Устройство для цифровой фильтрации

(21) 3566 (22) 22,0 (46) 30.0 (72) С.Н.В.И. Петь и П.И. Че (71) Инст конин,тора и вх 1-й выход ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИОПИСАНИЕ ИЗК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕП 247/18-243,835.84. Бюл. Р 20Демиденко, В.Е. Куко, Н,Н. Столяровголинитут технической кибернетики АН БССР"Связь", 1974, с. 117 в 1.2. Авторское свидетельство СССРР 58166, кл, С 06 Г 15/31, 1980(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙФИЛЬТРАЦИИ, содержащее фильтр нижнихчастот, выход которого подклочен кинформационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющийвход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первымвходом умножителя, выход которогоподключен к входу накапливающего сумматора; управляющий вход которого1095357 А соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которогоподключен к адресному входу блокапостоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входомумножителя, управляющий вход которогоподключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход Фильтра нижнихчастот является информационным входомустройства, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет многодиапазонной цифровой фильтрации, внего введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выходаналого-цифрового преобразователясоединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен кинформационному входу блока памяти,выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутаи второго коммутатора, - 1,К) которого являет информационным выходом 1-го канала устройства, а шестой и седьмой вых ды блока синхронизации соединены с управляющими входами соответственн первого и второго коммутаторов.Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в устройствах многоди,апаэонного,частотного анализа сигна-, лов с постоянной относительной шири ной полосропускания.Известно устройство для цифровой фильтрации, которое построено в виде спецвычислителя, где отсчеты входного сигнала обрабатываются поразрядно, 10 содержащее два циклических регистра, первый для задержки входного сигнала, а второй для хранения значений весовой функции, выходы регистров соединены с соответствующими входами раз .рядов двоичного счетчика, где образуется код выходного значения фильтра Г 13.Недостатком данного устройства является малое быстродействие вслед ствие того, что ведется поразрядная обработка информации. Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является нерекурсивный цифровой фильтр, содержащий блок управления, блок памятикоэффициентов, блок умножения, накапливающий сумматор, блок (оперативной)памяти, дешифратор, элемент И, пер- З 0вую и вторую группу И, причем вход накапливающего сумматора подключен к выходу умножителя, первый вход которого подключен к выходу блока памяти коэффициентов, вход которого соединен с выходом блока управления, второй вход умножителя соединен с выходом блока памяти, второй выходблока памяти коэффициентов соединен с входом дешифратора, выход которого соединен с первыми входами элементов И первой и второй групп, и первым входом элемента И, выход которого подключен к первому входу блока памяти, второй вход которого соединен 45 с выходами элементов И первой группы, вторые входы которых являются входами устройства, при этом выход накапливающего сумматора соединен с вторыми входами элементов И второй группы, выходы которых являются выходами фильтра, а выход блока управления соединен с вторым входом элемента И. Для использования данного Устройства необходАо также включе 55 ние перед ним последовательно соединенных антиэлайзингового фильтра нижних частот (преселектора) и аналогоцифрового преобразователя 23 Недостатком укаэанного устройства являетсяневозможность одновременной многодиапазонной фильтрации сигнала.,Цель изобретения ; расширение функциональных возможностей устройства за счет многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов (в реальном масштабе времени путем автоматической перестройки частотного диапазона фильтра с использованием метода прореживания входных отсчетов по ,времени со смещением).Поставленная цель достигается тем, что в устройство для цифровой фильтрации, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумма. тора, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот является информационным входом . устройства, введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, 1 -й выход (1=1,К) которого является информационным выходом 1 -го канала устройства, а шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами соответствен" но первого и второго коммутаторов.На фиг.1 представлена блок-схема устройства для цифровой фильтрации; на фиг.2 - схема, иллюстрирующая используемый в устройстве метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением; на фиг.