устройства. Полученное значение суммируется в сумматоре 6 с произведением Xp-h и поступает на выход 8 устройства, а также запи- сьтается в блок 7 памяти по адресу , который находится в регистре 11. Таким образом, во втором такте на выходе 8 цифрового фильтра получаем выходной отсчет

30

тактов работы умножителя 4,так как результаты умножения нечетных отсчетов записываются в две разные ячейки. За цикл работы устройства добавляется по одному слагаемому x-h-, к формируемым выходным отсчетам Vff, у. . Для вычисления каждого из них

требуется восемь циклов вычисления, т.е. период работы устройства равен восьми циклам,

В первом такте цикла работы регистр 2 находится в третьем состояг- НИИ, поэтому значение х,- с выхода регистра 1 поступает на первый вход умножителя 4 и принимается в него, tlo второму входу принимается значение весового коэффициента h,,. Состояние счетчика 25 0001, счетчика 26 00 (не изменяется до 11 такта). В регистр 10 принимается oto, считанное по адресу 0000000 из блока 9 памяти адресов. В регистр И принимается ct) , считанное в последнем такте предыдущего цикла из регистра 10 по этому адресу записывается в блок 7 памяти промежуточных результатов результат суммирования значения

0

5

В третьем такте работы в умножитель 4 принимается входной отсчет Xg- и весовой коэффициент h,, а на выходе остается значение .

Состояние счетчика 25 0011. В регистр 10 принимается о6, считанное по адресу 0000010 из блока 9 памяти адресов, а в регистр 11-- ,. Регистр 12 в этом такте устанавливается в нуль по сигналу с выхода 19 блока 13 синхронизации, который поступает на первый управляющий вход. Полученное на сумматоре 6 значение

50

Уст+(4

Xff ho

+ Р

записьшается в блок 7 памяти по ресу ot, , который находится в гистре 11.

ад- реВ четвертом такте из умножителя вьщается произведение Xfj-h, . Сосрегистр

тояние счетчика 25 0100. В

10 принимается о , считанное по адресу 0000011 из блока 9 памяти адресов, а в регистр 11 - 1о(г . В регистр 12 принимается у

считанное из блока 7 памяти по адресу i:oii B предыдущем такте

G42

tr-i i

.5-h «- X(.b-h, + x.g-h, + xcr-,o-h, + Xcr, hg.

Значения . и поступают соответственно на второй и первый f5 входы сумматора 6. Полученное на сумматоре 6 значение

а+г

Ус + 2 Qзаписьтается в блок 7 памяти пр адресу «ioi2, который находится в регистре 11 .

В пятом такте происходит прием в регистр 2 по сигналу с входа 17 блока 13 синхронизации четного отсчета Хд-, , поступившего на вход 3 цифрового фильтра. При этом выходы регистра 2 находятся в третьем состоянии (уровень логического нуля:на первом управляющем входе), но это не влияет на прием информации. В умножитель 4 принимается входной отсчет X (J и весовой коэффициент h , а на

его выходе продолжает присутствовать

значение X(jh|, Состояние счетчика 25 0101, В регистр 10 принимается Ы4, считанное по адресу 0000100 из блока 9 памяти адресов, а в регистр 11 - :oi,. В регистр 12 прини- мается накопленное значение . , считанное.из блока 7 памяти промежуточных результатов по адресу .Ы. в предыдущем такте

I

С4- (2

с-г оЗначение Усг+(7 поступает на второй вход сумматора 6, на первьй вход которого поступает произведение ... Xg h, с выхода умножителя 4, Полученное на сумматоре 6 значение

УСГ+И + в

записывается в блок 7 памяти по адресу .otj , которьгй находится в регистре 11 .

В шестом такте из умножителя 4 выдается произведение . Состояние счетчика 25 0110. В регистр 10 принимается oif , считанное по адресу 0000101 из блока 9 памяти адресов, а в регистр 11 - В рен гистр- 12 принимается накопленное значение . считанное из блока 7 памяти по адресу oi;4 в предыдущем такте

Ус344 , + x.j-h н- x.h, + + Xjj.gh,, ч- . + Xc5,oh.

Значения У044 , поступают на входы сумматора 6. В этом же такте полученное на сумматоре 6 значение

Уа+4 УСТ.

поступает на вход блока 7 памяти промежуточных результатов и записыва- ется в него (по сигналу с входа 16 блока 13 синхронизации) по адресу Аа, находящемуся в регистре 11.

