Устройство для вычисления коэффициентов нерекурсивных полосовых фильтров Советский патент 1991 года по МПК G06F15/353 

/wJ4w 4w

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к ус- ройствам для синтеза дискретных полосовых фильтров, и может найти широкое применение при построении цифровых спектральных анализаторов и блоков управления адаптивных полосовых фильтров.

Целью изобретения является упрощение устройства.

Рассмотрим принципы, на которых основана конструкция устройства,

1.Импульсной характеристикой дискретного полосового фильтра (ДИХ) является функция h(n), определенная на симметричном интервале -а, а целых чисел, обладающую свойством h(n) h(-n) при n -a, a и h(n)fcO при , a.

2.Частотной характеристикой дискре - тного полосового фильтра называют функцию Н(&), где со- круговая частота, вида

Н(ю)5 h(n)-cos(), (1)

г - а

обладающую свойствами h(n)(0)-f

-J-H(-Ј-k)-coe(-f-kn),2)

4- k 1

H(a) t H(-Jk)X

k - - э

Л

(k)3

yt

a sin ((о- - k )

(3)

Последнее свойство (3) основано на теореме Котеяьникова, примененной для интерполяции частотной характеристики Н (й ) по конечному числу 2а ее отсчетов

H(-f-k }(к оГа).

ф, г, -параметры, определяющие требуемые частотные свойства полосового фильтра нижних частот, соответственно ширину полосы пропускания, ширину полосы среза (переходной полосы), неравномерность характеристики, п /а - максимально возможней шаг по частоте о), при котором с учетом свойства (3) функция Н((о) обладает заданными параметрами ip,v,d. Тогда, учитывая свойство (2), получают, что величина М 2а может служить нижней оценкой длительности ДИХ полосового фильтра нижних частот. Если принять 31 /а 2 Л и N М/2, то с учетом свойства (1) имеют

, (4)

где N - половина длительности ДИХ фильтра, характеризующая число экстремальных

точек частотной характеристики Н(о) фильтра.

Соответственно через N и Nv обозначают величины .

N , Nv -2,(5)

характеризующие число точек частотной характеристики соответственно в половине полосы пропускания и полосе среза. Определяют величину А-Вводят в рассмотрение функцию F( ш ), описывающую характеристику фильтра

Р(ш)«

1 ()IOSttiSp/2

(-ЈЈ-«)Ј

+е-(05+Ј)JHf/2 ais /2-n./;

)f -е + (05+«)а

-icosfitm-- -- )

-j +-J «usp/2 +r y/2 4- v tti л

где 1 , е- константы, требующие определения.

Константу е определяют из условия при со ty/2 или (и ifi/2 +VF (w) 1 или F{o) 0. Получают

Ј 2(1 +6) ®)

Константа |i легко определяется из условия §1 -А я/2.

Откуда 1 .

Оценивают величину Амаксимально

возможного шага по частоте при задании

функции F(o). Используют свойство, основанное на свойствах функции с ограниченным спектром и ее максимальной производной: приведенная к единице функция с ограниченным спектром и большей по значению максимальной производной имеет более широкий спектр и, следовательно, должна иметь меньший по величине период следования отсчетов при своем задании,

чем приведенная к единице функция с мень- шей по значению максимальной производной. Из анализа F(w) следует, что в полосах пропускания и подавления максимально возможный шаг по частоте не должен преаышать величины 2 А (аппроксимирующая ее функция есть косинусоида). При этом наибольшая производная для приведенной к единица данной функции F(w) в указанных полосах частот пропускания и подавления

с,, равна

-я/2 А.

(7)

Находят наибольшую по величине производную для функции в полосе среза: /2 ; ф/2 + V. Данная функция F(y) в указанной полосе частот является приведенной к единице, наибольшая по модулю ее производная имеет место на частоте ( + V)/2 и описывается формулой

2

v

пд-д

()-(0,5+Е).

;(8)

Величину Л определяют из условия равенства производных (7), (8), рассмотренных выше, составляющих функций F(o) на границе полос пропускания и среза или среза и подавления, т.е. на частотах в) /2 или

(U-ty/1 + V

-(,5+e)-p-ln 5- 5.

