Цифровой фильтр

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕВЬСТВУ(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 111280 (21) 3235360/18-24с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетОпубликовано 300882, Бюллетень Мо 32Дата опубликованияописания 300882 151 М. Кл. Н 03 Н 17/06 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) ЦИФРОВОЯ ФИЛЬТР Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов.Известен цифровой фильтр, содержащий два блока циклической памяти,своими выходами соединенные с входами умножителя, выход которого соединен с входом накапливающего сумматора, подключенного к выходной шинефильтра. Вычисление отсчета выходного процесса в этом устройстве производится последовательным считываниемиз блоков циклической памяти кодоввыборок входного процесса и коэффициентов фильтра,которые на умножителе перемножаются. Промежуточныепроизведения накапливаются в сумматоре. В конце й-го цикла вычисленийс выхода сумматора снимается отсчетвыходного процесса. Время вычисления отсчета равно с =- йс, гдесм - время вычисления произведениядвух чисел 11,Недостатком известного устройства, а также устройств, в которых произведение вычисляется на небольшом числе умножителей, является то, что для вычисления одного отсчета свертки требуется значительное время, так как умножения выполняются на одном оборудовании, на что затрачивается время, равноейс 1 м ф где й и число умножителей.Число умножений в единицу времени равно й/Т, где Т - период дискретизации входного процесса.Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство цифровой фильтрации, Фильтрация сигналов в которомпри нечетном й выполняется в соответствии с формулойн-где и; - коэффициенты импульснойхарактеристики цифровогоФильтра с.линейной фазой;й М21й - порядок фильтра. сЭто устройство содержит блокпамяти коэффициентов импульсной характеристики Ь(1), первый вход которого является входом записи массивачисел п(1), второй вход и выход сое динены с выходом адресного счетчикавыход элемента ИЛИ блока ранжированиясоединен с первым входом элемента Иблока ранжирования, второй вход которого объединен с входом второгосчетчика блока ранжирования и является входом синхронизации цифровогофильтра, выход второго счетчика блока ранжирования соединен с входомпервой группы регистра, входы второйгруппы которого соединены с соответственными входами элемента ИЛИ иявляются входами задания коэффициентов фильтра, выход регистра подключен к управляющему входу генератора пачек импульсов, первому входувторого мультиплексора и первомувходу блока сравнения, выход которогосоединен с входом второго счетчика,третьим входом блока памяти и вторымвходом первого мультиплексора, третий вход которого является информационным входом фильтра, выход второго счетчика подключен к второму входу блока сравнения и второму входувторого мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом блокапамяти коэффициентов, причем выход .первого счетчика подключен к второму входу сумматора.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на Фиг. 2то же, блока ранжирования.Устройство содержит вход 1 фильтра, блок 2 памяти (входных отсчетов),первый мультиплексор 3, умножитель4, выход 5 фильтра, сумматор 6, первый счетчик 7, блок 8 памяти коэффициентов, второй мультиплексор 9,блок 10 ранжирования, генератор 11пачек импульсов, блок 12 сравнения,второй счетчик 13, вход 14 запуска,вход 15 синхронизации, вход 16 записи коэффициентов фильтра, накапливающий сумматор 17,Блок ранжирования содержит двасчетчика 18 и 19, элемент И 20, элемент ИЛИ 21 и регистр 22.Цифровой фильтр работает следующим образом,Перед началом фильтрации производится загрузка коэффициентов импульсной характеристики в блок 8 памятикоэффициентов, Максимальная длиназагружаемой импульсной характеристики равна й+1, где й равно целой степени числа 2. КОэффициенты 6 поступают на вход 16 записи коэффициентов фильтра последовательно во времени, начиная с коэффициента П икончая коэффициентом по. Каждый коэффициент сопровождается импульсомсинхронизации, поступающим на вход15 синхронизации. Блок 10 ранжирования организует запись н блок 8только таких отсчетов Ь;, которыене равны нулю, Последние записываются н блок 8 подряд по адресам, поступающим с адресного выхода блока 10 и входом первого регистра соответственно, выход первого регистра соединен с первым нходом устройства умножения, соединенного своим выходом с входом накапливающего сумматора, выход