Цифровой фильтр Советский патент 1982 года по МПК H03H17/06 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов.

Известен цифровой фильтр, содержащий два блока циклической памяти, своими выходами соединенные с входами умножителя, выход которого соединен с входом .накапливающего сумматора, подключенного к выходной шине фильтра. Вычисление отсчета выходного процесса в этом устройстве производится последовательным считыванием из блоков циклической памяти кодов выборок входного процесса и коэффициентов фильтра,которые на умножителе перемножаются. Промежуточные произведения накапливаются в сумматоре. В конце N-ro цикла вычислений с выхода сумматора снимается отсчет выходного процесса. Время вычисления отсчета равно t Nt

где tuM время вычисления произведения

ясления I двух чисел 1 .

Недостатком известного устройства, а также устройств, в которых произведение вычисляется на небольшом числе умножителей, является то, что для вычисления одного отсчета

свертки требуется значительное время, так как умножения выполняются на одном оборудовании, на что затрачивается время, равное

N

t

М

где М и число умножителей.

Число умножений в единицу -време10ни равно Н/Т, где Т период дискретизации входного процесса.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство цифровой фильтрации, фильтрация сигналов в котором

15 при нечетном N выполняется в соответствии с формулой

уЫ,ЁЧД)(п. + х„.2,) + Ид,Хн-м,

где h - коэффициенты импульсной

20 характеристики цифрового Фильтра с .линейной фазой;

м - Ы .

Iri я

N - порядок фильтра.

