Цифровой фильтр Советский патент 1988 года по МПК H03M3/02 H03H17/06 

(21)4219929/24-24

(22)31.03.87

(46) 23.09.88. Бюл. № 35 (72) А.В, Тимченко

(53)681.325 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР, по заявке № 4139980/24, кл. Н 03 Н

17/06, 1986.

Погрибной В.А. Бортовые системы об- обработки сигналов. - Киев: Наукова думка, 1984. с. 86,

Авторское свидетельство СССР №904201, кл. Н 03 Н 17/04, 1980.

(54)ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

(57)Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи. Его использование в системах цифровой

обработки информации позволяет повысить быстродействие фильтра. Цифровой фильтр содержит генератор 1 импульсов, счетчики. 2-4, модульный сумматор 5, блок 6 оперативной памяти, блоки 7 и 8 постоянной памяти, мульти- плексор 9, формирователь 10 импульсов буферный регистр 11, перемножитель 12 и накапливающие сумматоры 13 и 14. Благодаря введению накапливающих сумматоров 15 и 16 и соответствующей группировке коэффициентов импульсной характеристики фильтра время вьшолне- .-ния операции свертки для входных сигналов в формате многоуровневой дельта- модуляции существенно меньше, чем в g прототипе. З ил.

(Л

Ю 01

00

4ik

Фиа

Изобретение относится к вычисли- .тельной технике и технике связи и Iможет использоваться в системах циф- ровой обработки информации.

Цель изобретения - повьшение быстродействия ,

На фиг. 1 показана функциональная схема цифрового фильтра; на фиг. 2 - : схема сумматора; на фиг. 3 - времен- ные диаграммы работы фильтра.

Цифровой фильтр содержит генера; тор 1 импульсов, первый - третий сче : чики 2-4, модульный сумматор 5, блок

6 оперативной памяти, первый 7 и вто рой 8 блоки постоянной памяти, муль

типлексор 9, формирователь 10 импульсов j буферный регистр 11, перемножи- тель 12, первый - четвертьй накапливающие .сумматоры 13-16, входы 17 и выходы 18.

Накапливающий сумматор 13 может быть выполнен (Фиг. 2) на формирователе 19 переднего фронта, первом 20 и втором 21 регистрах сдвига и сумматоре 22. На фиг. 2 обозначены ин- формационные в5йоды 23,-вход 24 синхронизации, вход 25 обнуления и выходы 26

Накапливающие сумматоры 14-16 име-зо капливающих суммат9Ров5 первый из ко35

ют такое же выполнение, но содержат вместо формирователя 19 переднего фронта формирователь заднего фронта.

На фиг о 3 представлены следующие сигналы: .д- тактовые импульсы с генератора 15 5 - импульсы на выходе формирователя 10; Б - импульсы на втором выходе блока 71 Е. импульсы на выходе переполнения счетчика 4„

Цифровой фильтр работает следую- .„ щим образом.

Перед началом фильтрации необходимо провести обнуление регистра 11 и накапливающих сумматоров 13-16 (цепи сброса на фиг. 1 не приведены). При этом на выходах 18 устанавливается нулевое значение выходного сигнала. Такое обнуление необходимо также проводить при случайных сбоях, например питания, чтобы предотвратить накопление ошибок в выходном сигнале ф -шьтра. В блок 6 при этом заносится нулевое значение сигнала, т.е. последовательность ).

45

торых осуществляет дозированное суммирование М произведений по формуле (2) в каждом периоде дискретизации

входного сигнала.

i

Квантующая амплитудная характерис- тика дельта-кодера, формирующего входные сигналы фильтра соответствует одному из дв-тс типов характеристики с центральным подавлением или центральным клиппированием слабых сигналов. В первом случае, для некоторых возможно равенство sV О, а во втором S ; 7 о для любых i о. Поэтому для первого случая формула (2) может быть записана в виде

. (Ь (х Ук 2IS. S

к-т

(3)

50

где, ,m.

,т.,- номера шагов

квантования им™ пульсной характеристики, не равных нулю; N - количесво ненулевых шагов.