(- - -;

В седьмом такте в умножитель принимается входной отсчет и весовой коэффициент h , а на его вькоде находится значение Ху h. Состояние счетчика 25 0111. В регистр 10 принимается значение tig , а в регистр : 11 - Й5. В регистр 12 принимается накопленное значение У{.,о считанное из блока 7 памяти по адресу в предыдущем такте

-г + -4 ht

Значения Хд., и поступают на входы сумматора 6. Б этом же такте полученное на сумматоре 6 значение

сг+ю

Ус--ко + X(jh,

поступает на вход блока 7 памяти и записьюается в него по адресу которьй находится на втором адресном входе.

В восьмом такте из умножителя выдается произведение . Состояние счетчика 25 1000. В регистр 10 принимается значение в 7 , а в регистр 11 .6 . В регист р 12 принимается накопленное значение у , считанное из блока 7 памяти по адресу- о б в предыдущем такте

У5.6 Xg., h + xg.hj +

t + X(j.h, + Xg.gh.

Значения и Xgh, поступают на входы сумматора 6. В этом такте полученное на сумматоре 6 значение

VG+S + Xph,

записывается в блок 7 памяти промежуточных результатов по адресу tl-f. который находится в .регистре 11.

В регистр 12 принимается безраз.-г личное значение, считанное из блока 7 памяти по адресу otg в предыдуВ девятом такте работы устройства щем такте. Результат суммирования в умножитель принимается значение этого значения с произведением x.,

h

четного отсчета Xjj, , которое в пятом такте принято в регистр 2. Для этого по сигналу с входа 14 блока синхронизации регистр 1 переводится в третье состояние, а регистр 2 - в активное состояние, и значение , с выхода регистра / поступает на вход умножителя 4. На его другой

в блок 7 памяти не записьшается.

В следующем одиннадцатом такте (аналогично первому такту) ;В умножи- 20 тель принимается значение нового

нечетного отсчета, которое в десятом такте принято в регистр 1. В этот момент регистр 2 находится в третьем состоянии (уровень логической единивход поступает значение центрального 25 цы на первом управляющем входе) и

весового коэффициента h4. На выходе значение , с выхода регистра 1

поступает на вход умножителя. На его другой вход поступает значение весового коэффициента h. На выходе yj-iа в регистр 11 - СЫт . Причем зна- зО i ножителя 4 находится значение х, h.

чение «г.8 может быть безразличное. Состояние счетчика 25 0001, а счетчика 26 - 001. В регистр 10 принимается значение , считанное по

умножителя 4 присутствует : значение Xg.h,. Состояние счетчика 25 1001. В регистр 10 принимается значение oig

но только .В противном случае появляется ситуация, в которой возникает попытка писать в .блок 7 памяти и считывать из него по одному и тому же адресу. Результат указанной операции является неопределенным. В регистр 12 принимается накопленное значение уё. считанное из блока 7 памяти по адресу в предыдущем такте

Ус4.в 0-4 + X(j.eho.

35

4ri

адресу 0010000 из блока 9 памяти адресов. В регистр 11 принимается .oi9, считанное в предыдущем такте из регистра 10. В регистр 12 принимается накопленное значение Ус-48 которое записано по адресу oi-, в блок 7 памяти в девятом такте, а считано по адресу , oi-, в предыдущем такте

Значение и х h.

поступают

на входы сумматора 6. Полученное на сумматоре значение

С(-в

УО-.8

XQ h.

поступает на вход блока 7 памяти и записывается в него по адресу. которьй хранится в регистре 11.

В десятом такте происходит прием в регистр 1 (по сигналу с входа 16 блока 13 синхронизации) следующего нечетного отсчета, поступающего на вход 3 цифрового фильтра. Из умножителя 4 выдается произведение четного

3870158

отсчета на центральный весовой коэффициент h. Состояние счетчика 25 0000, а счетчика 26 - 001. В ре- г гистр 10 принимается Ы, , а в регистр 11 - безразличное содержание oia. Причем с, Лт, так как произведение х, h, необходимо добавить к значению которое 10 хранится по адресу ie. в блоке 7 памяти.

В регистр 12 принимается безраз.-г личное значение, считанное из блока 7 памяти по адресу otg в предыду щем такте. Результат суммирования этого значения с произведением x.,

в блок 7 памяти не записьшается.

адресу 0010000 из блока 9 памяти адресов. В регистр 11 принимается .oi9, считанное в предыдущем такте из регистра 10. В регистр 12 принимается накопленное значение Ус-48 которое записано по адресу oi-, в блок 7 памяти в девятом такте, а считано по адресу , oi-, в предыдущем такте

G-г hj + X(j. h, + Xg.gho.