Д -Jtv

при е«0,5.

TlrT

Анализируя полученные соотношения. (7), (8), (9), приходят к выводу, что величина 2 А, определенная формулой (9), является максимально возможным шагом по частоте при задании функции F(ty). Принимают Н(ш) F(u) Тогда переходя к дискретной частоте К, име- ют следующий вид формулы для Н(К)

лIOSkЈMil./j

)+(

(v°V

,+,-(o.5+oa )/J+JЈI

.Ј+,

k-CV

J(-1)

I)- i.. (

1 e + (0. I

Ha I -/+-Г ---2l-T -+Nv k N

Кроме того, подставляя величину Л (9) в формулу для NfH3(5), получают следующее соотношение

In б

На фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - формирователь настроечных коэффициентов, на фиг. 3 и 4 - соответственно первый и второй блоки вычисления коэффициентов; на фиг. 5 - блок весовой обработки.

Устройство (фиг. 1) содержит блок 1 вычисления коэффициентов, блок 2 микропрограммного управления, блок 3 весовой обработки, блок 4 быстрого преобразования Фурье, блок 5 вычисления коэффициентов, вход 6 задания режима и формирователь 7 настроечных коэффициентов.

Формирователь 7 настроечных коэффициентов (фиг, 2) содержит делители 8, узел 9 постоянной памяти коэффициентов, элемент задержки 10, элемент НЕ 11 и регистры 12.

0

Блок 1 вычисления коэффициентов (фиг. 3) содержит сумматоры 13, ключи 14, умножитель 15 и узел 16 постоянной памяти коэффициентов.

Блок 5 вычисления коэффициентов (см. фиг. 4) содержит сумматоры 17, вычитатели 18, делители 19, умножители 20. узел 21 постоянной памяти коэффициентов и ключи 22.

Блок 3 весовой обработки (см. фиг. 5) содержит (N+1) регистров 23, (N+1) делителей 24 и умножитель 25.

Блок 1 содержит также вычитатели 26.

Устройство работает следующим обра15 зом.

0

0

5

0

.

При поступлении единичного значения сигнала на вход задания режима на выходе блока 2 формируется прямоугольный сигнал длительности г. Величина г определяется временем вычисления в формирователе 7 настроечных коэффициентов N, N, Nv. 5. -Ind. При этом пи заднему фронту данного импульса осуществляется сброс в О регистров 23 в блоке 3. По переднему фронту данного фронта через элемент задержки 10 формирователя 7 осуществляется чтение из узла 9 величины - по адресу д. Единичное значение сигнала формируется на четвертом выходе блока 2. На втором выходе последнего формируются прямоугольные импульсы, а на первом выходе - соответствующее значение кода сигнала.

В зависимости от кода сигнала на выходах группы блока 2 осуществляется запись взвешенного частотного коэффициента в регистры 23 блока 3. Выработка единичного значения сигнала на соответствующем выходе сигнализирует о готовности к преобразованию Фурье всех частотных настроечных коэффициентов, по которым в блоке 4 осуществляется формирование требуемой половины импульсной характеристики полосового фильтра нижних частот с заданными частотными свойствами (вторая половина одинакова с первой, так как в соответствии со свойством (1), импульсная характеристика симметрична). Инициирование нового процесса формирования импульсной характеристики возможно только после сброса в ноль значения сигнала на входе 6 задания режима устройства с последующим переводом его в единичное состояние.

