Устройство для цифровой фильтрации на основе дискретного преобразования фурье

СОВЕТСКИ СОЦИАЛИСТИЧЕСРЕСПУБЛИК 06 Е 1 э/353 15/332 АВТОРСКО ТьО л Ф.1 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений и Центральноеконструкторское бюро Протон"(56) Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах, под ред. Б.Ф,Высоцкого, М.; Радио исвязь, 1984, с, 18, 22-25,Авторское свидетельство СССРйг 840992, кл. 6 Об Е 15/332, 1979. Изобретение относится к цифровой обработке сигналов, в частности цифровой фильтрации, основанной на использовании дискретного преобразования Фурье (ДПФ), и может быть использовано в цифровых радиоприемных устройствах для решения задач распознавания сигналов, при оценивании параметров сигнала, при выделении полезных сигналов на фоне помех,Известно устройство цифровой фильтрации, содержащее формирователь квадратур, аналого-цифровые преобразователи и схему коррекции искажений, вызванных не- идеальностьо формирователя квадратур. Формирователь квадратур состоит из набора фильтров промежуточной частоты, подключенных через коммутатор к сигнальным . входам двух фазовых детекторов, на выхо.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ НА ОСНОВЕ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ(57) Изобретение относится к цифровой обработке сигналов и может быть использовано в цифровых радиоприемных комплексах. Целью изобретения является повышение точности фильтрации, Это достигается введением цифрового квадратурного детектора, обеспечивающего высокоточное4одновременное формирование квадратурных отсчетов, группы полосовых фильтров, осуществляющих предварительную фильтрацию сигналов, и дециматора отсчетов, позволяющего снизить частоту поступления отсчетов на блок БПФ при переключении полосовЬх фильтров. 2 табл 5 ил,дах которых подключены фильтры нижних частот(ФНЧ), В качестве опорных напряжений для фазовых детекторов используются сдвинутые по фазе на г/2 гармонические колебания частоты, равной средней частоте полосы частот входного сигнала. На выходах ФНЧ выделяются синфдзная и квэдратурная составляющие комплексной огибающей входного сигнала, из которых с помощью аналого-цифровых п реобразователей(АЦП) формируются последовательности цифровых отсчетов. Из-за нелинейности, разноканальности по наклону амплитудных характеристик, а также из-за отклонения разности фаз квадратурных составляющих ото/2 на выходе формирователя квадратур возникают ложные сигналы, что ограничиваег динамический диалазон.1795475 дР едактор Т,Иванова Корректор М.Андрушенк Гагарина,роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород каз 432 ВНИИПИ Госуда а ф Составитель В.БалабановТехред М.Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/55 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фильтруемого сигнала. Для увеличения динамического диапазона фильтруемых сигналов осуществляется цифровая коррекцияамплитудных и фазовых искажений, Дляэтого в ОЗУ перекодировки и в ОЗУ фазового множителя, входящих в состав схемы коррекции, записываются соответственнокорректирующая функция и фазовый множитель.Недостатки известного устройстваобусловлены переносом спектра входногосигнала на нулевую частоту в аналоговойчасти устройства, что приводит к увеличению искажений за счет дрейфа нуля, нелинейных эффектов и к росту уровня шумов.Кроме того. в процессе эксплуатации устройства из-эа дестабилизирующих факторов (изменения температуры, питающихнапряжений) записанные заранее значения, корректирующей функции и фазового множителя не обеспечат полной коррекции возникающих разбалансов. Все это приводит кограничению динамического диапазонафильтруемОго сигнала и снижает точностьцифровой фильтрации.Прототипом заявляемого устройства является устройство цифровой фильтрации наоснове ДПФ, которое содержит генератортестового сигнала, переключатель, аналоговый формирователь квадратур, включающий два смесителя, гетеродин и фазовращатель на к/2, корректирующее устройство, содержащее исполнительный элемент ввиде четырех умножителей и двух сумматоров и преобразователь в виде четырех ключей, чегырех регистров и четырехсумматоров, коммутатор. умножитель комплексных чисел, блок памяти, процессорБПФ и цифровой детектор. Возникающие вквадратурных. каналах раэбалансы подвергаются коррекции. В качестве датчика разбалансов попутно с основным назначениемиспользуется процессор БПФ, сигналы навыходе которого служат исходным материалом, из которого преобразователь корректирующего устройства формируеткорректирующие множители для умножителей исполнительного элемента,В режиме коррекции входы смесителейс помощью переключателя отключаются отвхода устройства и соединяются с выходомгенератора гармонического тестового сигнала известной частоты сЪ + Лсои амплитуды Ао; После преобразования в смесителяхи АЦП тестовые сигналы в квадратурныхканалах имеют вид дискретизации следующих выражений;Хф) = Аосоэ(Лил+ Ъ),Уо(т) = Ао(1+ да) эп(Лсо С +ср +д р)(1) где да и др- амплитудный и фазовый разбалансы в квадратурных каналах.