Цифровой фильтр

Союз Советски кСоциалмстическинРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ пц 789995(22) Заявлено 07.12.78(21) 2705868/18-24с присоедииениеем заявки Рйдо делам нзобретеннй н вткрытнй(088.8) Дата опубликования описания 25 12 80 А, К. Горшков, В. А. Лесников, Е, П. Петров и А, В, Частиков(72) Авторы изобретения Кировский политехнический институт(54) ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР связана Изобретение относится к радиотехнике и может применяться при цифровой обработке сигналов.Известны цифровые фильтры (Цф),,отличающиеся повышенным быстродействием эа счет увеличения скорости работы умножителей на коэффициентыпутемувеличения их количества при представлении коэффициентов в системе счисления, каждый разряд в которой может соцержать значения О, +1, -1, и за счетвычисления всех возможных кратныхвходного сигнала 1,1,15Известны также комбинаторные струк туры Цф, отличающиеся от укаэанных алгоритмом обработки и имеющие различную скорость работы за счет распараллеливания 21. Из известных Цф наиболее близкимпо технической сущности является фильтр,описаннный в 31, фильтрующий после 2"довательные двоичные отсчеты 2 сигнала, где представлено в форме3=1в котором выходная величинас Л функциейн тГ 3-3= 7,а,1.=ъ 2.ь=1 =1 где каждое О является весовым коэффициентом, ат 4Ь ",Е а,ь= и содержащий Н блоков хранения после- .довательных отсчетов ; сигнала, блок4памяти для запоминания соответствующихвеличин Ъимеющий н позиций,адресуемых множеством 2, Х 2 2. ,2. 11й1 тт т уммирующит 1, блок для формирования про,7 25 ь,средства, послеаовательно соединяющиесп .блоки хранения последовательных отсчено тов сигнала с каждым сигнальным многни жеством О Х 2, ъде 1п ддя выборки величины В из блока памяти по адресам определяемым этим кщожеством, и передачи величинына суммирующий блок. Алгоритм работы ЦФ имеет виц,Н=," Х Ь, Э= Х а;5,гдеЦифровой фильтр содержит Й блоковхранения последовательных отсчетов сигнала, гце М определяется порядкомфильтра и видом его передаточной функции, блок памяти, блок формированияадреса, суммирующий блок, причем входодного из блоков хранения последовательнык отсчетов сигнала является входомфильтра, выходы Я блоков храненияпоследовательных отсчетов сигнала подключены к входам блока формированияадреса, выход которого соединен с входом блока памяти, выход блока памятиподключен к вкоду суммирующего блока,выход которого является выходом фильтра.35При решении ряда технических задачвозникает необходимость в построенииЦФ с перестраиваемыми параметрамипутем изменения (перестройки) значенийвесовых коэффициентов. При этом изменять требуется не все коэффициенты, атолько часть из ник. Но даже изменениечасти коэффициентов при построении фильтра по схеме фильтра-прототипа ведет кизменению всего содержимого блока па 45мяти, т. к, в нем хранятся числа, составленные из комбинаций коэффициентов, чтоснижает скорость смены информации вблоке памяти, уменьшая этим скоростьработы фильтра. Следовательно, устра 50нить указанные недостатки можно путемуменьшения количества чисел, кранимыхв блоке памяти фильтра. В фильтре-прототипе предложен способ уменьшения,ь 42 - инверсный коц числа-.- сдвиг числа на один разрядв сторону младших разрядов;- Т 32 - единица младшего разрядачисла с . Однако, этимособом не исчерпываются все возмож- сти уменьшения количества чисел, храмых в блоке памяти комбинаторного фильтра. Его структура не может учитывать следующих факторов; часть коэффициентов фильтра может быть кратной степени числа два, часть коэффициентов фильтра .даже в процессе перестройки его параметров не подлежит изменению, часть коэффициентов фильтра в двоичном представлении может содержать ограниченное число единиц, Создание Цф, учитывающего перечисленные факторы, позволяет значительно сократить количество чисел, хранимых в блоке памяти фильтра. Особенно важная, задача создания такого фильтра возникает тогда, ког- да ЦФ должен работать в адаптивной системе обработки сигналов, т. к. при этом даже незначительное сокращение количества чисел ведет к значительному сокрашению объемов памяти в системе и увеличению скорости ее работы за счет увеличения скорости смены инфор мации в блоке памяти фильтра и повышения этим скорости его работы, а в конечном итоге и системы в целом.Недостатком известного технического решения ЦФ является большое количество чисел хранимых в блоке памяти, и низкая скорость.Цель изобретения - уменьшение объема оборудования и увеличение быстродействия.