Цифровой фильтр Советский патент 1991 года по МПК H03H17/06 H03M3/04 

Изобретение относится к вычислительной технике, и может быть использовано, например, в системах обработки изображений, корреляционного и спектрального ана- лиза и является дополнительным к основному по авт. св.№ 1568213.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации.

На чертеже изображена функциональная схема фильтра.

Цифровой фильтр содержит блок 1 центрирования, счетчик 2 интервала реализации, М вычислительных блоков 3, в которые входят компаратор 4 нуля, многоуровневый дельта-модулятор 5, входной буферный регистр 6, вычитатель 7, первый и второй выделители 8 и 9 переднего фронта, выделитель 10 заднего фронта, элемент ИЛИ 11, счетчик 12 импульсов и выходной буферный регистр 13. Кроме того, в цифровой фильтр введены М регистров 14 памяти, первый и второй коммутаторы 15 и 16, формирователь 17 адресов, арифметико-логический блок 18, блок 19 постоянной памяти и блок 20 сравнения. На чертеже обозначены информационный вход 21, тактовый вход 22, первый - М-й выходы 23. (М+1)-й выход 24 и ( выход 25.

Формирователь 17 адресов может быть реализован, например, в виде двух последовательно соединенных счетчиков, первый из которых является делителем частоты.

Блок 18 вычисляет модуль разности входных сигналов.

Многоуровневый дельта-модулятор 5 второго вычислительного блока 3.2, как и в прототипе, имеет нечетное число уровней квантования.

В основе работы цифрового фильтра ле- -жит следующее.

Числа {Dj}, j 1 нулей высокого порядка является числом пересечений с нулевым уровнем )-й производной входного центрированного сигнала за интервал ©реализации : при - самим входным сигналом, при - первой производной и т.д. Функция числа нулей в зависимости от их порядка является монотонной функцией, стремящейся к некоторому пределу

W

fe

о ю

(Л 4 О Ю

ГО

Di D2..,Dj N-1, , гдеМ числа отсчетов входного сигнала на интервале Э реализации; Т - период частоты дискретизации.

Гипотеза о принадлежности сигнала к данному классу подтверждается, если для всех I j М выполняется соотношение /Djajj; Dj/ М, где {DJ3T - Mj Dj3T + , j 1,M, - интервал классификации; {Dj3T} - числа нулей соответствующего порядка эталонного входного сигнала; - довери- тельный интервал этого сигнала, определяемый из статистических свойств входного сигнала,

Например, при наличии гипотезы о том, что входной сигнал - белый шум, для 5%-но- го разброса значений DJ имеем Mj

1,96{(N-1)-(-larceln(l

))

Для других гипотеза (других сигналов) последовательность {Mj} имеет другой вед.

Мерой для оценки близости двух сигналов является равенство значений числа нулей соответствующих порядков этих сигналов. Если же в качестве эталонного принять сигнал на данном интервале ©i реализации, то сравнение числа нулей этого сигнала на интервале ©i и последующем интервале ©2 по выбранному интервалу {DJST ± , j 1,M, классификации дает меру изменения спектральных характеристик этого сигнала во времени, посколвку нормированное число нулей соответствующего порядка характеризует спектр этого сигнала в соответствующей частотной полосе следующим образом:

..., ,

где Ш1 - доминирующая частота спектра сигнала (гармоника с максимальной мощностью;

- максимальная частота в спектре сигнала.

Таким образом, нормированное число

1нулей высокого порядка с

(ЈЈDi

( N - 1 J J увеличением порядка посещает все частоты спектра от доминирующей до максимальной. Поэтому постоянство числа нулей соответствующего порядка эквивалентно постоянству спектральных характеристик сигнала в некоторой частотной полосе. Следовательно, указанным методом легко определяется принадлежность входного сигнала к локально-стационарным или пе10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

риодически-коррелированным случайным процессам либо определяется максимальный интервал времени, на котором входной сигнал может считаться стационарным.

В данном фильтре в качестве эталонного сигнала принимается тот же сигнал на предыдущем интервале реализации, Поэтому в блок 19 постоянной памяти записывается значение сигналов , число которых равно порядку М сравниваемых нулей.

Цифровой фильтр работает следующим образом.

Входной аналоговый сигнал подается на информационный вход 21. В блоке 1 центрирования из входного сигнала удаляется постоянная составляющая и одновременно производится коррекция спектра входного сигнала с подчеркиванием и подавлением отдельных полос частот. В каждом блоке 3 I,

i 1,2М за время, равное интерралу 0

реализации, определяемому частотой дискретизации и коэффициентом N деления счетчика 2, производится определение числа нулей i-ro порядка входного центрированного сигнала: в первом блоке 3.1 - число пересечений входным сигналом нулевого уровня, во втором 3,2 - число пересечений производной входного сигнала нулевого уровня, в третьем блоке 3.3 - число пересечений второй производной входного сигнала нулевого уровня и т.д. В конце интервала ©1 реализации указанные значения записываются в выходные буферные регистры 13 и сохраняются в течение следующего интервала 02 реализации входного сигнала. Аналогично работает цифровой фильтр на втором и последующих интервалах реализации, вычисляя число нулей первого и более высоких порядков, соответствующих заданным интервалам реализации.

