Нерекурсивный цифровой фильтр нижних частот Советский патент 1988 года по МПК G06F17/17 H03H17/06 

Изобретение относится к технике связи, вьиислительной и радиовещательной технике и может быть использовано в системах цифровой обработ- ки радиотехнических сигналов,

Целью изобретения является повышение быстродействия.

На чертеже приведена функциональная схема фильтра.

Цифровой фильтр содержит блок 1 програ;Ф1ного управления, счетчик 2 по модулю М, блок 3 постоянной памяти (коэффициентов)5блок 4 памяти, арифметический блок 5 регистр 6, умножиталь 7, блок 8 программного управления, блок 9 памяти, накапливающий сумматор 10, блок 11 памяти, накапливающий сумматор 12, блок 13 программного управления и генератор 14 тактовых импульсов.

Алгоритм работы нерекурсивного циф рового фильтра описывается разностным управлением . . N-i

у(пТ) 1;. b;x(nT-iT),1,2,..,,

1 0.

где Т период дискретизацииj

Ъ: - коэффициент фильтра; к-(пТ) и . - у(пТ) - соответственно отсчеты

входного и выходного сигналов

Работа фильтра ocHqBaHa на приме- ненчи операции линейной интерполяции в М р.аз к опорньм отсчетам вспомогательной импульсной характеристики .,. (ИХ) ,1,25,...,N -1, записанным в постЪянном запоминающем устрой .. стве (ПЗУ), т-„ео между каждыми двумя последовательными отсчетами ИХ Ь и b k t-i вставляется отсчет:

,,,,,,,Ъ(+(N-)Л,|,

а

k Ь и., Ь|, )/М.

В результате получают кусочно-линейную импульсную характеристику филра Ь-, i 0,1.,2,...,Nj N M(N -I), сворачиваемую с отсчетами входного сигнала в соответствии с выражением (О, .

Алгоритм работы устройства описы- вается разностным уравнением

, ,W -l М-1

у(пТ)1 Ь.х(пТ-1Т)- -1Г11 (bl, +

:-0 П к-о 1 0 .

,

O

5 0

, 5

)

0

.

jg 0

5

53

5

. М -1 М-(

+ d(.j)x()T)--;--IIII((nT k-0 j:0

4kM+j)T)+4|, jx(nT-(kM+j)T)); (2)

где N , M(N -I),. a множитель 1/М нормирует амплитуду выходного сигнала к единице. , ,

Из уравнения (2) видно, .что вьш- грьпп в количестве операций умножения на один выходной отсчет прямо пропорционален М., так как не требуется умножать отсчеты входного сигнала х(пТ) на все отсчеты ИХ фильтра Ь , ,1, ..,,N-1, а достаточно осуществлять . умножение х(,пТ) только на опорные отсчеты ИХ вспомогательного фильтра bj, , 1, .-. .,N-1, причем (N -I) .

Фильтр работает следующим образом.

В блоке 3 записана последовательность опорных отсчетов импульсной характеристики вспомогательного фильтра (ВФ) , ,2,.,.,. В регистре 6 записана константа а I/M. Первый блок 4 имеет (N -3)+1 ячейку памяти для хранения отсчетов входного сигнала, причем каждый новый отсчет х(пТ) записывается на место самого старого отсчета x(nT-N.T), В результате в блоке 4 всегда хранятся N последних входных о тсчетов (пТ), х(пТ- -Т) ,,o.,,x(nT-(N.,-1)T) . Блоки 9 и 11 памяти имеют М ячеек памяти для хранения промежуточных результатов, При- .чем по аналогии с блоком 4 памяти в блоках 9 и 11 памяти всегда хранятся М последних отсчетов промежуточных результатов. .