Указанная цель достигается тем, что Цф, содержащий й блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, блок памяти, блок формирования адреса, суммирующий блок, причем выход блока формирования ацреса соединен со входом блока памяти, вход одного из )ч блоков хранения последовательных отсчетов сигнала является входом фильтра, выход суммирующего блока является выхоцом фильтра, дополнительно содержит арифметикологический блок, причем выходы К блоков хранения последовательных отсчетов сигнала, гае К 1 К, подключены к входам блока формирования адреса, выходы (Й - К, ) блоков кранения последовательных отсчетов сигнала и выход блока памяти подключены ко входам арифметико погического блока, выход которого подключен ко входу суммирующего блока,5 7899На фиг. 1 приведена структурная схема рекурсивного фильтра; на фиг, 2 схема нерекурсивного фильтра.,Цифровой рекурсивный фильтр содержитвход 1, блоки 2,3,4,5,6 хранения последовательных отсчетов сигнала, блок 7формирования адреса, блок 8 памяти,арифметико-логический блок 9, суммирующий блок 10, выход 11,Вход 1, являющийся входом фильтра,соединен с входом блока 4. Выход блока2 подключен к входу блока 3 и к первому входу блока 7 формирования адреса,второй вход коцррого подключен к выходу блока 3. Выхоа блока 7 формйрования 15адреса соединен с входом блока 8 памяти. Выход блока 8 памяти и вторые выхо.1аы блоков 4,5,6 хранения последовательных отсчетов сигнала подключены к входам арифметико-логического блока 9. 20Первый выход блока 4 соединен с входомблока 5; а первый выход блока 5 - совходом блока В. Выход арифметикологического блока, 9 подключен ко входу суммирующего блока 1 С выход которого соединен со входом блока 2 хранения последовательного отсчета сигнала.Выход 11 суммирующего блока 10 является выходом фильтра.Прежде чем рассмотреть работу БФ, 30изображенного на фиг. 1, запишем урав: нение, описывающее работу комбинаторного Цф,Гй=Е 2 Ь 1,( ). 95 4 Передаточная функция фильтра на фиг. 1 имеет вид 1 4= дй+ " СЗв-р (4) гд ,Х,)1 -ый выходной и вхоаной отсчеты соответственно; О ъ -ый весовой коэффициент; Ио =б - 1; б 2; Х 1 Ъ - (И) -ый входной и выходной отсчеты соответственно; ц,ф 2) -ой .входной и выходной отсчеты соответственно, Запишем (4) с учетом значений весовых коэффициентов.1=Р+ъ,+ 1 фф,+ф 3 ъ- (5) Для уравнения (5)И =З, т. е. Х,Хц у,,( Д., К - 2, т. е. ф,. и М К-З, т. е.)(;Ми,Мп, Уравнение (,2) для (5) можем записать Ь ф О 1 ФО Значения слов 5 приведены в табл. 3: Уравнение ( 1) для (5) имеег вид.- вес разряда последовательного отсчета сиг нала; 8 -Оф Я - разрядное число, хранимое в блоке памяти фильтра; Ь 1 Д й - количество блоков хранения последовательных отсчетов сигнала; ЯФ - ый весовой коэффициентф значение-го разряда 55-го последовательного отсчета сигнала, которое может быть 0 или 1,которое определяет алгоритм работы фильтра, изображенного на фиг. 1,Цф работает слеаующим образом.В Я =5 блохах 2,3,4,5,6 хранения последовательных отсчетов сигнала записаны соответственно ЧЪ13-фХп 1 . В блок 8 памяти записаны 3 - разрядные слова 8 (табл. 1). Один период дискретизации или один цикл по обработке входного отсчета )(состоит пз в тактов, где И - разрядность последовательных двоичных отсчетов сигнала, В первом такте арифметикологический блок 9 вычисляет сумму 9 сумма добавляетмирующего блока рующем блоке 10 иной в нем суммы ставляет собой Полученная блокомся к содержимому сум10, при этом в суммиделение на два получене происхоаит. 61 пре5 8.М - инверсный коц числа Х;Я-" - сдвиг числа на один разряд в сторону младших разрядов;2 - еаиница млацшего разрядам - разрядного числа Х;Цифровой нерекурсивный фильтр содержит вход 1, блоки 2,3,4,5 хранения послецоватедьных отсчетов сигнала, блок 6 формирования адреса, блок 7 памяти, арифметико-логический блок 8, суммиру ющий блок 9, выход 10.Вход 1, являющийся входом фильтра, соецинен со входом блока 2, первый выход блока 2 - со вкодом блока 3. Выход блока 3 соединен со входом блока 4 и первым входом блока 6 формирования адреса, Выход блока 4 подключен ко вкоду блока 5 и второму входу блока 6. Выход блока 6 формирования адреса соединен со входом блока 7 памяти, Второй выкод блока 2, выход блока 7 и выход блока 5 подключен ко вкодам арифметикологического блока 8. Выход блока 8 подключен ко входу с ммирующего блока 9, выход 10 которого является выходом фильтра.