уЪ - начальная фаза тестового сигнала.Исполнительный элемент пропускает тестовый сигнал без искажений на вход коммутатора. При установленных единичных коэффициентах, поступающих с выхода блока памяти, умножитель комплексных чисел и процессор БПФ реализуют алгоритм ЬПФ комплексной выборки (1). В п реобразовате-. ле из действительной и мнимой частей комплексного сигнала (1) выделя ются компоненты на частоте Лй) и формируются корректирующие множители йе Ех, 1 гп Гу,ВеЕу, 1 РЕх, где Гх = Аое 1 фо. Еу = -уАо(1+ да) 1(, +оу)В рабочем режиме входы смесителей подключаются к входу устройства. Квадратурные составляющие после коррекции в исполнительном элементе имеют виддискретизации следующих выражений: хф) = х(т) ЙеЕу - у(т) й е Ех,ук(1) = у(1)1 ПЗ г х - х ( т )пз Еу (2)3Режим коррекции проводится периодически с частотой, за период которой амплитудно-фазовые разбалансы меняютсянезначительно (обычно от единиц до сотенсекунд). Результатом коррекции являетсяотсутствие амплитудно-фазовых раэбалансов квадратурных каналов и как следствие,подавление зеркальных гармоник в спектресигнала, что позволяет увеличить точностьцифровой фильтрации и расширить динамический диапазон устройства.Прототип обладает следующими недостатками,1. Ограниченным динамическим диапазоном, что обусловлено формированиемкомплексного колебания о(т) = хо(т) + 1 уо(с) ипереносом его спектра на нулевую частотуаналоговым методом - с помощью двухканального синхронного детектирования. Приэтом в спектре гф) присутствуют спектральные составляющие, вызванные дрейфом нуля, низкочастотными шумами аналоговыхэлементов, а также нелинейными продуктами смесителей, попадающими в полосу частот преобразованного колебания. Если Опарсуммарный уровень параэитного сигнала вго(т), то динамический диапазон устройстваО = 2019(АоИпар) ограничен за счет Опар2. Недостаточной помехоустойчивостьюфильтрации при обработке сигналов разного вида с различной полосой. что обусловлено отсутствием на входе смесителей набораполосовых фильтров, ограничивающих по- разбаланса вадратурных каналов, что обуслосу частот обрабатываемого сигнала. Из- ловлено необходимостью оперированияза нелинейных эффектов смесителей привоздействии на них даже неперекрываю- вместо го(1) с комплексным колебанием ,(1)щих по полосе частот совокупности сигна - х + )ук(1). разрядность представлениялов и помех могут образовываться слагаемых которого и по отношению к разинтермодуляционные помехи, попадающие Рядности представления слагаемых го(с) гвх,в полосу полезного сигнала, которые не мо- как показано в (4), составляет гк = гвх+3.гут быть отфильтрованы последующей про- Целью изобретения является повышецедурой БПФ. ние точности фильтрации; увеличение поме, Необходимостью наращивания про- хоустойчивости устройства и обеспечениеизводительности Ч 6 процессора БПФ при Режима реального масштаба времени.повышении точности цифровой фильтрации Это достигается тем, что в устройствоувеличении разрешающей способности для цифровой фильтрации на основе дискцифрового спектрального анализа). что 15 ретного преобразования Фурье, содержаобусловлено следующей взаимосвязью, вы- щее переключатель, аналого-цифровойРажаемой формульной зависимостью преобразователь, умножитель комплексныхчисел, блок памяти, блок быстрого преобрапьпв К зования Фурье и цифровой детектор, и рибо =- 09 г К ,Оп/с), (3)20 чем вход задания . коэффициентовумножителя комплексных чисел подкгпоченгде Те - длительность выборки интервал к выходу блока памяти, а выходы умножитенаблюдения); ля комплексных чисел подключены ко вхоК - число отсчетов в выборке; дам блока БПФ, выходы которогог - основаниеалгоритма; 25 подключены ко входам цифрового детектопьюэ - число БПФ (в простейшем случае Ра, выход которого является выходом устпьпэ =1). ройства, согласно предлагаемомуС учетом, что Тв = К/1, где 1 д - частота устройству, введейы набор аналогсвых подискретизации, выражение (3) преобразует- лосовых фильтров, цифровой квадратурныйся к виду 30 детектор ЦКЛ), дециматор отсчетов, шифратор и генератор тактовых частот, причемЧ . 