Цифровой фильтр Советский патент 1988 года по МПК H03H17/04 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для частотной фильтрации сигналов,

Цель изобретения - повьшение быст родействия.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема цифрового фильтраJ на фиг. 2 - схема блока синхронизации; на фиг, 3-6 - времен- ные днаграммы,поясняющие работу цифрового фильтра.

Цифровой фильтр (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, первый 2 и второй 3 каналы обработки, каждый из которьк содер- уит умножитель 4, первьш коммуматор 5, накапливающий сумматор-вычитатель 6 и блок 7 памяти, второй коммутатор 8, блок 9 синхронизации.

Блок 9 синхронизации (фиг. 2) coдержит генератор 10 тактовых импульсов, делители 11 частоты импульсов, счетчики (2 импульсов, элемент ИЛИ 13 блок 14 постоянной памяти, элементы 15-18 задержки, элемент ИЛИ 19, элемент 20 задержки, элементы ИЛИ-И 21 и 22, элементы И 23-25, тактовый выход 26, второй управляющий выход 27, адресный выход 28,, четвертый управ- ляющий выход 29, первый управляющий выход 30, третий управляющий выход 31, установочный выход 32.

Цифровой фильтр работает, следующи образом.

Существенным отличием цифрового фильтра является то, что в основу его работы положен алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ), сущность которого заключается в следующем . ,

Обычный алгоритм ДПФ реализует следующий алгоритм:

Р-

F(kfl) f(nT)e , (1)

пгО

;

де f(nT) - последовательность отсчетов входного сигнала, k - номер вьщеляемого поддиапазона в частотной области.

Я

2Г рТ

выбранное расстояние между центрами частотных поддиапазонов , р - количество отсчетов

(дискрет) входного сигнала ,

интервал дискретизации

во временной области,

1

п - порядковьм номер отсчета входного сигнала, j

лрГ.

Из формулы (1) следует, что при изменении k значения экспоненциального множителя тоже меняются. Из этого следует, что для получения какого- либо нового поддиапазона в частотной области требуется новый набор тригонометрических коэффициентов, что сильно снижает быстродействие алго-- ритма (1). Для устранения этого предполагается модифицированньй алгорити

пТч

F(k) 11 f ()

-JbM

(2)

П 1

г /пТ. где f( j)

последовательность отсчетов входного сигнала.

выбранное расстояние между центрами поддиапазонов в частотной области, Ч - угол, через который берутся тригонометрические коэффициенты (if const 590°).

В этом алгоритме для получения но- вого частотного поддиапазона не требуется нового набора тригонометрических коэффициентов, так как значения экспоненциального множителя не зависят от k, т.е. йомера выделяемо- го поддиапазона в частотной области.

Тогда коэффициенты Фурье а и

IV

будут определяться по формулам:

к t K

0

л

а,

л Ь.

пТч

г: fe)sini.

р

d

f () COS Ч

(3)

Этот алгоритм упрощает операцию умножения, так как множитель задается до работы алгоритма, а в некоторых случаях, например при ч 90°, операцию умножения заменяют сложением или вычитанием, так как набор тригонометрических коэффициентов в этом случае представлен числами | 1,0, -1.

Цифровой фильтр предназначен для частотного анализа сигналов как с

постоянной относительной шириной

иапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов, отличающихся в два раза, т.е.

2f

N-1

2f

N-1

f S 2f8

N N-1

так и с постоянной абсолютной шириной диапазонов в интервале частот

н

между f где f,

6

и f одновременно,

fB и

N

-N

N

значения среднегеометрической верхней и нижней граничной частот N-ro диапазона соответственно. Примером такого анализа с достаточной степенью точности может служить октавный анализ.

В цифровом фильтре использован метод прореживания входных отсчетов по времени, сущность которого состоит в следующем. Из выражения (4) с учетом теоремы отсчетов следует, что частота дискретизации (число отсчетов, взятое в единицу времени), необходимое для анализа сигнала в самом высокочастотном (М, N)-M диапазоне составит р f в (М, N-1)-M р , в (М, N-2)-M р 4 отсчетов и т.д., где р - число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое для преобразования его без искажения (р 2). В этом случае анализируемый сигнал представлен п частотными диапазонами с неравf, каждьй

номерным разрешением по частоте цгщ.