Отсчеты входного, сигнала х(пТ ) поступают на йход блока 4 памяти, на адресный вход которого с выхода блока 1 управления синхронно с ним по шине управления подаются импульсы записи, в результате чего отсчеты входного сигнала х(пТ) записываются в блок 4 памяти. После записи очередного входного отсчета в блок 4 памяти с выходов блока управления подается последовательность N. импульсов FJ С выхода счетчика по модулю М прореженная последовательность Fj (каждьй М-й отсчет последовательности FJ) подается на блок 3 и тактовьй вход арифметического блока 5, В результате с выхода блока 4 памяти на вход блока 5 с пер.иодом последовательности F считывается последовательность отсчетов входного сигнала х(пТ),

х(пТ-Т),...,x(nT-()T). Однако умножение отсчетов входного сигнала на опорные отсчеты импульсной характеристики ВФ осуществляется лишь с приходом на тактовый вход блока 5 тактового импульса F ., одновременно с которым на второй вход блока 5 из блока 3 считываются опорные отсчеты ИХ, причем в последовательности, определяе- мой циклическим сдвигом последовательности ,b2 ,... (коэффициенты b и ., равны нулю и поэтому умножать на них нет необходимости) Таким образом, на вход арифметического блока 5 поступает последовательность чисел Ь{ jbjb -L-j ,b ,b ,

,.,j с периодом тактовых импульсов F. . При этом блок 5 накапливает сумму произведений прореженных отсчетов входного сигнала на опорные отсчеты

ИХ вспомогательного фильтра V((n+1)1)

N -г ,

x(nT-(i-1)MT)b . . Вычисленная та

КИМ о.бразом сумма произведений V((

+1)Т) с выхода арифметического блока 5 поступает на первый вход .умножителя ,7 на второй вход которого с выхода регистра 6 подается нормирующий множитель а. I/M. Произведение

((n+1)T) с выхода умножителя 7 м

поступает на первьй вход блока 9 памяти. С выхода блока 8 управления по пшне управления на. вход блока 9 па- .мяти подается импульс записи, в ре. зультате чего произведение ( {n+ +1)Т) записьгоается в ячейку памяти, в которой хранится самьм старый отсчет 1/M2V((n+1)T-MT). Далее под уп- равлением тактовых импульсов F,подаваемых по шине управления с выхода блока 8 управления, осуществляется считьшание содержимого ячеек блока 9 памяти в последовательности

((п+ ))Т), -i -VCnT),..., -ijV((n-.

М2

М2

М+2)Т)|на вход сумматора 10, который накапливает сумму

мм

w((n+1)T) .Z. V((n+1-j)T).

jto М

С выхода первого накапливающего сумматора 10 сумма w(n+1)T): подается на вход блока 11 памяти.С выхода блока ,13 управления по шине управления на вход блока 11 памяти подается импульс заако умла на ктес притактос коз блока Х, приеляе- JQ оваоэффипоэтоимости), ическо|5 тель ,b ,

ьсов т сумсчетов 20 счеты

(n+1)1)

ая та.

V(( 25

блока ожитес вырующий

ля 7

9 пания по 9 па- в ре. V( {n+ мяти, ый отод уп- д ,повыходается ока . ..

jV((n-.

45

2

торый

50

.

его ется лока на вход с за55

писи, в результатЬ чего сут-г -ia -:((п-г1)У Х.Т) записывается в ячейку памяти, в которой зранится самый старый отсчет w((n+1)T-MT, лосле чего сумматор 10 обнуляется. Под управлением тактовых импульсов F чтения-, подаваемых по нм- не управления с выхода блока 13 управления на вход блока 11 памяти, осуществляется считывание со.держимого ячеек блока 11 памяти з последовательности w( (п+1) Т), w(nT) , ., . ,w ( (n-M+2;K.r УТ) на вхо.д сумматора 12р который накапливает сумъгу

М-1

у((п+1)Т). 21 w((N+1-k)T).

k-O

В результате к началу (п+1)го такта содержимое накапливающего ра 12 становится равным отсчету выходного сигнала у((п+1)Т). Значение., У((п+1)т) считывается на выход уст ройства, при этом сугматор 12 обнуляется. На этом внутренний цикл работы устройства заканчивается. На следующем n+1-M такте на вход блока 4 памяти поступает входной отсчет х((п+ +1)T)j и цикл работк устройства повторяется.

Для пояснения работы устройства рассмотрим случай, когда , , тогда приращения коэффициентов.будут равны (учитьтая, что Ь - Ъ 0)

V ift. «.

DI-DO /т, I , . bfl-biо3 1 4j ,ц/3 .