З - функциональная схема блока синхронизации, на фиг.4 " временные диаграммы его работы.(двухвходовой) З,блок 4 памяти, умножитель 5, накапливающий сумматор 6,коммутатор 7, блок 8 синхронизациии блок 9 постоянной памяти (коэффициентов). Блок синхронизации (Фиг.З)содержит генератор 10 тактовых импульсов, счетчик 11, узел 12 постоянной памяти, элементы И 13-18, элементы задержки 19-21,Устройство предназначено для частотного анализа,с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот играниц соседних частотных диапазонов,отличающимися в два раза, т,е.сР 2 сР.2 МРхн 2 РВеРхи, 20ниинин (4н йСРгДеи - значение сРеДнегеометРичес кой частоты М-га диапазона;верхиХ - значение верхней граничнойНчастоты Й-го диапазона;ниизначение нижней граничноййчастоты М -го диапазона.30Примером такого анализа с достаточной степенью точности может служить октавный частотный анализ.В устройстве использован метод прореживания входных отсчетов по времени со смещением, сущность которого состоит в следующем,Из выражения (1) с учетом теоремы отсчетов следует, что частота дискрет тизаций (число отсчетов, взятое в единицу времени), необходимая для40 анализа сигнала в 8 -ом частотном диапазоне, составляет и 1 4 , в (М)- верхи ом диапазоне частота дискретизации равна соответственно п 1 Р" /2, в(М)-ом -о 1, /4 и т.д где и - число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое для преобразовании его без .искажений (из теоремы Котельникова ОЪ 2) . Если каждый дискретный отсчет использовать для фильтрации сигнала только в одном соответствующем ему частотном диапазоне, то суммарное количество дискрет в единицу времени (частота дискретизации), необходимое для анализа сигнала в М - частотных полосах, равно сумме геометрической прогрессии: 5- 1 1 ьерхн+1 ОЕверхн+ + " ЕИРхно2 и 2" Н Р(2Так как сумма (2) не превосходит величины 2 ьн, а лишь асиптотиверхически приближается в ней с ростом М и если частота дискретизации составит верхи-г , (3) то возможен частотный анализ в М непересекающихся частотных диапазонах с постоянной относительной шириной полос. Здесь каждое второе значение участвует в Фильтрации в самом высокочастотном М-ом диапазоне, каждоечетвертое - в более низкочастотном(й) -ом диапазоне, каждое восьмоев (-2)-ом и т.д., причем каждый дискретный отсчет участвует в обработке только в одной соответствующейему частотной полосе. Для реализацииэтого вьбарку дискретных значений для соответствующих частотных полос производят со смещением: для самого высокочастотного М -го диапазона выборка начинается с О-го отсчета,для следующего (Я)-го - с 1-го отсчета, для (1-2)-го - с. 3-го и т.д. В общем епучае для К-го диапазона (ММ) выборка начинается с (2" -1) -гоЯ- К+1 отсчета и идет с периодом 2 дискрет. Алгоритм выборки дискретных значений прореживанием по времени со смещением иллюстрируется Фиг,2, где о - исследуемый непрерывный сигнал на входе аналаго-цифрового преобразо вателя; Ъ - сигнал после дискретизации, здесьже показана принадлежность дискретных отсчетов к О-му, 1-му, 2-му, 3-му диапазонам анализа; с, Й, е, й ; дискретные последова" тельности относящиеся соответственна к З-му, 2-му, 1-му и О-му частотным диапазонам.Как видно из фиг.2, частота. дискретизации для различных диапазонов оказывается различной и отличается в два раза для смежных частотных полос, так же каки значение их среднегеометрических частот и границ диапазонов.В устройстве для фильтрации сигнала в нескольких частотных диапазонах с помощью одного цифрового фильтра используется тот известный факт, что полоса пропускания и центральная час" тата фильтра изменяются с изменением тактовой частоты его работы, что происходит при использовании указанного метода прореживания. Для паласовой510953 фильтрации во всех диапазонах в этомслучае требуется всего лишь один набор коэффициентов фильтра, что ведет к высокой идентичности обработки в различных частотных полосах, 5Снижению частоты выделения дискретных отсчетов (что фактически происходит при "сортировке" дискрет по частотным диапазонам) должна предшествовать и соответствующая низкочастотная О фильтрация, чтобы избежать искажений, вызываемых эффектом наложения. Для этого в предлагаемом устройстве каждый дискретный отсчет подвергается сначала низкочастотной фильтрации, 15 а затем уже полосовой фильтрации.Устройство работает следующим образом.Исследуемый сигнал (изменяющееся в широком диапазоне частот напряже ние) поступает на вход фильтра 1 нижних частот, работающего в качестве фильтра предварительной выборки и подавляющего высокочастотные составляющие, присутствие которых могло 25 бы привести к искажениям из-за проявления эффекта наложения в процессе выборки дискретных значений в АЦП 2. Частота среза Е фильтра 1 соответствует верхней границер самого высокочастотного диапазона 8 анализа. С выхода фильтра 1 аналоговый сигнал поступает в АЦП 2, частота дискретизации которого задается из блока 8 синхронизации и составляетверхнццп сРДвухкратное завышение частоты дискретизации АЦП 2 диктуется используемым в устройстве методом прореживанияо .