Устройство для цифровой фильтрации с регулируемым коэффициентом передачи Советский патент 1992 года по МПК G06F15/353 

Изобретение относится к цифровой обработке сигналов и может быть использовано в цифровых системах обработки случайных процессов в широком динамическом диапазоне.

В устройствах цифровой обработки для расширения динамического диапазона

фильтруемого сигнала используют регулировку коэффициента передачи в цифровых фильтрах. При этом расширение динамического диапазона достигается без увеличения разрядности цифрового фильтра и, следовательно, без существенного увеличения габаритов устройства обработки.

Цель изобретения - повышение точности фильтрации и расширение функциональных возможностей.

Известно устройство для цифровой фильтрации с регулируемым коэффициентом передачи. Данное устройство содержит блок цифровой фильтрации, включающий блок памяти, вход которого является информационным входом устройства, умножитель, накапливающий сумматор и блок задания коэффициентов. К блоку цифровой фильтрации подключен блок сравнения, к второму входу которого подключен датчик уровня выходного сигнала. Выход блока сравнения соединен непосредственно с первым входом и через элемент НЕ с вторым входом накапливающего сумматора. Выход накапливающего сумматора подключен к входу управления коэффициентом передачи блока цифровой фильтрации и через блок сдвига к третьему входу накапливающего сумматора.

В данном устройстве изменение корректирующего множителя, регулирующего коэффициент передачи блока фильтрации, производится по специальному правилу, обеспечивающему независимость постоянной времени переходного процеса корректирующего множителя от величины скачка сигнала на входе устройства. Это несколько уменьшает искажения формы фильтруемого сигнала. Однако искажение формы сигнала в данном устройстве оказывается все же значительным, причем искажения связаны с динамикой корректирующего множителя.

Сущность изобретения состоит в том, что повышение точности фильтрации и дальнейшего нелинейного преобразования сигнала, достигаемое в результате исключения непрерывно протекающих переходных процессов, реализуется скачкообразным изменением корректирующего множителя при достижении энергетической характеристикой отфильтрованного сигнала пороговых значений. При этом изменение или- сохранение текущего значения корректирующего множителя при достижении данного порога ставится в зависимость от предыстории текущего значения энергетической характеристики, причем зависимость эта выбирается гистерезисной.Количество значений N и перепад значений корректирую- RI

щего множителя

-, представленного в

Ri +1

виде целой степени числа 2, и число пороговых уровней 2К определяются следующими формулами:

N-аиЗ +оя .гЕп.-ниЛ , (1)

2K 2(N-1)J

где Одиап -динамический диапазон входного сигнала, дБ;

Оф - динамический диапазон блока

цифровой фильтрации, дБ;

ОД- динамический диапазон петли гистерезиса (отношение ширины петли к левому i порогу), дБ;

- обозначение целой части числа,

заключенного в скобках.

Для сохранения масштаба отфильтрованного сигнала последний представляется кодом с плавающей запятой, знак и мантисса которого снимается непосредственно с

блока цифровой фильтрации, работающего с фиксированной запятой, а порядок определяется степенью числа 2 текущего значения корректирующего множителя, взятой с обратным знаком. Для сохранения масштаба энергетической характеристики, исключения скачков на входе блока усреднения и соответствующих этим скачкам переходных процессов на выходе блока усреднения одновременно с изменением корректирующего множителя производят деление текущего значения сигнала на входе блока усреднения на значение корректирующего множителя для модуля сигнала или на значение квадрата множителя для квадратичного

преобразования сигнала; Таким образом, скачкообразные изменения корректирующего множителя, расширяя динамический диапазон работы цифрового фильтра и нелинейного преобразователя, не вызывают

изменений отфильтрованного сигнала и его энергетической характеристики. Предлагаемая организация устройства для цифровой фильтрации позволяет расширить и его функциональные возможности путем выдачи

непрерывно измеряемой для решения основной задачи энергетической характеристики отфильтрованного сигнала.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

На чертеже обозначены: множитель 1, блок 2 цифровой фильтрации, блок 3 постоянной памяти коэффициентов, блок 4 деления, блок 5 усреднения,блоки б сравнения, элементы Н Е 7, элементы И 8, 9,11, элемент

ИЛИ-НЕ 10, регистр 12, элемент задержки 13, блоки 14, 15 постоянной памяти; X - информационный вход устройства; Т - тактовый вход устройства,- AI - входы задания констант; Y - выход отфильтрованного сигнала, Z - выход энергетической характеристики сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал, представленный двоичным кодом, поступает на вход умножителя 1, на второй вход которого подается корректирующий множитель с выхода регистра 12. Значение корректирующего множителя автоматически устанавливается таким, чтобы операции фильтрации и нелинейного преобразования выполнялись в рабочем динамическом диапазоне соответствующих блоков. Выходной сигнал умножителя 1, представляющий собой произведение входного сигнала и корректирующего множителя, поступает на вход блока 2 цифровой фильтрации. Работа блока 2 тактирована частотой тактового сигнала, поступающего с тактового входа устройства. За период тактовой частоты блок 2 цифровой фильтрации выполняет фильтрацию очередного значения входного сигнала. Фильтрация производится в соответствии с правилом каскадной реализации, например, цифровых рекурсивных фильтров с элементарными звеньями второго порядка.