которого подключен к входу цифро-аналогового преобразователя, второй вход устройства умножения подключен к выходу сумматора, первый и второй вход которого соединены с выходами второго и третьО его регистров соответственно, первый и второй блоки памяти входных отсчетов, первыми входами соединенные с вторым и третьим адресными счетчиками соответственно, а вторы ми входами - с выходами четвертого и пятого регистра и первым входом четвертого регистра, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти входных отсчетов, пер вый вход третьего регистра является входом фильтра, а второй вход третьего регистра и вход второго регистра соединены с выходами второго и первого блоков памяти входных отсчетов соответственно 2,.Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, связанное с непроизводительной затратой времени на выполнение сдвига массива входных отсчетов и большим количеством умножений в единицу времени, необходимых для Формирования отсчета выходного сигнала.Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового фильтра.35Поставленная цель достигается тем, что н цифровой Фильтр, содержащий блок памяти, первый вход кото- роро является информационным входом фильтра, умножитель, выход которого 40 соединен с входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом Фильтра, блок памяти коэффициентов, первый выход которого подключен к первому входу умножителя, 45 первый счетчик, вход которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, тактовый вход которого соединен с ныходом генератора пачек импульса, вход которого является входом запуска фильтра, введены первый и нторой мультиплексоры, сумматор, блок сравнения и блок ранжирования, содержащий первый и второй счетчики, регистр, элемент ИЛИ и элемент И, выход которого соединен с входом первого счетчика и блока ранжирования, выход которого подключен к первому входу блока памяти коэффициентов, второй выход которого соединен с первым входом сумматора, бф выход которого подключен к второму входу блока памяти, выход которого соединен с первым входом первого мультиплексора, выход которого подключен к второму входу умножителя, 65ранжирования через мультиплексор 9на адресный вход блока 8, причемотсчет 6 записывается по нулевомуадресу. В блоке 10 ранжированияФормируется для каждого отсчета и,его индексный номер а, который5записывается вместе с соответствующим коэффициентом и в блок 8. Сэтой целью каждое слово блока 8разбито на два поля, В поле, соответствующем первому выходу блока 8,записывается индексный номер а;, асоответствующий коэффициент 6 - вполе, соответствующем второму выходублока 8. При этом в коэффициентовЬ, Ь Ь Ь по, не15равных нулю, имеют следующие индексные номера: а=0, а =12,ао=2 , а =О. Такое Формированиеиндексного номера производится путемподсчета по модулю М М+1 импульсов ;щсинхронизации, сопровождающих М+1коэффициентов ЬЧисло импульсов синхронизации, поступающих на вход 15синхронизации, всегда равно М+1.Если длина характеристики фильтра 25меньше максимальной, например на1 отсчетов, то первый не равный нулюотсчет п=Ь и его индексныйномер а =М будет записан по нулевомуадресу в блоке 8. Далее процедуразагрузки блока 8 аналогична случаюмаксимальной характеристики, имеющейМ+1 отсчет. После окончания загрузки коэффициентов в блоке 8 записываются и отсчетов и;, Ь 2, , щ,значения которых йе равны нулю, вместе со своими индексными номерами. Приэтом на адресном выходе блока 10 ранжйрования формируется код, равныйа. Этот код является управляющимдля генератора 11 пачек импульсов инастраивает его на формирование пачки из ю импульсов после запуска,.одновременно, в процессе фильтрациион сравнивается на блоке 12 сравнения с текущим значением кода на45выходе счетчика 13. Когда на выходесчетчика 13 устанавливается код,равный п, что соответствует п 2-омусостоянию счетчика, на выходе блокасравнения появляется сигнал, разрешающий сброс счетчика 13 при поступлении,на его счетный вход очередногоимпульса. При этом на выходе переноса счетчика 13 появляется импульс.Таким образом, в процессе Фильтрации 55счетчик 13 работает по модулю л.Процесс фильтрации заключаетсяв вычислении отсчетов свертки у(п)по формулефп 1:Е Ь,Хр.,=,.Ь;х,40ъО1 2 э "1 П. з Огде и - текущии номер выходногоотсчета;Ь; - коэФфициенты импульснойхарактеристики фильтра; 65 хп - входные отсчеты сигнала;1, . номера коэФфициентов т-ф о не равных нулю.