Устройство для цифровой фильтрации Советский патент 1988 года по МПК G06F17/14 H03H17/06 

л

00 СХ)

00

00

со

10

20

25

138889

Изобретение относится к вычисли-. тельной технике,предназначено для вычисления дискретного преобразования Фурье и процедуры цифровой фильтрации и может быть использовано в системах цифровой обработки различного рода сигналов,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет вычисления на данном Устройстве алгоритма дискретного пре- рбразования Фурье.

: На фиг.1 и 2 изображена структур- схема устройства, i Устройство (фиг.1 и 2) содержит генератор тактовых импульсов, ре- 1 истры 2.1 ( i 1, N/2) входных Данных, элементы НЕ 3.1, триггеры , счетчик 5 по модулю N (W - 4лина импульсной характеристики), Дешифратор 6, элемент Ш1И-НЕ 7, ход 8 задания режима устройства, г Элементы И 9.1, регистры 10,1, информационный вход 11 устройства, умножители 12.1 ( 1 1, N), первую Группу Сумматоров 13,1, вторую группу сумматоров 14.J, регистры 15. 1 Суммы и информационнзлй выход 1 6 устройства.

Регистр 2,1 входных данных, элемент НЕ 3,1, триггер 4.1;, элемент И 9,1, регистры 10,1 и 10,1+1, умно- ители 12.1 и 12,1+1 (1 2К-1, , , N/2)5 сумматоры 13,1 и 14,-1 it регистр 15.1 сумм1.1 образуют модуль устройства.

Устройство при вычислении дискретного преобразования Фурье, работает следующим образом.

Устройство вычисляет выражение

) v(K - ОТМГТ), (1)

где а (п) - элементы исходного вектора а„ размерности N; элементы выходного вектора коэффициентов Фурье размерности N.°, весовые коэффициенты;

-i г-г

w::e , J AJ-l ; номер входной последова-г / т, S i; - / S к

Im(P J 2 Я- (п) Im -w

(3)

F(K) V

Кл

где Re, Im - соответственно действительная и мнимая части комплексного числа. Вычисление выражений (2) и (З) выполняют аналогично, за исключением того, что на первые входы умножителей подаются или действительные Re или мнимые Im части комплексного коэффициента w , поэтому работу устройства рассмотрим только для вьфажения (2). С целью упрощения записи обозначение

15 действительной части чисел Reai- и ,-, kn

Rev можно опустить.

Считаем, что операнды в регистры 2.1, 15.1, 10,1 принимаются по перед- , нему фронту синхроимпульса, режиму вычисления коэф(3)ициентов Фурье соответствует единичное значение, а режиму вычисления выходных отсчетов фильтра - нулевое значение на входе 8, на выходе дешифратора 6 в такте N/2-1 присутствует нулевой уровень, во всех остальных тактах - единичный уровень, с целью идентичного представления модулей второй вход сумматора 14.N/2 соединен с шиной логического нуля, для ограничения числа входов и сохранения работоспособности модуля элемент НЕ синхросигнала введен в каждый модуль. С вьпсода генератора тактовых импульсов поступает синхросигнал в виде меандра.

На первый вход умножителя 12.1 поступает значение весового коэффициента W-K, ( 1 1, W, n - номер такта). Такт работы устройства определяется суммарным временем задержки двух сумматоров и умножителя.

На примере рассмотрим работу устройства при вычислении алгоритма дискретного преобразования Фурье. В этом случае устройство состоит из модулей,

В исходном состоянии (первый такт) в триггерах 4 , 1 записаны ну30

35

40

45

50

ли, на входе 11 устройства присутстm

вует операнд а

который положительтельности.

m

Если вектор а, образует дей- С .твительные элементы , а это наиболее распространенный, случай, тогда выра жение () можно переписать в виде

Не(г:

N-I

- Z1

т, , а{ n )

Re -w

ным перепадом синхроимпульса записывается в регистр 2.1, на выходе дешифратора 6 присутствует нулевое зна- 55 чение, а на 1)-входе триггера 4.2 - единичное, Состояние счетчика 5 тактов - 00.

Во втором такте состояние счетчи- (2) ка 5 тактов - 01, в регистр 2.2 по

-г / т, S i; - / S к

Im(P J 2 Я- (п) Im -w

(3)

0

0

5

где Re, Im - соответственно действительная и мнимая части комплексного числа. Вычисление выражений (2) и (З) выполняют аналогично, за исключением того, что на первые входы умножителей подаются или действительные Re или мнимые Im части комплексного коэффициента w , поэтому работу устройства рассмотрим только для вьфажения (2). С целью упрощения записи обозначение

5 действительной части чисел Reai- и ,-, kn

Rev можно опустить.