Отфильтрованный сигнал с выхода блока 2 цифровой фильтрации поступает в качестве составной части на выход Y устройства и в блок 3 постоянной памяти коэффициентов, выполняющий нелинейные преобразования сигнала. Нелинейное преобразование обеспечивает вычисление либо дисперсии, либо модуля сигнала. В первом случае в блоке 3 реализована квадратичная функция, а во втором - функции модуля сигнала. Преобразованный сигнал поступает на вход делимого блока 4 деления. На второй вход блока 4 - вход делителя - поступает значение корректирующего множителя. Деление сигнала на входе блока

5усреднения на корректирующий множитель исключает переходные процессы на выходе этого блока при скачкообразном изменении множителя и делает неизменным масштаб измерения энергетической характеристики. Сигнал, пропорциональный энергетической характеристике, поступает с выхода блока 5 усреднения на вторые входы блоков

6сравнения и на выход Z устройства (выход энергетической характеристики) для использования в качестве дополнительного результата в задачах анализа энергетических свойств входного сигнала.

Устройство реализует формирование корректирующего множителя в гистерезис- ной зависимости от текущего значения энергетической характеристики согласно следующему правилу:

RrHnpHAi Zn A2;A3 Zn A4..,A2k-1 Rl при Zn Ai; R2 при Аа Zn Аз;

Rrf

(2)

R2k-2 при A2k-2 Zn 2m-i; R2k-1 при A2k Zn.

Такой закон формирования корректирующего множителя устраняет возможность возникновения его колебаний при значениях характеристики, близких к пороговым уровням.

Формирование корректирующего множителя Rn (при ) происходит следующим образом.

Пороговые значения Ai, A2, Аз, Аз поступают на входы блоков 6 сравнения. На вторые входы этих блоков поступает текущее

значение энергетической характеристики отфильтрованного сигнала Zn. Если Zn Ai, то на выходе блока 6i появляется сигнал логической единицы, который поступает на первый вход блока 14 постоянной памяти. В

блоке 14 по адресу 100 прошито значение множителя RL Одновременно на выходе элемента И11 появляется импульс для записи множителя RI в регистр 12. Этот импульс формируется следующим образом. Сигнал

логической единицы на выходе элемента 6i инвертируется элементом НЕ 7i. Логический ноль на выходе элемента НЕ 7i вызывает появление логического нуля на выходе элемента И 8i И (на входе элемента ИЛ И-НЕ

10). На втором входе элемента ИЛ И-НЕ 10 также логический нуль. Логические нули на входах элемента ИЛ И-НЕ 10 приводят к появлению логической единицы на его выходе. Единичный уровень на входе элемента И11

является разрешающим для прохождения тактового импульса на второй (управляющий) вход регистра 12. Задержка, вводимая элементом 13 задержки, обеспечивает появление тактового импульса для записи в регистр 12 в момент, когда информация на его первом входе уже установилась. Аналогичным образом формируются корректирующие множители при А2 Zn Аз и при А Zn. В случае, когда Ai Zn A2, на выходах

элементов 6i и 62 сравнения одновременно появляются сигналы логического нуля. Эти сигналы вызывают логические единицы на выходах элементов 7i и 72, логическую единицу на выходе элемента И 8i, логический

ноль на выходе элемента ИЛИ-НЕ 10 и запрещающий потенциал на входе элемента И11. Тактовый импульс не проходит на управляющий вход регистра 12, запись не производится, и в регистре 12 остается

предыдущее значение корректирующего множителя Rn-ч. Аналогично работают блоки при Аз Zn A4.

Таким образом обеспечивается требуемый закон формирования корректирующего множителя, значение которого хранится в регистре 12 в течение одного такта работы устройства, и в зависимости от значения энергетической характеристики отфильтрованного сигнала изменяется или остается равным предыдущему значению.

Значение корректирующего множителя Rn с выхода регистра 12 поступает на адресный вход элемента 15 постоянной памяти. В ячейках блока 15с адресами, соответствую- щими значениям множителя, прошиты двоичные коды степени числа 2 данного множителя, но взятью с обр атным знаком (если Pi 2°, Ра , Рз , то в ячейках прошиты коды О, Р, г соответственно. Ука- занные коды определяют порядок двоичного кода с плавающей запятой истинного значения отфильтрованного сигнала, знак и мантисса которого снимаются с выхода блока 2 цифровой фильтрации, не зависящего от текущего значения корректирующего множителя. Выход блока 15 совместно с выходом блока .2 цифровой фильтрации составляют выход Y устройства.