Значения и х,., h. поступают на входы cyMi-iaTopa 6. В этом же такте полученное на сумматоре 6 значение

Ус+8 С-И 4

записывается в блок 7 памяти промежуточных результатов по адресу :oi., который находится в регистре 11.

В двенадцатом такте (аналогично второму такту) формируется следующий выходной отсчет:

Уа41

%+гЬо - Xgh, + , +

+ Xrt .h, + ХСУ:.,,ЬД -« Xo.feh,

G-io t G-uh.

Таким образом, в каждом втором такте цикла на выходе сумматора 6 формируется очередной выходной отсчет У,.

Формула изобретения

Цифровой фильтр, содержащий первый и второй регистры, сумматор, первый и второй элементы НЕ, умножитель, блок постоянной памяти коэффи-г циеитов, блок постоянной памяти ад- „ресов, первый адресный регистр, блок/

5 ции, пятый выход которого подключен к тактовому входу первого адресного регистра, информационный вход которого подключен к выходу блока постоянной памяти адресов, второй ресный вход которого подключен к шестому выходу блока синхронизации, старший разряд второго выхода блока синхронизации подключен к тактовому входу умножителя и входу второго

15 элемента НЕ,- выход которого подключен к входу, разрешения приема умножителя, выход первого адресного регистра подключен к первому адресному входу

блока памяти, информационный вход памяти и блок синхронизации, первый 20 которого подключен к выходу суммато- выход которого подключен к входу ра, о т л и ч а ю щ и и с .я тем, управления записью - считыванием блока памяти и тактовому входу перво го регистра, информационньй вход ко- торого соединен с информационным входом второго регистра и является информационньм входом фильтра, информационным вьшодом которого является

НТО, с целью упрощения фильтра, он содержит третий регистр и второй адресный регистр, причем выходы перво- 25 го и второго регистров подключены к . второму входу умножителя, выход nepi вого адресного регистра подключен к информационному входу второго адреспервый вход которого, подключен к выходу блока постоянной памяти коэффи- тентов, адресный вход которого сое- с первым адресным входом блока

выход сумматора, первый вход которо- . ного регистра, выход которого под- го подключен к выходу умножителя,- 30 ключен к второму адресному входу бло

ка памяти, выход которого подключен к информационному входу третьего регистра, выход которого подключен к второму входу сумматора, тактовый постоянной памяти адресов и подклю- ,5 вход третьего регистра соединен с такто- чен к второму выходу блока синхрони-; вым входом второго адресного регистра и зации, третий выход которого подкгао- - подключен к пятому вьжоду блока i чен к входу разрешения приема перво-i синхронизации, седьмой выход которого регистра и входу первого элемент го подключен к входу разрешения прие- НЕ, вьп4од которого подключен к вход5 40 на третьего регистра.

Последовательность адресов запись- чтения блока 7

о6„ jet, JUz I j I Lts ci |ote OL,

00 б 1 1 О

1 1

О О

0,7,1,6,2,5,3,4,X,4

1,О,2,7,,4,5,X,5

2,1,3,О,:4.7,5,6,X,.6

3,2,4,1,5,О,6,7,X,7 ,3,5,2,6,1,7,О,X,О

разрешения приема второго регистра, тактовьй вход которого подключен к четвертому выходу блока синхронизации, пятый выход которого подключен к тактовому входу первого адресного регистра, информационный вход которого подключен к выходу блока постоянной памяти адресов, второй a ресный вход которого подключен к шестому выходу блока синхронизации, старший разряд второго выхода блока синхронизации подключен к тактовому входу умножителя и входу второго

элемента НЕ,- выход которого подключен к входу, разрешения приема умножителя, выход первого адресного регистра подключен к первому адресному входу

блока памяти, информационный вход которого подключен к выходу суммато- ра, о т л и ч а ю щ и и с .я тем,

НТО, с целью упрощения фильтра, он содержит третий регистр и второй адресный регистр, причем выходы перво- го и второго регистров подключены к . второму входу умножителя, выход nepi вого адресного регистра подключен к информационному входу второго адрес11

Последовательность адресов запись - чтения блока 7

О 1 1 О 1 1

5,4, 6, 3, 7, 2, 0, t. X, 1

6,5, 7, A, 0, 3, 1, 2, X, 2

7,6, 0, 5, 1, 4, 2, 3, X. 3

27

5

f/

л-а л

X,.,

Продолжение таблицы

t, Jet, j ot, I «C I etf I et« U, I cCg et.

J

%n

fft W

Z2

(Putt

Ag

-7 -t

Фиг.з

V

Ю

4-11 -fA

f&Avn./ t I 1 1 . ..

njTJlJTJirLrbnJT

f/7/r;

wfi)

/(

/

74

;