Последовательность выходных отсчетов при нулевых начальных условиях имеет следующий вид:уСО-Т) 0;

уСЬТ) 1/3(г,х(0-Т)+ О ) (0-Т)+0|

у(2.Т) 1/3(,х(1 Т).Т)- +0) 1/9b|x(1-T)+2/9b , х(0 Т)-Ю|

у(З-Т) 1/3(Лох(2.Т)+2йох(1-Т) + +Ь;х(0-Т)) 1/9Ь х(2 Т)+2/9Ь х(1-Т) + - :1/ЗЬ ,х(0-Т)+0; ИЮ-Т) 1/9Ь|х(9.Т) + 2/9Ь, х(8. Г)±

+ 1/ЗЬ;х(7-Т) + x(6-T)f bl|2bi(5.T) + -i-b;x(4.T)+

.(3.T). (2.Т)-ь + (1-T)+2/9bjx(O.T)

514

у(11-Т) 1/9b ,x(10-T)- 2/9b , х(9.Т)-|+1/ЗЬ;х(8.Т) 2blibL(7.T) l|2b l(6.T)-b 4-(5.Т).

(4.т).Т) -f 1/зЦх(2 Т)-1-2/9ЦхС1.Т)-И/9Ьзх(0-Т).

: В блоке 3 записана п-оследователь- JiocTb опорных отсчетов ИХ вспомога- |гельного фильтра ь,,. Ь, Ьз (коэф- 4)Яциенты Ьр Ь Oj. и поэтому не гчятьтаются) „ В регистре 6 записана

{(онстанта а ---j- 1/9 Блок 4 па|ияти имеет N ЗЧ5-3))-1 7 ячеек Памяти, Блоки 9 и 11 памяти имеют по 3 ячейки-памяти. i К нулевому такту блоки, 4j 9.и 11 Ьамяти, арифметический блок накапливающие сумматоры обнулены поэто мз/ на нулевом такте выходной сигнал фильтра у(О-Т) 0, а на первьй вход блока 4 памяти поступает отсчет вход- ного сигнала х(0 Т)„ С первого вько да первого YYI на вход блока 4 памяти по шине .управления подается сигнал записи., В. результате отсчет входного сигнала записьгоается в первую ячейку блока 4 памяти. После сигнала записи выходов блока.управления подается последовательность N 7 т-1пульсов Р., , С выхода счетчика 2 прореженная последовательность FJ (каждьш третий отсчет последовательности F) .подает ся на блок 3 и вход .арифметического блока 5, В момент прихода первого импульса FJ с выхода блока 4 памяти считывается отсчет входного сигнала х(О-Т), Одновременно первый И1 шульс FI считьгоает из блока 3 опорной, отсчет ИХ Ь , разрешая.вычисления в блоке 5. произведения ()о Поскольку содержимое остальных ячеек и блока 4 памяти равно О,, к моменту окончания импульса Fi блок 5 на капливает сумму, равную V(lrT) 1)(0 лТ)+0«.Далее сумма V(1-T) пост у- пает на первый вход умножителя 7. Результат произведения 1/9.V(1 T) с выхода умножителя 7 поступает на первый вход блока 9 памяти, на другой вход которого однозрег- енно по не управления подается импуяьс записи. После записи произведения на вход

50 .6

блока 9 памяти с выхода блока 8 уп- раилеьгня по шине управления подаются импульса чтения F4, которые считывают в накапливающий сумматор 10 содержимое ячеек блока 9 памяти 1/9х. XV(1.T), 1/9V{0 T) 0; 1/9 V(-1,T) Ojо Б результате сумматор 10 накап-i ливает сумму w(1,T) 1/9V(1.T) +0, которая поступает на вход блока 11 памяти. Одновременно на вход блока 11 памяти с выхода блока 13 управления по шине управления подается импульс записи. После того -как запись произведена, на вход блока 11 памяти поступают М 3 импульса чтения, кото- . . рые считывают содержимое ячеек блока

11памяти Ud-T) 1/9V(1--T)5 w(0-T) - Oj wC-f-T) 0 5 на вход сумматора 12,. В .накапливающем сумматоре 12 к началу первого такта вычисляется сум- ,ма у(1-Т) 1/9V(bT) + О 1/9b , х 1с(0 Т), Таким образом, к началу первого такта содержимое сумматора 12

равно требуемому значению выходного отсчета фильтра на этом такте, В этот момент времени происходит считывание содержим.ого накапливающего сумматора

12на выход устройства, при этом сум- ыатор обнуляется.

