Рекурсивный цифровой фильтр Советский патент 1992 года по МПК H03H17/04 

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в спектральных анализаторах электрических сигналов.

Известен рекурсивный полосовой фильтр, содержащий блок вычитания, первый вход которого является входом устройства, а выход подключен к последовательно соединенным элементам задержки, много- входовой сумматор, к входам которого через весовые резисторы подключен выход блока вычитания и выходы элементов задержки (за исключением Q-ro, где Q 2). блок суммирования, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, сумматор, выход которого является выходом устройства.

Известен рекурсивный полосовой фильтр, содержащий первый вычитатель, М- последовательно соединенных блоков задержки, где М - порядок рекурсивного полосового фильтра, (М+3) умножителя, М - входовой сумматор, второй вычитатель, сумматор, дополнительный сумматор, выход которого является выходом устройства, а вход (М+3)-го умножителя является входом устройства.

Недостатками известных устройств являются низкие надежность и быстродействие. Низкая надежность обусловлена неустойчивым режимом работы, который может возникнуть в рекурсивных фильтрах при нарушении известных критериев устойчивости. Если быстродействие оценивать величиной р, обратной количеству операций умножения, приведенному к одному отсчету входного сигнала, то рекурсивные полосовые фильтры имеют быстродействие п Л

2N которое при больших N является низким.

Наиболее близким к изобретению является рекурсивный цифровой фильтр, содержащий двухвходовой алгебраический сумматор, блок задержки, генератор синхросигналов, две группы масштабных блоков, два многовходовых сумматора на N и N+1 входов.

Недостатками известного рекурсивного цифрового фильтра являются низкие надежность и быстродействие.

Низкая надежность обусловлена не- усточивым режимом работы, который может возникнуть в рекурсивных фильтрах при нарушении известных критериев устойчивости. При малом запасе устойчивости неустойчивый режим может наступить из-за недостаточной точности задания коэффициентов фильтра обратной связи или вследствие их недостаточной стабильности при изменении внешних условий.

Быстродействие известного рекурсивного цифрового фильтра равно

1

2N при больших N является низким.

Цель изобретения - увеличение надежности работы устройства и повышение его

быстродействия.

Цель достигается тем, что в рекурсивный цифровой фильтр, содержащий двухвходовой алгебраический сумматор, суммирующий вход которого является входом устройства, блок задержки, информационный вход которого подключен к выходу двухвходового алгебраического сумматора, генератор синхросигналов, выход которого подключен к управляющему входу блока задержки, две группы масштабных блоков по N масштабных блоков в каждой группе, причем входы i-x () масштабных блоков первой и второй групп попарно соединены между собой, введены первый, второй и третий блоки памяти, блок прямого преобразования Фурье, первый и второй блоки обратного преобразования Фурье, первый и второй мультиплексоры, блок управления, вход которого подключен к выходу генератора синхросигналов, а стробирующий выход подключен к управляющим входам первого, второго и третьего блоков памяти, N информационных входов первого блока памяти подключены к соответствующим N

выходам блока задержки, а N выходов - к соответствующим N входам блока прямого преобразования Фурье, N комплексных выходов которого подключены к входам соответствующих масштабных блоков обеих

групп, а выходы масштабных блоков первой и второй групп подключены к соответствующим N комплексным входам соответствующих блоков обратного преобразования Фурье, N выходов первого из которых подключены к соответствующим N информационным входам второго блока памяти, N выходов которого подключены к соответствующим входам первого мультиплесора, М (где M log2N) управляющих входов которого

соединены с соответствующими М управляющими входами второго мультиплексора и подключены к соответствующим М управляющим выходам блока управления, а выход первого мультиплексора подключен к вычи5 тающему входу двухвходового алгебраического сумматора, N выходов второго блока обратного преобразования Фурье подключены к соответствующим N информационным входам третьего блока памяти, N

выходов которого подключены к соответствующим входам второго мультиплексора, выход которого является выходом устройства.

Сущность изобретения состояит в следующем.