Определение степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации осуществляется по количественным соотношениям числа нулей первого и более высоких порядков, полученных на указанных интервалах.

В конце текущего интервала ©j реализации значения числа нулей первого (М-го) порядков входного сигнала записываются в буферные регистры 13, а значения числа нулей первого (М-го) порядков, полученные на интервале 0j - 1 и находящиеся в буферных регистрах 13, переписываются в регистры 14 памяти. Благодаря этому в регистрах 13 и 14 на протяжении всего интервала 0j+1 реализации содержатся значения числа нулей первого и более высоких порядков, полученных соответственно

на J-м и )-ом интервалах 8), 0 - 1 реализации.

Значения указанных чисел нулей сравниваются между собой, в результате чего формируется оценка степени подобия спектра входного сигнала на текущем и предыдущем интервалах реализации.

Рассмотрим подробно работу фильтра при определении числа нулей 1-го порядка (I 1) входного сигнала на заданном интервале реализации.

С тактового входа 22 на одноименный вход счетчика 2 поступает непрерывная последов гельность импульсов с частотой повторе 1ия , определяемая частотой дискр тизации входного сигнала при дель- та-мг .уляции и обеспечивающая отсутствие перегрузки по крутизне цен рированного выходного сигнала, поступающего с выхода блока 1,3а время, равное интервалу © Т N реализации, в первом блоке 3.1 при помощи компаратора 4 и счетчика 12 производится подсчет пересечения входным центрированным сигналом нулевого уровня (из плюса в минус и из минуса в плюс). В конце интервала 0 реализации по переднему фронту импульса с выхода переполнения счетчика 2 содержимое счетчика 12 записывается в регистр 13, а счетчик 12 обнуляется, т.е. подготавливается к следующему циклу накопления. Таким образом, на выходах регистра 13 блока 3,1 формируется число нулей первого порядка центрированного входного сигнала, которое сохраняется на этих выходах в течение следующего интервала реализации.

Во втором вычислительном блоке 3.2 центрированный входной сигнал подвергается дискретизации и квантованию с частотой при помощи дельта-модулятора 5, на выходах которого формируется знак и абсолютное значение приращения входного сигнала по правилу

pj Erj;x) ENT( Xtn(fm +0,5),

S Ьин

гдерт вания;

М

численное значение шага квантоЕт - его знак;

х т.Хт - отсчет входного сигнала и его оценка в моменты дискретизации;

ENT (.) - целая часть величины (.);

S мин - минимальный шаг квантования.

Использование дельта-модулятора 5 с нечетным числом уровней квантования приводит при постоянном значении входного центрирования сигнала к формированию последовательностизначений

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

{pAx j-(OjH не приводит к изменению знака шага квантования, Последовательность { pm соответствует первой разности дискретизированного и квантового центрированного входного сигнала, т.е. аппроксимирует первую производную указанного сигнала. Поэтому изменение знака в последовательности соответствует изменению знака производной и подсчитывается за интервал 0 реализации счетчиком 12. В конце интервала 0 реализации по импульсу с выхода переполнения счетчика 2 накоп- ленное в счетчике 12 значение записывается в регистр 13, а счетчик 12 обнуляется, чем подготавливается к следующему периоду накопления. Таким образом, на выходах регистра 13 блока 3.2 формируется число нулей второго порядка, которое сохраняется на этих выходах в течение следующего интервала реализации.

Формирование числа нулей более высоких порядков рассмотрим на примере блока 3.3 (). Последовательность значений {Рт }. поступающая с выходов блока 3.2, стробируется в регистре 6, в результате чего за период дискретизации Т на выходах и выходах этого регистра 6 присутствуют значения и , которые подаются на входы вычитателя 7, Вычитатель 7 осуществляетразностнуюоперациюVxm рДх) - р( , которая при соответствует формированию второй разности дискретизированного и квантованного центрированного входного сигнала. Изменение знака сигнала fvx™} (из минуса в плюс и из плюса в минус) подсчитывается счетчиком 12 за интервал ©реализации и записывается по сигналу с выхода переполнения счетчика 2 в конце интервала ©реализации в регистр 13, а счетчик 12 обнуляется, чем подготавливается к новому циклу накопления. Блоки с М 3 работают аналогично. Таким образом на выходах регистров 13 блоков З.М формируется число нулей М-го порядка, которое сохраняется на этих выходах в течение следующего интервала реализации.

