Цифровой фильтр с многоуровневой дельта-модуляцией Советский патент 1989 года по МПК H03H17/06 H03M3/04 

4i

to

31

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре цифровой фильтрации и спектрального анализа случайных процессов.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

На фиг. 1 приведена функциональная схема цифрового фильтра с многоуровневой дельта-модуляцией (МДМ); на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Цифровой фильтр с МДМ содержит модулятор 1 МДМ, первый 2 и второй 3 сумматоры, первый 4 - третий 6 накапливающие сумматоры, блок 7 мултиплексирования, источник 8 О, блок 9 оперативной памяти, генератор 10 импульсов, первый 11 и второй 12 счетчики, дешифратор 13, блок 14 постоянной памяти, формирователь 15 импульсов, цифроаналого- вый преобразователь (ДАЛ) 16 и блок 17 управляемых инверторов, ана логовый 18 и цифровые 19 выходы.

Блок 17 может быть выполнен на элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИДИ.

Для обеспечения нормальной работы накапливающего сумматора 6 его вход синхронизации и вход обнуления должны быть динамическими: первый инверсным, второй прямым.

Цифровой фильтр работает по следующему алгоритму.

Отсчет выходного сигнала фильтра в привычном формате импульсно-кодо- вой модуляции (ИКМ) представляют в виде

м-1

Vr f

,()

t-m t

(1)

(2)

0

5

5

0

которые представляются в виде последовательного включения трех накапливающих сумматоров, причем первый из них осуществляет дозированное суммирование М слагаемых по формуле (2) в каждом периоде дискретизации входного сигнале.

Квантующая амплитудная характеристика модулятора МДМ или ДИКИ всегда соответствует одному из днух типов: с центральным подавлением или центральным клиппированием слабых сигналов. Тип характеристики полностью определяется числом уровне) квантования Ку : при нечетном Ку

цент,() ральное подавление, при четном Ку центральное клиппирование слабых сигналов (2) . В первом случае для некоторых i О возможно равенство S : 0, а во втором - О для лю- бьк 170.

Обозначим число уровней квантова- 0 НИН импульсной характеристики Ку . Тогда число различных значений коэффициентов цифрового фильтра (без учета знака)

1

Uy - /Z

О mod2i (Ky4l)/2 , 1 mod2.

Проведем группирование шагов квантования импульсной характеристики по одинаковым значениям и сделаем перестановку сомножителей в формуле для второй разности в цифровой свертке (,2) по возрастающим значениям модулей коэффициентов:

Изобретение относится к вычислительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия. Цифровой фильтр содержит модулятор 1 многоуровневой дельта-модуляции, сумматоры 2, 3, накапливающие сумматоры 4, 5, блок 7 мультиплексирования, источник 8 логического нуля, блок 9 оперативной памяти, генератор 10 импульсов, счетчики 11, 12, дешифратор 13, блок 14 постоянной памяти, формирователь 15 импульсов и цифроаналоговый преобразователь 16. Благодаря введению накапливающего сумматора 6 и блока 17 управляемых инверторов операция умножения при вычислении свертки заменяется операцией сложения лишь для ненулевых значений коэффициентов импульсной характеристики фильтра. 2 ил.

где ts ; , , {зУ), 5 0,М-1-шаги квантования сигнала и импульсной характеристики соответственно, М - длина импульсной характеристики.

Последовательности представляют собой последовательности шагов квантования соответствую- 1ЦИХ величии и представлены в формате МДМ или дифференциальной импульс- но-кодовой модуляции (даКМ),

Вычисление последовательности по формуле (1) разделяется на три последовательных этапа:

v y,

v(9y), (3)

k-,T m

где m Шр, m, ..., m., - последовательность индексов коэффициентов в порядке возрастания их абсолютных значений, т.е.

I I U I

, I I Ь„, I ... m., I ,

m,. е d 1 d О, М-1 ).

Число одинаковых коэффициентов в каждой группе при этом равно К , а длина импульсной характеристики

J

М К . Д-1Я получения последона -тельиости значений У ), } согласно (3) достаточно умножить каждое

значение шага квантования вхолного

,, () ,

сиг нала S только на 1 различных значений коэффициентов в каждом периоде дискретизаш1и, а затем соответстпую- шие значения произведений просуммировать. Увеличение длины М импульсной характеристики при заданном значении К оставляет число 1 неизменным, а отношение 1/М уменьшается, что резко (т.к. для цифровых филь Г.ов с дельта-молуляодей) сокращает число умножений для получения отсчета выходного сигнала гщфрового фильтра с МДМ по формуле цифровой свертки (1) .