Фильтр прямой А(о) и обратной В(а) ) связи рекурсивного цифрового фильтра реализуются на основе блоков прямого и обратного преобразований Фурье, между которыми включается группа из N масштаб- ных блоков с коэффициентами передачи, за- дающимиамплитудно-частотную

характеристику фильтра. N - количество временных отсчетов, которыми задаются импульсные переходные характеристики фильтров прямой и обратной связи. На входы блока прямого преобразования Фурье подается сразу вся входная последовательность, состоящая из N временных отсчетов. На входы блока обратного преобразования Фурье подается сразу вся частотная последовательность, состоящая из отсчетов спектрального представления сигнала с выходов группы масштабных блоков.

Положим, что коэффициенты передачи масштабных блоков являются действительными и положительными числами. Положим также, что период смены последовательностей временных отсчетов на входах и выхо- дах фильтров, построенных на основе блоков прямого и обратного преобразований Фурье, равен N (т.е.-равен длине последовательностей).

Фильтры прямой А(о) и обратной B(ft) связи, реализованные таким образом, вносят фазовый сдвиг 2 лги поэтому имеют действительный положительный коэффициент передачи. Рекурсивный цифровой фильтр, реализованный на базе вышеуказанных фильтров А(о)) и В(о), будет всегда устойчив, ибо в выражении передаточной функции знаменатель всегда будет положительным и никогда не обратится в нуль, т.е.

1+В (ft))0.

Поэтому рассмотренный рекурсивный цифровой фильтр более надежен, чем известный.

Оценим быстродействие рп предлагав- мого устройства. Пусть L - число операций умножения, необходимых для вычисления W выходных отсчетов в реальном времени. Тогда

L LBna +2LoncD+2LM,

где LBno CNIog2N - число операций умножения для блока прямого преобразования Фурье;

С - некоторая константа;

Lon i CNIog2N - число опергщип умно жения для блока обратного преоИря икания Фурье;

- число умножений в первом и втором масштабных блоках. Тогда

L 2CNIog2N+2N.

Количество операций умножения, приведенное к одному отсчету входного сигнала равно L 3Clog2N+2 «3Clog2N, а быстродействие равно

ph 3CTog2 N

(Отсюда следует, что быстродействие предлагаемого устройства выше, чем у известного (Ой 2Тт) и с увеличением N выигрыш в быстродействии возрастает.

Первый блок памяти запоминает входную временную последовательность отсчетов сигнала для последующего прямого преобразования Фурье.

Блок прямого преобразования Фурье позволяет получить частотную последовательность отсчетов спектрального представления сигнала.

Масштабные блоки первой и второй групп служат для умножения соответствующих частотных отсчетов спектрального представления входного сигнала на действительные положительные значения частотных коэффициентов передачи фильтров обратной и прямой свчзи.

Первый и второй блоки обратного преобразования Фурье служат для получения временных последовательностей отсчетов сигнала.

Второй блок памяти и первый мультиплексор служат для получения временной последовательности отсчетов сигнала на выходе фильтра обратной связи.

Третий блок памяти и второй мультиплексор служат для получения временной последовательности отсчетов сигнала на выходе устройства.

Блок управления предназначен для управления первым и вторым мультиплексорами, а также управляет периодическим обновлением информации в трех блоках па мяти.

Сопоставительный анализ предлагаемого устройства с известным показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков: блока управления, первым, вторым и третьим блоками памяти, блока прямого преобразования Фурье, первым и вторым блоками обратного преобразования Фурье, первым и вторым

мультиплексорами и их связями с остальными блоками схемы.

Сравнение предлагаемого с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что известны системы с отрицательной обратной связью, устойчивости которых достигается введением в со- став системы корректирующего опережающего звена. Однако неизвестной является физическая реализация опережающего звена, что не позволяет использовать упомянутый принцип на практике.

Известен принцип построения БИХ- фильтров с линейной (нулевой) фазой путем обращения фильтруемой временной последовательности или путем последовательного соединения каузального устойчивого фильтра и некаузального фильтра. Однако такая фильтрация происходит не в реальном времени, а выполняется, как действие над хранящимися в памяти данными конечной длины. Точная реализация такого подхода невозможна, так как приходится обращать во времени бесконечные временные последовательности, не дожидаясь, пока они закончатся. Амплитудные характеристики таких эквивалентных фильтров равны либо квадрату амплитудной характеристики исходного БИХ-фильтра, либо удвоенному произведению амплитудной характеристики исходного БИХ-фильтра на функцию косинуса от его фазовой характеристики.