Устройство работает следующим об- 55 разом.

Отсчет выходного сигнала цифрового фильтра в привычном формате импульс-

но-кодовой мрдуля1щи представляют в виде П М- К1

У. .i:i:rs;

где

,(

-t k.:l

ri О,

(n K-m v« ,

(1)

, s O;MH 0

M 5

шаги квантования входного сигнала и импульсной характеристики соответственно;

длина импульсной характеристики.

Последовательности , 85 представлены в формате многоуровневой дельта-модуляции (МДМ) или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции. Вычисление последовательности 0 по формуле (1) разделяется на три последовательных этапа

Г

п К-М

v y,

к

(2)

Vy;

v V

«7

у

.V у.

Эти этапы представляются в виде последовательного включения трех накапливающих суммат9Ров5 первый из ко

торых осуществляет дозированное суммирование М произведений по формуле (2) в каждом периоде дискретизации

входного сигнала.

i

Квантующая амплитудная характерис- тика дельта-кодера, формирующего входные сигналы фильтра соответствует одному из дв-тс типов характеристики с центральным подавлением или центральным клиппированием слабых сигналов. В первом случае, для некоторых возможно равенство sV О, а во втором S ; 7 о для любых i о. Поэтому для первого случая формула (2) может быть записана в виде

. (Ь (х Ук 2IS. S

к-т

(3)

0

где, ,m.

5

к

,т.,- номера шагов

квантования им™ пульсной характеристики, не равных нулю; N - количесво ненулевых шагов.

. Обозначим число уровней квантования импульсной характеристики через

(h)

Тогда, число различных ненулеBbix значений коэффициентов цифрового фильтра с МДМ равно

fi) (m

К,- при К - четном;

, при Кц - нечетном J

(в последнем случае исключено нулевое значение).

Проведем группирование шагов кватования входного сигнала по одинаковым значениям весовых коэффициентов Число шагов квантования импульсной характеристики в каждой группе равС

но К Г2)

или

а м z: к

).. J (3)

Тогда вьфажение

можно переписать в виде

.

rs rf si:;

i( ff

Число умножений для вычисления одного значенияV по формуле (4) равно 1 и с увеличением длины импульс ной характеристики значение 1 остается неизменньм, а отношение 1/N уменьшается, т.е. 1 «N.

Кроме того, при вычислении . по (4) разрядность одного из входных сигналов умножителя равна разрядности МДМ, что Также позволяет рвали- зевать высокое быстродействие устройства

За счет более низкой разрядности коэффициентов импульсной характеристики фильтров с многоуровневой дельта- модуляцией значение 1 значительно меньше такого же значения в аналогичном фильтре с импульсно-кодовой модуляцией. Это приводит к тому, что значения fKj, j 1,1, примерно одинаковые, что позволяет вычислять значение суммы шагов квантования входного сигнала параллельно с умножением предыдущей Суммы на соответствующий .коэффициент, т.е. организовать поточную обработку Ячейки памяти блока 7 разделены на два поля. В первом поле записаны индексы j q i , i О, Kj-1, j 1,1

{q ij i коэффищ

весовых Коэффициентов. Запись групп индексов одинаковых коээффициентов производится подрядi- начиная с нулевого адреса блока 7, Первая группа начинается, согласно (2) нуяевьм индексом q. О (принято что sj, 0) вторая группа индексом qo J (если Sf) и т.д. Если St si, то вторая группа начинается- ближайшим индексом q о 1, для ,,1 оторого удовлетI4258 i0

. 10

с

20

25

воряется

4

-.(тч

условие ЗГ Sg . Число индексов К; в каждой j-и группе равно чис- г/ одинаковьк коэффициентов этой груп- .ы. Во втором поле, представляющем сдлн разряд по всем адресам, записано нулевое значение кода и только по адресам, соответствующим началу каждой

группы индексов (нулевому и равному е ,

21 К;), зЕписаны значения единичного J -кода.. аким образом, всего в блоке 7

используется N ячеек памяти. Нумерация выходов блока 7 соответствует нумерации полей.

