Цифровой фильтр Советский патент 1982 года по МПК H03H17/04 

(54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к электроизме рительной и вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов. Известно устройство, предназначенное для выполнения .цифровой фильтрации, содержащее две циклические памяти, умножители и сумматоры, фильтрация сигнало производится по формуле свертки, но вычисление 1фоизведений пар чисел h; и Хц-1 производится на одном или небольшом числе умножителей til, В этом устройстве цифровой фильтрации аппаратурные затраты значительно снижены, но для вычисления одного от счета свертки требуется большее время, так как арифметические операции выполняются последовательно на одном оборудовании. Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является уст-. ройство цифровой фильтрации, содержащее блок памяти коэффициентов импульсной характеристики Ьд , первый вход кото рого является входом записи массива чисел bi , второй вход и выход соединены с первым адресным счетчиком и входом первого регистра соответственно, выход которого соединен с первым входом устройства умножения, соединенного своим выходом со входом накапливающего сумматора, выход которого соединен с ци4роанапоговым преобразователем, второй вход устройства умножения подключен к выходу сумматора, первый и второй входы которого соединен с выходами второго и третьего регистров соответственно, первый и второй блоки памяти входных отсчетов первыми входами соединенные со вторым и третьим адресными счетчиками соответственно, вторыми входами соединенные с выходами четвертого и пятого регистров, выход третьего регистра соединен со входом пятого регистра и первым входом четвертого регистра, второй вход которого соединен с выходом первого блока памя- ти входных отсчетов, первый вход треть- его регистра является входом фильтра, а второйвход третьего регистра и вход .второго регистра соединены с выходами второго и первого блоков памяти входных отсчетов соответственно 2. . Недостатком .устройства является низкое быстродействие, связанное с непрои& водительной затратой времени на выполнение операции сдвига входного массива и с большим количеством операций умножения. Большое количество умножений приводит к резкому снижению быстродействия -устройства, причем временные затраты линейно возрастают с ростом порядка фильтра N. повышение быстро Цель изобретения действия устройства. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фильтр, содержащий блок памяти входных отсчетов, первый регистр формирователь импульсов, выход Которого соединен со входом первого адресного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока памяти коэффициентов, выход которого соединен со входом .В орого регистра, выход которого подклю чен к первому входу умножителя, выход которого соединен со входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является аналоговым выходом фильтра, а выход . первого накапливающего сумматора является цифровым выходом фильтра, причем выход блока памйти входных отсчетов соединен со входом первого регистра, первый вход блока памяти входных отсчетов является входом фильтра, а второй вход блока памяти коэффициентов является вхо дом записи коэффициентов, введены второй и третий адресные счетчики, блокпамяти рангов, дешифратор, сумматор, мультиплексор, второй накапливающий сумматор и блок синхронизации, первый выход которого подключен ко входу второ го адресного счетчика, выход которого соединен с первым входом блока памяти рангов,, первый вькод которого подключен к первому входу сумматора и входу дешифратора, выход которого соединен со вторым входом блока памяти входных отсчетов и вторым входом мультиплексора, выход котсрого подключен к первому входу второго накапливающего сумматора выход, которого соединен со вторым вхо- дом умножителя, второй вход второго накапливающего сумматора соединен с выхо дом формирователя импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока памяти рангов, второй вход которого является входом записи рангов фильтра, второй вход блока синхронизации соединен со входом третьего адресного счетчика, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход которого соединен с третьим входом блока памяти входных отсчетов, первый вход которого объединен со вторым входом мультиплексора, третий вход которого подключен к выходу первого регистра. На чертеже изобрансена функциональная схема цифрового фильтра. Фильтр содержит вход 1 записи коэффициентов импульсной характеристики, формирователь 2 импульсов, адресный счетчик 3, блок 4 памяти коэффициентов, регистр 5, умножитель 6, накапливающий сумматор 7, цифроаналоговый преобразователь 8, аналоговый 9 и цифровой 1О, выходы, накапливающий сумматор И, дешифратор 12, вход 13 записи рангов i коэффициентов, блок 14 памяти рангов, сумматор 15, блок 16 памяти входных отсчетов (по адресному входу), регистр 17 и мультиплексор 18, адресные счетчики 19 и 20, вход фильтра 21, блок 22 синхронизации. Цифровой фильтр работает следующим образом. Перед началом обработки сигнала по. входу 1 в блок 4 памяти коэффициентов записывается массив из, различных коэффициентов фильтра, а в блок 14 памяти рангов по входу 13 записьшается массив чисел, гфедставляющий собой номера коэффициентов импульсной характеристики (КИХ), расположенные в ощэеделенном порядке. Номер адреса ячейки блока памяти рангов, в которую записывается коэффициент hti и является рангом j этого коэффициента. Таким образом, каждому коэффициенту h ставится в соответствие; некоторое целое число j , являющееся адресом ячейки блока памяти рангов, в которую записьшается число М .