Кроме того, неизвестны схемы включения таких эквивалентных фильтров с нулевой (линейной) фазой в цепь обратной связи. Нулевая (линейная) фазовая характеристика позволяет увеличить точность (степень идеальности) процедуры фильтрации. В предлагаемом устройстве нулевая (линейная) фазовая характеристика фильтра в цепи обратной связи позволяет получить новое свойство-устойчивость рекурсивного фильтра. Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать рекурсивные фильтры высоких порядков в виде одного звена, а не последовательности рекурсивных фильтров первого или второго порядков (последняя реализация обладает низким быстродействием). .

Кроме того, неизвестным является принцип повышения быстродействия рекурсивного цифрового фильтра, использующийся в предлагаемом устройстве.

На фиг. 1 представлена структурная схема рекурсивного цифрового фильтра; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления.

Рекурсивный цифровой фильтр содержит двухвходовой алгебраический сумма тор 1, блок 2 задержки, генератор 3

синхросигналов, первую группу масштабных блоков 4-1 - 4-М; вторую группу масштабных блоков 5-1 - 5-N, первый блок 6 памяти, блок 7 прямого преобразования

Фурье, первый блок 8 обратного преобразования Фурье, второй блок 9 обратного преобразования Фурье, второй блок 10 памяти, третий блок 11 памяти, первый мультиплексор 12, второй мультиплексор 13, блок 14

управления.

Блок 14 управления содержит элемент 15 задержки, двоичный М-разрядный (где M log2N) счетчик 16, группу инверторов 17- 1 - 17-М, схему И 18 на М входов, формирователь 19.

Устройство работает следующим образом.

В блок 2 задержки по сигналам с генератора 3 синхросигналов осуществляется

запись цифровых сигналов с выхода двух- входового алгебраического сумматора 1, сигнал на выходе которого является разностью цифровых сигналов х(п) на входе устройства и на выходе первого

мультиплексора 12. Через каждые N синхроимпульсов по сигналу со стробирующего выхода блока 14 управления осуществляется запись информации с выхода блока 2 задержки в первый блок 6 памяти, с выходов первого блока 8 обратного преобразования Фурье во второй блок 10 памяти, с выходов второго блока 9 обратного преобразования Фурье в третий блок 11 памяти. Блоки б. 10 и 11 выполняют роль буферной памяти, информация в которых обновляется с периодом N, где N - длина импульсных переходных характеристик фильтров прямой и обратной связей (А(й) и В(са) соответственно). После реализации блоком 7

процедуры прямого преобразования Фурье отрезка сигнала длиной N в первом блоке 6 памяти масштабными блоками первой группы 4 и второй группы 5 осуществляется формирование частотных коэффициентов

передачи (передаточных функций) фильтров обратной В(ы) и прямой связи А(а) соответственно. Устройство реализует функцию цифрового рекурсивного полосового фильтра. Коэффициенты передачи второй группы

масштабных блоков 5-1 - 5-N являются действительными числами и задают амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) фильтра А(о) прямой связи. Коэффициенты передачи первой группы масштабных блоков 4-1- 4-N являются действительными числами и задают АЧХ некоторого режекторного (обратного полосовому) фильтра В(о). Пуст or- коэффициент неравномерности АЧХ фильтра В(со). Обычно а « 1. Тогда В(ю)- фильтр,

имеющий частотный коэффициент передачи в полосах пропускания много больший единицы (например, 1), а в полосе подавления частотный коэффициент передачи равен а,

На выходе первого мультиплексора 12 реализуется функция фильтра В( со) обратной связи, а на выходе второго мультиплексора 13 реализуется функция фильтра А(о) прямой связи. Цифровые отсчеты сформированных сигналов поступают на выход устройства (сигнал у(п) и на вход блока 2 с частотой следования сигналов из генератора 3 синхросигналов.

Передаточная функция Нп( ш) рассматриваемого рекурсивного цифрового фильтра определяется выражением

н Н тЈЈ$йГ

Так как коэффициенты передачи масштабных блоков 4 и 5 действительные числа, определяющие АЧХ соответствующих полосовых фильтров и В(а)) 1 в полосе пропускания и В( ш «1 в полосе подавления, то в выражении передаточной функции знаменатель всегда положителен, т.е. 1+В(й)0.