В блоке 8 памяти записаны только различные ненулевые значе;- ия коэф41И- циентов, начиная с значения s в том порядке, .как они встречаются в формуле цифровой свертки (2) или (3). Если ,(hi

s ; о, то

вается ближайшее для которого - используется 1 Генератор 1

по нулевому адресу записы- значение S,

. 0,

минимальное. Всего ячеек блока 8 памяти, импульсов генерирует

0

5

0

5

0

5

непрерывную последовательность импульNов (фиг. За) с частотой f -, где Т период дискретизации входного сигнала. Эти импульсы поступают на счетный вход счетчика 2, имеющего коэффициент деления N. По коду, соответствующему выходному сигналу счетчика 25 с первых выходов блока 7 памяти считывается последовательность индексов , начиная с нулевого адреса блока 9.

Б конце каждого периода дискретизации Т5 после заполнения счетчика 2, на его вькоде переполнения формируется импульс, переключающий счетчик 3 с коэффициентом деления М в следующее положение. Код с разрядных выходов счетчика 3 и первых выходов блока 7 памяти суммируется по модулю М сумматором 5, выходной сигнал которого поступает на адресные входы блока 6.

Последовательность шагов квантава- ния входного сигнала в формате многоуровневой дельта- или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции с ВХОДОВ 17 поступает одновременно на информащюнные входы блока 6 памяти и первые входы мульти- плексора 9. По нулевому значению выходного кода счетчика 2 формирователь 10 генерирует импульс (фиг. 3), при наличии которого счетчик 4, имеющий

ходного сигнала блока 13(14), При по ступлении на вход 24 синхронизации блока 13(14) тактового импульса по заднему фронту последнего в регистре 20 записывается значение сигнала со входов 23, а в регистре 21 - предыдущее значение выходного сигнала бл«ка 13 (14). В результате этого

коэффициент пересчета 1, устанавливается в (1-1)-е состояние, блок 6 переводится из режима чтения в режим :записи, а мультиплексор 9 - в положе- мие, при котором на его выходы пере- .jn,aeTCH значение шага квантования ВХОДНОГО сигнала с входов 17 фильтра, i Рассмотрим функционирование фильт- ;ра с момента времени t, когда на вы IQ сумматор 22 вычисляет текущее значе- 1ходе формирователя 10 появляется им- ние выходгого сигнала блока 13 (14), }пульс. Пусть в этом п-ом периоде дис- |кретизации состояние счетчика 3 рав- ;но р n(modM), р 0,М-1. Тогда зна- ;чение шага записывается в р-ю 15 ;ячейку блока 6 памяти, а на информа- ционные входы сумматора 13 подаются :В тдаклическом порядке К значений шагов квантования, записанных в блоке I 6 по адресам К (modM) p+q..., ip+q Я, т.е. значения шагов кванто- соответствующие коэффициенту

20

вания.

,())

;(значению) S. По заднему фронту сиг- ;нала тактового импульса эти шаги сум- мируются в сумматоре 13 и после пос- ; тупления К, тактовых импульсов на -втором выходе блока 7 памяти генери- i руется импульс (фиг. Зв), по переднему фронту которого накопленное значение шагов квантования из сумматора 13 переписывается в регистр 11 а сумматор 13 обнуляется. Одновременно счетчик 4 переключается в следующее нулевое состояние, в результате чего на выходах блока 8 памяти появляется значение шага квантования импульсной характеристики S. Указанные сигналы перемножаются перемножителем 12 и после поступления К импульсов Uj на втором выходе блока 7 генерируется очередной импульс Uj, по переднему фронту которого накопленная сумма из блока 13 переписывается в регистр 11, затем блок 13 обнуляется, счетчик 4 переключается в следующее положение, в результате чего блок 8 памяти генерирует сигнал S, а в блок 14 записывается произведение, вычисленное ранее перемножителем 12.

Работа накапливающего сумматора 13(14) происходит следующим образом.