Для вычисления каждого отсчета у(п) фильтр производит и операций вычисления частных произведений вида й, хи п операций суммирования.В режиме фильтрации на вход 1 фильтра с интервалом дискретизации Ь поступают отсчеты хо, хл, . , х . Каждый отсчет сопровождается импульсом, поступающим на вход 14 запускаК моменту поступления каждого входного отсчета в сумматоре 17 накапливается сумма ипроизведений Ь; х.;, при этом счетчик 13 находится в состоянии в. Поступление отсчета х и на шину входа 1 фильтра сопровождается запуском гЕнератора 11 пачек импульсов. Первый тактовый импульс пачки переводит счетчик 13 в и состояние, и код на его выходе становится равным ои через мультиплексор 9 поступает на адресный вход блока 8 памяти коэффициентов. По адресу, указанному счетчиком 13, производится считывание отсчета Ио и его индексного номера а =0 из блока 8.оСчитанный отсчет пр поступает на второй вход умножителя 4. Одновременно блок 12 сравнения выделяет и состояние счетчика и формирует на своем выходе сигнал, который переводит . блок 2 памяти входных отсчетов в режим записи и подключает через мультиплексор 3 шину входа 1 фильтра к умножителю 4. Поступивший входной отсчет хп загружается в блок 2 памяти входных отсчетов по адресу, сформированному на выходе М-разряцного комбинационного сумматора б, который вычисляет сумму кода А поступающего с выхода счетчика 7 и йндексного номера ао. Так как а =О, то загрузка отсчета хпроизводится по адресу А, Одновременно отсчет хо через мультиплексор 3 поступает на первый вход умножителя 4, на второй вход которого поступает отсчет Ьо из блока 8. В умножителе 4 вычисляется произведение п х 1, которое затем суммируется сумиатором 17 с накопленной суммой опроизведений вида Ь;х.;. Таким образом, в конце такта, выделяемого блоком сравнения 12, на выходе 5 Фильтра формируется выходной отсчет у.При поступлении второго тактового импульса на кодовом выходе счетчика 13 формируется код, равный нулю, а на выходе переполнения появляется сигнал, поступающий на счетный вход счетчика 7, на выходе которого формируется код А л, при этом блок 2 ,памяти входных отсчетов переводится в режим считывания, а его выход че 955512рез мультиплексор 3 подключается кумножителю 4. Отсчеты Ь и х . считанные из блока 8 памяти коэффициентов и блока 2 памяти входных отсчетов, посту пают в умножитель 4, где вычисляется произведение П Ь 1 х и- ЙФ 41При этом на выходе накапливающегосумматора 17 формируется частнаясумма 5 1 О 15 Адрес для отсчета хп. й формируется на выходе сумматора б в виде (А+1+а; ) щод й. На третьем такте аналогичным образом вычисляются произведение П =Ь; хк, и частная сумма 5=5 +П. уп . 5 п 5 п-+ЬохпОдновременно поступивший отсчет хч+записывается в блок 2 памяти. входныхотсчетов на место отсчета х +.н35поступившего на вход Фильтра наинтервалов дискретизации раньше. Адресзагрузки отсчета хравен Аь+1+ао) щод й=(А.) щодй,а=О, 40 Действительно, поступающие отсчеты загружаются в блок 2 памяти входных отсчетов в следующем порядке: х 0 по адресу (А) щоо й, х - по адрес 5 (А + ) що,д й.хй по адресу (А фй)щодй, хп,- по адресу (А+1 фй)щодй= (А Ф 1)щосй. Таким образом,.входной отсчет хй, поступивший в конце отсчета х 0При этом на выходе Фильтра в случае характеристики длиной М й+1 сформируется экстемальный отсчет Уи У ь " о Ь й +х М. , Ь , + фх й Ь о55 Если характеристики короче максимальной на 1 отсчетов, то экстремальным является отсчет уйТаким образом, процесс вычисления. очередного значения свертки ур складывается из следующих операций: сдвига на единицу .массива входных отсчетов хотносительно массива коэффициентов Ь, производимого в начале вычисления выходного отсчета у путем увеличения на единицу сойер На щ такте в сумматоре 17 Формируется частная сумма 5 щ.=5 щ г +Пп,При поступлении отсчета х , на шину вхо да 1 фильтра в умножителе 4 производится вычисление произведенияЬох и, с последующим сложением с накопленной суммой 5 щ . В результате на выходе 5 фильтра Формируется выходной отсчет у,. жимого счетчика 7, вычисления взвешенной суммы входных отсчетов х с неравными нулю коэффициентами. При этом отсчеты х выбираются из блока 2 памяти входных отсчетов с помощью индексных номеров а, которые указывают относительно кода на выходе счетчика 7 отсчеты хр, соответствующие коэффициентам Ь, . В конце вычисления отсчета у 1, производится загрузка очередного отсчета на место отсчета хч. При этом загрузка и вычисление с накоплением произведения х Ьо совмещены во вреч омени.Блок 10 ранжирования работает следующим образом.