Таким образом, рассматриваемое устройство реализует функцию полосового фильтра с заданными параметрами (например, коэффициентом неравномерности а и является устойчивым. При расчете коэффициентов передачи масштабных блоков первой 4 и второй 5 групп исходят из требуемой АЧХ фильтра Hn(ftJ) и используют известные методы. Для уменьшения эффекта Гиббса, возникающего из-за усечения временной последовательности обрабатываемых сигналов (в рассмотренном случае интервал обрабатываемого сигнала равен N) необходимо использовать окна Хзмминга, Кайзера и другие.

Применение устройства выгодно как с технической, так и с экономической точек зрения.

Рекурсивный цифровой фильтр является устойчивым, что обеспечивает его надежную работу. В свою очередь, надежная работа фильтра обеспечивает высокую достоверность информации на его выходе, достоверность информации в системах, использующих такие фильтры.

Рекурсивный цифровой-фильтр обладает высоким быстродействием. Если быстродействие оценивать величиной рп. обратной количеству операций умножения приведенных к одному отсчету входного сигнала, то рекурсивный цифровой фильтр имеет быстродействие

.1

Р ЗС 1од2 N которое с увеличением N уменьшается существенно медленнее, чем у известных уст- 5 ройств.

Формула изобретения

Рекурсивный цифровой фильтр, содер0 жащий двухвходовой алгебраический сумматор, суммирующий вход которого является входом устройства, блок задержки, информационный вход которого подключен к выходу двухвходового

5 алгебраического сумматора, генератор синхросигналов, выход которого подключен к управляющему входу блока задержки, две группы масштабных блоков по N масштабных блоков в каждой группе, причем входы

0 i-x ( масштабных блоков первой и второй группы попарно соединены между собой, отличающийся тем. что, с целью увеличения надежности работы устройства и повышения его быстродействия введены

5 первый, второй и третий блоки памяти, блок прямого преобразования Фурье, первый и второй блоки обратного преобразования Фурье, первый и второй мультиплексоры, блок управления, вход которого подключен

0 к выходу генератора синхросигналов, а стробирующий выход подключен к управляющим входам первого, второго и третьего блоков памяти, N информационных входов первого блока памяти подключены к соот5 ветствующим N выходам блока задержки, а N выходов - к соответствующим N входам блока прямого преобразования Фурье, N комплексных выходов которого подключены к входам соответствующих масштабных

0 блоков обеих групп, а выходы масштабных блоков первой и второй групп подключены к соответствующим N комплексным входам соответствующих блоков обратного преобразования Фурье, N выходов первого из ко5 торых подключены к соответствующим N информационным входам второго блока памяти, N выходов которого подключены к соответствующим входам первого мультиплексора, М (где MHogaN) управляю0 щих входов которого соединены с соответствующими М управляющими входами второго мультиплексора и подключены к соответствующим М управляющим выходам блока управления, а выход первого мульти5 плексора подключен к вычитающему входу двухвхо дового алгебраического сумматора, N выходов второго блока обратного преобразования Фурье подключены к соответствующим N информационным входам

третьего блока памяти, N выходов которого подключены к соответствующим входам

второго мультиплексора, выход которого является выходом устройства.

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в спектральных анализаторах электрических сигналов. С целью повышения надежности работы и повышения быстродействия в устройство введены первый 7, второй 11 и третий 12 блоки памяти, блок 8 прямого преобразования Фурье, первый 9 и второй 10 блоки обратного преобразования Фурье, первый 13 и второй 14 мультиплексоры, блок управления. Применение предлагаемого устройства выгодно как с технической, так и с экономической точек зрения. Предлагаемый рекурсивный цифровой фильтр является устойчивым, что обеспечивает его надежную работу. В свою очередь, надежная работа фильтра обеспечивает высокую достоверность информации на его выходе, достоверность информации в системах, использующих такие фильтры. Предлагаемый фильтр обладает более высоким быстродействием, чем прототип. 2 ил. i и С

Фиг. 2