В первых ;ячейках блока памяти рангов записаны номера КИХ, численные значения которых равны Ь . Само число h записывается в первую ячейку блока 4 памяти, В ячейках памяти с К по K-ifl i блока 14 записьшают ся номера КИХ, численные значения которых равны hj , а само число h зас писывается во вторую ячейку блока 4 па Г KI мяти и т.д. В ячейках с блока 14 памяти, где h l,2,...i( и - l) записываются номера КИХ, численные значения которых записаны в ( + 1)-ой ячейке блока 4 памяти и равны . Текущая выборка входного сигнала Х, подается на вход 21 н далее на информационный вход блока 16 памяти и вход мультиплексора 18. В исходном состоянии накапливающие сумматоры 7 и 11, счетчики 2 и 19 находятся в нулевом состоянии. В адресном счетчике 2О, имеющем модуль пересчета равный N-1 , в исходном состоянии записан некоторый код а . После поступления на вход 21 очередного счетчика входного сигнала Х(п)производится вычисление отсчета и (и) свертки следующим образом. Блок 22 формирует N импульсов, которые поступают на вход адресного счетчика 19. При этом из блока 14 памяти последовательно считываются на вход сумматора 15 номера коэффициентов импульсной характеристики фильтра W , сумма которых с числом а является характеристикой адресом ячейки памяти блока 1 из которой отсчет вводного сигнала Х(мвыводится через регистр 17 и мультиплексор 18 на вход накапливающего сумматора 11. Сначала из ячеек с адресами , последовательно считывают ся номера N коэффициентов импуль свой характеристики, численно равных h Из ячеек с адресами блока-1 памяти последовательно считываются отсчеты X (.и-1) через регистр 17 и мультиплексор 18 на вход накапливающего сумматора 11. После считывания номера коэффициента фильтра из ячеек с адресом .. и;,-- в накапливающем сумматоре 11 хранится сумма k отсчетов входного сигнала Т х( Одновременно с формировШием этой сум мы в накапливающем сумматоре 11 из блока 4 памяти в регистр 5 считьшается из ячейки с нулевым адресом значение кода Ь| . Адреса ячеек блока 4 памяти формируются адресным счетчиком 3, име ющим модуль пересчета, равный I . Накопленная в сумматоре 11 сумма умножается в умножителе 6 на коэффициент h и записывается в накапливающий су матор 7. При считывании номера КИХ из ячейки с адресом j 1 блок 14 памяти вырабатывает сигнал, запускающий формирователь 2 импульсов, на выходе которого с задержкой, необходимой для 1Ь вычисления произведения h, 4. чД , формируется импульс, обнуляющий накаплйвающия сумматор 11 и изменяющий на состояние адресного счетчика 3, Во времени этот импульс,расположен между и ,импульсами, формируемыми блоком 22. Следующая группа из Kj. импульсов, формируемых блоком 22, аналогичным образом формирует сумму h-, , которая складывается с ранее вычисленной суммой в накапливающем сумматоре 7. Таким образом, после импульса с номером г- i, Сформированного блоком 22, в накапливающем сумматоре 7 записывается сумма Г Если в процессе вычисления сумм из некоторой ячейки блока 14 памяти рангов считывается код, соответствующий номеру коэффициента импульсной характеристики 1 О , который дещи45)ируется дешифратором 12, то по сигналу с выхода дещифратора 12 блок 16 памяти входных отсчетов переключается в режим записи входного отсчета X (и) в ячейку с адресом с , а на выход мультиплек- Ъора 18 передается отсчет входного сигнала. . V После окончания формирования всех N-1 импульсов блоком 22 с выхода 10 накапливающего сумматора 7 снимается отсчет выходного сигнала ij 1«) в цифровом виде, а с выхода 9 цифроаналогового преобразователя снимается текущее значение аналогового выходного сигнала. Заканчивается процесс вычисления отсчета свертки ц (п) формированием по второму выходу блоком 22 импульса, изменяющего на единицу состояние адресного счетчика 20. Во времени этот импульс форм фуется после Ы-1 импульса с задержкой, необходимой для завершения вычисления отсчета | (и) . Таким образом, к моменту хфихода следующего отсчета входного сигнала х (и-и) в адресном счетчике 20 записано число cifl Это обеспечивает автоматический сдвиг массива входных отсчетов на единицу, что необходимо для вьиислевия 90 следующего отсчета u (и+-1)выходного сигнала. Сдвиг массива входных отсчетов производится следующим образом. Пусть в ц -ый момент времени выборкивходного сигнала записаны в блок 16 памяти следующим образом: выборка х(и-Ыч-1) в ячейку с адресом Ц выборка )f(и-f/- -) в ячейку с адресом ((Q -l-l)) М-1, а выборках (и-i) записана в ячейку ((ot-Ч М -1-4, ))М-,) , где ,2M-l. В блок 14 памяти рангов и блок 4 памяти коэффициентов информации записа/ на следующим образом. В ячейку блока 4 памяти с нулевым адресом записывает |Ся код коэффициента sj,;,, , а в ячейку блока 14 памяти с нулевым адресом записывается код О. В следующие ячейки блока 14 памяти записываются номера КИХ фильтра, численные значения которых равны , причем номер, записанный в блок 14 памяти соответствует исправленной последовательности коэффициентов, т.