На первом такте (п .1) на вход блока. 4 памяти nocT;s TiaeT отсчет входного сигнала x(l4T), С первого вкхода блока 1 управления адреса на вход блока 4 памяти подается импульс записи, В результате отсчет входного сигнала записывается во вторую ячейку блока 4 памяти„ После сигнала записи с выходов блока 1 управления подается по-

следовательность. N 7 импульсов F. С выхода счетчика по модулю 3 прбре- женная последовательность .F. подается на блок 3 и вход арифметического блока 5„ В момент прихода первого импульса F,j с выхода блока 4 памяти считывается отсч-ет входного сигнала х(), Одновременно первый иг-етульс F. считывает из блока 3 опорный отсчет ИХ Ъ, j разрешая вьгаисление в блоке произведе.ш-1я ()о Второй импульс Fj считг.шает с вькода блока 4 памяти на вход блока 5 отсчет х(О Т). Однако на вход блока 5 не поступает з правляю- импульс F и произведение не вычисляется„ Поскольку содержимое остальных ячеек блока 4 памяти равно О, то к моменту окончания 7-го импульса F/J блок 5 накапливает суыму равную V(2.-T) b ,x(T-T)+0. Далее сумма

7 , . 1

V(2iT) поступает на первый вход умножителя 7. Результат произведения 1/9 V(2 T) с выхода умножителя

7поступает на первый вход блока 9 памяти, на другой вход которого одновременно по шине управления подается импульс записи. После записи произведения в блок 9 памяти на другой его вход с выхода блока 8 управления подаются М 3 импульса чтения F , которые считывают в накапливающий сумматор 10 содержимое ячеек блока памяти 1/9V(2-T), 1/9V(1rT), 0}. В результате сумматор 10 накапливает сумму w() 1/9V(2.T)+1/9V(1гТ)+0, которая поступает на вход блока 11 памяти, С выхода блокд 13 управления по шине управления подается импульс записи. После того, как запись произведена, на вход блока 11 памяти посту пают М 3 импульса чтения, которые считывают содержимое ячеек блока 11 Памяти w(2-T) 1/9V(2-T), w(1-T) 1/9V(1-T), 0} на вход накапливающе- го сумматора 12. В накапливающем сумматоре 12 к началу второго такта вычисляется сумма у() w(2 T) + w(1 --Й+О 1/9VC2-T)+2/9(l,-T)

-|j-x(1-T) + -|-х(0 Т). Таким образом, к началу второго такта содержимое сумматора 12 равно требуемому значению выходного отсчета фильтра,

8этот момент времени происходит счи- тьтание содержимого накапливающего сумматора 12 на выход устройства, после чего сумматор обнуляется..

На десятом такте (п 10) на вход блока 4 па14яти поступает отсчет входного сигнала х(10 Т)« С блока 1 управления на вход блока 4 памяти подается импульс записи. В результате отсчет входного сигнала х(10-Т) записывается в ту ячейку блока 4, в которой хранится самый старый отсчет х(3 Т). После записи на вход блока 4 памяти подается последовательность N 7 импульсов Fj, осуществляющих считыва - ние содержимого ячеек блока 4 памяти на вход блока 5. В момент прихода пер вого импульса Fj- с выхода блока 4 памяти считывается отсчет входного сигнала х(10 Т). Одновременно первый импульс FJ считывает из блока 3 опор- ный отсчет ИХ Ц , разрешая вычисле-. ние в блоке 5 произведения Ь|-х(10.Т),/ Второй и. третий импульсы считьшают из блока 4 памяти отсчеты х(9«Т) и

50.8

х(8-Т), однако на вход блока 5 ке поступает управляющий импульс Fj и произведение не вычисляется. Четвертый импульс F считывает из блока t отсчет входного сигнала х(). В этот момент времени с выхода счетчика по модулю 3 поступает второй импульс F, , который считьгеает из блока 3

следующий опорный отсчет ИХ bj, разрешая вычисление в блоке 5 произведе- ния Ь2 х(7.Т). В результате в

блоке 5 накапливается сумма произведения Ь , x(lO.T)+bjx(7.T) и т..д.Седьмой импульс FJ считывает из блока 4 содержимое последней ячейки х(4 Т). Третий импульс Fj считывает из блока 3 отсчета ИХ bj, а в блоке 5 вычисля- ется произведение Ц х(4. Т). Таким образом, накопленная в блоке.5 сумма произведений V() b:jx(10.-T) b2x(7.T)+b х(4.Т)поступает на первьй вход умножителя 7. Результат произведения 1/9V(11iT) с выхода умножителя