9первая группа контактов переключателяЧбо- -Ояг К оп/с) (4)) объединена и подключена ко входу устройства, вторая и третья группы контактов подувеличение разрешающей способности 35 ключены соответственно ко входу и выходуцифрового спектрального анализа эквива- каждого из полосовых фильтров вхоДЯЩихлентно уменьшению полосы частоткаж внабор,четвертаягруппаконтактовобьедидого из фильтров гребенки БПФ, Поскольку нена и подключена к информационному вхоЮ 1/Тв = 1 ц/К и увеличение разрешающей дУАПЦ, выход которого подключен ка входуспособности сопряжено с ростом К, то при 40 ЦКД первый и второй выходы ЦКД подклю 9 = сопзт производительность Ч 6 должна чены к пеРвому и второму входам дециматоРасти пропорционально о 9 Л при условии Ра отсчетов, первый и второй выходыфункционирования устройства в реальном котоРого подключены соответственно к пермасштабе времени. В практической ситуа- вому и второму входам умножителя компции производительность Чбо ограничена. 45 лексных чисел, третий вход дециматораПоэтому существует предельное значение отстветов подключен к выходу шифратора,ЬЬред, при котором в устройстве еще обес- входы которого подключены к шестой группечивается режим реального масштаба вре- пе ко"тактов переключателя, пятая группамени, что соответствует. ограничению контактов которого обьединена и имеет гяточности фильтрации 50 тенциал логического нуля, тактовые входы4. Невозможностью непрерывной циф АЦП, ЦКД и дециматора отсчетов подключеровой фильтрации поступающих колебаний ны к пеРвому выходу генератора тактовыхв реальном масштабе времени, что обуслов- частот, второй выход которого подключен клено необходимостью периодически пере- тактовому входу блока БПФ, синхронизируключать устройство из основного режима 55 ющий выход дециматора отсчетов подклю- .фильтрации во вспомогательный режим чен к соответствующим входам умножителякоррекции. комплексных чисел, блока памяти, блока5. Усложнением спецпроцессора гСП) БПФ и цифрового детектора,БПФ при введении процедуры коррекци На фиг. 1 представлена структура устроиства; на фиг. 2 - один из возможныхвариантов структуры ЦКД; на фиг. 3 - вариант построения дециматора отс .етов.Устройство (фиг, 1) содержит перак 1 очатель 1, группу аналоговьх фильтров 2, аналого-цифровой преобразователь 3, цифровой квадратурый детектор 4, дециматор отсчетов 5, уюожитель комплексных чисел 6, блок хранения коэффициентов 7, блок быстрого преобразования Фурье 8, цифровой детектор 9, шифратор 10, генератор тактовых частот 11, первый 12 (фиг. 2), второй 13, третий 14, четвертый 15, пятый 16 и шестой 17 регистры сдвига, первый 18, второй 19, третий 20 и четвертый 21 сумматоры, первый 22 и второй 23 коммутаторы, первый 24 и второй 25 формирователи знака, счетчик- делитель 26, элемент ИСКЛ 101 АЮЩЕЕ ИЛИ 27, гервый 28 (фиг. 3) и второй 29 . регистры, реверсиинцй счеэ гик импульсов30, усилитель-инвертор 31, аналоговый вход 32(фиг, 1) устройства, первая группа контактов 33 переклюателя 1 а, вторая группа контактов 34 и 35 переклочателя 1 а, третья группа контактов 36 и 37 переключателя 1 б, четвертая группа контактаз 38 пере.лючателя 1 б, пятая 39 и шестая 40 и 41 группы контактов перекгпочателя 1 в, вход 42 ЦКД, первый 43 и второй 44 выход:ЦКД, третий вход 45 дециматора отсчетов, первый 46 и второй 47 выходы дециматора отсчетов, вход задания коэффициентов умножителя комплексных чисел 48, первый 49 и второй 50 вьходь умноякителя комплексных чисел, первый 51 и второй 52 выходы блока БПФ.выход 53 устройства, тактовый вход 54 ЦКД, тактовьй вход 55,г ециматора отсчетов, синхронизируощий выход 56 дециматора отсчетов, выходы второго 57 (фиг, 2), третьего 58, четвертого 59 и шестого 60 регистров сдвига, первый 61 и второй 62 выходы счетчика-делителя, выход 63 схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.После прохождения соответствуощегополосового фильтра нз набора 2 сигнал на входе АЦП 3 может быть представлен в следующем виде:х(1) = А(1)соэГоэо 1 - у(1 == Ас(1)соз оь 1+ А:(1)з 1 п гэо 1, (5)где А,(1) =- А(1) Соэ рфАв(1) = А(1)33 П О (1);А(1) - амплитуда сигнала;ф 1) - фаэа Сигнала;ао - центральная круговая частота;1 - текущее время;А(1) - сиусная ксадратурная составляющая; Ас(1) - косинусная квадратурная составляющая.