Устройство для цифровой фильтрации

Т, =2 Р, гдепЪ 2. Двукратное завышение частоты дискретизации необходимо для обеспе" чения наличия отсчетов не участвующих в обработке в самом высокочастотном канале и которые можно было .бы использовать для обработки в более низкочастотных каналах, Пример распределения отсчетов для обработки 50 Изобретение относится к радиотех"нике и может быть использовано длярекурсивной цифровой фильтрации сигналов в И частотных диапазонах иявляется усовершенствованием устройства по авт. св. У 1095357,Цель изобретения - упрощение путем уменьшения объемов памяти блокаи блока постоянной памяти. 10На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема усуройствадля цифровой фильтрации, на фиг. 2 блок памяти; на Фиг, 3 - блок синхронизации; на фиг. 4 и 5 - временные 15диаграммы, поясняющие работу много-,частотного цифрового фильтра.Устройство для цифровой фильтрации (фиг. 1) содержит фильтр 1 нижних частот, блок 2 синхронизации,аналого-цифровой преобразователь(АЦП) 3, первый коммутатор 4, блок5 памяти, третий коммутатор 6, умножитель 7, блок 8 постоянной памяти;сумматор 9, четвертый коммутатор 2510, накапливающий сумматор 11, ключ12, второй коммутатор 13.Блок 5 памяти (фиг, 2) содержит.блоки 14 и 15 совпадения, коммутатор16, регистр 17 сдвига, коммутатор 3018, регистры (19"1)-(19-И) сдвига.Блок 2 синхронизации (фиг. 3)содержит делитель 20 частоты, счетчик21 импульсов, элемент 22 задержки,одновибраторы 23 и 24, счетчик 25импульсов, тактовый генератор 26,одновибраторы 27, элементы ИЛИ 28,дешифратор 29,Устройство для цифровой фильтрации работает следующим образом. 40Входной сигнал, предварительноограниченный по спектру Фильтромнижних частот с частотой среза Г ,преобразуется в цифровую Форму спомощью АЦП З,выходнои сигнал которого изображен на фиг. 4 а, ЧастотаТдискретизации сигнала в АЦП 3выбирается из условия в трех различных частотных каналах приведен на фиг. 4 б, в, г б отсчеты, участвующие в обработке в самом высокочастотном канале (каждый второй отсчет), в, г - отсчеты, участвующие в обработке в двух более низкочастотных каналах (каждый четвертый и каждый восьмой отсчеты). Прореживание потоков отсчетов эквивалентно снижению частоты дискретизации в разных частотных каналах.Поскольку частота настройки полосовых рекурсивных фильтров при постоянных весовых коэффициентах линейно зависит от используемой частоты дискретизации, то частоты настройки канальных полосовых фильтров при одних и тех же весовых коэффициентах будут относиться между собой так же, как и значения частот дискретизации, использованных в различных частотных каналах, т,к. как 1:2":;2,Фактическое снижение частоты дискретизации в каждом канале без дополнительного ограничения спектров сигналов может привести к появле" нию искажений, связанных с наложением спектров, поэтому полосовой фильтрации должна предшествовать низкочастотная Фильтрация с индивидуальной частотой срезас в каждомЕ-м канале, выбираемой в соответствии с резонансной частотой Гполосового фильтра 1 с-го канала (должно выполняться условие Й ср 1 ). Для этого в каждом канале использованалгоритм нерекурсивной фильтрации 1ш-го порядка, а для последующей полосовой фильтрации - алгоритм рекурсивной фильтрации и-го порядка.Для реализации нерекурсивной низкочастотной Фильтрации последних выходных отсчетов АЦП 3 (фиг. 4 а) сигналы хранятся в соответствующей зоне блока 5 памяти. Со стороны выхода АЦП 3 первый коммутатор 4 открывается при появлении каждого последующего отсчета на выходе АЦП 3, сигнал управления коммутацией выхода АЦП 3 на блок 5 памяти аналогичен сигналу на фиг, 4 а. Этот же сигнал, но в увеличенном масштабе показан на фиг. 5 а.