Цифровой фильтр

, Н 03 М 304 5)5 Н 03 Н 17 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЗС)БРЕТЕ ПИСА И.Р.Пристайко 2(088.8)ельство СССРН 17/06, 1988,Изобретение относится к вычислительной технике, и может быть использовано, например, в системах обработки иэображений, корреляционного и спектрального анализа и является дополнительным к основному по авт, св.М 1568213.Цель изобретения - расширение функ-. циональных возможностей за счет определения степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации.На чертеже изображена функциональная схема фильтра.Цифровой фильтр содержит блок 1 центрирования, счетчик 2 интервала реализации, М вычислительных блоков 3, в которые входят компаратор 4 нуля, многоуровневый дельта-модулятор 5, входной буферный регистр 6, вычитатель 7, первый и второй выделители 8 и 9 переднего фронта, выделитель 10 заднего фронта, элемент ИЛИ 11, счетчик 12 импульсов и выходной буферный регистр 13. Кроме того, в цифровой фильтр введены М регистров 14 памяти, первый и второй коммутаторы 15 и 16, формирователь 17 адресов, арифметико-логиче) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТ(57) Изобретение относится к вычислительной технике, Его использование в системах обработки иэображений, корреляционного и спектрального анализа позволяет расширить функциональные воэможности за счет определения степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации. Указанная цель достигается благодаря сравнению числа нулей соответствующих порядков на соседних интервалах реализации, 1 ил. ский блок 18, блок 19 постоянной памяти и блок 20 сравнения. На чертеже обозначены информационный вход 21, тактовый вход 22, первый - М-й выходы 23, (М+1)-й выход 24 и (М+2)-й выход 25.Формирователь 17 адресов может быть реализован, например, в виде двух последовательно соединенных счетчиков, первый иэ которых является делителем частоты,Блок 18 вычисляет модуль разности входных сигналов.Многоуровневый дельта-модулятор 5 второго вычислительного блока 3.2, как и в прототипе, имеет нечетное число уровней квантования.В основе работы цифрового фильтра лежит следующее.Числа(0,) 1 нулей высокого порядка является числом пересечений с нулевым уровнем 0-1)-й производной входного центрированного сигнала за интервал Ореализации; при )=1 - самим входным сигналом, при )=2 - первой производной и т.д. Функция числа нулей в зависимости от их порядка является монотонной функцией, стремящейся к некоторому пределуЮ)--) КО 1 КО 1 Й - 1 40 где в 1 - доминирующая частота спектра сигнала (гарЪ)оника с максимальной мощностью;вр - максимальная частота в спектре сигнала.Таким образом, нормированное число, 1 нулей высокого порядка с КО)й - 1увеличением порядка "посещает" все частоты спектра от доминирующей до максимальной. Поэтому постоянство числа нулей соответствующего порядка эквивалентно постоянству спектральных характеристик сигнала в некоторой частотной полосе, Следовательно, указанным методом легко определяется принадлежность входного сигнала к локально-стационарным или пе 45 50 55 ОО) Ог ,О) й, , -дег) =числа отсчетов входного сигнала на интервале О реализации, Т - г)ериод частотыдискретизации.Гипотеза о принадлежности сигнала к 5данному классу подтверждается, если длявсех3М выполняется соотношение/О 1 эт РlМ, где (О 1 эт - М), Оэт+ М),= 1,М, - интервал классификации; (О)эт) -числа нулей соответствук)щего порядка эталонного входного сигнала; (2 М) - доверительный интервал этого сигнала,определяемый из статистических свойстввходного сигнала,Например, при наличии гипотезы о том, 15что входной сигнал - белый шум, для 5 -но.го разброса значений О) имеем М1,96 И - 1) -- ( - агсво(220Для других гипотез (других сигналов) последовательность (М 1 имеет другой вид.Мерой для оценки близости двух сигнлов является равенство значений числа нулей соответствующих порядков этих 25сигналов, Если же в казачестве эталонногопринять сигнал на данном интервале О реализации, то сравнение числа нулей этогосигнала на интервале В) и последующеминтервале Щ по выбранному интервалу(Оэт + М,= 1,М, классификации даетмеру изменения спектральных характеристик этого сигнала во времени, посколакунормированное число нулей соответствующего порядка характеризует спектр этогосигнала в соответствующей частотной полосе следующим образом: риодически-коррелированным случайным процессам либо определяется максимальный интервал времени, на котором входной сигнал может считаться стационарным.В данном фильтре в качестве эталонного сигнала принимается тот же сигнал на предыдущем интервале реализации. Поэтому в блок 19 постоянной памяти записывается значение сигналов (М, число которых равно порядку М сравниваемых нулей,Цифровой фильтр работает следующим образом.