В соответствии с теоремой Когсльникова сигнал (5) может быть представлен диск Ретными отсчетами х (1 л):= х(п), где 1 П . ПД 1,и = 1,2 если выбрать интервал дскретизации из условияЙ 1/ДГ, (6)10где Д Г - полоса частот, занимаемая сигналом х(1).Цифровые алгоритмы вычислеия квадратурных составляющих сигнала А.;(и) и А(п) 15 и структура цифрового квадратурного детектора известны, Если выбрать интервал дискретизации из условияД 1 =л/2 во, (7)20то по семи текущим отсчетам сигнала х(п), х(п), х(п), х(п-З), х(п), х(п), х(п) можно вычислить преобразованный по Гильберту отсчет сигала, отнесенный к мо 25 менту времени (и) по формуле 2 г-(и) = 1,125(х(п) - х(п++ 0,125 х(п) - х(п (8)В четные такты и =- 2 т, и = 0,1,2., зна чения квадратурных составляющих вцчисля ютсяАс(2 пэ) = (-1) х(2 пэ);А(2 пэ) = (-1) хг(2 го) (9) 35 В нечетнь,е такты при и =- 2 гэ+1, и =0,1,2, значения квадратурных составляющих вычисляются в видеАс(2 гп+1) =- (-1)хг (2 пть 1),40 А(2 гп+1) =- (-1) х(2 гп 1) (10)Таким образом. при выборе и терваладискретизации в соотгетствии сыра;:ением (7) нахождение синусной и косиусной квадратурных составляощих сводится к коммутации с соотвеэствуощм зэком согласно выражения(9) и(10) зачений оцифрованных отсчетов сигнала х(п) и вычисленных согласно выражению (8) соот.- ветствующих им по воемени значений преобразованных по Гильберту отсчетов х,(п).При таком способе формирования отсчетов комплексного колебания, когдз квадратурное детектирование, включающее формирование комплексного колебания и перенос его спектра на нулевую частоту, осуществляется одноканальной цифровой схемой, отпадает необходимость во введечии коррекции. Кроме того, спектральные составляьощие, вызванные дрейфом нуля инизкочастотными шумами аналоговых элементов, смещаются по частотной оси и не попадают в полосу частот комплексной огибающей Л(с) = Ас(1) + /А(т). Отметим, что кон кретное соотношение для вычисления хг(п) зависит от свойств сигнала х(т) и.требуемой точности преобоазования. Приведенное соотношение (8) обеспечивает точность 0,1 ов относительной полосе частоты +17 и 110 в относительной полосе частот +.30 о , что при соответствующем выборе разрядности АЦП может обеспечить динамический диапазон устройства соответственно 60 и 40 дБ. Причем ошибка преобразования имеет 15 монотонную зависимость от расстройки.Таким образом, благодаря наличию цифрового квадратурного детектора обеспечиваются предпосылки для повышения помехоустойчивости цифровой фильтрации 20 за счет увеличения динамического диапазона устройства и перенесения по частоте в нерабоцую область спектральных компонент паразитного сигнала.Условие (7) выбора интервала дискрети зации является более жесткиМ по сравнению с достаточным условием (6) и, кроме того, оно прямо не связано с полосой частот ЬГ сигнала х(1). Как правило, в реальных устройствах ао = сопз 1, поэтому при умень шении полосы частот ЛР сигнала дискретные отсцеты Ас(п) и А(п), следующие через интервал Й, выбранный из условия (7), из-. бытоцно представляют сигнал х(т). П ри децимации отсчетов - прореживании враз, так 35 что приведенный интервал дискретизации составляет йр = Й, и при выполнении при этом условия (6) для Лтр, точность представления исходного сигнала . х, как известно. не ухудшается. Благодаря введению деци мации отсчетов при ограничении полосы частот входного сигнала за счет подключения соответствующего полосового фильтра из набора 2 создается возможность увеличения точности цифровой фильтрации без на ращивания при этом производительности блока БПФ.В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве число отсцетов в выборке зафиксировано И =сопз, а приведенное значение 50 частоты дискретизации составляет после децимации Гр = ГЛ. Поэтому необходимая производительность процессора БПФ даже уменьшается согласно выражению (4) при одновременном увеличении разрешающей 55 способности цифрового спектрального анализа Л = Ж,р/М.Устройство для цифровой фильтрации на основе ДПФ функционирует следующим образом, В соответствии с видом сигнала у(т), подлежащим фильтрации, выбирается положение переключателя 1 так, чтобы полоса частот, занимаемая сигналом, была в наибольшей степени согласована с полосой пропускания одного из фильтров набора 2.