по времени входных отсчетов со смещением, сущность которого изложенавьше. С выхода АЦП 2 дискретный отсчет,45 соответствующий, например, К-му диапазону (КЕ 0 м) поступает через вход коммутатора 3 на информационный вход блока 4 памяти. При этом блок 8 синхронизации через соответствующий выход разрешает коммутатору 3 такую передачу входного отсчета, через соответствующий выход адресует этот отсчет в область хранения входных отсчетов блока 4 на место самого "старого" из Ф хранимых в ней значе" 55 ний входных отсчетов (в - порядок цифрового фильтра нижних частот). Затем по сигналам блока 8 синхрони 57 6зации иэ блока 4 памяти последовательно считываются и передаютсяна первый информационный вход умножителя 5 все 1 п отсчеуов входной величины. Одновременно по сигналамблока 8 синхронизации из блока постоянной памяти 9 коэффициентов последовательно и синхронно с входными отсчетами поступают на соответствующий вход умножителя 5 пз коэффициентов фильтра нижних частот ссоответствующей данному К-му диапазону частотой среза.По сигналам с соответствующих выходов блока 8 синхронизации умножитель 5 и накапливающий сумматор 6 выполняют обработку поступающих входныхотсчетов и коэффициентов в соответствии со структурой выбранной прямойформы нерекурсивного (трансверсального) фильтра, Реализация даннойструктуры и алгоритма в предлагаемомустройстве осуществляется следующимобразом. Первый из отсчетов, поступающих на соответствующий вход умножителя 5 с выхода блока 4 памяти,умножается на значение первого коэффициента, поступающего с выхода блока9 постоянной памяти коэффициентов.Полученное в умножителе 5 произведение поступает в накапливающийсумматор б. Затем производится перемножение значений второго отсчетаи второго коэффициента и полученноепроизведение суммируется со значением, хранимым в накапливающем сумматоре 6, далее обрабатываетсятретья пара и т.д. Полученное в сумматоре 6 отфильтрованное значение свыхода последнего подается на соответствующий вход коммутатора 3. Вданном случае на управляющий входкоммутатора 3 с соответствующего выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал, вызывающий передачуинформации с этого входа. коммутатора 3 на информационный вход блока4 памяти. На управляющий вход последнего с соответствующего выхода блока8 синхронизации подается сигнал, вызывающий запись поступившего отсчетав область памяти, соответствующуюданному К-му полосовому частотномудиапазону,на место самого "старого"изхранящихся в ней отсчетов, который при этом пропадает ( 0 - порядок полосового фильтра),Затем по сигналам блока 8 синхронизации из данной области памяти по7 10953 следовательно считываются и передают. ся на соответствующий вход умножителя 5 всехранимых значений. Одновременно по сигналам, поступающим с соответствующего выхода блока 8 на вход блока 9 постоянной памяти коэффициентов, из последнего считываются и последовательно, синхронно с 8 отсчетами подаются на соответствующий вход умножителя 5 1 коэффициентов 10 полосового фильтра. Умножитель 5 и накапливающий сумматор 6 по сигналам блока 8 синхронизации аналогично описанной выше процедуре низкочастотной фильтрации выполняют вычисление зна чения выходного отфильтрованного от счета, которое с выхода накапливающего сумматора б подается на вход коммутатора 7, На управляющий вход последнего с соответствующего выхода 20 блока 8 синхронизаций поступает сиг-, нал, по которому отфильтрованный отсчет передается на один из выходов 57 8коммутатора 7 (в соответствии с данным К-м диапазоном),и передается на дальнейшую обработку.Затем по сигналу, поступающему с соответствующего выхода блока 8 синхронизации, АЦП 2 срабатывает снова и новый дискретный отсчет, соответствующий теперь уже Й -му частотно. му каналу (ЙЕ 01 11, начинает обрабатываться в устройстве, Цикл обработки его аналогичен описанному выше, новыми являются лишь набор коэффициентов фильтра нижних частот, поступающий из блока 9 постоянной памяти коэффициентов в умножитель 5, и адреса, задаваемые из блока 8 синхронизации в блок 4 памяти и коммутатор 7.Таким образом, данное устройство обладает расширенными функциональными возможностями, заключающимися в многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов.1095357 АЦП 2 нОтд 7 РО У ият Кросссреде Логпюю 7 Составитель А. Баранактор И. Дылын Техред В. Далекорей орректор С. Пыжова Тираж 862 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 35, Москва, Ж, Раушс