25 Это устройство содержит блок памяти коэффициентов импульсной характеристики h(i), первый вход которого является входом записи массива чисел h(i), второй вход и выход соединены с выходом адресного счетчика и входом первого регистра соответственно, выход первого регистра соединен с первым входом устройства умножения, соединенного своим выходом с входом накапливающего сумматора , выход которого подключен к входу цифро-аналогового преобразователя, второй вход устройства умножения подключен к выходу сумматора , первый и второй вход которого соединены с выходами второго и трет его регистров соответственно/ первый и второй блоки памяти входных отсчетов, первыми входами соединенные с вторым и третьим адресными счетчикс1ми соответственно, а вторыми входами - с выходами четвертого и пятого регистра и первым входом четвертого регистра, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти входных отсчетов, первый вход третьего регистра является входом фильтра, а второй вход треть его регистра и вход второго регистр соединены с выходами второго и первого блоков памяти входных отсчетов соответственно 2 .. Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, связа ное с непроизводительной затратой времени на выполнение сдвига масси ва входных отсчетов и большим колич ством умножений в единицу времени, необходимых для формирования отсчета выходного сигнала. Цель изобретения - повьпиение, быс родействия цифрового фильтра. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фильтр, содержащий блок памяти, первый вход кото pofo является информационным входом фильтра, умножитель, выход которого соединен с входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом фильтра,блок памяти коэффициентов, первый выход которого подключен к первому входу умножителя, первый счетчик, вход которого подключен к выходу переполнения второг счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом генератора пачек импульса, вход которого является входом запуска фильтра, введены пер вый и второй мультиплексоры, сумматор, блок сравнения и блок ранжировайия, содержащий первый и второй сч|8тчики, регистр, элемент ИЛИ и элемент и, выход которого соединен с входом первого счетчика и блока ранжирования, выход которого подключен к первому входу блока памяти коэффициентов, второй выход которог соединен с первым входом сумматора, выход которого подкл эчен к второму входу блока памяти, выход которого соединен с первым входом первого мультиплексора, выход которого подключен к второму входу умножител выход элемента ИЛИ блока ранжирования соединен с первым входом элемента И блока ранжирования, второй вход которого объединен с входом второго счетчика блока ранжирования и является входом синхронизации цифрового фильтра, выход второго счетчика блока ранжирования соединен с входом первой группы регистра, входы второй группы которого соединены с соответственными входами элемента ИЛИ и являются входами задания коэффициентов фильтра, выход регистра подключен к управляющему входу генератора пачек импульсов, первому входу второго мультиплексора и первому входу блока сравнения, выход которого соединен с входом второго счетчика, третьим входом блока памяти и вторым входом первого мультиплексора, третий вход которого является информационным входом фильтра, выход второго счетчика подключен к второму входу блока сравнения и второму входу второго мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом блока памяти коэффициентов, причем выходпервого счетчика подключен к второму входу сумматора. На фиг. 1 приведена функциональ- схема устройства; на фиг. 2 то же, блока ранжирования. Устройство содержит вход 1 фильтра, блок 2 памяти (входных отсчетов), первый мультиплексор 3, умножитель 4, выход 5 фильтра, сумматор б, первый счетчик 7, блок 8 памяти коэффициентов, второй мультиплексор 9, блок 10 ранжирования, генератор 11 пачек импульсов, блок 12 сравнения, второй счетчик 13, вход 14 запуска, вход 15 синхронизации, вход 16 записи коэффициентов фильтра, накапливающий сумматор 17. Блок ранжирования содержит два счетчика 18 и 19, элемент И 20, элемент ИЛИ 21 и регистр 22. Цифровой фильтр работает следующим образом. Перед началом фильтрации производится загрузка коэффициентов импульсной характеристики в блок 8 памяти коэффициентов. Максимальная длина загружаемой импульсной характеристики равна N+1, где N равно целой степени числа 2. коэффициенты h; поступают на вход 16 записи коэффициентов фильтра последовательно во времени, начиная с коэффициента h и кончая коэффициентом HO. Каждый коэффициент сопровождается импульсом синхронизации, поступающим на вход 15 синхронизации. Блок 10 ранжирования организует запись в блок 8 только таких отсчетов h, которые не равны нулю, последние записываются в блок 8 подряд по адресам, поступающим с адресного выхода блока 10 ранжирования через мультиплексор 9 на адресный вход блока 8, причем отсчет Ьц записывается по нулевому адресу. В блоке 10 ранжирования формируется для каждого отсчета hj его индексный номер а, который записывается вместе с соответствующим коэффициентом h; в блок 8. С этой целью каждое слово блока 8 разбито на два поля. В поле, соответствующем первому выходу блока 8, записывается индексный номер , а соответствующий коэффициент h,- - в поле, соответствующем второму выходу блока 8. При этом, m коэффициентов Ь , 1 , , ... , h(j, не равных нулю, имеют следующие индексные номера: а((0, а,2 7 t 3(. Такое формировани индексного номера производится путем подсчета по модулю N N+1 импульсов синхронизации, сопровождающих N+1 коэффициентов h; .