Аналоговый сигнал у со входа устройства 32 через первую 33 и вторую 34, 35 группы контактов переключателя 1 поступает на вход выбранного к-го фильтра из группы 2, Ограниценный по полосе в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой к-го фильтра сигнал х(т) церез третью 36,37 и четверту 1 о 38 группы контактов переключателя 1 поступает на вход АЦПЗ, Одновременно в соответствии с положением переключателя 1 на входе шифратора 10 присутствует позиционный код, согласно которому на выходе шифратора 10 образуется двоицный код, однозначно определяющий коэффициент децимации отсчетов .С помощью АЦПЗ сигнал х(1) представляется кодированньми отсчетами х(пЛ 1), и =- 1,2,.;, следующими через интервал дискретизации Л 1, длительность которого выбрана согласно выражению (7). Соответствующая последовательность импульсов подается на тактовый в 1 од АЦПЗ с первого выхода генератора тактовых частот 11.Последовательность отсчетов х(пЛт) поступает на вход 42 ЦКД 4.Цифровой квадратурный детектор (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый 12, второй 13, третий 14, четвертый 15, пятый 16 и шестой 17 регистры, а также первый 18, второй 19, третий 20 и цетвертый 21 сумматоры, коммутаторы 2 2 и 23, первый 24 и второй 26 формирователи знака, счетчик-делитель 26 и элемент 27, информационный вход первого регистра 12 подключен ко входу 42 ЦКД, а также к первому входу сумматора 19, ко второму входу которого подключен выход 60 регистра 17, выходы 57 регистра 13 и 59 регистра 15 подключены соответственно.к первому. и второму входам сумматора 18, выход которого подключен к первым входам сумматоров 20 и 21, выход сумматора 19 подключен ко второму входу сумматора 20, выход которого подключен ко второму входу сумматора 21, выход 58 регистра 14 подключен к первому входу ксмму-. татора 22 и второму входу коммутатора 23, выход сумматора 21 подключен ко второму входу коммутатора 22 и к первому входу коммутатора 23, выходы коммутаторов 22 и 23 подключены соответственно ко входам формирователя знаков 24 и 25, выходы которых подключены соответственно к выходам 43 и 44, тактовый вход 54 подключен ктактовым входам регистров с 12 по 17 и ктактовому входу счетчика-делителя 26, первый выход 61 которого подключен к тактовым входам коммутаторов 22 и 23 и кпервому входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ 27, второй выход 62 счетчика-делителя26 подкл ючен ко второму входу элемента 27и к упраеляющсму входу формирователязнака 25, а выход 63 алелв та 27 подключенк управляющему входу формирователя знака 24,Рассмотрим установившийся режим ра боты ЦКД 4. 8 регистрах сдвига 12-17 записаны значения шести отсчетов АЦПЗ:.соответственно в регистре 12 - х(п), в ретистре 13 - х(п) и так далее вплоть дорегистра 17 - х(п-б), С учетом текущего выходного значения АЦПЗ х(п) вычисление2 хг(п) в соответствии с Формулой (8) происходит следующим образом. Обозначим; для простоты х(п-т) = х(т), где т - задержка,т= 0,6,Выракение (8) эквивалентно представлению2 хг(3) = х(4) - х(2 Д + 0,125(х(4) - х(2)1 +х(6) - х(03Вычитание отсчетов х(4) - х(2), образуемых на выходах 59 и 57, производится сумматором 18, э вычитание отсчетов х(6) - х(0)образованных нэ выходе 60 и входе 42, производится сумматором 19. В сумматоре 20происходит сложение двух разностей, предста влен н ых в фигурн ых скобках. Передача.вь 1 ходнога значения сумматора 20 на входсумматора 21 производится са сдвигом на 3двоичных разряда, что соответствует умнокению в 2 . С помощью сумматора 21 вы-зчисляется значение 2 хг(3), котороепередается на второй вход коммутатора 22и первый вход коммутатора 23 со сдвигомна один разряд, что соответствует делениюна 2, Одновременно на первый вход коммутатора 22 и второй вход коммутатора 23 свыхода 58 регисгра 14 поступает значениех(3).Потактовый сдвиг значений отсчетовх(п), осуществляется с помощью последовательности ил 1 пульсов частоты 1, поступающих на тактовый вход 54 ЦКД 4. На фиг. 4 апредставлена последовательность импульсов частоты 1, которая поступает на входсчетчика-делителя 26, На первом выходе 61счетчика 26 вырэбагывается меэндр частоты 1/2, представленный нэ фиг. 4 б, ПосЛедовательностью импульсов частоты 1/2,подаваемых на тактовые входы коммутаторов 2 и 23, осуществляется управление прохождением отсчетов х(п) и хг(п) а выходыкоммутаторов.