Последовательный цифровой фильтр

.51) 4 Ц 03 Н 17/06 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕКНЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ПНТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ереванский политехнический институт им. К.Маркса и Ленинградскийэлектротехнический институт связиим. проф. М,А.Бонч-Бруевича(56) Погрибной В.А.1 ифровые фильтрыпоследовательного действия с импульсно-кодовой модуляцией. Радиотехника 1984, У 4, с. 33, рис. 2,(54) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ 1 ИФРОВОЙФИЛЬТР(57) Изобретение относится к вычислительной технике. 1 ель изобретения -уменьшение частоты дискретизации иупрощение фильтра. Последовательныйцифровой фильтр содержит кодер 1,шифратор 2, блоки памяти и сдвига3 и 4, коммутатор 5, элемент ИСКЛ 0 ЧАИРЕЕ ИЛИ-НЕ 6, сумматоры 7, 10,11 и 12, дешифратор 8 и умножитель9. 1 ель достигается за счет исключения многоразрядного умноженияи сокращения количества разрядов,необходимых для представления отсчетов входного сигнала и весовых коэффициентов. 1 ил., 2 табл.3 1501260Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к технике цифровой обработки сигналов.Цель изобретения - уменьшение5 ч ас тоты дискр етиз ации и упрощение за счет исключения многоразрядного умножения и сокращения количества разрядов, необходимых для представления отсчетов входного сигнала и 1 О весовь)х коэффициентов.На чертеже приведена структурная электрическая схема последовательного цифрового фильтра.Последовательный цифровой Фильтр 15 содержит кодер 1, шифратор 2 х первый блок памяти и сдвига (БПС) (М) значений с разрядных двоично-позиционных чисел 3, второй блок памяти и сдвига (БПС) М значений С-разрядных двоично-позиционных чисел и знаковых разрядов 4, коммутатор 5, элемент 6 ИСКЛЮЧАКЗЦЕЕ ИЛИ-НЕ, четвертый сумматор 7, дешифратор 8, ум"25 ножитель 9, первый, второй и третий сумматоры 10, 11 и 12.В предложенном последовательном цифровом Фильтре (ЦФ) используется следующий алгоритм фильтрации с использованием дельта-модуляции (ДМ);30Мм 1+1 М лу (М) =,У,е(п-тп) еЬ (тп) (1)Ь ЬК 1 1 тт л 0 где у (1) МР (и-тп)хЕ (тп)Ь Ч-ый отсчет выходногосигнала, представленного двоично-позиционным1-разрядным кодом;порядок Цф с ДМ;(и-ш)-ый отсчет перемонного шага квантования, формируемый припреобразовании входногосигнала в сигнал ДМ ипредставленный двоично-позиционным Ь-разрядным кодом, причем вслучае ЦФ с линейной ДМ Ь = 1, т.е. шагквантования постоянени выражен одноразрядным кодом,тп-ый отсчет переменногошага квантования, формируемый при преобразо- .55ванин весовых коэффициентов фильтра в ДМ последовлтельность и представленный двоично-по зиционным Ь-разряднымкодом, причем в случаеЦФ с линейной ДМ Ь=1,т.е. шаг квантованияпостоянен и выраженодноразрядным кодом.При этом используется дельта- модуляция повышенной информативности (ДМПИ), которая относится к адаптивной ДМ.Спецификой ДМПИ является представ" леЬние переменного шага квантования Е (п) унитарным кодом, а сам шаг хквантования является переменным.При ДМПИ переменный шаг квантования е (и) изменяется пропорциотхнально степени двойки: 6,(п) = 2 где ге 10, 1,Ь), Представим е " сп) следующим образом: Ь а (и) , а. (и)2, (2)(и) где а, (и)1 О коэффициент знаковогоразряда и-го отсЧетаЕ(и),коэффициент -го разряда п-го отсчета Е (и),Ъпричем а,1 п)ст 0,1о бр аз ом пр едставим а (и) АналогичнымЕЬ (и): Ь С (тп), СО(тп) р (3)рт.оС(ш) - коэффициенты,аналогичныеа (и) и а,(п) . рЬ (тп) где Г(тп) иВ рассматриваемом случае, когда переменный шаг квантования выражается унитарным кодом, а,(п) и С(ш) для любых значений и и тп отличны от нуля только для одного значенияир следовательно из (2) и (3) получиме С (и) а (и)а (и)2Ь4е (тп) = С (ш) С (ш)2,.