По переднему (заднему) фронту сигнала на входе 25 поступающего на вход формирователя 19 последний формирует короткий импульс, устанавливающий регистры 20 и 21 в нулевое состояние. На выходе сумматора 22 из нулевых выходных сигналов регистров 20 и 21, формируется нулевое значение выкоторое сохраняется на его выходах до поступления следующего тактового импульса. Далее работа блока 13 (14) происходит аналогично.

Аналогично происходит работа цифрового фильтра для всех последующих групп индексов. Поэтому .после генерирования 1 импульсов на втором вько де блока 7 накопленная в блоке 14 величина равна выражению (4). Время выполнения арифметической операции суммирования в блоке 14 не .превышает Т/К, поэтому по заднему фронту импу25 льса с выхода переполнения счетчика 4 (фиг. Зг) накопленное в блоке 14 значение сигнала переписывается в накапливающий сумматор 5f где суммируется с его предыдущим значением,

20 формируя величину V У,,, а сумматор 14 обнуляется, чем подготавливается накопление по формуле (4) для следующего периода дискретизации. По переднему фронту сигнала с выхода переполнения счетчика 4 в следующем периоде дискретизации сигнал Vy переписыва- ется в накапливающий сумматор 16, где суммируется с его предьщущим значением, в результате чего на выходах 18 фильтра формируется выходной сигнал

35

40

45

50

55

у. в формате импульсно-кодовой моду- ляиди.

Для следующих периодов дискретизации .работа фильтра происходит аналогично.

Для нормальной работы фильтра длительность t тактовых импульсов должна выбираться из условия Т& tMT.) где tiiT-j, время чтения из блока 6 памяти очередного значения шага квантования входного сигнала.

Таким образом, в цифровом фильтре минимальное значение частоты дискретизации входно.го сигнала определяется временем вычисления свертки (4) которое определяется числом 1 различных ненулевых шагов квантования импульсной характеристики и может быть- определено из вьфажения

ходного сигнала блока 13(14), При поступлении на вход 24 синхронизации блока 13(14) тактового импульса по заднему фронту последнего в регистре 20 записывается значение сигнала со входов 23, а в регистре 21 - предыдущее значение выходного сигнала бл«ка 13 (14). В результате этого

сумматор 22 вычисляет текущее значе- ние выходгого сигнала блока 13 (14),

сумматор 22 вычисляет текущее значе- ние выходгого сигнала блока 13 (14),

которое сохраняется на его выходах до поступления следующего тактового импульса. Далее работа блока 13 (14) происходит аналогично.

Аналогично происходит работа цифрового фильтра для всех последующих групп индексов. Поэтому .после генерирования 1 импульсов на втором вько де блока 7 накопленная в блоке 14 величина равна выражению (4). Время выполнения арифметической операции суммирования в блоке 14 не .превышает Т/К, поэтому по заднему фронту импульса с выхода переполнения счетчика 4 (фиг. Зг) накопленное в блоке 14 значение сигнала переписывается в накапливающий сумматор 5f где суммируется с его предыдущим значением,

формируя величину V У,,, а сумматор 14 обнуляется, чем подготавливается накопление по формуле (4) для следующего периода дискретизации. По переднему фронту сигнала с выхода переполнения счетчика 4 в следующем периоде дискретизации сигнал Vy переписыва- ется в накапливающий сумматор 16, где суммируется с его предьщущим значением, в результате чего на выходах 18 фильтра формируется выходной сигнал

у. в формате импульсно-кодовой моду- ляиди.

Для следующих периодов дискретизации .работа фильтра происходит аналогично.

Для нормальной работы фильтра длительность t тактовых импульсов должна выбираться из условия Т& tMT.) где tiiT-j, время чтения из блока 6 памяти очередного значения шага квантования входного сигнала.

Таким образом, в цифровом фильтре минимальное значение частоты дискретизации входно.го сигнала определяется временем вычисления свертки (4), которое определяется числом 1 различных ненулевых шагов квантования импульсной характеристики и может быть- определено из вьфажения

Ib.t l-raax(t,

-2i

).