Считаем, что операнды в регистры 2.1, 15.1, 10,1 принимаются по перед- , нему фронту синхроимпульса, режиму вычисления коэф(3)ициентов Фурье соответствует единичное значение, а режиму вычисления выходных отсчетов фильтра - нулевое значение на входе 8, на выходе дешифратора 6 в такте N/2-1 присутствует нулевой уровень, во всех остальных тактах - единичный уровень, с целью идентичного представления модулей второй вход сумматора 14.N/2 соединен с шиной логического нуля, для ограничения числа входов и сохранения работоспособности модуля элемент НЕ синхросигнала введен в каждый модуль. С вьпсода генератора тактовых импульсов поступает синхросигнал в виде меандра.

На первый вход умножителя 12.1 поступает значение весового коэффициента W-K, ( 1 1, W, n - номер такта). Такт работы устройства определяется суммарным временем задержки двух сумматоров и умножителя.

На примере рассмотрим работу устройства при вычислении алгоритма дискретного преобразования Фурье. В этом случае устройство состоит из модулей,

В исходном состоянии (первый такт) в триггерах 4 , 1 записаны ну0

5

0

5

50

ли, на входе 11 устройства присутствует операнд а

который положительсинхроимпульсу записывается а , а в регистр 2.1 - а Р , триггер 4.2 устанавливается в единичное состояние и с приходом положительного фронта инвертированного синхроимпульса в регистры 10.3 и 10.4 вьтолняется прием а и Лр соответственно. На D- вход триггера 4.2 поступает нулевой уровень, на вход триггера 4.1 - еди- ничный. В течение второй половины второго такта и первой половины третьего такта операнды,принятые в регистры 10.4 и 10.3, поступают на входы умножителей 12 .,4 и 12.3, где вы- полняются операции a .v, а7-w , в сумматоре 13.2 вычисляется сумма а w° + а7 w°j которая, пройдя через сумматор 14.2, поступает на вход регистра 15.2 суммы.

В третьем такте состояние счетчика 5 тактов - 10, в регистр 2.2 принимается а7 в регистр 2.1 - а, а на входе устройства после приема а появляется операнд -а , в триггер 4.1 записывается единичное значение, а в триггер 4о2 - нулевое, при этом разрешается поступление инвертированного синхроимпульса на синхровходы регистров 10.I и 10.2. Во второй по- ловине третьего такта положительным перепадом инвертированного синхроимпульса в регистры 10.2 и 10.1 прини, m

маются соответственно а,

и а, , в

регистр 15.2 таким же синхроимпульс сом выполняется прием а v° +а v в регистрах 10.4 и 10.3 сохраняются значения операндов а и а , так как На их синхровходы не поступает прежний фронт синхроимпульса. За вторую половину третьего такта и первую половину четвертого такта в умножителях 10.2 и 10.1 вычисляются произведения а v° аТ w° соответственно, в

- ,,0 J. „ITI „о

сумматоре 12,} +a,-w, сумматоре 14.1 - а w°, + а7 w°

+ + eJ v° F, F поступает на вход регистра суммы 15.1. На первый вход з ножителей 10.4 и 10.3 поступают соответственно весовые коэффициенты w°, w .

В умножителях 12..4 и 12.3 вьтис- ляются а v° , , в сумматоре 13.2 - ар v +а7 v% на вход регистра 15.2 суммы поступает а v + + а7 w .

В четвертом такте состояние счетчика 5 тактов - 11, а принимается в регистр 2.1, а - в регистр 2,2,

Q 0

5 Q

0

5

на вход устройства поступает а в триггеры 4.2 и 4.1 записываются нулевые значения и поэтому обновления информации в регистрах 10.1-10.4 не происходит. В регистры 15.1 и 15.2 инвертированные синхроимпульсом принимаются соответственно значения FO , которое поступает на выход устройства 16, и а w +a J w . На первые входы умножителей 10.4-10.Г поступают соответственно весовые коэффициенты w, w, V, w . В умножителях 10.4 и 10.3 вычисляются а, w°, а w, в сумматоре 13.2 - +. + а v, и это значение, пройдя через сумматор 14.2, поступает на вход регистра 15.2 суммы.

В умножителях 10.2 и 10.1 вычисляется а w, а W соответственно, в сумматоре 13.1 - а , в сумматоре 14.1 - аТ w +а7 w + + а w4 а7 w F:.

В пятом такте состояние счетчика 5 тактов - 00, а 7 принимается в регистр 2.1, а™ - в регистр 2,2, на вход устройства поступает , в триггеры 4.1 и 4.2 записываются нули, но на вход триггера 4.2 с выхода элемента И-НЕ 7 поступает единичное значение. В регистры 15.1 и 15.2 прини...т m л

маются соответственно F, и а w + + а7 w.

На первые входы умножителей 10.4- 10.1 поступают соответственно весовые коэффициенты w, w , w°, v . В умножителях 10.4 и 10.3 вычисляются , а7 v , в сумматоре 13.2 - а7 w , и это значение поступает на вход регистра 15.1. В умножителях 10.2 и 10.1 вычисляются а™ w, а7 w соответственно, в сумматоре

1 1 и . rf 1.