Число импульсов си хронизации, поступающих на вход 15 синхронизации, всегда равно N+1. Если длина характеристики фильтра меньше максимальной, например на k отсчетов, то первый не равный нул отсчет Ьц.|; h и его индексный номер k будет записан по нулевом адресу в блоке 8. Далее процедура загрузки блока 8 аналогична случаю максимальной характеристики, имеющей N+1 отсчет. После окончания загрузки коэффициентов в блоке 8 записываются m отсчетов , hjj , (т значения которых не равны нулю, вме те со своими индексньоми номерами. Пр этом на адресном выходе блока 10 ран ж1 Грования формируется код, равный т-1. Этот код является управлякяцим для генератора 11 пачек импульсов и настраивает его на формирование пачки из m импульсов после запуска, .одновременно, в процессе фильтрации он сравнивается на блоке 12 сравнения с текущим значением кода на выходе счетчика 13. Когда на выходе счетчика 13 устанавливается код, равный т-1, что соответствует т-ому состоянию счетчика, на выходе блока сравнения появляется сигнгш, разрешающий сброс счетчика 13 при поступлении .на его счетный вход очередного импульса. При этом на выходе переноса счетчика 13 появляется импульс. Таким образом, в процессе фильтрации счетчик 13 работает по модулю т. Процесс фильтрации заключается в вычислении отсчетов свертки у(п) по формуле п Vi,Xp.Ih,Kf,.,, . . , i.2 Mm-i 0 где п - текущий номер выходного отсчета; hj - коэффициенты импульсной характеристики фильтра; . Xj, - входные отсчеты сигнала; i ,i ,f номера коэффициентов h , m-i о не равных нулю. Дпя вычисления каждого отсчета у(п) фильтр производит m операций вычисления частных произведений вида ™ операций cy 1миpoвaния. В режиме фильтрации на вход 1 фильтра с интервалом дискретизации 4 поступают отсчеты х, х, .., х. Каждый отсчет сопровождается импульсом, поступающим на вход 14 запуска. К моменту поступления каждого входного отсчета в сумматоре 17 накапливается сумма т-1 произведений li. пмк npvi ЭТОМ счетчик 13 находится в состоянии т-1. Поступление отсчета х р на шину входа 1 фильтра сопровождается запуском генератора 11 пачек импульсов. Первый тактовый импульс пачки переводит счетчик 13 в m состояние, и код на его выходе становится равным т-1 и через мультиплексор 9 поступает на адресный вход блока 8 памяти коэффициентов, По адресу, указанному счетчиком 13, производится считывание отсчета hj, и его индексного номера из блока 8, Считанный отсчет h поступает на второй вход умножителя 4. Одновременно блок 12 сравнения выделяет m состояние счетчика и формирует на своем выходе сигнал, который переводит блок 2 памяти входных отсчетов в режим записи и подключает через мультиплексор 3 шину входа 1 фильтра к умножителю 4. Поступивший входной . отсчет Xf, загружается в блок 2 памяти входных отсчетов по адресу, сформированному на выходе N-разрядного комбинационного сумматора 6, который вычисляет сумму кода А, поступгиощего с выхода счетчика 7 и индексного номера ад. Так как , то загрузка отсчета х производится по адресу Af,. Одновременно отсчет х,, через мультиплексор 3 поступает на первый вход умножителя 4, на второй вход которого поступает отсчет h, из блока 8. в умножителе 4 вычисляется произведение hpX,, которое затем суммируется сумг атором 17 с накопленной .суммой т-1 произведений вида . Таким образом, в конце такта, выделяемого блоком сравнения 12, на выходе 5 фильтра формируется выходной отсчет уп. При поступлении второго тактового импульса на кодовом выходе счетчика 13 формируется код, равный нулю, а на выходе переполнения появляется сигнал, поступающий на счетный вход счетчика 7, на выходе, которого формируется код А п( , при этом блок 2 памяти входных отсчетов переводится в режим считывания, а его выход через мультиплексор 3 подктаочается к умножителю 4. Отсчеты h,, и х„. 4-1 / счиэганные из блока 8 памяти коэффициентов и б ка 2 памяти входных отсчетов, посту пают в умножитель 4, где вычисляется произведение П П -h; X 1. (J 4 м При этом на выходе накапливающего сумматора 17 формируется частная сумма Sj 5,П,. Адрес для отсчета Х|,. 4 формируе ся на выходе cyM.iaTopa 6 в виде (Af,+l+aj ) mod N. На третьем такте аналогичным образом вычисляются произведение к частн сумма m такте в сумматоре 17 формир ется частная сумма S. Sm-2+ mf П поступлении отсчета Хр,.-) шину вх да 1 фильтра в умножителе 4 производится вычисление произведения последующим сложением с на копленной суммой Sfn-,. В результате на выходе 5 фильтра формируется выходной отсчет Уп4 Yfji-i гп 5 1- +hoXn4. Одновременно поступивший отсчет Хп. записывается в блок 2 памяти, входны отсчетов на место отсчета поступившего на вход фильтра на N интервсшов дискретизации раньше. Ад загрузки отсчета х равен (A +l+ac,)mod N(A.) modN,a|,0. Действительно, поступающие отсчеты загружаются в блок 2 памяти входны отсчетов в следующем порядке: XQ по адресу (А) mod N, х - по адресу (А -I- 1 ) mo,d N, . . . , xN по адресу ()modN, по адресу (А+1 )mo {A+1)modN. Таким образом,, входной отсчет Xf, поступивший в конце отсчета х. При этом на выходе фил ра в случае характеристики длиной N+1 сформируется экстемальный отсч YN , hi, +.