Цифровой фильтр с многоуровневой дельта-модуляцией

(19) 51)4 Н Н 17/Об, Н ОЗМ 3 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Цифровой 1 много- сумматоаторы 4,5,1 огр бной ые сиса еев: Науко ые средствао"работкиконферен 362.СССР6, 1986.ГОУРОВНЕк вычисбретения 4 йь О Фиа,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ П(НТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(57) Изобретение относитсялительной технике, Цель из 2повышение быстродействия.фильтр содержит модуляторуровневой дельта-модуляцииры 2,3, накапливающие суммблок 7 мультиплексирования, источник 8 логического нуля, блок 9 оперативной памяти, генератор 10 импульсов, счетчики 11,12, дешифратор 13, блок 14 постоянной памяти, формирователь 15 импульсов и цифроаналоговый преобразователь 16. Благодаря введению накапливающего сумматора 6 и блока 17 управляемых инверторов операция умножения при вычислении свертки заменяется операцией сложения лиШь для ненулевых значений коэффициентов импульсной характеристики фильтра. 2 ил111 М40 Э 149421Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре цифровой фильтрации и спектрального анализа слу 5чайных процессов.Цель изобретения - повышениебыстродействия.На фиг. 1 приведена функциональная схема цифрового фильтра с многоуровневой дельта-модуляцией (МДМ);на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.Цифровой фильтр с МДМ содержитмодулятор 1 МДМ, первый 2 и второй3 сумматоры, первый 4 - третий 6накапливающие сумматоры, блок 7 муль 11 11типл е к сир о в а ния , источник 8 Облок 9 оперативной памяти , г е н ер атор 1 О импульсов , первый 1 1 и вто - 20ро й 1 2 счетчики , дешифратор 1 3 ,блок 1 4 постоянной памяти , Формир ователь 1 5 импульсов , цифроанало говый преобразователь ( ЦАП) 1 6 иблок 1 7 управляемых и нв ертор ов , ан а 5ло го вый 1 8 и цифровые 1 9 выходы .Блок 1 7 может быть выполнен наэлементах ИСКЛ 10 ЧА 1 ЩЕЕ ИЛИ,Для обеспечения нормальной работы накапливающего сумматора 6 его 30вход синхронизации и вход обнулениядолжны быть динамическими: первыйинверсным, второй прямым.Цифровой Фильтр работает по следующему алгоритму.Отсчет выходного сигнала фильтрав привычном формате импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) представляют ввиде(Ку 1)/2, Ку = 1 под 2. Проведем группирование шагов квантования импульсной характеристики по одинаковым значениям и сделаем перестановку сомножителей в формуле для второй разности в цифровой свертке (2) по возрастающим значениям модулей коэффициентов: которые представляются в виде последовательного включения трех накапливающих сумматоров, причем первый из них осуществляет дозированное суммирование М слагаемых по формуле (2) в каждом периоде дискретизации входного сигнала.Квантующая амплитудная характеристика модулятора МДМ или ДИКИ всегда соответствует одному из двух типов; с центральным подавлением или центральным клиппированием слабых сигналов. Тип характеристики полностью определяется числом уровней квантования Ку: при нечетном Ку- цент( ) ральное подавление, при четном Ку( ) - центральное клиппирование слабых сигналов (2), В первом случае для некоторых . ) О возможно равенство Б( =О, а во втором - Б;О для лю1бых ).70Обозначим число уровней квантования импульсной характеристики Ку) Тогда число различных значений коэффициентов цифрового фильтра (без учета знака)гаа 1 О 1, ггО, Я 1, а О,М- шагиквантования сигнала и импульсной характеристики соответственно, М -длина импульсной характеристики. 50Последовательности Б "иБ з ) представляют собой последовательности шагов квантования соответствующих величин и представлены в формате МДМ или дифференнизльной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ).Вычисление пс 1 следовательности )упо формуле (1) разделяется на трй последовательных этапа: ч у,=ч(чу) =Б Б, (3)где ш = в, 1 тп 11 ,.1 ш., - последовательность индексов коэффициентов в порядке возрастания их абсолютных значений,т.е.(Б(1 с сБ ш,.Еа 1 а=О,М,Число одинаковых коэффициентовв каждой группе при этом равно Ка длина импульсной характеристики30 дпя Ку четного и ,И 6М = 2 К 1.,.