С выходов коммутаторов 22 и 23 соответствующие значения отс стае поступают на входы формирователей знака 24 и 25, Управление работой формирователя 25 осу ществляется меандровай последовательностью частоты /4 - . фиг. 4 в, формируемой на втором выходе 62 счетчика-делителя 26 и поступающей на вход управления форрми- рователя 25.10 Управляющая последовательность дляформирователя знака 24 формируется из последовательностей частоты 1/2 и 1 е/4 с помощью элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 27. Сформированная последовательность 15 (фиг. 4 г) подается с выхода 63 элемента 27на управляющий вход формирователя 24. В соответствии с управляющими последовательностями формирователями знака осуществляется умножение отсчетов на (-1) и 20 (-1)п+ согласно формулам (9) и (10).В табл. 1 представлены текущие значения синфазного Ас и квадратурного отсчетов А на выходах 43 и 44 с учетом последовательностей, представленных на 25 3035405055 фиг, 4 б,в,г, и нумерации импульсов частоты дискретизации для восьми тактов,С первого 43 и второго 44 выходов ЦКД 4 отсчеты А,(п) и А,(п) в темпе, определяемом т,поступают на первый и второй входы децимэтора отсчетов 5 (фиг. 2), Дециматор отсчетов 5 (фиг, 3) содержит перывй 28 и второй 29 регистры, реверси глыи счетчик импульсов 30 и усилитель-инвертар 31, О- входы реверсивного счетчика 30 падключены к третьему входу 45 децимэтара, вХод"-1" счетчика 30 подключен к тактовому входу 55 дециматора, выход рееерсиьного счетчика "0" подключен к своему входу записи, тактовым входам регистров 28 и 29 и входуусилителя-инвертара 31, выход 56 которого подключен к синхронизирующему выходу дециматора, а выходы регистров 28 и 29 подключены к выходам 46 и 47 децимэтора,На входе 45 дециматорэ 5 присутсгвуеткод децимации, поступающий с выхода шифратора 10. На тактовый вход 55 дециматора от генератора тактовых частот 11 поступают импульсы частоты 1. Запись отсчетов А,(п) и А(п) в регистры 28 и 29осуществляется импульсами, вы рабатываемыми на выходе "О" счетчика 30. Эти импульсы образуются, когда число поступивших на вход 55 импульсов частоты 1 я сравняется с числом, соответству ощимкоду децимации, Одновременно этими импульсами каждый раз производится перезапись кода децимации в счетчике 30,Через усилитель-инвертор 31 прореженные импульсы, соответствующие ново 13 1795475му значению частоты дискретизации 1 цр " тц/1, поступают на выход 56 дециматора 5.Прореженные последовательности Ас и А-.(у), где у = 0,1,2 с выходов 46 и 47 дециматора 5 поступают на первый и вто рой входы умножителя комплексных чисел б. Нэ вход 48 задания коэффициентов умно- жителя 6 из блока памяти 7 поступают коэффициенты весовой функции - функции она Оф), В умножителе 6 производится весовая 10 обработка:Ав(У) = Вф) Ас(У) + )Аз(УИ15Взвешенные вещественная АсвЯ = АсЯ В (у) и мнимая АввЯ = А(у) ОIЯ последовательности отсчетов с выходов 49 и 50 умно- жителя б подаются на первый и второй входы блока БПФ 8, Синхронизация работы умножителя б и блока 7 осуществляется с помощью последовательности частоты 1 р, поступающей с выхода 56 дециматора 5 на соответствующие входы синхронизации.Блок БПФ 8 осуществляет в реальном 25 масштабе времени известный алгоритм дискретного преобразования Фурье:И - 1В =, Г А,в (У) +30у=о+3 Авв (у)1ехр ( --у 4),где ф - индекс спектральных компонент, 4= О,И.Для обеспечения функционирования блока БПФ 8 на его тактовый вход от генератора тактовых частот подается тактовая последовэтельн сть импульсов с частотой 1 т 40По окончании вычислений по очередной выборке отсчетов вещественные йеВ и мнимые ЬпВ компоненты спектра попарно с выходов 51 и 52 блока БПФ 8 поступают на входы цифрового детектора 9.В цифровом детекторе 9 вычисляютсякомпоненты спектра мощности согласновыражению;50Вф Вф =(йе Вф) +(пз Вф), (11.)где В, - комплексно-сопряженная компонента спектра, или компоненты амплитуд ного спектра согласно выражению:/ В/= ( йеВ ) + (1 а В ) ф О,й - 1 Вычисленные цифровым детектором значения компонент спектра передаются на выход 53 устройства,Устройство цифровой фильтрации может быть выполнено на современной элементной базе. В качестве группы 2 фильтров целесообразно использовать аналоговые полосовые фильтры, применяемые в радио- приемных устройствах соответствующего диапазона волн. Например, для фильтрации сигналов декаметрового диапазона волн фильтров радиоприемного устройства Р 399 А составляют электромеханичоские фильтры полосой пропускания по уровню - 3 дБ соответственно 10,6,3,1 и 0,3 кГц.