После записи последнего выходного отсчета АЦП 3 с выхода блока 2 синхронизации на третий коммутатор 6 поступает управляющий сигнал (фиг. 5 б), разрешающий последова1450081 30 35 тельное считьвание ш отсчетов (фиг. 5 в), хранящихся в памяти блока 5 памяти, на умножитель 7, на другой выход которого иэ блока 8 постоянной памяти коэффициентов пос" ледовательно поступают ш весовых коэффициентов 1-го канала, который обрабатьвается на данном интервале Тд. В соответствии с использованным способом прореживания отсчетов, в начале каждого второго интервала длительностью Т д из блока 8 постоянной памяти считываются ш весовых коэффициентов первого (высокочастотного) канала, в начале каждого четвертого интервала - коэффициенты второго канала и т.д., что обеспечивается соответствующим управлением блока 8 постоянной памяти коэффициентов со стороны блока 2 синхронизации. Результаты произведений поступают в первый сумматор 11, являю" щийся накапливающим и обеспечивающим их последовательное сложение. В результате этого в конце каждого интервала (момент .з на фиг.4 в) на выходе накапливающего сумматора 11 появляется значение П фявляющееся результатом обработки последних ш отсчетов АЦП 3 -го канала, Полученное значение Б фн % (д - номер . текущего интервала длительностью Т ) подается через ключ 12 сумматор 9, после чего накапливающий сумматор 11 сбрасывается (сигналы управления ключем 12 и сбросом накапливающего сумматора 11, сформированные в блоке 2 синхронизации, показаны на фиг,5 г и д соответственно).После окончания низкочастотной фильтрации начинается обработка полученного отсчета Б ф полосовым фильтром к-го канала.Полосовая фильтрация рассматривается далее на примере алгоритма рекурсивного фильтра второго (и = 2) порядка с пятью весовыми коэффициентами аа(при более высоких порядках и фильтра соответственно увеличивается число весовых коэффициентов, которое становится равным 2 п + 1), соответствующего структуре, приведенной на фиг, 1, и реализующего передаточную функцию вида где комплексная переменная Е = е а Т - частота дискретизации, используемая в 1-м частотном канале.Вводя 2-преобразование 2 0 фнч 1 выходного потока отсчетов ФНЧ 1-го канала, Е-преобразование 2 ГУ 8 к 1 выходного сигнала полосового фильтра 1-го канала на основании (1) можно 10 записать в следующем виде: 20 ., 3= 12 Г 11 ф1Ф 15 - (а+ азЕ + а 52 ) ЕБ,3(а+ а Е + а 2 ), (2) где Е Б, 3=2 УфнЭ(1-а,Е -аЕ )(3).20Легко убедиться, что введенный сигнал Бсоответствует выходному сигналу накапливающего сумматора 11 иявляется промежуточным результатомРекурсивной обработки.Равенствам (2) и (3) в областидействительной переменной соответствуют разностные уравнения и Пк,(д фч + аУ,Ы - 1) + + адС (з. -2), (4) ьых (з ) М )а 2 11(1)аз + Б,(з. - 2)а, (5) где У (з. - 1), Б ,(з. " 2) - пред"шествующие значения сигнала Бз полученные в -м канале.В рассматриваемом з.-м интервале 40Тд (фиг. 5 а) значение БФ(1)уже вычислено в моменту 1 з(фиг.5 б).Значения 0( - 1), Б ( - 2) хранятся в зоне блока 5 памяти, соответствующей 1 с-муканалу. Поскольку вследующем (з. + 1)-м интервале длительностью Т, в котором снова будетвестись обработка в к"м канале, вуказанной зоне должны храниться уже 50отсчеты 01, У (з.-1), значениеБ ,(з.) приходится каждый раз вычислять отдельно с помощью второго сумматора 9 и записывать в зону блока5 памяти отсчетов 0-го канала, 55а отсчет Б(з.-2) прй этом стирается.1Для реализации вычисленной в соответствии с (4) и (5) производитсяследующая последовательность операций. В моменты времени(фиг. 5 б) иэ блока 5 памяти через третий коммутатор 6 на умножитель 7 происходит считывание отсчета П ,(- -1), а на другой вход умножителя 7 иэ блока 8 постоянной памяти последо 5 вательно считываются весовые коэффициенты а а . Четвертый коммутатор 10 осуществляет подачу результатов умножения либо на сумматор 9, либона накапливающий сумматор 11, Сигналы управления четвертым коммутатором10, формируемые блоком 2 синхрони, зации, показаны на фиг. 5 е, ж, Та ким образом значение О ,(1-1)асформированное в момент 1посту пает в сумматор 9, где складывается; с хранящимся там значением П нфнч в, момент С в накапливающий сумматор11,В следующие моменты времени 1из блока 5 памяти через третийкоммутатор 6 на умножитель 7 считывается значение отсчета 01(1-2), 25умножитель 7 формирует значениеП 1,(-2)аи П 1(х)а, иэ которыхпервое поступает во второй сумматор9, а второе в накапливающий сумматор11, что обеспечивается соответствующими сигналами управления четвертогокоммутатора 10 со стороны блока 2синхронизации (фиг, 5 е, ж).