я получения пс с,едов - 1:тельности значений сг у 1,соглас 5но (3) достаточно умножить каждоезначение шага квантования входного,(х)сигнала В только на 1 различных значений коэффициентов в каядом периодедискретизации, а затем соответствующие значения произведений просуммировать. Увеличение длины М импульсной характеристики при заданном значении Ку оставляет число 1 неизменным, а отношение 1/М уменьшается,что резко (т.к. 1 (- М для цифровыхфильт 1 ов с дельта-молуляциеи) сокращает число умножений для полученияотсчета выходного сигнала цифровогофильтра с МД по Формуле цифровой 20свертки (1),Однако прямое выполнение операцииумножения требует значительных затратвремени и поэтому применение перемножителя для получения указанныхпроизведений нерационально, Поскольку численное значение шага квантования в формате МДЯ,Е аа = 1, Ку/2 , БЕ Ь Ъ = О, ЕБТ(Ку /2) для Ку - нечетного (2), последова,тсльность произведений (Ы 1, В 11для всех 3 = 1, различных значениймодулей коэффициентов в шаровомфильтре получается последовательнопутем суммирования значения В в 40накапливающем сумматоре. При суммировании результата умножения по Формуле цифровой свертки необходимо учитывать знак произведения для положительных и отрицательных значений коэффициентов.В соответствии с описанным алгоритмом цифровой Фильтр работает следующим образом.Перед началом работы необходимопровести обнуление накапливающих сумматоров 4-6 (на фиг. 1 цепи сбросане приведены), а в блок 9 оперативной памяти занести нулевос значениесигнала, т.е. последовательность1 0 ), При этом на выходах 18 и 10устройства устанавливаются нулевыезначения выходного сигнала. Такоеобнуление необходимо также проводить при случаых . боях, прчср, питая, чтобы предорТ 1 акоп:ениеошибок в выходном сигнале фщьтра.Допустм, что число уровней квантоваия ийул оно х;р;нтерстикичетное - Ку = = 0 шос 12,, (ъВ бл не 14 постоянной памяти зови сана пос.ед вте, сть индексовкоэффициенте в =и и,вмес -те с соотвгтствующи даному коэффициенту знаком. Вход блока 14 раздел:.ны на два части, а запись производится подряд начиная с нулевого адреса блока 14, В первой части, соответствующе первым выходам блока1 ч, записано конкретное значение индекса щ д = О, М, а во второй,соответствующей второму выходу блока14 -знак коэффициент;. Е ,; = я.дп(8 ,),ЦИндексы коэффициентов сгруппированы следующим образом.Первая группа начинается с индекса т, = идп 1), для которого 8=1,Следующим записывается индекс и т1 офсоответствующий такому же значениюь)Б и т.д., пока в формуле цифровойсвертки (1) не исчерпается указанноезначение шага квантования. Затемзаписываются индексы коэффициентовс противоположным знаком начиная си; = ппп 1 п), для которого В = -1и т.д. После этого записываются индексы следуюшей группы, т.е. индексы шагов квантования импульсной характеристики, имеющие значениеЫ1 Ян 1= 2. Запись индексов повтоРЯется для всех 1 групп с различнымизначениями В . Одновременно во вто. н1рую часть по соответствующим адресамзаносится знак коэффициента: 0 - длязнака плюс, 1 - для знака минус.Таким образом, в блоке 14 всегоиспользуется М ячеек памяти .Дешифратор 13 выделяет адрес гблока 14, по которому записан индексщ = 0 коэффициента 8(ъТактовые импульсы (Фиг. 2 а) частотой М/Т (Т - период дискретизации)с выхода генератора 10 импульсов поступают на счетный вход счетчика 11и управляющий вход блока 9 оперативной памяти. После поступления М импульсов с генератора 10 на выходе счетчика 11 формируется импульс переполнение (фиг. 26), по переднему Фронту которого (момент Т ) производится счить- вание выходного сигнала Б"модулято 1494 210ра 1. На информационный вход модулятора 1, являющийся входом Фийьтра, падается входной аналоговый сигнал х(Т). Одновременно в момент С происходит обнуление накапливающего сумматора 6.Рассмотрим формирование последовательности произведения шага кван(к 1 тования входного сигнала Бна все различные модули значений коэффициентов.