Однако прямое выполнение операции умножения требует значительных затра времени и поэтому применение перемножителя для получения указанных произведений нерационально. Поскольку численное значение шага квантования в формате МДМ

IsVkiaU 1. для Ку четного и

b|b О, ENT() для Ку - нечетного (2), последова-

тельность произведении

(sS.«

CW

для всех j 1,1 различных значений модулей коэффициентов в шаровом фильтре получается последовательно путем суммирования значения S в накапливающем сумматоре. При суммировании результата умножения по формуле цифровой свертки необходимо учитывать знак произведе)шя для положительных и отрицательных значений коэффициентов .

В соответствии с описанным алгоритмом цифровой фильтр работает следующим образом.

Перед началом работы необходимо провести обнуление накапливающ}1Х сумматоров 4-6 (на фиг. 1 цепи сброса не приведены), а в блок 9 оперативной памяти занести нулевое значение сигнала, т.е. последовательность Q, При этом на выходах 18 и 10 устройства устанавливаются нулевые значения выходного сигнала. Такое обнуление необходимо также проводить

ае- )0 1520

т 2530

35

40

45

50

55

10

при случайных сб( ях, например, питания, чтобы пре;1С Г1ф;| I HTi- накопление ошибок в выходном сит нале фш1ьтра.

Допустим, что число У1)овне11 квантования nNrnynbciuni характеристики четное - О tr.odZ.

В блоке 14 постоянной памяти записана посл довател1,11(1стг индексов кoэф(t)ициeнтoв , ..., m , J вместе с соответствующим дян1и1му коэффициенту знаком. Б1.1Х()ды блО ка 14 разде- Л1.:ны на два части, а запись ггроилво- дится подряд с нулевого адреса блока 14. В первой части, соответствующей первым выходам блока 14, записано конкретное значение индекса т, 1 0, М-1, а во второй, соответствующей второму выходу блока 14 -знак коэффициента Е,; sign(s .)

Индексы коэффициентов сгруппиронаг ны следующим образом.

Первая группа начинается с индекса m min т ), для которого . Следующим записывается индекс m,7m, соответствующий такому же значению S, и т.д., пока в формуле цифровой свертки (1) не исчерпается указанное значение шага квантования. Затем записываются индексы коэффициентов с противоположным знаком начиная с т; , для которого S р -1 и т.д. После этого записываются индексы следующей группы, т.е. индексы щагов квантования импульсной характеристики, имеющие значение Запись индексов повторяется для всех 1 групп с различными зна чениями ( S Модновременно во вторую часть по соответствующим адресам заносится знак коэффициента: О -для знака плюс, 1 - для знака минус.

Таким образом, в блоке 14 всего используется М ячеек памяти.

Дешифратор 13 выделяет адрес г блока 14, по которому записан индекс т. О коэффициента S .

Тактовые импульсы (фиг. 2а) частотой М/Т (Т - период дискретизации) с выхода генератора 10 импульсов поступают на счетный вход счетчика 11 и управляющий вход блока 9 оперативной -памяти.

После поступления М импульсов с генератора 10 на выходе счетчика 11 формируется импульс переполнение (фиг. 26), по переднему фронту которого (момент tp) производится считывание выходного сигнала S модулятоpa 1. На информационный вход модулятора 1, являющийся входом фиЛьтра, подается входной аналоговый сигнал x(t). Одновременно в момент to про- исходит обнуление накапливающего сумматора 6.