Определение степени подобия спектральных характеристик путем сравнения чисел нулей первого - М-го порядков входного сигнала на различных интервалах реализации осуществляется следующим образом.

Так, например, в конце второго интервала ©2 реализации с приходом импульса с выхода счетчика 2 происходит перезапись накопленных значений с выходов счетчиков 12 блоков 3.I (1 1,2,...М) в буферные регистры 13 указанных блоков и одновременно с этим осуществляется перезапись данных с

выходов регистров 13 в регистры 14,1 памяти. Благодаря этому в конце интервала ©2 на выходах регистров 13 блоков 3.I присутствуют числа {Di(©z)} нулей первого - М-го порядка, полученные на интервале ©z , на выходах регистров 14.1 - числа { DI (Oi)} нулей первого - М-го порядков, полученные на интервале Oi.Выходные сигналы блоков 13 и 14 остаются неизменными в течение следующего интервала ©з .

По фронту импульса с выхода счетчика 2, помимо записи в регистры 13 и 14, осуществляется также обнуление формирователя 17 адресов, который формирует адресные сигналы, необходимые для синхронной работы коммутаторов 15 и 16 и блокаДЭ.

Значения числа нулей Di, , полученные на первом и втором интервалах реализации входного сигнала, с выходов регистров 14.1 и 13.1 блоков 3.1 через коммутаторы 15 и 16 поступают на первые и вторые входы блока 18. В этом блоке 18 на протяжении интервала ©з последовательно во времени осуществляется вычисление значений {Mi} модуля разности числа нулей 1-го порядка, полученных соответствен но на интервалах ©1И©г :

Mi l Di(©z)-Di (©l)l; Ma I p (€b) - р (€fe)l ;

MM I D M ( ©2 ) - b M (©i).

Выходные сигналы блока 18 поступают на вторые входы блока 20 сравнения, где осуществляется их сравнение с эталонными значениями модулей , поступающих на первые входы блока 20 с выходов блока 19 постоянной памяти. Выходные сигналы блока 20 сравнения формируются согласно условию

0, Mi М i

Ui

.20

( 1, Mi Mi

Таким образом, если все значения числа нулей i-x порядков входного сигнала, полученные на интервале 02 реализации, равны с соответствующим допуском значениям числа нулей 1-х порядков, полученных на интервале ©i, то на выходах блока 20 сравнения на протяжении всего интервала ©з присутствует нулевой сигнал. Это свидетельствует о максимальной степени соответствия спектральных характеристик входного сигнала на интервалах реализации ©i и ©2 /Появление единичных значений в двоичной последовательности сигналов {М|} на выходе блока 20 сравнения указывает о нарушении постоянства спектральных характеристик входного сигнала на интервалах ©i и ©2 реализации. При этом сигналы на выходе формирователя 17, формирующиеся синхронно с выходными сигналами блока 20, соответствуют i-му

порядку числа сравниваемых нулей DI, полученных на интервалах ©i и Gfe.

Таким образом, в цифровом фильтре определяется степень подобных спектральных характеристик входного сигнала на его

различных интервалах реализаций, основанная на сравнении числа нулей первых и более высоких порядков входного сигнала на указанных интервалах реализации, Формула изобретения

Цифровой фильтр по авт. св. № 1568213, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации, в фильтр введены первый - М-й регистры памяти, первый и второй коммутаторы, блок постоянной памяти, арифметико-логический блок, блок сравнения и формирователь

адресов, информационный вход которого подключен к тактовому входу фильтра, вход обнуления формирователя адресов объединен с тактовыми входами всех регистров памяти и подключен к выходу счетчика интервала реализации, информационные входы первого - М-го регистров памяти соответственно объединены с первыми - М- ми информационными входами второго коммутатора и подключены к выходам одноименных вычислительных блоков, выходы первого - М-го регистров памяти соединены соответственно с первыми - М-ми информационными входами первого коммутатора, выходы первого и второго коммутаторов

подключены к соответствующим входам арифметико-логического блока, выходы которого соединены с первыми входами блока сравнения, выходы которого являются (М-И)- ми выходами фильтра, выходы формирователя

адресов подключены к управляющим входам коммутаторов, входам блока постоянной памяти и являются (М+2)-ми выходами фильтра, выходы блока постоянной памяти соединены с вторыми входами блока сравнения.

X

25.М

Изобретение относится к вычислительной технике. Его использование в системах обработки изображений, корреляционного и спектрального анализа позволяет расширить функциональные возможности за счет определения степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации. Указанная цель достигается благодаря сравнению числа нулей соответствующих порядков на соседних интервалах реализации 1 ил