Цифровой фильтр

ОП ИСА НИ Е ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ15,32 61) Дополнительное к авт. св 51) М.Кл.е 6 2160002/18-24 Государственный комите Совета Министров ССС ло делам изобретенийи открытий(54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТ ой фильтр относитгм вычислительным ользоваться в систевления или технике налов.льтр 11, реализую- уравнение вида Прв ся к устройс мах авт связи дИз,ве шпй ли лагаемыи цифро опециализированн вам и может исп оматического упр я фильтрации сиг стен цифровой ф ейное разностное К)- г), (1) гд- соответстходнаяфильтра;дискретноемя;коэффициестоя, нные в енно входная и вы- последовательности тносительное вре ты фильтра (пличины).(22) Заявлено 25.07.75 (21) с присоединением заявкиа;У, (К - г) -гг,02 о г=о Этот фильтр содержит регистры для хранения дискретных значений .входной и выходной последовательностей, множительные устройства, сумматоры, запоминающие устройства коэффициентав.Из известных устройств, наиболее близким к предлагаемому техническому, решению является цифровой фильтр 21, содержащий (т+1) 1-разрядных регистров, запоминающее устройство и первый накапливающий сумматор, причем (ггг+1) 1-разрядных регистров соединены последовательно и выходы каждого из них подключены к нервой группе входов умножителя, вторая группа входов которого соединена с выходом запоминающего устройства, г старших разрядов выхода умно- жителя через первый накапливающий сум,матор подключены к,входу первого из последовательно соединенньгх 1-разрядных регистров, выходы которых соединены с третьей группой входов умножителя.Недостатком известного устройства является низкая точность.Целью настоящего изооретения является уменьшение дисперсии результирующей ошибки округления, т. е, повышение точности цифрового фильтра.Поставленная цель изобретения достигается тем, что в него введены гг(у+)-разрядных регистров и второй накапливающий сумматор, причем, (у+) старших разрядов выхода умножителя соединены с входом второго накапливающего сумматора, а у младших разрядов выхода умножителя связаны смладшими разрядами входа второго накапливающего сумматора,старших разрядов выхода которого связаны смладнгими разрядами первого накаллинающего сумматора, а выход второго накапливающего сумматора соединен с входом первого из последовательно соединеннь 1 х (у+) -разрядных регист(2) 55 где во в ,последовательность результирующих ошибок округления;аф - ошибки округления до 1-го двоичного разряда при округлении в умножнтеле,произведений а;У (К - ), 60а;Ь (К - ) соответственно.В предлагаемом цифровом фильтре с помощью дополнительного контура обратной связи, содержащего накалливающий сумматор и регистры 8, формируегся сигнал во (К),ров, подклоченных своими выходами к четвертой группе входов х;множителя.Функциональная схема предложенногоустройства изображена,на чертеже.Она содержит входную и,выходную последовательности У(К), У(К),У +ло (К)параллельных 1-разрядных регистров р,(Р;О, Р,1 Ро,+,а), умножитель 2, первый накапливающий сумматор 3, запоминающее устройство 4, блок управления б, второй 10акапливаоций сумматор б, входные элементы ИЛИ 7, (у+ ч) -разрядные параллельные регистры 8 (Р,1 - Р/г),Вход цифрового фильтра подключен к цепочке (т+1) последовательно соединенных-разрядных параллельных регистров 1,выходы которых связаны с,первым входомумножителя 2. Второй вход умножителя связан со входом умножителя 4, 1 - старшихразрядов (7+ р) -разрядного умножителя 20подключены ко входу первого накапливающего, сумматора 3, а (у+ъ) младших разрядов умножителя - ко входу второго накапливающего сумматора б. К младшим разрядам этого жс сумматора подклочены у младших разрядов ухноктеля. Старшие разрядывторого накапливающего сумматора подключены к старшим разрядам первого накапливающего сумматоравыход которого связанс цепочкой последовательно соединенныхр аз р ядн ы х р еги стр оВ 1 (Рт) - Р Гтч-д) )подключенных своими выходами,ко входуум,ножителя.Выход второго накапливающего сумматора б связан с,входом цепочки последовательно вклоченных (у+) -разрядных регистров 8 выходы которых соединены с входом умножителя.Выход блока управления УУ связан с управляющими цепями всех регистров, умнккигеля, запоминающего блока и накапливающих сумматоров (для упрощения схемы этисвязи на фиг. 1 не показаны).Повышение точности в предлагаемом цифровом фильтре обеспечивается следующим 45образом. Результирующая ошибка округления на выходе известного цифрового фильтраопределяется соотношением:который суммируется с выходным сигналом фильтра и компенсирует ошибку ео(К).Величина , определяющая совместно с у разрядностью цепи дополнительной обратной связи, выбирается равной максимально возможному количеству двоичных разрядов, на которое может распространяться сшибка со т. е. ч ==-1 о 2 яогде яо, - максимальное значение результирующей ошибки округления.Такой выборооеспечивает отсутствие переполнения разрядной сетки при вычислениях в контуре дополнительной обратной связи.Величина 1 р выбирается в зависимости от требуемой точности фильтра.Формирование компенсирующего сигнала , (К) производится путеъ последовательных вычислений по уравнению (2) после окончания вычисления по соотношению (1) .