Рассмотрим формирование последовательности произведения шага квантования входного сигнала S на все различные модули значений коэффициентов ,

В интервале 0,Tj на втором выходе блока 14 постоянной памяти формируется последовательность (фиг. 2в) состоящая из 1 импульсов. В первом такте, соответствующем интервалу to t,J, из блока 1А считывается сигнал нулевого уровня, соответствующий знаку + коэффициента с индек- сом Шо и по заднему фронту сигнала (фиг. 2в) значение шага S записывается в накапливающий сумматор 6, на выходе которого формируется произведение -1, Через КгК1 тактов на втором выходе блока 14 памяти формируется единичное значение сигнала (фиг. 2в), соответствующее изменению знака коэффициентов. Это не изменяет состояния сумматора 6 и поэтому в момент t у|, соотпетствующий считыванию из блока памяти 14 первого индекса второй группы коэффициентов (j 2) , по заднему фронту сигн тла (фиг. 2в) производится суммирование, ранее записанного в сумматоре 6 сиг- нала с выходным сигналом модулятора 1. В результате этого на выходах сумматоров формируется произведение 2. Аналогично формируются произведении для всех остальных групп индексов.

Сигнал генератора 10 тактовой частоты (ф1 г. 2) является также управляющим гля блока 9 оперативной памяти: при высоком уровне производится

чтение из блока 9, а при низком - запис в него. На первые входы сумматора 3 подается сигнал с выхода блока 9 памяти, а на вторые входы сумматора 3

через блок 17 - результат умножения

из сумматора 6. При нулевом уровне сигнала с блока 14 (фиг, 2в) на управляющем входе блока 17 производится суммирование сигналов с выходов блоков 6 и 9, а при единичном - вычитание значения сигнала сумматора 6 из сигнала блока 9. По,этому сумматор 3 суммирует на протяжении интервалов

ttp.t,, t.tjl т-Д- выходные тнп- чения сумматора 6 с запомненные R блоке 9 суммами произведений шагоп квантования входного сигнала на коэффициенты (неполными, т.е. содержащими менее М слагаемых свертками 3). В последующие интервалы , t3,t4 и т.д. начиная с заднего фронта тактового сигнала (фиг. 2а) и при нулевом значении последнего производится запись накопленной ве:1И- чины сигнала (соответствующего неполной свертке) в ту же ячейку блока 9 оперативной памяти через 7 мультиплексирования .

Такое накопление сигнала в виде неполной свертки производится на протяжении всех интерпалов Т/М, кроме t, ,,, когда появляется импульс (фиг. 2г), с выхода деишфрато- ра 13. В этом интервале времени сигнал с выхода блока 9 памяти, соответствующий неполной свертке и содержащий М-1 слагаемых, суммируется в сумматоре 3 с очередным значением выходного сигнала накапливающего сумматора 6. В результате этого суммирования он становится равным полной свертке (3). Импульс дешифратора (фы. 2г) на время t е t t переводит блок 7 мультиплексирования в другое положение, в результате чего в момент t /1 + , (по переднему фронту импульса с выхода формирователя 15) выходной сигнал сумматора 3 записывается в первый накапливающий сумматор 4, а в соответствующую ячейку блока 9 оперативной памяти в интервале времени , записывается через блок .7 мультиплексирования нулевое значение Сигнала источника 8.

Накапливающий сумматор 4 формирует за период t 1 (время существования импульсов формирователя 15 (фиг. 2д) значение сигнала у, который по заднему фронту указанного импульса (в момент t .3) записывается в сумматор 5, где суммируется с предыдущим отсчетом выходного сигнала фильтра у р-1 , в результате чего на цифровых выходах 19 фильтра фор№1- руется выходной сигнал у в формате импульсно-кодовой МОДУЛЯ1ЩИ. При помощи ЦАП 16 сигнал fy Jпреобразуется в аналоговую форму y(t) и подается на аналоговый выход 18 фильтра. В последующие периоды дискретизации работа фильтра происходит аналогично.

Номера ячеек блока 9 оперативной памяти- являются рецнркулирующи№1 относительно номеров ячеек блока 14 постоянной памяти. Они вычисляются сумматором 2, суммирующим по модулю М код из первых выходов блока 14, соответствующий последовательности индексов щагов квантования импульсной характеристики , . . . ,т j,., }, сгруппированных указанным образом со значением кода на выходах второго счетчика 12, имеющего коэффициент пересчета М. Допустим, что в k-ом периоде дискретизации значение выходного кода счетчика 12 (фиг. 2). Тогда последовательность номеров ячеек блока 9 памяти имеет вид