Формула изобретения

Устройство для вычисления коэффициентов нерекурсивных полосовых фильтров,

содержащее первый блок вычисления коэффициентов, блок весовой обработки, блок микропрограммного управления и блок быстрого преобразования Фурье, причем первый, второй, третий и четвертый выходы 5 блока микропрограммного управления подключены соответственно к входу параметра, первому, второму и третьему управляющим входам первого блока вычисления коэффициентов, выход которого подключен к пер- tO вому информационному входу блока весовой обработки, группа выходов которо: го подключена соответственно к группе информационных входов блока быстрого преобразования Фурье, группа выходов ко- 15 торого является группой информационных выходов устройства, входом задания режима которого является вход задания режима блока микропрограммного управления, группа выходов которого подключена к 20 группе управляющих входов блока весовой обработки, установочный вход которого подключен к четвертому выходу блока микропрограммного управления, причем первый блок вычисления коэффициентов 25 содержит два сумматора, два вычитателя, умножитель, шесть ключей и узел постоянной памяти коэффициентов, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого подключен к информационно- 30 му входу первого ключа и первому входу первого сумматора, выход которого подключен к информационному входу второго ключа, выход которого соединен с выходом первого ключа и является выходом первого 35 блока вычисления коэффициентов, первым и вторым информационными входами которого являются соответственно первый и второй входы второго сумматора, выход которого подключен к первому входу первого 40 эычитателя, выход которого подключен к информационному входу третьго ключа, выход которого соединен с выходом четвертого ключа и подключен к адресному входу узла постоянной памяти коэффициентов, второй 45 вход первого вычитателя соединен с информационным входом четвертого ключа и является входом параметра первого блока вычисления коэффициентов, третьим информационным входом которого являются 50 соединенные между собой информационный вход пятого ключа и первый вход второго эычитателя, выход которого подключен к информационному входу шестого ключа, выход которого соединен с выходом пятого 55 ключа и подключен к второму ёходу умножителя, вход разрешения чтения узла постоянной памяти коэффициентов является первым управляющим входом первого блока вычисления коэффициентов, вторым управляющим входом которого являются соединенные между собой управляющие входы первого, третьего и шестого ключей, а соединенные между собой управляющие входы второго, четвертого и пятого ключей являются третьим управляющим входом пераого блока -вычисления коэффициентов, второй вход первого сумматора и второй вход второго вычитателя являются входами задания соответственно логической 1 и логического О устройства, при этом блок весовой обработки содержит умножитель, N + 1(М - число вычисляемых коэффициентов) делителей ЭД+1 регистров, причем выход -го (1 1,Кн-1) делителя подключен к информационному входу 1-го регистра, выход которого является 1-ым выходом группы блоки вэсо- вой обработки, установочным входом которого являются соединенные между собой установочные входы всех регистров, тактовые входы которых образуют группу управляющих входов блока весовой обработки, первым информационным входом которого являются соединенные между собой первые входы всех делителей, второй вход j-ro (j 2T.N+1) делителя соединен с первым входом умножителя и является вторым информационным входом блока весовой обработки. второй вход первого делителя подключен к выходу умножителя, второе- вход которого является входом задания константы блока весовой обработки, отличающееся . тем, что, с целью упрощения устройства, оносодержит второй блок вычисления коэффициентов и формирователь настроечных коэффициентов, перзый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму информационным входам пераого блока вычисления коэффициентов, соответственно первому и второму информационным входам второго блока вычисления коэффициентов,соответственно первому I чторому входам настройки блока микропрограммного управления и являются соответственно выходами первого и второго параметров устройства, пэрвым, втсрь-м и третьим информационными входами которого являются соответственно первый, агорой и третий информационные входы формирователя настроечных коэффициентов, третий выход которого является выходом третьего параметра устройства и подключен к второму информационному входу блока весовой обработки и третьему входу настройки блока микропрограммного управления, четвертый выход которого подключен к управляющему входу формирователя настроечных коэффициентов, четвертый выход которого является выходом четвертого параметра устройства и подключей к третьим информационным входам первого и второго блоков вычисления коэффициентов, пятый выход формирователя настроечных коэффициентов являэтся выходом пятого параметра устройства и подключен к четвертому информационному входу второго блока вычисления коэффициентов, вход параметра которого подключен к первому выходу блока микропрограммного управления, второй, пятый и шестой выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему управляющим входам второго блока вычисления коэффициентов, выход которого подключен к первому информационному входу блока весовой обработки, причем формирователь настроечных коэффициентов содержит узел постоянной памяти коэффициентов, элемент задержки, элемент НЕ, четыре делителя и пять регистров, причем выход элемента задержки подключен к входу разрешения чтения узла постоянной памяти коэффициентов, выход которого подключен к информационному входу первого регистра и первому входу первого делителя, выход которого подключен к информационному входу второго регистра и первому входу второго делителя, выход которого подключен к первым входам третьего и четвертого делителей, выходы которых подключены к информационным входам соответственно третьего м четвертого регистров, вторые входы третьего и второго делителей являются соответствен но первым и вторым информационными входами формирователя настроечных коэффициентов, третьим информационным входом которого являются соединенные между собой адресный вход узла постоянной памяти коэффициентов v. информационный зход пятого регистра, вход элемента задержки соединен с входом элемента НЕ и является управляющим входом формирователя настроечных коэффициентов, выходами с первого по пятый которого являются выходы соответственно третьего, четвертого, второго, пятого и первого регистров, тактовые входы которых подключены к выходу элемента НЕ, а вторые входы первого и четвертого делителей подключены к входу задания константы формирователя настроечных коэффициентов, при этом второй блок вычисления коэффициентов содержит три делителя, четыре умножителя, три сумматора, четыре ключа, шесть вычитателей и узел постоянной памяти коэффициентов, выход которого подключен к первому входу первого умножителя, выход которого подключен к первому входу первого вычитателя, выход которого подключен к первым входам второго вычитателя и первого сумматора, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго ключей, выходы которых соединены между сооой и