(7) 30Используемый унитарный код является избыточным кодом и, следовательно, с целью уменьшения разрядности Ь, он может быть преобразован в простой безыэбыточный код. Уменьшение разрядности представления переменного шага квантования позволяет упростить построение блоков памяти и сдвига. При использовании предварительного преобразования весовые коэффициенты 40 Цф вводятся в блок памяти и сдвига уже в преобразованном ниде, а преобразование отсчетов входного сигнала осуществляется на входе 1 Ф. Так как сумма безызбыточных кодов, со ответствующих е (и-тп) и Е (щ), укаь Ьэывает номер единичного разряда произведения е (и-гт) Р Ъ(г;), преобразование в безызбыточный код позволяет также упростить реализацию операции управляемого сдвига", Поясним сказанное на примере. Пусть Ь = 4 для больптого класса сигналов именно это значение в является оптимальным, тогда ЕЬ(п-щ) и Р (тп) без учета знаЬькового разряда могут принимать только четыре значения, приведенные в табл.1. В табл. показаны также кодовые комбинаттии безыэбыточных кодов,55 где С (и-щ) и (п-щ) - коэффициенты,аналогичныеа,(п), а,(п)и С 4(тп),С(щ).Учитывая (5), (6), (7) перепишем т 0 выражение (1) следующим образом:у (И)=(и-щ)(и-тп) 2 (8)1 аОИз (5)(6), (7) следует, что для 5 определения произведения 6 (и-щ) Е(щ)Ъ Ь достаточно определить коэффициент знакового разряда в соответствии с (6) и значение отличного от нуля разряда т в соответствии с (7). Сле довательно, при ныполнении свертки в соответствии с алгоритмом (8) операция умножения перерождается в операцию управляемого сдвига". Имеется в виду, что произведение унитарных ,кодов также является унитарным кодом, причем номер единичного разряза произведения определяется суммой номеров единичных разрядов сомножителей.получаемые в результате предварительного преобразования - р,(п-щ), с8 (тп) соответственно. Произведение Е(п-щ) ЕЬ(щ) можетЬ Ьпринимать 2 Ьзначений, указанныхв табл.2. В табл,2 приводятся такжесвсе возможные значения В(п-щ)ф р(щ)где С - количество разрядов. С = 1(1 оВ,Ь),где функция 1 с. определяет ближайпшее наибольшее целое число. В случае ДИПИ как правило Ьс 8 следовательно, величина Ь может принимать значение дна или три.На структурной электрической схе" ме последовательного цифрового фильтра принедены следующие обозначения:х(С) - входной аналоговый сигнал- переменньпт, выраженныйЬ-разрядным двоично-позиционньпт кодом шаг кнантования формируемый припреобразовании сигналах(с) н сигнал ЛЮ 1 И - преобразованный в безыэбыточный код переменныйшаг квантования 0 (и);знаковый разряд переменного шага квантования Е(п), представляющий соЬбой выходной сигналЛ ПИ- предварительно преобраэованньп в беэызбыточ 8 Ъ (п) х В (п) а (и) В(щ) ный код переменный шагквантования, соотнетстИз табл.2 видно, что номер кодовой комбинации Вс (и-щ) + В(щ) соответствует номеру единичного разряда произведения е (и-щ) Е (щ). ПолуЬ, Ьх 1 тченный результат не является неожижанным, так как безызбыточный код соответствует номеру единичного разряда сомножителей, а следовательно, сумма безызбыточных кодов, в соотнетствии (7), указывает номер единичного разряда произведения сомножителей, В общем случае количество раэрядон безызбыточного кода можно определить, воспользовавшись следующим выражением:,50 вующий весовым коэффициентам 1 Ф;Ср(п) - знаковый разряд переменного шага квантования,представляющий собойпоследовательность ДМПИ;(и-ш) - знаковый разряд результирунщего произведения,лфу (И) - выходной сигнал выраженный 1-разрядным двоичнопозиционным кодом.