Таким образом, к моменту времени(фиг. 5 з) в накапливающем сумматоре 11 содержится значениеЗБП, (1.-1)а + П(-2)а, а в сумматоре 9 - значение П определяемоеравенством (4) . Значение П , черезпервый коммутатор 4 поступает на вход 4блока 5 памяти, где записывается взону хранения отсчетов 0 , К-гоканала. Одновременно с этим значениеП 1, через третий коммутатор 6поступает на умножитель 7, где фор.мируется значением 0 ,а , которое через четвертый коммутатор 10поступает в накапливающий сумматор11, где складывается с накопленным внем значением М 1 (1-1)а Э+ П В(1 ВО-2)а 1, в результате чего на выходепервого сумматора 11 формируется значение П ввхд 1) в соответствии с выражением (5), являющееся результатомрекурсивной обработки входного сигнала в 1-м частотном канале. Это значение переключается на соответствующийК-й выход второго коммутатора 13. Вначале следующего интервала Т в 6момент 1 (фиг. 5 и) первый и второйсумматоры 11 и 9 устанавливаются висходное (нулевое) состояние сигналами сброса (фиг. 5 л, д), поступающимис соответствующего выхода блока 2синхронизации и подготавливаются таким образом к работе в следующем интервале (с, С з + Т), на которомбудут обрабатываться отсчеты другогоканала в соответствии с распределением отсчетов между каналами, приведенными на фиг. бб, в, г,Для обеспечения необходимой коммутации сигналов используются первый,третий и четвертый коммутаторы 4, 6и 10, Для обеспечения описанной коммутации на управляющие входы с выхода блока 2 синхронизации подаютсяпары сигналов (фиг. 5 и, к),(фиг.5,б, з) и (фиг. 5 е, ж) соответственно,Кроме того, для выделения канальных сигналов используется второйкоммутатор 13, имеющий один вход иМ выходов, Для управления проключением выходного сигнала накапливающего сумматора 11 на один 1-й изМ выходов второго коммутатора 13может использоваться управляющийсигнал в виде двоичного кода, задающего номер коммутируемого выходавторого коммутатора 13, и вводитсястробирование второго коммутатора13 сигналом фиг. 4 а. Еще один коммутационный элемент в составе устройства (ключ 12) замыкается при управляющем сигнале (фиг. 5 г).Блок 8 постоянной памяти можетбыть выполнен на базе постоянногозапоминающего устройства (ПЗУ), управляемого с соответствующего выхода блока 2 синхронизации. Блок 5 памяти отсчетов может быть выполнен на базе регистров 17, (19-1)-(19-И) сдвига. В момент (фиг. 5 а) входной сигнал блока 5 памяти отсчетов записывается через блок 15 совпадения в регистр 17 сдвига, хранящий ш выходных отсчетов АЦП 3, используемых при нерекурсивной низкочастотной фильтрации, В момент(фиг. 5 к) входной сигнал блока 5 памяти отсчетов, равный П (х), через блок 14 совпадения поступает на коммутатор 16, который по сигналу управления от блока 2 синхронизации в соответствии с номером канала К, обрабатываемого на данном интервале, записывается в регистр1450 081 30 719-к сдвига. Последовательное считывание ш отсчетов из регистра 17 через коммутатор 18 происходит в интервале (с , е ) (Фиг. 5 в), а считывание отсчетов с одного 1-го регистра 19 сдвига - в интервале (ТС,) (фиг. 5 е, ж). Считывание из регистра 17 или одного из регистров (19-1)- (19-И) обеспечивается подачей на 10 коммутатор 18 соответствующих управляющих сигналов от блока 2 синхронизации, который работает следующим образом. Делитель 20 в (в+8) раз понижает частотУ Гвч выхоДного сигна ла тактового генератора 26, чем формируется сигнал (фиг, 5 а) . Число ш+8 равно числу тактов, образующих один полный цикл обработки отсчетов длительностью Т 4, Группа сигналов, 20 сформированных