W-i m,i- того, из этих диапазонов в свою очередь разбивается на m равномерно распределенных внутри каждого диапазона поддиапазонов, в результате чего получается k m п поддиапазонов

tr,n

1,П

где f -„ р fI 1

+ Z Р 1

(5)

Так как сумма (5) не превосходит величину 2р fj и

f п 2р П fi,

(6)

0

5

0

5

0

0

то возможен частотный анализ в k непересекающихся частотных поддиапазонах, причем в п из них - с постоянной относительной шириной полос, а в каждом из них содержится m поддиапазонов с постоянной абсолютной шириной полос. Для этого выборку дискретных значений для соответствующих частотных полос проводят со смещением: для самого высокочастотного (М, N)-ro диапазона выборка начинается с 0-го отсчета и идет с частотой 2р f , для следуннцего (М, N-1)-ro диапазона с 1-го отсчета с частотой 2р f /2, для (М, N-2)-ro диапазона -. с 2-го отсчета с частотой 2р f , /4 и т.д. до (М, 1)-го диапазона, выборку для которого начинают с (n-l)-ro отсчету с частотой следования 2р f /2 .В (М-1, N)-M поддиапазоне вы борку начинают с п-го отсчета с

частотой 2р f , в (М-1, М-1)-м

/ . поддиапазоне - с (п+1)-го отсчета с

частотой 2р f /2 и т.д. до (М-1, 1)-го поддиапазона, выборка которого начинается с (2п-1)-го отсчета с частотой 2р fpn-i р/ . Эта процедура повторяется до (1, N)-ro поддиапазо- на, начинающегося с (т п)-го отсчета с частотой 2р и т.д. до (1,1)-| го самого низкочастотного поддиапазона, начинающегося с (2пт)-го отсчета с частотой 2р f, /2 .

Тогда на основании. (6) получаем

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение быстродействия . Фильтр содержит АЦП 1, канал 2, имеющий умножитель 4, коммутатор 5, накапливающий сумматор-вычитатель 6 и блок 7 памяти, коммутатор 8, блок 9 синхронизации. Введен канал 3, идентичный каналу 2. Блок 9 содержит генератор тактовых импульсов, делители частоты импульсов, счетчики импульсов, два эл-та ИЛИ, блок постоянной памяти, пять эл-тов задержки, два эл-та ИЛИ-И,.три эл-та И. В основу работы фильтра положен алгоритм дискретного преобразования Фурье. Фильтр имеет расширенные возможности, заключающиеся не только в многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов с неравномерным разрешением по частоте, но и в фильтрации их внутри каждого диапазона с равномерным шагом разрешения. 6 ил. ел с

fM

В примере, изображенном на фиг.З, CQ

г.

k 64.

Чтобы использовать для фильтрации каждый дискретный отсчет только в одном (соответствующем ему) частотном поддиапазоне, суммарное количество дискрет в единицу времени (частота дискретизации), необходимое для анализа в k частотных поддиапазонах.

равно f Q f Г f;

f.

ТМ,Г(

,ЦП

п 1 f.

2Р П f,

На фиг. 3 показана диаграмма, иллюстрирующая используемый принцип задания мнимой (а) и действительной (б) частей тригонометрических коэффициентов при Ч 60 , и частотная диаграмма работы цифрового фильтра при п частотных диапазонах (в), т частотных поддиапазонах в каждом диапазоне (г) и общем количестве фильтруемых дискретных частот в исследуемом сигнале (k(k mn 64)

(д), Диаграмма (фиг.4а, б, в, г, д, е, ж, 3, и, к) иллюстрирует используемый метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением. На фиг. 5а, б, в показана частотная диаграмма работы цифрового фильтра на примере п 4 и ш 2. На фиг.ба б, в, г, д, е, ж, 3, и, к показана временная диаграмма работы блока 9 синхронизации.

В момент t (фиг. За, б) значения тригонометрических коэф шциентов для действительной части равны 1, для мнимой О, в момент t соответственно 0,5 и 0,87, в момент t соответственно -0,5 и 0,87 и т.д. Эти значения периодически повторяются через шесть временных отсчетов. Поэтому в цифровом фильтре используются тригонометрические коэффициенты только на одном периоде тригонометрической функции. Для этого примера в умножитель 4 первого канала обработки будут зашиты шесть множителей (1, 0,5, ,5i -Г, -0,5, 0,5) для вычисления: Ь J, действительной части, а в умножитель 4 второго канала обработки будут зашиты шесть множителей (OJ 0,87; 0,87, О -0,87; -0,87) для вы числения а мнимой части коэффициен- fOB Фурье.