В интервале О,Т 3 на втором выходе блока 14 постоянной памяти Формируется последовательность (фиг. 2 в) состоящая иэ 1 импульсов. В первом такте, соответствующем интервалуиз блока 14 считывается сигнал нулевого уровня, соответствующий знаку+" коэффициента с индексом шо и по заднему фронту сигнала (Фиг. 2 в) значение шага Б 1 записыва(юЪ ется в накапливающий сумматор 6, на выходе которого формируется произведение1Через К С К 1 тактов на втором выходе блока 14 памяти формируется единичное значение сигнала (фиг. 2 в), соответствующее изменению знака коэффициентов. Это не изменяет состояния сумматора 6 и поэтому в момент 1: , соответствующий30 считыванию из блока памяти 14 первого индекса второй группы коэффициентов. (3=2), по заднему Фронту сити ла (Фиг. 2 в) производится суммирование. ранее записанного в сумматоре б сиг нала с выходным сигналом модулятора 1. В результате этого на выходах сумматоров формируется произведение(к 1 ъБ2. Аналогично формируются произведения для всех остальных групп40 индексоа.Сигнал генератора 10 тактовой частоты (фт. 2) является также управляющим с,пя блока 9 оперативной памяги: при высоком уровне производится 45чтение из блока 9, а при низком - запись в него. На первые входы сумматора 3 подается сигнал с выхода блока 9 памяти, а на вторые входы сумматора 3 через блок 17 - результат умножения из сумматора 6. При нулевом уровне сигнала с блока 14 (фиг. 2 в) на управляющем входе блока 17 производится суммирование сигналов с выходов блоков 6 и 9, а при единичном - вычитание значения сигнала сумматора б из сигнала блока 9, Поэтому сумматор 3 суммирует на протяжении интервалов Г" оф/ ф (,и т,д. ыходные значения сумматора 6 с запомненными в блоке 9 суммами произведений шагов квантования входного сигнала на коэффициенты (неполными, т.е, содержащими менее М слагаемых свертками 3). В последующие интервалы сГ ЗС 3 и т.д, начиная с заднего фронта тактового сигнала (Фиг. 2 а) и при нулевом значении последнего производится запись накопленной величины сигнала (соответствующего неполной свертке) в ту же ячейку блока 9 оперативной памяти через блок 7 мультиплексирования.Такое накопление сигнала в виде неполной свертки производится на протяжении всех интервалов ТМ, кроме, когда появляется импульс (фиг. 2 г), с выхода деиифратора 13. В этом интервале времени сигнал с выхода блока 9 памяти, соответствующий неполной свертке и содержащий Мслагаемых, суммируется в сумматоре 3 с очередным значением выходного сигнала накапливающего сумматора 6. В результате этого суммирования он становится равным полнойвертке (3), Импульс дешифратора (фиг, 2 г) на времяе Г С, 1 переводит блок 7 мультиплексирования в другое положение, в результате чего в момент(по переднему фронту импульса с выхода Формирователя 15) выходной сигнал сумматора 3 записывается в первый накапливающий сумматор 4, а в соответствующую ячейку блока 9 оперативной памяти в интервале времени с ът г 1 записывается через блок .7 мультиплексирования нулевое значение сигнала источника 8.Накапливающий сумматор 4 формирует за период Ф Т ,з 1(время существования импульсов формирователя 15 (фиг, 2 д) значение сигнала чу, который по заднему фронту указанного импульса (в момент Т ,) записывается в сумматор 5, где суммируется с предыдущим отсчетом выходного сигнала фильтра ув результате чего на цифровых выходах 19 Фильтра фора- руется выходной сигнал у в формате импульсно-кодовой модуляции, При помощи ЦАП 16 сигнал упреобразуется в аналоговую форму у(г.) и подается на аналоговый выход 18 фильтра. В последующие периоды дискретизации работа фильтра происходит аналогично, 14942О О45 Номера ячеек блока 9 оперативной памяти, являются рециркулирующили относительно номеров ячеек блока 14 постоянной памяти. Они вычисляются сумматором 2, суммирующим по модулю М код из первых выходов блока 14, соответствующий последовательности индексов шагов квантования импульсной характеристики 1 в=в , ,в м офф м-1 О сгруппированных указанным образом со значением кода на выходах второго счетчика 12, имеющего коэффициент пересчета М. Допустим, что в 1-ом периоде дискретизации значение выход 15 ного кода счетчика 12 1=0 (фиг. 2). Тогда последовательность номеров ячеек блока 9 памяти имеет вид) = (в+Зс)во 1 М = ип .,) (фиг, 2 е). В этом периоде дискретиза. ции значение сигнала, соответствую 20 щего неполной свертке, имеющей Мслагаемых, находится в ячейке и = в+1=вбг ока 9 и подается в интервале Т, С,на сумматор 3пф 25 в результате чего на его выходах формируется полная свертка (3), а в ячейку взаписывается нулевое значение кода. В следующем периоде дискретизации последовательность п 3 смещается на единицу п= (в + + 1 с) во 1 М=в ,в в,свертка, содержащая Мслагаемых, находится в ячейке п=в +1=в +1=в . Последнее тождество справедливо для принятого ранее условия Ку "= Овос 2. После 35 суммирования в сумматоре 3 ячейка п блока 9 памяти обнуляется, а в остальные ячейки записываются те же суммы (неполные свертки), содержащие дополнительно значение Б 51. 