являются выходом второго блока вычисления коэффициентов, пзрвым информационным входом которого является первый вход второго сумматора, выход которого подключен к первому входу третьего вычитателя,

0 выход которого подключен к информационному входу третьего ключа и первому входу четвертого вычитателя, выход которого подключен к информационному входу четвертого ключа, выхо;-. которого соединен с

5 выходом третьего ключа и подключен к первому входу вюрого умножителя, гыход которого подключен к первому ходу третьего умножителя, выход которого подключен к адресному входу узла постоянней памяти

0 коэффициентов, вход разрешения чтения которого является первым управляющим входом второго блока вычисления коэффициентов, вторым информационным входом которого являются соединенные между со5 бой первые входы первого и второго делителей, выходы которых подключены к вторым входам вторых соответственно сумматора и умножителя, управляющие входы второго и третьего ключей подключены к

0 второму управляющему входу второго блока вычисления коэффициентов, третьим информационным входом которого являются соединенные между собой первые входы первого делителя и пятого вычитателя, вы5 ход которого подключен к первому входу четвертого умножителя, выход которого подключен к второму входу третьего делителя, выход которого подключен к второму входу первого вычитателя и первому входу

0 третьего сумматора, выход которого подключен к второму входу первого умножителя, управляющие входы первого и четвертого ключей подключены к третьему управляющему входу второго блока вычис5 ления коэффициентов, четвертым информационным входом которого является первый вход шестого вычитателя, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, второй вход третьего вычитателя яв0 ляется входом параметра второго блока вычисления коэффициентов, первым входом константы которого являются соединенные между собой вторые входы первого и второго делителей и четвертого умножите5 ля, второй вход третьего сумматора является вторым входом константы второго блока вычисления коэффициентов, входом логического О которого являются соединенные между собой вторые чходы второго, четвертого и шестого вычитателей, а вторые входы

первого сумматора и пятого вычитателя со- логической Г второго блока вычисления единены между собой и являются входом коэффициентов.

ОО

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам для синтеза дискретных полосовых фильтров, и может найти широкое применение при построении цифровых спектральных анализаторов и блоков управления адаптивных полосовых фильтров, построенных на современной технологической базе - микропроцессорах и микроэвм. Цель изобретения - упрощение устройства. В устройство входят блок 1 вычисления коэффициентов, блок 2 микропрограммного управления, блок 3 весовой обработки, блок 4 быстрого преобразования Фурье, блок 5 вычисления коэффициентов, формирователь 7 настроечных коэффициентов. 5 ил.

«

Фм.г

Фм.З

г .. 1

«.4

Фм.5