Алгоритм выборки дискретных значений прореживанием по времени со смещением (фиг. 4) рассматривается при k mn 8 (фиг. 6). Исследуемый непрерьюньй сигнал на входе АЦП 1 показан на фиг. 4а, на фиг. 46, г, е, ИИ фиг. 4в, д, ж, з - сигнал после дискретизации, причем на фиг. 46, г, е, и - дискретные последовательности, умноженные на мнимую часть тригонометрического коэффициен та на выходе умножителя 4 первого канала обработки, относящиеся соответственно к (M,N)-My, (M,N-1)-My, (М,Ы-2)-му и (M,N-3)-My частотным диапазонам, а на фиг. 4в, д, ж, з - дискретные последовательности, умноженные на мнимую часть тригонометрического коэффициента на выходе умножителя 4 первого канала обработки, относящиеся соответственно к (М-1, N)-My, (М-1, N-1)-My, (Н-1, N-2)-My и (М-1, N-3)-My частотным поддиапазонам. Данный пример иллюстрирует, что каждому дискретному отсчету входного сигнала соответствует только один частотный поддиапазон.

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Рассмотрим работу цифрового фильтра на примере фильтрации сигнала по частотам f и f (фиг. 5а, б), т.е. при m 2 и соответственно , f,/4, , f,/2, f,/4, , т.е. при n 4. Количество диапазонов с неравномерным размещением по частоте равно п 4 (фиг. 5в), причем внутри каждого диапазона m поддиапазонов будут равномерно распределены по частоте.

Частота f генератора 10 равна fo 2р ,j (фиг. 6а), где р - количество тригонометрических козффи- диентов (например, р 6). Тогда делители 11 сформируют последовательность импульсов (фиг. 6а) с верхней частотой f f /f 2 и последовательность импульсов (фиг. 6г) с верхней частотой f (j, f /f Остальные диаграммы (фиг. 6г, е, и, д, ж, з) соответствуют частотам , , , / fg/2, fn/4, fg/8 соответственно и отображают последовательность синхроимпульсов, которые осуществляют преобразование соответсвующего поддиапазона с частотами f /2, f,, , Селекцию этих синхроимпульсов осуществляют с помощью счетчиков 12 блока 14. При этом на выходе элемента ИЛИ 13 (фиг. 6к) появляется последовательность синхроимпульсов . Рассмотрим прохождение одного из них.

С вьгхода одного из делителей 11 (фиг. 66) синхроимпульс поступает на счетньй вход счетчика 12 и увеличивает хранящийся в нем код на единицу. С выхода счетчика 12 числовой код поступает на адресные входы АО - AN блока 14. Кроме того, этот импульс (фиг, 6б) поступает через элемент ИЛИ 13 на вход элемента 15 задержки, величина задержки в котором t равна времени срабатывания счетчика 12, и с выхода элемента 15 задержки подается на вход считывания блока 14 синхронно с поступлением информации на его адресные входы. В управляющем слове, получаемом на выходе блока 14, устанавливается программа работы отдельным блоком цифрового фильтра в виде кода, т.е. числового поля соответствующей разрядности. С выхода элемента 15 задержки импульс поступает на вход элемента I 16 задержки, величина задержки tyj в котором равна времени срабатывания

блока 14, и на установочный выход 32, с которого синхроимпульс поступает в сумматор-вычитатель 6 первого и второго каналов и обнуляет их,

С выхода элемента 16 задержки синхроимпульс поступает на вторые входы элементов ИЛИ-И 21 и 22 и элементов И 23 и 24, к первым входам которых подключены соответственно выходы числовых полей L,Д, R, Т блока 14. Значения разрядов этих полей определяют подключение к блоку 9 синхронизации соответствующих блоков цифрового фильтра. Укажем их назначение.

При значении R(l) 1 с выхода элемента И 23 по тактовому выходу 26 проходит тактовый импульс на такто- вьш вход АЩ1 1, при R(l) 0 запуска АЦП 1 не происходит. При L(l) 0 управляющий сигнал с выхода элемента ИЛИ-И 21 по второму управляющему выходу 27 разрешает коммутаторам 5 первого 2 и второго 3 каналов обработки подключить на свои входы вы-; ходы блоков 7 памяти соответственно первого 2 и второго 3 -каналов обработки, а при L(l) 1 - сигнальные входы умножителей 4 первого 2 и второго 3 каналов обработки. Разряды 1,2, ..., i поля I через адресный выход 28 определяют адрес слова в блоке 7 памяти первого 2 и второго 3 каналов, откуда считывается или записывается информация. При этом все четные синхроимпульсы на выходе элемента ИЛИ-И 22 по (i + 1)-му каналу адресного выхода всегда означают запись, а все нечетные - считывание.