где все времена относятся к трем последовательным группам индексов t, t -maxCK)); W,- время выполнения од2- ), Т1Г

ной операции суммирования блоком 13;

t.. - время выполнения операции перемI

ножения блоком 12; tj.,. - время выпол- нения одной операции суммирования в блоке 14.

За счет предварительного суммирования соответствующих шаГов квантования входного сигнала величина 1«N, где N - число ненулевых членов импульсной характеристики,.

Кроме того, за счет уменьшения разрядности шагов квантования входного сигнала и импулх сной характеристики, т.е. представление в формате мноQ ЧТО, с целью повышения быстродействи в фильтр введены третий и четвертью накаплпвающие сум7-1аторы, первые инфо мационные входы мультиплексора подкл чены к входам фильтраJ выходы блока оперативной памяти соединены с вторы MTJ информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого обьединен с управляющт входом блока оперативной памяти и подключен к выходу формирователя импульсов, входы которого подключены к выходам разрядов первого счетчика, в.ыход перепо нения которого соединен с входом вто рого счетчика., первые выходы первого

гоуровневой дельта- или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, значения t, , t существенно меньше, чем в известном Фильтре, а значит 25 блока постоянной памяти соединены с

вторыми входами модульного сумматора второй выход первого блока постоянпри одинаковом значении N предлагае- мьй цифровой фильтр позволяет проводить фильтрацию в указанных форматах с существенно более высокой частотой дискретизации, а значит обрабатывать более широкополосные сигналы.

Формула изобретения

Цифровой фильтр, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого счетчика, выходы разрядов которого подключены к входам первого блока постоянной памяти, второй счетчик, выходы которого соединены с первыми входами модульного сумматора, выходы которого подключены к адресным входам блока оперативной памяти, информационные входы которого являются входами фильтра, формирователь импульсов, выход которого подключен к установочному входу третьего счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами второго .блока постоянной памяти, мультиплек35

ной памяти подключен к входу синхронизации второго накапливающего сумьш- 3Q тора, управляющему входу буферного регистра, счетному входу третьего счетчика и входу обнуления первого накапливающего сумматора, вход синхронизации и выходы которого подключены соответ.ственно к выходу генератора импульсов и информап -1онным входам буферного регистра, выходы второго блока постоянной памяти соединены с вторыми входами перемножителя, выход переполнения третьего счетчика подключен к входам синхронизации третьего и четвертого накапливающих сумматоров и входу обнуления второго накапливающего сумматора, выходы которого соединены с информационными входами третьего накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам четвертого накапливающего сумматора, выходы которого

являются выходами фильтра. ои

40

45

58408

сор, выходы которого подключены к информационным входам первого накапливающего сумматора, буферный регистр, выводы которого соединены с первыми Б годами перемножителя, выходы которо- i ; подключены к информационным входам второго накапливающего су матора,

о т л и ч

ю щ и и с я тем.

ЧТО, с целью повышения быстродействия, в фильтр введены третий и четвертью накаплпвающие сум7-1аторы, первые информационные входы мультиплексора подключены к входам фильтраJ выходы блока оперативной памяти соединены с вторы- MTJ информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого обьединен с управляющт входом блока оперативной памяти и подключен к выходу формирователя импульсов, входы которого подключены к выходам разрядов первого счетчика, в.ыход переполнения которого соединен с входом второго счетчика., первые выходы первого

блока постоянной памяти соединены с

ной памяти подключен к входу синхронизации второго накапливающего сумьш- тора, управляющему входу буферного регистра, счетному входу третьего счетчика и входу обнуления первого накапливающего сумматора, вход синхронизации и выходы которого подключены соответ.ственно к выходу генератора импульсов и информап -1онным входам буферного регистра, выходы второго блока постоянной памяти соединены с вторыми входами перемножителя, выход переполнения третьего счетчика подключен к входам синхронизации третьего и четвертого накапливающих сум- маторов и входу обнуления второго накапливающего сумматора, выходы которого соединены с информационными входами третьего накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам четвертого накапливающего сумматора, выходы которого

являются выходами фильтра.

Фие.Ъ