40с1=в,, в, причем в ячейку в обнуленную в предыдущем периоде дискретизации, записывается значение,ф, м-3При нечетном числе уровней квантования импульсной характеристики Ку в блоке 14 памяти записываетсяь 1последовательность индексов 1 в )только И (М ненулевых значений коэффициентов, где И количество нену 50 левых коэффициентов, сгруппированныепо указанным группам, причем длянормальной работы фильтра необходимоЫйчтобы Б,О, Частота импульсов генератора 1 О в этом случае Т/И. В ос 55тальном цифровой фильтр при нечетномчисле уровней квантования работаеттакже, как и при четном Ку ",ля правильной работы сумматоров 3 и 6 еобходило, чтобы выходной сигнал модулятора 1 был представлен н дополнительном коде для Ы (О) .Таким образом, в предлагаемом цифровом фильтре затраты времени на вычисление одного значения полной свертки (3)- вах(1 е , ЯЕ, )+Х( + )Чт. еп 730. олгде с и 1 . - время обращенияблока 9 оперативной памятиУвремя выполнения операции суммирования в сумматорах 6 и 3 соответственно; 1 - число различных модулей значений коэффициентов,Из приведенного выражения видно,чти число суммирований 1, эквивалентных И умножениям в прототипе, уменьшено, а кроме того, время суммирования, существенно меньше времениумножения, Поэтому быстродействиецифрового фильтра с многоуровневойдельта-модуляцией выше, чем у прототипа.формула изобретенияЦифровой фильтр с многоуровневой дельта-модуляцией, содержащий модулятор многоуровневой дельта-модуляции, информационный вход которого является входом фильтра, генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, управляющим входом блока оперативной памяти и входом первого счетчика, выход переполнения которого подключен к входу второго счетчика, выходы разрядов первого счетчика соединены с входами дешифратора и блока постоянной памяти, первыевыходы которого и выходы второго счетчика подключены к первым и вторым входам первого сумматора, выходы которого соединены с адресньлп входами блока оперативной памяти, выходы которого подключены к первым информационным входам второго сумматора, выходы которого соединены с первыми информационными входами блока мультиплексирования и информационными входами первого накапливающего сумматора, выходы которого подключены к информационным входам второго накапливающего сумматора, выходы которого соединены с входами цифроаналогового преобразователя и являются цифровыми выходами фильтра, источник10 оставитель О,Ревинскийехред Л, Олийнык едактор Л.Пчолинс орректор О.Кравцова акаэ 4 129 раж 88 дписное 1 ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ ССС 113035 Москва Ж) Раушская наб., д. 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,1014 942 логического нулявыходя которого подключены к вторым информационным входам блока мультиплексирования, выходы которого соединены с информационными входами блока оперативной памяти, выход дешифратора подключен к управляющему входу блока мультиплексирования и второму входу формирователя импульсов, выход которого соединен с входами синхронизации накапливающих сумматоров, выход цифроаналогового преобразователя является аналоговым выходом фильтра, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены третий накапливающий сумматор и блок управляемых инверторов, выходы модулятора многоуровневой дельта-модуляции соединены с информационными входами третьего накапливающего сумматора, вход обнуления которогообъединен с тактовым входом модулятора многоуровневой дельта-модуляциии подключен к выходу переполненияпервого счетчика, второй выход блокапостоянной памяти сое;ивен с управляющим входом блока управляемых инверторов и входом синхронизации третьего накапливающего сумматора, выходыкоторого подключены к информационнымвходам блока управляемых инверторов,выходы которого соединены с вторымиинформационными входами второго накапливающего сумматора, выход переполнения которого подключен к еговходу переноса.