Разряды 1, 2, ..., t поля Т через четвертый управляющий выход подключают к j-й паре входов коммутатора 8 информационные выходы блоков 7 памяти первого 2 и второго 3 каналов обработки и по синхроимпульсу из элемента И 24 по (t+1)-My каналу четвертого управляющего выхода 29 управ.-Л

ляют выдачей а и Ь , цифрового фильтра. Выходы 1, 2, ..., d поля D определяют выбор одной из d (напри- мер, d 6) пар тригонометрических коэффициентов, выбираемых в умножителях 4 первого 2 и второго 3 каналов обработки.

Синхроимпульс по тактовому вькоду 26 инициирует дискретизацию входного сигнала и его аналого-цифррвое преобразование в АЦП 1, а по адресному

5

0

5

д

0

5

0

5

выходу 28 формирует адрес j-ro диапазона частот и считывает из блока 7 памяти первого 2 и второго 3 каналов обработки хранящиеся там предыдущие значения соответственно а и S j-ro диапазона частот, сформированные другими синхроимпульсами. Через второй управляющий выход 27 синхроимпульс разрешает передачу первым коммутаторам 5 первого 2 и второго 3

каналов а и b на входы сложения

к накапливающих сумматоров-вычитателей

6 соответственно первого 2 и второго 3 каналов обработки, где они складываются с нулем по синхроимпульсу, приходящему по третьему управляющему выходу 31.

Этот же синхроимпульс поступает на вход элемента 17 задержки, который задерживает импульс на величину jaS. равную времени пересылки предыдущего отсчета из блока 7 памяти и сложению его с нулем в накапливающем сумматоре-вычитателе 6. По первому управляющему выходу 30 отселек- тированньй полем D и элементами И 25 синхроимпульс выбирает одну из шести пар тригонометрических коэффициентов (фиг. За, б, например, момент t-)), которые перемножаются на дискретный отсчет входного сигнала.

Кроме того, синхроимпульс поступает на вход элемента 18 задержки, где он будет задержан на время С„ j равное времени перемножения отсчета f(t,j) и коэффициентов в умножителях 4. По синхроимпульсу с выхода элемента 18 задержки полученные в умножителях 4 произведения f(t)sin Т первого 2 и f (с,) cos Ч второго 3 каналов обработки через соответствующие коммутаторы 5 поступают на входы сумматоров-вычитателей 6, где они в зависимости от знака складьшаются или вычитаются с предьщущкми значениями а и Ь.,, формируя таким образом

к к л , новые значения а ., и Ъ,,.

Ч Ч

Этот синхроимпульс разрешает на- капливающим сумматорам-вычитателям 6 первого 2 и второго 3 каналов обработки такую передачу. Кроме того, по адресу, сформированному полем Т, осуществляет вьщачу j-й пары предыдущих отсчетов из блоков 7 памяти (по адресу, сформированному ранее полем I блока 14) на вход коммутато- ра 8. В накапливающих сумматорах-выэтому времени получеА

К

в

читателях 6 к

нм новые значения отсчетов а первом 2 и Ь во втором 3 каналах обработки. Кроме того, синхроимпульс поступает на вход элемента 20 задержки, величина

а.о . G

которого равна времени сложения - вычитания двух операндов в накапливающем сумматоре- вычитателе 6. Синхроимпульс разрешает по адресному выходу 28 перезапись содержимого накапливающих сум- маторов-вычитателей 6 в соответствующие блоки 7 памяти по адресу, выставленному ранее полем I блока 14 на место предьщущего отсчета.

Очередной синхроимпульс с выхода элемента ИЛИ поступает на вход блока 14, элемент 16 задержки и установочный выход 32. По нему в блоке 14 сменяется состояние разрядов в выходных полях R, L, I, Т и происходит Обнуление накапливающ -сх сумматоров- йычитателей 6 первого 2 и второго 3 каналов обработки. Ч ерез t 1 срабатьтает снова, и новый дискретный отсчет, соответствуюЕ(ий теперь уже другому R-му частотному поддиапазону (R € 1, 2, „.,, (m-n) ), .начинает обрабатываться в цифровом фильтре. Цикл обработки его аналогичен описанному, новым являются лишь адреса, задаваемые полями блока 14 блоку 7 памяти, коммутатору 8 и умножителям 4.