Одновременно с вычислениями по соотношению (1) с помощью накапливающего сумматора б производится вычисление суммы=о Величина а;, 3; предстазляет собой у младших разрядов 1+у-разрядных произведений а, ь, ЬсР 2. Умножение,на 2 (сдвиг влево) величин а;, ; обеспечивается схемно путем соединения 1+1, 1+2, (+7)-го выходных разрядов умножителя соотвегственно с ъ+1, +2, (7+)-ым разрядами накапливающего сумматора б.После накопления суммы (4) вычисляется величина 2 - ч(5) Значения 2я,(К - ), вычисленные на предыдущих шагах, хранятся на регистрах 8. Их умножение на коэффициенты производится последовательно в умножителе 2. Накопление суммы, стоящей в правой части равенства (5), производится сумматором б.Бычисленныи по соотношению (5) сигнал сдвигается вправо на - ( - ) двоичных разрядов и суммируется с сигналом У(К) на накапливаюшем сумматоре 3. Сдвиг вправо (умножение на 2 -- 0) обеспечивается соединением 1, 2-го разрядов накапливающего сумматора б соогветственно с 1+1, 1 - +2, 1-ым разрядами сумматора.Компенсирующая величина в, отличается от со из-за погрешностей, с которыми при ее вычислении представляются значения а;, ; и ошибок округления, сопровождающих,вычисление произведений 6, 2 , яо (К - /) и сдвиг величин 2 -яо вправо, при котором сохраняются только 1 старших разрядов.(7) 55 СССР 60 Для оценки результирующей ошибки округления в предлагаемом цифровом фильтре используется направленным граф его структуры, Вычисление значений выходной последовательностп цифрового фильтра производится с помощью операций умножения, запоминания значений сигналов в дискретные моменгы времени и суммирования.Операции сдвига (запоминания) сигналов на единицу дискретного времени изображены утолщенными ребрами графа, около ветвей графа, обозначающих операцию умножения, записан соответствующий коэффициент.В узлах графа, в которые входит более одной ветви, происходит суммирование сигналов. Ошибки округления представляют собой случайные последовательности (дискретные белые шумы)действующие как помехи в ребрах - умножителях графа.Ошибки округления до 1-го двоичного разряда изображены прямолинейными стрелками, ошибки округления до (1+у)-го разряда - зигзагообразными стрелками, а ошибки округления до (у+) -го разряда - пунктирными стрелками.Ошибки округления до (+у)-го двоичного разряда сопровождают представление ошибок 2 фу (1+) -разрядными числами.Ошибки округления до (1+у) двоичных разрядов связаны с конечной разрядностью накапливающего сумматора 5 и регистров 8. Ошибка округления р, возникает при сдвиге вправо на (1 - ) двоичных разрядов величины 2 - я и сохранении при этом только 1остарших р азрядов.Приведение ошибок округления до (1+у)- го и (у+ъ)-го двоичных разрядов к выходу графа показывает, что дисперсия результирующей ошибки округления в в предлагаемом цифровом фильтре определяется, выражениемР, = (т+ п + 1) Р,+ Й +-1- пР.,+ 2 - - 1 - 0 й +П, (6) где Рс+;, Р.1., дисперсия ошиоок округления до (К+у)-го и (у+)-го двоичных разрядов.Считая ошибки округления равномерно распределенными случайными величинами, можно показать, что дисперсии ошибок округления связанны соотношениями С учетом соотношения (7) выражение дляР,- можно записать в виде Р, = (т + 2 п + 1) 2- г Рй + Рс (8) 25 зо 35 40 45 50 В оольшинстве практических случаев даже,для небольших значений у - первым слагаемым в сумме (8) можно пренебречь, т. е. Дисперсия результирующей ошибки округления в предлагаемом цифровом фильтре примерно равна дисперсии ошибки одного окуглвния до 1-го двоичного разряда, т. е, ошибка при,вычислении выходной последовательности фильтра не,превышает одного - двух младших разрядов.Таким образом, предлагаемый цифровой фильтр позволяет существенно уменьшить погрешности за счет ошибок округления и повышение точности фильтрации и тем самым существенно снизить стоимость систем обработки данных. Формула изобретения Цифровой фильтр, содержащий (т+и) 1. разрядных регистров, запоминающее устройство и первый накапливающий сумматор, причем, (т+1) Г-разрядных регистров соединены последовательно и выходы каждого из них подключены к первой группе входов умножителя, ,вторая группа входов которого соединена с выходом запоминающего устройства, 7 старших разрядов выхода умножителя через первый накапливающий сумматор подключены к входу первого из и последовательно соединенных -разрядных регистров, выходы которых соединены с третьей группой входов умножителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены п(+)-разрядных регистров и второй накапливающий сумматор, причем (у+) старших разрядов выхода умножптеля соединены с входом второго накапливающего сумматора, а у младших разрядов выхода умно- жителя связаны с у младшимп разрядами входа второго накапливающего сумматора,старших разрядов выхода которого связаны смладшими разрядами первого накапливающего сумматора, а выход второго накапливающего сумматора соединен с входом перьвого из последовательно соединенных (у+) -разрядных регистров, подключенных своими выходами к четвертой группе входов .множителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Авторское свидетельствоЛЪ 463115, кл, 6 06 Г 7/38, 11.03.73,2, Гольдберг Л. М. и др. Цифровые фильтры. М Связь, 1974, стр. 116.590749 Составитель В. ТарасовТехред А. Камышникова им кина ек исно СССР Харьк. фил, пред. Патент актор Р, Киселе каз 1008/2066НПО Гос Изд. Ио 208 рственного ком по делам изоб Москва, Ж, Ртета етени ушек Тираж 1109овета Миннстрои открытийнаб., д. 45