Ij.l- a, + , в сумматоре 14. I - а v а7 а v +а : w

тр °

- 2В шестом такте состояние счетчика 5 тактов - 01, работа устройства аналогична описанной для -второго такта. В регистр 2.1 принимается $ в регистр 2.2 - , на вход устройства поступает а , в триггер 4.2 записывается единичное, в триггер 4.1 - нулевое значение. В регистры 15.1 и 15.2 принимаются соответственно F и а v°+ а7 v .

На первые входы умножителей 10.4- 10.1 поступают весовые коэффициенты w, v, w . С приходом положительного фронта инвертированного сии„W+l

хроимпульса в регистры 10.4 и 10.3 выполняется прием , соответственно. На D-входе триггера 4.1 единичный уровеньо

В умножителях 10.4 и 10.3 вычис- ляются а v , а w ;, в сумматоре

13.2 - aT w° + a7 w. В умножителях

° m г 1 10.2 и 10.1 вычисляются аг w ,

в сумматоре 13.1 - а а w , в сумматоре 14.1 - a J г° +aTw +а w4

t а-;: v F.

В седьмом такте работа устройства аналогична описанной,для третьего такта за исключением того, что в регистр 15.1 суммы принимается коэффициент Фурье F , на входе регистра 15,1 присутствует коэффшшент Фурье F и т.д.

При реализации процедуры фильтра- ции устройство вычисляет выходные отсче гы фильтра в соответствии с выражением

N-1

X (К) 71а(К - п) h(n), . . (4)

, ,

где h(nj - коэффициенты импульсной

характеристики фильтра; а(п) - отсчеты входного сигнала. При работе устройства в режиме фильтрации на вход 8 устройства подается низкий уровень напряжения, который устанавливает все триггеры в .единичное состояние, что обеспечивает прием исходных операндов в ках- дом такте в регистры lO.l-lO.N. На первые входы каждого уьножителя 10., i постоянно поступает коэффициент Ь(1) Первый выходной отсчет фильтра получаем чэерез N/Z тактов, в каждом следующем такте на выходе фильтра появляется новый отсчет.

Формула изобретения;.

Устройство для цифровой фильтрации, содержащее N умножителей, пер- вуто группу из N/2 (W - длина импульсной характеристики) сумматоров, вторую группу из N/2 сумматоров, N/2 регистров суммы, R/2 регистров входных данных, счетчик по модулю И, 50 деиифратор, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам N/2 регистров входных данных, счетно гу входу счетчика по модулю NJ информационньй выход 55 которого подключен к входу дешифрато

,,

,„

5

5

0

0

- 0

ра, информационный вход устройства является информационным входом первого регистра входных данных, выход i-ro регистра (, N/2-) вход1щх данных подключен к информационному входу (i+l)-ro регистра входных данных, первый вход j-ro (j ijW) умножителя является входом задания j-ro коэффициента устройства, выход 1-го (1 2К-1, , N/2) умножителя подключен к первому входу К-го сумматора первой группы, выход S-ro (S 2К, К I , N/2) умножителя подкляг- чен к первомз входу К-го cyi fMaTOpa второй группы, выход которого подключен к информационному входу К-го регистра суммы, выход которого подключен к второму входу (к-1)-го сумматора второй группы (, N/2), выход первого регистра с;гммы является информационным выходом устройства, второй вход N/2-го сумматора второй группы является входом задавит логического нуля устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет выполнения преобразования Фурье, в него введены элемент И-НЕ, К/2 элементов НЕ, N/2 триггеров, N/2 элементов И, N регистров операндов, информационный вход 1-го регистра операндов подключен к информационному выходу 1-го регистра входных. данных, информационный вход Я-го регистра входных данных подключен к выходу S-ro регистра входных данных, выход S-ro регистра операндов подключен к второму входу В-го умножителя, тактовые входы S-ro и (l+l )-го регистров операндов объединены и подключены к выходу 8-го элемента И, первый вход которого подключен к прямому выходу S-триггера, а второй .выход S-ro элемента И соединен с тактовым входом S-ro регистра суммы и подключен к выходу S-ro элемента НЕ, вход которого соединен с тактовым входом В-го триггера и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, D-вход S-ro триггера подключен к прямому выходу (В+1)-го триггера, D-вход N/2-го триггера подключен к выходу элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу дешифратора, а второй вход элемента И-НЕ является входом задания режима устройства.

Изобретение относится к вьпшсли- тельной технике, предназначено для вычисления дискретного преобразования Фурье и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет вычисления дискретного преобразования Фурье. Постлвл ниая цель достигается за счет того, что в состав устройства входят генератор тактовых импульсов, регистры входных данных 2.1 (i 1 ,N/ ), элементы ,НЕ 3.1, триггеры 4.1, счетчик по модулю N(N - длина импульсной характеристики), дешифратор, элемент И-НЕ, вход задания режима устройства, элементы И 9.1, регистры 10.1, информационный вход I1 устройства, умножители 12.J (,1 1, N), первая группа сумматоров 13.ii вторая группа сумматоров 14.1, регистры суммы 15,1, информационный выход устройства 16, 2 ил. с (Л

J

.г.г