АЦПЗ может быть выполнено нэ базе серийно выпускаемых микросхем 6-разрядного быстродействующего АЦП типа 1107 ПВ 1 и 8-разрядного 1107 П 82. В качестве сдвиговь 1 х регистров 12-17 ЦКД 4 (фиг. 2) можно использовать микросхемы 533 ИР 23, 533 ИР 27, 1804 ИР 2. Сумматоры 18-21 можно реализовать на микросхемах арифметическо-логического устройства (АЛУ) типа 533 ИПЗ и схеме ускоренного переноса 533 ИП 4. Поскольку указанные сумматоры выполняют постоянно одну и ту же операцию, код операций жестко задается на управляющие входы АЛУ. Мультиплексоры удобно реализовать на микросхемах типа 533 КП 11, 533 КП 16, Нэ управляющий вход микросхем при этом подается последовательность, показанная на фиг. 4 б,Формирователи знака 24,25 (фиг. 2) можно выполнить на микросхемах АЛУ типа 533 ИПЗ. При этом на входах 0,3-3.0 задается число нуль, а входы 0.1-3.1 подключены к выходам коммутаторов 22,23. На управляющие входы ЯЕ подаются кодовые комбинации, которые образуются из последова-. тельностей, приведенных на фиг, 4 в и 4 г, Тогда на выход АЛУ передается входное число без изменения знака, что соответствует арифметической операции О+В, где В - состояние входа 0.1-3.1, и число с инверсией знака, что соответствует арифметической операцииО-В.Счетчик-делитель 26 может быть выполнен на микросхеме 533 ИЕ 5, а элемент ИСКЛЮЧАОЩЕЕ ИЛИ 27 на микросхеме 533 Л П 5.Регистры 28, 29 дециматора отсчетов (фиг, 3) удобно выполнить на микросхемах типа 533 ИР 23, 533 ИР 27, 1804 ИР 2, з реверсивный счетчик 30 на микросхеме 53 ЗИЕ 7Блок 7(фиг. 1) можно выполнить на мкросхемах ПЗУ, например, 556 РТ 4, 556 РТ 5.556 РТ 7, а умножитель комплексных чисел 6на микросхемах тица 1802 ВРЗ, 1802 ВР 4.С учетом необходимого быстродействияблок БРФ 9 целесообразно выполнить в виде специализированного процессора БПФ,реализованного на "жесткой" логике либона микропроцессорах.Цифровой детектор 9, реализующий вычисленные спектра мощности согласно (11)может быть выполнен на микросхемах умножителя 1802 ВРЗ, 1802 ВР 4 и АЛУ 533 ИПЗ.При реализации детектором 9 выражения(12) умножители и ЛЛУ должны быть дополнены вычислителем квадратного корня. Последний удобно реализовать на базе ПЗУ,Шифратор 10 также может быть реализован на основе ЛЗУ, либо на функциональных элементах ИЛИ,Генератор тактовых частот 11 включаетстабилизированный кварцевым резонато. ром генератор тактовой последовательности частоты 1 г и делитель частоты,формирующий импульсы с частотой следования Хд, и может быть реализован на микросхемах 533 серии.. Таким образом, благодаря совокупности введенных в прототип узлов обеспечи-вается выполнение цели изобретения, Приэтом повышение точности фильтрации обусловлено с одной стороны возможностьюувеличения разрешающей способностиспектрального анализа, что обеспечиваетсявведением дециматора отсчетов и набораполосовых фильтров, с другой стороны повышением помехоустойчивости, т.е. снижением уровня ложных сигналов ванализируемой полосе частот, что обеспечивается заменой аналогового формирователя квадратур цифровым квадратурнымдетектором и также введением набора полосовых фильтров,Замена аналогового формирователяквадратур, при использовании которого необходим режим коррекции, позволяет реа,лизовать в заявляемом устройственепрерывный режим реального масштабавремени, а также отказаться от повышенных требований к блоку БПФ в части разрядности представления чисел.В Центральном конструкторском бюро"Протон" реализован макет устройства цифровой фильтрации с использованием набора пол осовых фильтров серийновыпускаемого радиоприемного устройстваРА с полосами частот ЛФ: 10, 6, 3, 1 и0,3 кГц, Прямоугольность аглплитудно-частотной характеристики фильтров по уровнюминус 50 дБ сосгазляла не менее 3. Значение последней промчастоты 1, = 15 кГц, поэтому в соответствии с (7) 1 = 60 кГц, 30 На фиг, 5 б показан /ВЩ/ на выходе АЦП после дискретизации 1 д = 60 кГц. Характерно появление инверсных отображений, В результате квадратурного детектирования основное отображение смещается на нулевую частоту и исчезают инверсные отобра жения, что представлено на фиг. 5 в. Приэтом низкочастотные составляющие шумов аналогового происхождения В пар смещаются в нерабочую область частот, что показано на фиг, 5 в.На фиг. 5 а представлены отображения/ВЯ/ при полосе фильтра ЬФ = 3 кГц, а на фиг, 5 д - положение отображений после децимации с коэффициентом децимации= 3.50Так как спектры отображений после децимации не перекрываются; то в результате процедуры децимации искажения в спектре анализируемого сигнала не возникают.