Входной аналоговый сигнал подается на информационный вход 21. В блоке 1 центрирования из входного сигнала удаляется постоянная составляющая и одновременно производится коррекция спектра входного сигнала с подчеркиванием и подавлением отдельных полос частот. В каждом блоке 3,1, 1 = 1,2 М за время, равное интервалу О реализации, определяемому частотой Т дискретизации и коэффициентом Й деления счетчика 2, производится определение числа нулей 1-го порядка входного центрированного сигнала; в первом блоке 3:1 - число пересечений входным сигналом нулевого уровня, во втором 3,2 - число пересечений производной входного сигнала нулевого уровня, в третьем блоке З,З - число пересечений второй производной входного сигнала нулевого уровня и т.д. В конце интервала 9) реализации укаэанные значения записываются в выходные буферные регистры 13 и сохраняются в течение следующего интервала 6 реализации входного сигнала, Аналогично работает цифровой фильтр на втором и последующих интервалах реализации, вычисляя число нулей первого и более высоких порядков, соответствующих заданным интервалам реализации.Определение степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации осуществляется по количественным соотношениям числа нулей первого и более высоких порядков, полученных на указанных интервалах,В конце текущего интервала 8 реализации значения числа нулей первого (М-го) порядков входного сигнала записываются в буферные регистры 13, а значения числа нулей первого (М-го) порядков, полученные на интервале О - ) и находящиеся в буферных регистрах 13, переписываются в регистры 14 памяти, Благодаря этому в регистрах 13 и 14 на протяжении всего интервала 0) + ) реализации содержатся значения числа нулей первого и более высоких порядков, полученных соответственно(х 1где р ( - численное. значение шага квантования;Ев(") - его знак;х,х - отсчет входного сигнала и его оценка в моменты дискретизации;ЕНТ (,) - целая часть величины (. ;5 миР- минимальный шаг квантования.Использование дельта-модулятора 5 с нечетным числом уровней квантования приводит при постоянном значении входного центрирования сигнала к формированию последовательности значений 50 55 на )-м и О - 1)-ом интервалах Й, О - 1 реализации.Значения укаэанных чисел нулей сравниваются между собой, в результате чегоформируется оценка степени подобия спектра входного сигнала на текущем и предыдущем интервалах реализации,Рассмотрим подробно работу фильтрапри определении числа нулей 1-го порядка(1) входного сигнала на заданном интервале реализации,С тактового входа 22 на одноименныйвход счетчика 2 поступает непрерывная последов гельность импульсов с частотой повторе ия Т , определяемая частотой. 15дискр гизации входного сигнала при дельта-мг,уляции и обеспечивающая отсутствие перегрузки по крутизнецен, рированного выходного сигнала, поступающего с выхода блока 1.3 а время, равное 20интервалу О = Т М реализации, в первомблоке 3.1 при помощи компаратора 4 и счетчика 12 производится подсчет пересечениявходным центрированным сигналом нулевого уровня (из плюса в минус и из минуса 25в плюс), В конце интервала Ореализациипо переднему фронту импульса с выходапереполнения счетчика 2 содержимое счетчика 12 записывается в регистр 13, а счетчик12 обнуляется, т,е, подготавливается к следующему циклу накопления, Таким образом, на выходах регистра 13 блока 3.1формируется число нулей первого порядкацентрированного входного сигнала, которое сохраняется на этих выходах в течение З 5следующего интервала реализации,Во втором вычислительном блоке 3,2центрированный входной сигнал подвергается дискретизации и квантованию с частотой Т при помощи дельта-модулятора 5, навыходах которого формируется знак и абсолютное значение приращения входного сигнала по правилуЛр") = Е")ЕЙТ ( +0,5),р 1 ) щСОз и не приводит к изменениюзнака шаг квантования, Последовательность(р" ) соответствует первой разности дискретиэированного и квантового центрированного входного сигнала, т.е. аппроксимирует первую производную укаэанного сигнала, Поэтому вменение знака в последовательности (р ") соответствует изменению знака производной и подсчитывается за интервал О реализации счетчиком 12, В конце интервала О реализации по импульсу с выхода переполнения счетчика 2 накопленное в счетчике 12 значение записывается в регистр 13, а счетчик 12 обнуляется, чем подготавливается к следующему периоду накопления. Таким образом, на выходах регистра 13 блока 3.2 формируется число нулей второго порядка, которое сохраняется на этих выходах в течение следующего интервала реализации.формирование числа нулей более высоких порядков рассмотрим на примере блока 3.3 За=3). Последовательность значении (р ), поступающая с выходов блока 3,2,(хстробируется в регистре 6, в результате чего эа период дискретизации Т на выходах и выходах(этого ристра 6 присутствуют значения рх и р" -, которые подаются на входы вычитателя 7, Вычитатель 7 осуществляет разностную операцию Ух = рх) - р,х, которая при М=З соответствует формированию второй разности дискретизированного и квантованного центрированного входного сигнала. Изменение знака сигнала 17 х) (из минуса в плюс и из плюса в минус) подсчитывается счетчиком 12 эа интервал О реализации и записывается по сигналу с выхода переполнения счетчика 2 в конце интервала Ореализации в регистр 13, а счетчик 12 обнуляется, чем подготавливается к новому циклу накопления, Блоки с М 3 работают аналогично, Таким образом на выходах регистров 13 блоков З.