Перед началом загрузки блока 8 памяти коэффициентов триггеры счетчиков 18 и 19 устанавливаются в единичное состояние, Коэффициенты Ь; поступают на вход 16 записи коэффициентов фильтра, а соответствующие синхронизирующие импульсы - на вход 15 синхронизации, Коэффициенты Ь; поступают на вход, начиная со старших номеров. Число синхроимпульсов всегда равно й+1. Если длина характеристики фильтра на Е отсчетов меньше максимальной, то первый не равный нулю коэффициент имеет номер Ь У и сопровождается 1-ым по счету синхроимпульсом. Если поступивший коэффициент Ь не равен нулю, то на выходе элемента ИЛИ 21 Формируется сигнал разрешения, и соответствующий синхроимпульс проходит через элемент И 20 на счетный вход счетчика 19. Выделенный таким образом коэффициент Ь( записывается в регистр 22 вместе со своим индексным номером. Индексный номер формируется на выходе счетчика 18, работающего по модулю й, путем подсчета числа поступивших синхроимпульсов. В блоке 8 памяти коэффициентов записываются подряд в порядке поступления с выхода регистра 22 не равные нулю коэффициенты Ь со своими индексными номерами. Адрес записи указывается в содержимом счетчика 19. Таким образом, неравные нулю щ коэфФициентов Ь;, Ь, Ьщ.,с 0 с соответствующими индексными номерами а =(, а, = 1 а;щ,1= 1 т. а,о =0 записывается в блоке 8 памяти коэффициентов по адресам А 4 =О, А=1 ру Ап=щ Таким образом, в предлагаемом устройстве затраты времени на вычисление каждого у(п) определяются не длиной характеристики фильтра, а числом щ ее нулевых коэффициентов Ь . Время вычисления у(п) в предлагаемом устройстве равногде е - число нр нулевых коэффициентов;,(+) + й1 О где й - длина характеристики.Сравнение вычислительных затрат илвестного и предлагаемого устройств показывает, что, например прийа = - быстродействие предлагаемого2устройства вьые. Кроме того, в отличие от прототипа предлагаемое устройство может работать как с симметрич ной, так и с несимметричной импульсной характеристиками.формула изобретенияЦифровой фильтр, содержащий блок 25 памяти, первый вход которого является информационнымвходом фильтра, умножитель, выход которого соединен с входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом Зо фильтра, блок памяти коэффициентов, первый выход которого подключен к первому входу умножителя, первый счетчик, вход которого пОдключен к Выходу перепОлнения ВТОРОГО счет- З 5 чика, тактовый вход которого соединен с выходом генератора пачек импульса, вход которого является входом запуска фильтра, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повыаения быстродействия, в него введены первый и второй мультиплексоры, сумматор, блок сравнения и блок ранжирования, содержащий первый и второй счетчики, регистр, элемент ИЛИ и элемент И, выход которогО сое динен с входом .первого счетчика бло ка ранжирования, выход которогоподключен к первому входу блокапамяти коэффициентов, второй выходкоторого соединен с первым входомсумматора, выход которого подключен к второму входу блока памяти,выход которого соединен с первымвходом первого мультиплексора, выходкоторого подключен к второму входуумножителя, выход элемента ИЛИ блока ранжирования соединен с первымвходом элемента И блока ранжирования, второй вход которого объединен с входом второго счетчика блока ранжирования и является входомсинхронилации цифрового фильтра,выход второго счетчика блока ранжирования соединен с входом первойгруппы регистра, входы второй группыкоторого соединены с соответственными входами элемента ИЛИ и являются входами задания коэффициентовфильтра, выход регистра подключенк управляющему входу генераторапачек импульсов, первому входу второго мультиплексора и первому входублока сравнения, выход которого соединен с входом второго счетчика,третьим входом блока памяти и вторымвходом первого мультиплексора, третий вход которого является информационным .входом фильтра, выход второгосчетчика подключен к второму входублока сравнения и второму входу второго мультиплексора, выход которогосоединен с вторым входом блока памятикоэффициентов, причем выход первогосчетчика подключен к второму входусумматора. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработи сиг-,налов. М., "Мир", 1978, с. 601. 2Авторское свидетельство СССР 9 636616, кл. С 06 Р 15/34, 1976955512Составитель А. Баранов Редактор А. Огар Техред М.Рейвес Корректор Г. Огар Эакаэ 6474/76 Тираж 959 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4