Блоки памяти и сдвига должныобеспечивать хранение и сдвиг соответственно М и (М) значений С-раэрядных двоично-позиционных чисели знаковых разрядов.Для реализации произведенияЕ (и-тп) Е (ш) используется дешиАратор 8 и подключенный к нему адресный четвертый сумматор 7. При этомиспользуется тот Аакт, что на выходе дешиАратора 8 Аормируется унитарный код, причем номер единичногоразряда определяется двоично-позиционным числом, поступающим на еговход.Для построения шифратора 2, взависимости от значения Ь необходимо составить таблицу, аналогичную 30табл. 1, и в соответствии с ней синтезировать цифровое комбинационноеустройство.В исходном состоянии в БПС 4 записаны заранее преобразованные вбезызбыточный код весовые коэффициенты ЦФ р (ш) со своими знаковыми) 1разрядами С (и) и одно нулевое двоичоно-позиционное число. В БПС 3 записаны нулевые двоично-позиционные числа. Остальные элементы схемы находятся в заторможенном состоянии,Работа последовательного цифрового фильтра состоит из рециркуляционных циклов с длительностью Т 45 1ТЦ(10)Каждый рециркуляционный цикл делится на М тактов с длительностью т1Т, - -- (11)9В начале каждого рециркуляционного цикла в БПС 3 вводится очередное,преобразованное в шифраторе 2, значе 55ние переменного шага квантованияц(п) и знаковый разряд а (и), соотсветствующие входному сигналу,Работа 11 Ф начинается с Аормирования в кодере 1 знакового разряда а (и) и переменного шага квантования е(п), преобразуемого при помощи шиАратора 2 в р,"(и), При этом коммутатор 5 подключает к БПС 3 шифратор 2 и кодер 1, в результате в БПС 3 записываются полученные значения (и) и а (и). После записи в БПС 3 коммутатор 5, переключаясь, подключает друг к другу вход и выход БПС 3, т.е. обеспечивает рециркуляционный режим его работы, Коммутатор 5 сохраняет свое состояние до введения нового значения переменного шага квантования и знакового разряда входного сигнала, т.е. в течение всего рециркуляционного цик" Ла. БПС 4 постоянно работает в рециркуляционном режиме. Одновременно с записью в БПС 3 р,(п) и а (и) подаются соответственно на четвертый сумматор 7 и элемент 6, на вторые входы которых из ПБС 4 поступают переменный шаг квантования ц (т) весовогоЬкоэффициента Аильтра и соответствующий ему знаковый разряд Со(п). Формируемая на выходе четвертого сумматора 7 сумма В (и-тп) + я (ш) поступает на дешифратор 8. Как уже отмечалось, сумма безызбыточных кодов, указывая номер единичного разряда произведения унитарных кодов, одновременно указывает номер единичного разряда на выходе дешифратора 8, следовательно, на выходе дешифратора 8 получим двоична-позиционное число, выраженное унитарным кодом, и соответствующее произведению Е(п-ш) Е (ш) . Знаковый разряд Е (и-ш) искомого произведения, в соответствии с выражением (6), определяется при помощи элемента 6 и присваивается произведению Е(п-ш)е(тп) посредством умножителя 9, ОтЬметим, что указанный умножитель 9 носит условный характер, так как при его помощи осуществляется умно" жение на плюс или минус единицу. Полученное на выходе умножителя 9 произведение с учтенным знаковым разрядом подается на первый сумматор 10, в котором осуществляется постоянное циАровое суммирование на интервале рециркуляционного цикла На остальных тактах рециркуляционного цикла производится сдвиг на один ,такт информации, записанный в БПС 3915и БПС 4 и для данного и при измененииш от 0 до М определяются остальные значения е (и-тп) р (тп). В концеЬ, Ьккаждого цикла полученная в первомсумматоре 10 сумма передается вовторой сумматор 