М .формируется число нулей М-го порядка, которое сохраняется на этих выходах в течение следующего интервала реализации.Определение степени подобия спектральных характеристик путем сравнения чисел нулей первого - М-го порядков входного сигнала на различных интервалах реализации осуществляется следующим образом.Так, например, в конце второго интервала 6 реализации с приходом импульса с выхода счетчика 2 происходит перезапись накопленных значений с выходов счетчиков 12 блоков 33 ( = 1,2.,М) в буферные регистры 13 указанных блоков и одновременно с этим осуществляется перезапись данных свыходов регистров 13 в регистры 14,памяти, Благодаря этому в конце интервала 9 на выходах регистров 13 блоков 3. присутствуют числа ( О (82) нулей первого - М-го порядка, полученные на интервале 6 Ъ, на выходах регистров 14, - числа ( О (И) нулей первого - М-го порядков, полученные на интервале 9.Выходные сигналы блоков 13 и 14 остаются неизменными в течение следующего интервала Оз,По фронту импульса с выхода счетчика 2, помимо записи в регистры 13 и 14, осуществляется также обнуление формирователя 1 1 адресов, который формирует адресные сигналы, необходимые для синхронной работы коммутаторов 15 и 16 и блока 19,Значения числа нулей Оь 1=1,М, полученные на первом и втором интервалах реализации входного сигнала, с выходов регистров 14, и 13, блоков 3, через коммутаторц 15 и 16 поступают на первые и вторые входы блока 18. В этом блоке 18 на протяжении интервала СЪ последовательно во времени осуществляется вычисление значений (М модуля разности числа нулей 1-го порядка, полученных соответственно на интервалах О 1 и 6:М= О 8%)-О 1(Е 01,М 2= О 2(СЪ)-О 2(6)Мы =О м (% ) - Ь м (Ю)Выходные сигналы блока 8 поступают на вторые входы блока 20 сравнения, где осуществляется их сравнение с эталонными значениями модулей (М., поступающих на первые входы блока 20 с выходов блока 19 постоянной памяти, Выходные сигналы блока 20 сравнения формируются согласно условиюО,ММиР.1, М 1 МТаким образом, если все значения числа нулей 1-х порядков входного сигнала, полученные на интервале 6 реализации, равны с соответствующим допуском значениям числа нулей 1-х порядков, полученных на интервале О, то на выходах блока 20 сравнения на протяжении всего интервала (Эз присутствует нулевой сигнал, Это свидетельствует о максимальной степени соответствия спектральных характеристик входного сигнала на интервалах реализа ции О и 6, Появление единичнцх значений в двоичной последовательности сигналов (М на выходе блока 20 сравненияуказывает о нарушении постоянства спект 5 ральных характеристик входного сигнала на интервалах й иОг реализации, Приэтомсигналы на выходе формирователя 17, фор 1020 25 30 3540 45 50 55 мирующиеся синхронно с выходными сигналами блока 20, соответствуют 1-му порядку числа сравниваемых нулей О, полученных на интервалах 9 и 6,Таким образом, в цифровом фильтре определяется степень подобнцх спектральных характеристик входного сигнала на его различных интервалах реализаций, основанная на сравнении числа нулей первых и более высоких порядков входного сигнала на укаэанных интервалах реализации,Формула изобретения Цифровой фильтр по авт, св, М 1568213, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения степени подобия спектральных характеристик входного сигнала на различных интервалах реализации, в фильтр введены первый - М-й регистры памяти, первый и второй коммутаторы, блок постоянной памяти, арифметика-логический блок, блок сравнения и формирователь адресов, информационный вход которого подключен к тактовому входу фильтра, вход обнуления формирователя адресов Объединен с тактовыми входами всех регистров памяти и подключен к выходу счетчика интервала реализации, информационные входы первого - М-го регистров памяти соответственно объединены с первыми - М- ми информационными входами второго коммутатора и подключены к выходам одноименных вычислительных блоков, выходы первого - М-го регистров памяти соединены соответственно с первыми - М-ми информационными входами первого коммутатора, выходы первого и второго коммутаторов подключены к соответствующим входам арифметико-логического блока, выходы которого соединены с первыми входами блока сравнения, выходы которого являются (М+1)- ми выходами фильтра, выходы формирователя адресов подключены к управляющим входам коммутаторов, входам блока постоянной памяти и являются (М+2)-ми выходами фильтра, выходы блока постоянной памяти соединены с вторыми входами блока сравнения.1695492 Редактор Н.Швыдкая Заказ 4172 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составитель О. РевинскийТехред М.Моргентал Корректор О. Кравцова гли аг ЛГ