п J {(m+k)modM

m

о

,П1

ЛЛ- 1 J

(фиг. 2е). В этом периоде дискретизации значение сигнала, соответствующего неполной свертке, имеющей М-1 слагаемых, находится в ячейке п блока 9 и подается в интервале , на сумматор 3 в результате чего на его выходах формируется полная свертка (3), а в ячейку m записывается нулевое значение кода. В следующем периоде дискретизации последовательность п} смещается на единицу п 5 (га + + k) -. . . ,m „ тЛсвертка, со М I Jf

держащая М-1 слагаемых, находится в ячейке f,, . Последнее тождество справедливо для принятого ранее условия Ку Omod2. После суммирования в-сумматоре 3 ячейка п блока 9 памяти обнуляется, а в остальные ячейки записываются те же суммы (неполные свертки), содержащие

дополнительно значение ,

k 1 I ,.., m,, причем в ячейку га,,

обнуленную в предыдущем периоде дискретизации, записывается значение

с (О с (к;

(- М-1

При нечетном числе уровней квантования импульсной характеристики в блоке 14 памяти записывается последовательность индексов т J только N М ненулевых значений коэффициентов, где N количество ненулевых коэффициентов, сгруппированные по указанным группам, причем для нормальной работы фильтра необходимо чтобы S „ 7 0. Частота импульсов генератора 10 в этом случае T/N. В остальном цифровой фильтр при нечетном числе уровней квантования работает также, как и при четном Ку .

Лля правильной работ;. сумматоров 3 и 6 необходимо, чтобы выходной сигнал модулятора I был представлен в дополнительном коде (для 0).

Таким образом, в предлагаемом цифровом фильтре затраты времени на вычисление одного значения полкой свсрт- кн (3)

t max(lt

11

Nt

4f. on

)Ч.ЗГ.Оп),

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где tt,T on t зп.вр - время обращения блока 9 оперативной памяти; t,., L - время выполнения операции суммирования в сумматорах 6 и 3 соответственно; 1 - число различных модулей значений коэффициентов.

.Из приведенного выражения видно, что число суммированиг 1, эквивалентных N умножениям в прототипе, уменьшено, а кроме того, время суммирования t , существенно меньше времени умножения. Поэтому быстродействие цифрового фильтра с многоуровневой дельта-модуляцией выше, чем у прототипа. Формула изобретения

Цифровой фильтр с многоуровневой дедьта-модуляцией, содержащий модулятор многоуровневой дельта-модуляции, информационный вход которого является входом фильтра, генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, управляющим входом блока оперативной памяти и входом первого счетчика, выход переполнения которого подключен к входу второго счетчика, выходы разрядов первого счетчика соединены с входами дешифратора и блока постоянной памяти, первые выходы которого и выходы второго счетчика подключены к первым и вторым входам первого сумматора, выходы которого соединены с адресные входами блока оперативной памяти, выходы которого подключены к первым информационным входам второго сумматора, выходы которого соединены с первыми информационными входами блока мультиплексирования и информационньпчи входами первого накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам второго накапливающего сумматора, выходы которого соединены с входами Щ1фроаналого- вого преобразователя и являются цифровыми выходами фильтра, источник

II14

логического нуля, выходы которого подключены к вторым информационным входам блока мультиплексирования, выходы которого соединены с информаци- оиныьш входами блока оперативной памяти, выход дешифратора подключен к управляющему входу блока мультиплексирования и второму входу формирователя импульсов, выход которого соединен с входами синхронизащ накапливающих сумматоров, выход цифро- аналогового преобразователя является аналоговым выходом фильтра, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены третий накапливающий сумматор и блок управляемых инверторов, выходы модулятора многоуровневой дель

Редактор Л.Пчолинская

Составитель О.Ревинский

Техред Л. ОлийныкКорректор О.Кравцова

Заказ 4129/55

Тираж 884

ВПИИЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-З, Раушская наб., д. 4/5

10

5

101 2

та-модуляции соединены с информащюн- ными входами третьего накапливающего сумматора, вход обнуления которого объединен с тактовым входом модулятора многоуровневой дельта-модуляции и подключен к выходу переполнения первого счетчика, второй выход блока постоянной памяти с управляющим входом блока управляемых инверторов и входом синхронизации третьего накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информащюнным входам блока управляемых инверторов, выходы которого соединены с вторыми информационными входами второго накапливающего сумматора, выход переполнения которого подключен к его входу переноса.

Подписное