11, первый сумматор10 обнуляется, Для данного и притп = 0,1,М все М значений произведения Е (и-тп) Е (ш) определяютсяЬ, Ьв течение последних М рециркуляционных циклов. В момент ввода переменного шага квантования Е (и+М)ькзначение переменного шага квантования е (и) теряется. Наличие в БПС 4дополнительного двоично-позиционногочисла обеспечивает беспрерывностьработы ЦФ, т,е. в момент ввода вБПС 3 очередного значения В(и) вБПС 4 осуществляется перезапись нулевого двоично-позиционного числа. Второй и гретий сумматоры 11 и 12 реализуют постоянное цифровое суммирование в соответствии с алгоритмом 1.На выходе третьего сумматора 12 форА ф,мируется выходной сигнал у (тк),выраженный двоично-позиционным 1-разрядным кодом и имеющий частоту дискретизации, равную частоте дискретизации сигнала ДИ 1 И.Из укаэанного следует, что кодер1, шифратор 2, второй и третий сумматоры 11 и 12 тактируются с частотойдискретизации сигнала ДМПИ, а остальные узлы тактируются с повышенной частотой Г, = М Г,10 01260 5 10 15 20 Формула изобретения Последовательный цифровой фильтр, содержащий кодер, вход которого явлйется входом последовательного цифрового фильтра, коммутатор, первый вход знакового разряда которого соединен с выходом знакового разряда кодера, первый блок памяти и сдвига М и (М) значений С-разрядных двоично-ттоэиционных чисел, где М - порядок цифрового фильтра, выход знакового и информационных разрядов которого соединен с вторым вхо 25 ЭО 35 40 45 50 дом одноименных разрядов коммутатора, выход информационных разрядов ко-,торого .соединен с входом информационных разрядов первого блока памятии сдвига М и (М) значений С-разрядных двоично-позиционных чисел, второй блок памяти и сдвига М и (М)значений С-разрядных двоично-позиционных чисел, выходы информационныхразрядов которого соединены с еговходами информационных разрядов,элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ, первыйвход которого соединен с выходомзнакового разряда коммутатора и входом знакового разряда первого блокапамяти и сдвига М и (М) значенийС-разрядных двоично-позиционныхчисел, а второй вход элементаИСКЛЮЧАЛДЕЕ ИЛИ-НЕ соединен с входом и выходом знакового разряда второгоблока памяти и сдвига М и (М)значений С-разрядных двоично-позиционных чисел, и последовательносоединенные первый, второй и третийсумматоры, выход последнего иэ которых является выходом последовательного цифрового фильтра, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюуменьшения частоты дискретизациии упрощения за счет исключения многоразрядного умножения и сокращенияколичества разрядов, необходимых дляпредставления отсчетов входногосигнала и весовых коэффициентов,введены шифратор, включенный междувыходом информационных разрядов кодера и первым входом информационныхразрядов коммутатора,и последовательно соединенные четвертый сумматор,дешифратор и умножитель, выход которого соединен с входом первогосумматора, пр:тчем первый и второйвходы четвертого сумматора соединеныс выходами информационных разрядовкоммутатора и второго блока памятии сдвига М и (М) значений С-разрядных двоично-позиционных чисел соответственно, а второй вход умножителя подключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ,Е( -в) б( ) Т 3 2 1 0 2 0 0 1 0 оставитель С.Муэычукехред М,Ходанич Корректор Т.Палий Редакто тин Подписно ак 884 каэ 4890/5 ВИИПИ Государственнрго комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д, 4/5 оиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г,ужгород, ул. Гагарина,10 65 4 3 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 и-п)+ (а)0 0 1 0 0 1