на выходах одновибраторов 27, включенных на выходах всех разрядов И-разрядного счетчика 25, кроме самого младшего разряда, который выводится непосредственно, соот ветствует сигналам, показанных на фиг, 66, в, г, с той разницей, что длительность каждого единичного импульса сигналов с помощью одновибраторов 27 растянута на Т. Таким образом, в каждом интервале Тд указанная группа сигналов образует номер обрабатываемого, канала в виде позиционного кода, Сигнал Б,подается на блок 5 памяти, где используется для управления коммутаторами 16 и 18, определяя какой из регистров (19-1)-(19-И) сдвига долженучаствовать в обработке на данном интервале Тд. Сигнал Б,(образующий 40 группу из И неперекрывающихся во времени сигналов) используется и для тактирования регистров (19-1)- (19-И) сдвига. При этом на каждом интервале обработки отсчетов какого либо фиксированного канала сдвиг будет разрешен только в том регистре (19-1)-(19-И) сдвига, который хранит информацию именно этого канала. Другие Ирегистров ( 19-1)-(19-М)сдви 50 га при этом находятся в режиме хранения информации. Кроме того, сигнал Б н, участвует в выборе зоны блока 8 памяти, хранящей ш весовых коэффициентов Фильтра нижних частот и 5 весовых коэффициентов рекурсивного полосового фильтра данного канала. Сигнал Бподается также на второй коммутатор 13, определяя на какой именно выход следует переключить выходной сигнал накапливающего сумматора 1. Стробированиевторого коммутатора 13 осуществляется сигналом (Фиг. 5 а). С помощью элемента 22 задержки и одновибратора24 формируется сигнал фиг. 5 б, а спомощью одновибратора 23 - сигнал,равный уровню логической единицы наинтервале (, С,) и подаваемый наблок 5 памяти. При этом на выходкоммутатора 18 переключаются выходырегистра 17 сдвига (режим низкочастотной Фильтрации) при уровне логического нуля выходы одного из регистров 19 сдвига, выбранного в соответствии с сигналом Б ,. Счетчик 2 1 циклически просчитывает(ш+8) импульсов Г, автоматическиобнуляясь к началу каждого интервала Тд. Двоичный код на выходе счетчика 21 подается на блок 5 памяти,обеспечивая последовательный опросячеек регистров сдвига 17, (19-1)(19-М). Тот же сигнал совместно ссигналом Бцобразует адреса считывания весовых коэффициентов из зоны блока 8 постоянной памяти, соответствующей каналу, в котором наданном интервале Т ведется обработка. Дешифратор 29, включенный навыходе счетчика 21, обеспечивает выделение временных позиций (Фиг,5 а-л)на своих выходах. Дешифратор можетбыть выполнен в виде нескольких блоков совпадения, на первые объединенные входы которых подан выходнойсигнал счетчика 21, а на вторые входы - двоичные числа, равные числупериодов Гмежду началом интервала Т; и выбираемой позицией. Объединяя соответствующие выходы дешифратора 29 (на элементах ИЛИ 28), можнополучить сигналы Фиг. 5 г-л. Выходной сигнал Гтактового генератора 26 обеспечивает тактовым питаниемблоки 5 и 8, умножитель 7 и первыйи второй сумматоры 11 и 9. формула изобретения Устройство для цифровой Фильтрации по авт.св. Р 1095357, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью упрощения путем уменьшения объемов памяти блока памяти и блока постоянной памяти, информационный выход блока памяти через введенный третий коммутатор сое 1 А 5 0081 1 Одинен с входом умножителя,выход которого через введенный четвертыйкоммутатор подключен к информационному входу накапливающего сумматора,введены последовательно соединенныеключ, информационный вход которогосоединен с выходом накапливающегосумматора, и сумматор, второй информационный вход которого соединенс вторым выходом четвертого коммутатора, а выход соединен с вторыминформационным входом первого коммутатора и вторым информационным 5входом третьего коммутатора, при этомвосьмой, девятый, десятый и одиннадцатый выходы блока синхронизациисоединены с управляющими входами соответственно третьего коммутатора,четвертого коммутатора, сумматора иключа.