7-поступает на вход блока 9 памяти, на другой вход которого подается им- пульс записи. После записи произведения в блок 9 памяти на его другой вход с в{11хода блока 8 управления подаются

3 импульса чтения F, которые считьшают. в накапливающий сумматор 10 содержимое ячеек блока 9 памяти l/9V(1bT), 1/9V(10-,T), 1/9V(9.T) . результате сумматор 10 накапливает сумму

40

V(II.T) -((10-T)+b2x() +

+ (4T)+b,x(9-T)-b5x()()4 + b{x(8,T)+b2x(5.T)+b x(2-T)),

которая поступает на вход блока 11 памяти. Одновременно на вход блока 11 5 памяти с выхода блока 13 управления по шине управления подается импульс записи. После того, как запись произведена, на вход блока 11. памяти поступают М 3 импульса чтения, которые 0 считывают содержимое ячеек блока 11 памяти w(11 Т), wdO T);-w(9 T)J на вход накапливающего сумматора 12, В накапливающем сумматоре 12 к началу второго такта вычисляется сумма у(11х

«Т) -(b ,x(10.T)+2b;x(9 T)ji- .+3b ,x(8.T) + (b2+2b , )х(7-Т) + + ()х(6.Т)+ЗЬ;х(5.Т) +

.9 .14

(b3+2bj)x (4 Т)(:2Ьз+Ь.|)х(3-Т) +

(2.T)+2bjX{1-T)+b3x()).

Таким образом, к началу второго такта содержимое сумматора 12 равно требуемому значению выходного отсчета фильтра. В этот момент времени происходит считывание содержимого накапли- |вающег9 сумматора 12 на выход устрой- ства, после чего сумматор обнуляется.

Формула из обретения ; Нерекурсивный цифровой фильтр ниж;Них частот, coдepiжaщий первый блок |Памяти, арифметический блок, первы блок программного управления, блок постоянной памяти и генератор такто |вых импульсов, выход которого йодключен к тактовому входу первотго блока программного управления, первый и :второй выходы которого подключены со- |отв етственно к адресному входу и входу управления записью считьшанием первого блока памяти, выход которого Подключен- к информационному входу

.арифметического блока, вход задания Коэффициентов которого подключен к

.выходу блока постоянной памяти, а

Тинформационный вход первого блока памяти является информационным входом фильтра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, G целью повышения быстродействия, он содержит счет50 . . 10 .

чик, регистр,- второй и третий блоки программного управления, второй и третий блоки памяти, два накапливающих сумматора, умножитель, причем третий вывод первого блока программного управления подключен к счетному, входу счетчика, -информацион- ньй выход и выход переноса которого

подключены соответственно к адресному входу.блока постоянной памяти и тактовому .входу арифметического блока, выход KfCfTopora Подключен к первому входу умножителя, выход которого

подключён к , информационному вх.оду второго блока па:мяти, вькод которого подключен к информационно1 у входу ; первого накапливающего сумматора, выход которого подключен к информацион ному входу третьего-блока памяти, выход которого,подключен к информационному входу второго накапливающего сумматора, выход кот орого является информационньм выход Ьм .фильтра,, выход генера:тора тактовых импульсов подключен К; тактовым входам регистра, первого и второго накапливающих сумматоров и тактовым входам второго и ; третьего блоков программного управления, первый и второй выходы которых подключе1Л1 соответственно к ад- . рее ному входу и входу управл ения за.- писью считьшанием соответственно вто-. рого и третьего блоков памяти, а выход регистра подключен к второму вхо- ду умножителя.

Изобретение относится к технике связи, вычислительной и радиовещательной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки радиотехнических сигналов. Цель изобретения - повьппение быстродействия. В состав устройства входят блок 1 программного управления, счетчик 2, блок 3 постоянной памяти, блок 4 памяти, арифметический: блок 5, регистр 6, умножитель 7, блок 8 программного управления, блок 9 памяти, нак апли- вающий сумматор 10, блок 11 памяти, накапливающий сумматор 12, блок 13 программного управления и генератор 14 тактовых импульсов. Г ил.. , i (/)