--fXyh(,. Если характеристики короче максима ной на k отсчетов, то экстремальны является отсчет Таким образом, процесс вычислен очередного значения свертки ур складывается из следующих операций сдвига на единицу .массива входных .отсчетов. X г, относительно массива коэффициентов , производимого в начале вычисления выходного отсчет Ун путем увеличения на единицу соД жимого счетчика 7, вычисления взвешенной суммы входных отсчетов х с неравными нулю коэффициентами. При этом отсчеты х, выбираются Из блока 2 памяти входных отсчетов с помощью индексных номеров а;, , которые указывают относительно кода на выходе счетчика 7 отсчеты х,,, соответствующие коэффициентам h . В конце вычисления отсчета уц производится загрузка очередного отсчета на место отсчета Х(,.у. При этом загрузка и вычисление с накоплением произведения х hg совмещены во времениБлок 10 ранжирования работает следующим образом. Перед началом загрузки блока 8 памяти коэффициентов триггеры счетчиков 18 и 19 устанавливаются в единичное состояние. Коэффициенты h,; поступают на вход 16 записи коэффициентов фильтра, а соответствующие синхронизирующие импульсы - на вход 15 синхронизации. Коэффициенты h поступают На вход, начиная со старших номеров. Число синхроимпульсов всегда равно N+1. Если длина характеристики фильтра на k отсчетов меньше максимальной, то первый не равный нулю коэффициент имеет номер hf(.)i и сопровождается k-ым по счету синхроимпульсом. Если поступивший коэффициент h не равен нулю, то на выходе элемента ИЛИ 21 формируется сигнал разрешения, и соответствующий синхроимпульс проходит через элемент И 20 на счетный вход счетчика 19i Выделенный таким образом коэффициент h;записывается в регистр 22 вместе со своим индексным номером. Индексный номер формируется на выходе счетчика 18, работающего по модулю N, путем подсчета числа поступивших синхроиглпульсов. В блоке 8 памяти коэффициентов записываются подряд в порядке поступления с выхода регистра 22 не равные нулю коэффициенты h;. со своими индексными номерами. Адрес записи указывается в содержимом счетчика 19. Таким образом, неравные нулю m коэффициентов h,-, h,2, . . . , h(m., с соответствующими индексными номерами 11 a;,im-i . а 0 записывается в блоке 8 памяти коэффициентов по адресам А,,(0, 1, ..., . Таким образом, в предлагаемом устройстве затраты времени на вычисление каждого у{п) определяются не длиной характеристики фильтра, а числом m ее нулевых коэффициентов h; . Время вычисления у(п) в предлагаемом устройстве равно t m (t + + Чзу где m - число нр нулевых коэффициентовtijM 5. tjj, - время вьлполнения оперещий умноженя, суммирования и обращения к памяти соответстве но. Время вычисления у(п) в прототипе равно t 7 tijM+tj) +Nto,y, где N - длина характеристики. Сравнение вычислительных затрат известного и предлагаемого устройств показывает, что, например при т j быстродействие предлагасгмого устройства выше. Кроме того, в отли.чие от прототипа предлагаемое устрой ство может работать как с симметрич ной, так и с несимметричной импульсной характеристиками. Формула изобретения Цифровой фильтр, содержащий блок памяти, первый вход которого являет ся информационным входом фильтра, умножитель, выход которого соединён с входом накапливак1щего сумматора, выход которого является выходом фильтра, блок памяти коэффициентов, первый выход которого подключен к первому входу умножителя, первый счетчик, вход которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом генератора пачек импульса, вход которого является входом запуска фильтра, отличающийся тем, что,с целью повьшения быстродействия, в него введены первый и второй мультиплексоры, сумматор, блок сравнения и блок ранжирования, содержащий первый и второй счетчики, регистр, элемент ИЛИ и элемент И, выход которого соединен с входом первого счетчика блока ранжирования, выход которого подключен к первому входу блока памяти: коэффициентов, второй выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен к второму входу блока памяти, выход которого соединен с первым входом первого мультиплексора, выход которого подключен к второму входу умножителя, выход элемента ИЛИ блока ранжирования соединен с первым входом элемента И блока ранжирования, второй вход которого объединен с входом второго счетчика блока ранжирования и является входом синхронизации цифрового фильтра, выход второго счетчика блока ранжирования соединен с входом первой группы регистра, входы второй группы которого соединены с соответственными входси о1 элемента ИЛИ и являются входами задания коэффициентов фильтра, выход регистра подключен к управляюс;ему входу генератора пачек импульсов, первому входу второго мультиплексора и первому входу блока сравнения, выход которого соединен с входом второго счетчика, третьим входом блока памяти и вторым входом первого мультиплексора, третий вход которого является информационным входом фильтра, выход второго счетчика подключен к второму входу блока сравнения и второму входу второго мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом блока памяти коэффициентов, причем выход первого счетчика подключен к второму входу сумматора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработ }} . налов, М., Мир, 1978, с. 601. 2.Авторское свидетельство СССР 636616, кл. G 06 F 15/34, 1976 (прототип).

t/f.i

UZ