е. если коэффициент то в блок 14 памяти запи hfi, - - ,i-«; сывается номер N , соответствующий этому коэффициенту. Расположение коэффициентов внутри группы и ; расположение самых групп коэффициентов могут быть произвольными, существенным является присвоение- коэффициенту hw-/i нулевого ранга. При такой организации заполнения блока 4 памяти и блока 14 памяти вы числение отсчета выходного сигнала ij (и) хфоиаводится следующим образом. Сначала из блока 14 памяти считывается по нулевому адресу код О, а по адресу 4- О из блока 16 памяти считывается выборка x(H-N-i-l) , при этом вычисляется произведение И-N + I Затем из следующей ячейки блока 14 памяти считывается код соответствующий коэффициенту А , а из ячейки блока 16 памяти с адресом ((а+N-f- i))(l считывается выборк X (и -1 ) JTO соответствует вычислению произведения ц У и- tiи т.д. Если из некоторой ячейки блока 14 памяти был считан код M-l который соответствует коэффициенту ,Ьй , то по сигналу с дещифратора 12 входная выборка X, записывается в ячейку бло ка 16 памяти с адресом, равным а . ЧТ9 1ФНВОДИТ к обновлениюинформации в блоке 16 памяти. При вычислении отсчета у(и+1) исходное состояние счетчика 20 равно 18 Of 1. Таким образом, при первом обращении к ячейкам блока 14 памяти на . выходе сумматора 15 сформировывается код (Х + 1, а из блока 16 памяти считывается выборка Хи-N+i , что соответствует вычислению произведения Си) по формуле нерекурсивной фильтрации при и -t-i . Текущее значение входной выборки при этом записывается в ячейку с адресом с(. + 1. Изменение начального состояния счетчика 2О на единицу производится обновление и сдвиг массива входных отсчетов на единицу. Предлагаемое устройство выгодно отличается от известного. Время вычисления отсчета свертки равно t .tyn- N4 - CsCs Так как умножение является определяющей быстродействия устройства операцией и Н1 « ( d-vl ) при больших N , то быстродействие устройства выще. Кроме того, не требуется обращение к блоку памяти на перезапись массива входных отсчетов, что при параллельной работе двух блоков памяти входных отсчетов позволит получить выигрыщ во времени вычисления, равный o. Формулаизобретения Цифровой фильтр, содержащий блок памяти входных отсчетов, первый регистр, формирователь импульсов, выход которого соединен со входом первого адресного счетчика, выход которого подключен к первому входу блока памяти коэффициентов, выход которого соединен со входом второго регистра, выход которого подклю- чен к первому входуумножителя, выход которого соединен со входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является ., аналоговым выходом фильтра, а выход первого накапливающего сумматора является цифровым выходом фильтра, причем выход блока памяти входных отсчетов соединен со входом первого регистра, первый вход блока памяти входных отсчетов является входом фильтра, а вто - рой вход блока памяти коэффициентов является входом записи коэффициентов, отлич ающийся тем, что, с целью повыщения быстродействия, в него введены второй и третий адресные счетчики, блок памяти рангов, дешифратор, сумматор, мультиплексор, второй накапливающий сумматор и блок синхрониза ции, первый выход которого подключен ко входу второго.адресного счетчика, выход которого соединен с первым входом блока памя1и рангов, первый выход которого подключен к первому входу сумматора и входу деши4ратора, выход которого соединен со вторым входом блока памяти входных отсчетов и вторым входом мультиплексора, выход которого подключен к первому входу нака пливающего сумматора, выход которого соединен со вторым входом умножителя, второй вход второго накапливающего сумматора соединен с выходом формиров теля импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока памяти рангов второй вход которого является входом записи рангов фильтра, вход блока синхронизации соединен со входом трет1хего адресного счетчика, выход которого подключен ко входу сумматора, выход которого соединен с третьим входом блока памяти входных отсчетов, первый вход которого объединен со вторым вкощом мультиплексора, третей вход. которого подключен к выходу первого регистра. Источники информацяв, принятые во внимание при экспертизе 1. Голд Б., Рабинер Л. Теория и гфименение цифровой сигналов. М., Мир, 1978. 2. Авторское свидетельство СССР № 636616, кл. Q Об F 15/36, 1876 (гфототнп).