Таким образом, в момент t . в

умно- кажителях 4 первого 2 и второго 3 налов обработки формируются соответственно произведения (f(t(sinV, (f(t,,) sin2 tP и т.д.) и (f(t,)cosV f(t )cos2 Ц) и т.д.). а в накапливающие сумматоры-вычитатели 6 первого 2 и второго 3 каналов обработки нап- равлены .соответственно только два из них: f(t,.,)sin MJ и f(t.,)cos4 соответственно. Во второй момент времени t 2 уь ножитель 4 первого канала 2 обработки сформирует произведения (f(t,.,)sinq, f()siTi2 H т.ц.}, а гвторого канала обработки (f(t-)cos4 , f(t-)cos2 Ч и т.д.), а в накапливающие сумматоры-вычитатели направлены

только два из

них: f (l:)sin2

f(tn)cos24 . В накапливающем суммато- ре-вычитателе 6 первого канала 2 обЦифровой фильтр, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом цифрового фильтра, блок синхронизации, коммутатор и первый канал обработки, состоящий из умножителя, коммутатора, накапливающего сумматора-вычитателя и блока памяти, при этом тактовый выход блока синхронизации соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, адресный выход - с адресным входом блока памяти первого канала обработки, первый, второй и третий управляющие выходы - соответственно с управляющими входами умножителя, коммутатора и накапливающего сумматора-вычитателя . первого канала обработки, установочный выход - с установочным входом накапливающего сумматора-вычитателя, а четвертый управляющий выход - с управляющим входом коммутатора, отличающийся тем, что, с

работки в момент времени с образова- 55 целью повышения быстродействия, ввена сумма О + f(t)sinV, а в момент t - (f(t)sinV + f(t2)sin24). В накапливающем сумматоре-вычитателе

ден второй канал обработки, идентичный первому каналу обработки, при этом выход аналого-цифрового пре6 второго канала 3 обработки в мо

5

0

5

0

5

0

5

0

t, - (f(t )cosV +

0+ f(t.|)cosV, а в + f(t)).

Таким образом, в моменты времени t ,t , tg, . . ., t в накапливающем сумматоре-вычитателе 6 первого канала 2 обработки накапливается сумма f(t,)sin4 -I- f(t)sin24 + ...f(tn)

1sin п/, a второго канала 3 обработки - f (t Ocosif -ь f (t,)cos2tf -f . .. -H (tn) cosnV, которые и реализуют

предлагаемый алгоритм ДПФ. Значения sin Ц и cos ч периодически повторя- ,ются (например, для 4 60 через шесть отсчетов),, поэтому используются триго-нометрические коэффициенты только на одном периоде тригонометрической функции.

Таким образом, предлагаемый фильтр обладает расширенными возможностями, зaключaющ iмиcя не только в многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов с неравномерным разрешением по частоте, но и фильтрации их внутри каждого диапазона с равномерным шагом разрешения.

Формула изобретения

Цифровой фильтр, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом цифрового фильтра, блок синхронизации, коммутатор и первый канал обработки, состоящий из умножителя, коммутатора, накапливающего сумматора-вычитателя и блока памяти, при этом тактовый выход блока синхронизации соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, адресный выход - с адресным входом блока памяти первого канала обработки, первый, второй и третий управляющие выходы - соответственно с управляющими входами умножителя, коммутатора и накапливающего сумматора-вычитателя . первого канала обработки, установочный выход - с установочным входом накапливающего сумматора-вычитателя, а четвертый управляющий выход - с управляющим входом коммутатора, отличающийся тем, что, с

ден второй канал обработки, идентичный первому каналу обработки, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с сигнальными входами умножителей первого и второго каналов обработки, являющимися сигнальными входами первого и второго каналов обработки, выходы умножителей которых соединены с первыми сигнальными входами соответствующих коммутаторов, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих блоков памяти, а выходы с сигналь

ными входами накапливающих суммато- ров-вычитателей, выходы которых соединены с сигнальными входами соответствующих блоков памяти, выходы которых являются выходами соответствующих каналов обработки и соединены с входами коммутатора, соответствующая пара выходов которого являет- ,ся выходом соответствующего частотного канала цифрового фильтра.

О -0,87

tf t tj

I

JL

т

т

m

illlHHilfnifllinilllK И (ПИ 111(1(1 { I LL1J 1 M 1 1 I I I I

JUatnetMl AtaeesenZ Диануу мЗ

ts tg tf t

f//4

A. t

1 1 I I 1 N I 1 M I ( I i U

t ftffkfnfftffffiif9fefrfefsi f3ftf. t

Ч

m

9и,г.З

A

г

/

irlnilllllll (Mil HI I Itlltl n mill III I IIUIIIHH It II in Ij

tizA

46

Дивпалм Дивн& ц} ««rwjrw

sctnamaf

Фи.2.5

Фи11.6

AuanaiMi

t