Если характеризовать помехоустойчивость динамическим диапазоном представления компонент спектра, то в прототипе 0определяется идентичностью квадратурныхканалов. Как следует иэ табл. 1,3, для достижения О = 40 дБ отклонение амплитудных характеристик от идеальных не должно пре 5 10 15 20 25 Процедура цифрового спектрального анализа выполнялась на спецпроцессоре ДП 0, в котором при Ь - 512 и Ь = 4,8 МГц был обеспечен режим обработки в реальном масштабе времени. В табл. 2 представлена взаимосвязь параметров в устройстве цифровой фильтрации и необходимая производительность, рассчитанная по формуле (4) при г = 2. В последней колонке приведены требуемые значения производительности блока БПФ в прототипе при реализации спектрального анализа с повышенной точностью,Данные табл. 2 показывают, что при использованной группе полосовых фильтров и выбранных коэффициентах децимации точность фильтрации может быть повь.шена в 30 раэ без увеличения производительности процессора БПФ. Повышение точности фильтрации в прототипе сопряжено с необходимостью увеличения размерности выборки М (до 30 раз), усложнения узлов блока БПФ и наращивания его производительности в 1,5 раза,На фиг. 5 в качестве иллюстрации показано влияние процедуры децимации на расположение модуля основного спектра /В(т)/ и его отображений на оси частот. На фиг. 5 а представлен условный спектр сигнала с учетом прямоугольностй полосового фильтра ЬФ = 10 кГц, присутствующий на входе АЦП,1 ч 1795475 Таким образом, в предложенном устрсйстое цифровой фильтрации нэ сснсое ДПФ по сраоеию с прототипом обеспечивается повышение точности фильтрации без 5 уоеличсния при этом производительностипроцессора, что позволяет реализовать режим фильтрации и реальном масштабе времени, а также повышается помехоустойчиоост ь.10 Ф ормула изобретения 15 Устройство для цифровой фильтрации.на основе дискретного преобразования Фурье, содержащее переключатель, аналого-цифровой пр зсбразоиэтель, умножителькоиплексных чисел, блок хранения козффпциентоо, блок быстрого преобразования Фурье и цифровой детектор, причем вход зэдэия козффицисчтоо умножителя комп лексных чисел подключен к выходу блокахранения коэффициентов, а выходы умно жителя комплексных чисел подключены к входам блока быстрого преобразования Фурье, оыходь которого подключены к входам цифрового детектора, выход которого являетсявьходом устрой тва, о т л и ч а ю щ е е с я тсм, что, с целью повышенияточости фильтрации, в него введены группа аналоговых полосооых фильтроо, цифровой квэдрэтурный дегектор, дециматор отсчетов, шифратор и генератор тактовых 35 частот, причем первая группа контактов переключаталя подианена к входу устройства, вторая и третья группы контактов подключены соответственно к входу и выходу каждого из аналоговых полссооых филь тров группы, четвертая группа контактов годклсцена к информационному входу энаТаблица 1 хо оышать 1, а разость фаз не должка превышать , Даже с учетом введенной в протсгиие коррекции такой идентичности трудно добиться о полосе частот. В предложенном устройстве осуществляется высоко- очное формирование коадратурных состэоллощих и динамический диапазон ограничивается разрядностью используемого АЦП д 1.эцример, для 8-разрядного АЦП .О =бБ =-48 дЬ,лого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу циФрового квадратурного детектора, первый и второй выходы цифрового квадратурного детектора подключены соотоетстоено к первому и . второму инФормационны м входэц дециматорэ отсчетов, первый и оторой информационные выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам операндсь уможителя комплексных чисел. третий информационный вход децимэтора отсчетов подключен к выходу шифратора, входы которого подключены к пятой группе контактов герекгпочателя, шестая группа контактов которого подлсченэ к шгне логического нуля устройства, тактовые зходы аналого-цифрового преобразсва 1 еля, цифрового квадратурного детектора и дециматора отсчетов подключены к первому выходу генератора тактовых частот, второй выход которого одключен к тактовому входу блока быстрого преобразования Фурье, синхронизирующий выход дециматора отсчетов подключен к одноименным входам умножителя комплексных чисел, блока хранения козффициентоо, блока быстрого преобразования Фурье и цифрового детектора.