Таким образом, в устройстве повышена точность фильтрации сигнала, изменяющегося в динамическом диапазоне, превышающем динамический диапазон фильтра. Это достигается исключением переходных процессов в отфильтрованном сигнале путем дискретного изменения корректирующего множителя, автоматического учета текущего масштаба отфильтрованного сигнала, исключения колебаний корректирующего множителя в окрестности точек перехода за счет использования гистерезисной характеристики, а также исключения переходных процессов при измерении энергетической характеристики входного сигнала, используемой при формировании корректирующе- го множителя. Кроме того, расширены функциональные возможности устройства - одновременно с фильтрацией сигнала устройство измеряет энергетическую характеристику входного сигнала.

Формула изобретения Устройство для цифровой фильтрации с регулируемым коэффициентом передачи, содержащее умножитель и блок цифровой фильтрации, информационный вход которого подключен к выходу умножителя, первый вход которого является информационным входом устройства, тактовым входом которого является тактовый вход блока цифровой фильтрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей путем измерения энергетической характеристики сигнала, в него введены блок постоянной памяти коэффициентов, блок деления, блок усреднения, первая и вторая группы из К(2К - число уровней) блоков сравнения, первая и вторая группы из К элементов НЕ, первая группа из К элементов И, вторая группа из К-1 элементов И, элемент ИЛИ-НЕ, регистр, элемент И, элемент задержки и два блока постоянной памяти, причем выход блока цифровой фильтрации подключен к адресному входу блока постоянной памяти коэффициентов, выход которого подключен к первому входу блока деления, выход которого подключен к информационному входу блока усреднения, выход которого является выходом энергетической характеристики устройства и подключен к первым входам блоков сравнения первой и второй групп, выходы которых подключены к входам соответствующих элементов НЕ соответственно первой и второй групп, выходы которых подключены соответственно к первым и вторым входам соответствующих элементов И первой группы, выходы которых подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ- НЕ, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к тактовому входу регистра, выход которого подключен к адресному входу первого блока памяти, вторым входам умножителя и блока деления, выход i-го (i 2, К) блока сравнения первой группы подключен к первому входу (Ы)-го элемента И второй группы, выход которого подключен к i-му адресному входу второго блока постоянной памяти, выход которого подключен к информационному входу регистра, выход j-го Q 1, К-1) блока сравнения второй группы подключен к второму входу j-ro элемента И второй группы, выход первого блока сравнения первой группы и К-го блока сравнения второй группы подключены соответственно к первому и (К+1)-му адресным входам второго блока постоянной памяти, второй вход элемента И подключен к выходу элемента задержки, вход которого соединен с тактовым входом блока усреднения и подключен к тактовому входу устройства, информационный выход которого образует выход блока цифровой фильтрации и выход первого блока постоянной памяти, а вторые входы блока сравнения первой и второй групп являются входами задания констант соответственно первой и второй групп устройства.

Изобретение относится к устройствам фильтрации и может быть использовано в приборах и системах цифровой обработки случайных сигналов в широком динамическом диапазоне. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет измерения энергетической характеристики сигнала. Входной сигнал поступает на вход умножителя 1, на второй вход которого подается корректирующий множитель с выхода регистра 12. Значение множителя автоматически устанавливается таким, чтобы операции фильтрации и нелинейного преобразования выполнялись в рабочем диапазоне блоков. Выходной сигнал умножителя поступает на вход блока 2 цифровой фильтрации. Отфильтрованный сигнал поступает в качестве составной части - знака и мантиссы - на информационный выход Y устройства и через блокЗ постоянной памяти коэффициентов на вход делимого блока 4 деления. Деление сигнала на входе блока 5 усреднения на корректирующий множитель исключают переходные процессы на выходе этого блока при дискретном изменении множителя и делают неизменным масштаб измерения, поступающего на выход Z устройства и на вторые входы первой и второй групп из К (2К - число уровней) блоков 6 сравнения. Блоки 6 совместно с первой и второй группами элементов НЕ 7, первой 8 и второй 9 группами элементов И, элементом ИЛИ-НЕ 10, элементом И 11, элементом 13 задержки и блоком 14 постоянной памяти формируют на выходе регистра 12 корректирующий множитель в виде числа (nj - целое число) в гистерезисной зависимости от энергетической характеристики. С выхода блока 15 постоянной памяти, подключенного входом к регистру 12, выдается код числа ni, являющегося порядком двоичного кода с плавающей запятой истинного значения отфильтрованного сигнала. 1 ил. (Л С х| CJ io о