Передаточная функция фильтра, изображенного на фиг. 2, имеет виц НХ)= =;7-Зу Ф 32 - 1, которой соответствует разностное уравнениеин е гае(6) гае р = - 3; С =+3. Уравнение (2) для (6) запишется как Уравнение (1) для (6) принимает видкоторое определяет алгоритм работы фильтра, изображенного на фиг. 2,Цф работает следующим образом.В Й =4 блоках 2,3,4,5 кранения послецовательных отсчетов сигнала запи- саны соответственно 1 в,Ип-М и , В блок 7 памяти записаны Я разрядные слова(табл. 3), Один период дискретизации или один цикл по обработке входного отсчета Хп состоит из Ы тактов, где щ - 1 разрядность послецовательнык авоичных отсчетов сигнала. Первый такт заключается в вычис-. лении арифметико логическим блоком 8 7 78999число 5 (табл. 1), выбранное из блока8 памяти под воздействием на блок 7Мформирования адреса элемента фмножества ф Д , гце с 1 С в11 алее содержимое блоков 2-6 сдвигается на оцин разряд в сторону старших. Наэтом выполнение первого такта заканчивается.1Второй такт выполняется следующимобразом. Блок 7, анализируя элемент . Оф 1 "ф множества, формирует адресь для обращения к блоку 8. Из блока 8памяти выбирается соответствующее 6которое через арифметико логическийблок 9 добавляется к соцержимому сум Змируюшего блока 10, где полученнаясумма целится на два. В блоках 2-6 происходит сдвиг чисел на один разряд всторону старших. На этом выполнениевторого такта заканчивается. Оставшие- ррся (ю) такта выполняются аналогичновторому, В результате выполнения тактов в суммирующем блоке 10 получен выходной отсчет Ч. В результате выполнения всех описаннык действий ЦФ нахо- рдится в состоянии, когда нв суммирующем блоке 10 получен выходной отсчет, число. , находившееся перец началом выполнения цикла в блоке2, записалось в блок 3, а блок 2 содержит нулевую коаовую комбинацию.Аналогично число Чщиз блока 5 записалось в блок 6, а число М из блока 4 - в блок 5. Блок 4 содержит нулевую кодовую комбинацию. Выходнойотсчет Ц записывается в блок 2, аив блок 4 принимается очередной входной отсчет. Згим обеспечивается подготовка фильтра к обработке поступившего входного отсчета. При использованииизвестного способа уменьшения количества чисел, хранимых в блоке памяти,объем памяти можно уменьшить в двараза (табл. 2), при этом передача чисел на суммирующий блок должна выполняться следуюшим образом; если , ,ато на суммирующий блок поступает дополейнительный код 5, если же 1,то на суммирующий блок поступает прямой код 8, а хранятся в блоке памяти только прямые копи Ь . Описаннуюпередачу чисел в прецдагвемой структурефильтра должен выполнять арифметикологический блок, Сушность известногоспособа заключается в том, что каждыйпоследовательный отсчет сигнала преастввляется в виаеХ,=(Х,-Х,) й-й ",9суммы Х- Ч, .31 и добавлении ее к содержимому суммирующего блока 9.При етом в суммирующем блоке 9 деление на два полученной суммы не происхоцит, 5 является числом 3 (табл, 3), выбранным из блока 7 памяти под возаействием на блок 6 формирования аднреса элемента Х, Ч; множества ),3 5 М 4 где 1 А ,Ьи, и переданным блоком 8 на вход блока 9 инверсным кодом. Далее содержимое блоков 2,3,4,5 7899 5 10 сдвигается на один разряд в сторону старшик, при этом в освободившиеся при сцвиге разряаы блоков 3,4,5 записываются старшие разряды чисел, записанных 35 в блокак 2,3,4 соответственно. В освободившийся при сцвиге младший разряд блока 2 записывается нуль. На этом выполнение первого такта заканчивается.Во втором такте блок 6 формирования аареса, анализируя элемент Ъ Ь ,Ф. п 1-1 множества, формирует адрес цля обращения к блоку 7. Из блока 7 памяти выбирается соответствуюшее 6 , которое через блок 8 добавляется к содержимому 25 суммирующего блока 9, и полученная сумма целится на два, В блоках 2-5 проис- коцит сдвиг чисел на один разряд в сторону старших, На этом выполнение.второго такта заканчивается. Оставшиеся 30 (В) такта выполняются аналогично вто 0 рому. В результате выполнения щ тактов в суммирующем блоке 9 получен выходной отсчет. В блок 2 принимается очередной последовательный входной 35 отсчет сигнала. Этим обеспечивается поцготовка к работе фильтра в очередном. цикле. Применение вышеописанного способа позволяет сократить количество хранимых в блоке памяти чисел цо двух 40 (таСуг. 4).Использование арифметико погического блока отличает предлагаемый Цф от известного тем, что уменьшено количест 45 во чисел, хранимык в блоке памяти, и время, необходимое для изменения этик чисел при перестройке параметров Цф. Этим упрощено применение фильтра в адаптивных системах обработки сигналов, что расширяет сферу его использования. .Если в приведенном примере рекурсивного ЦФ в блоке памяти фильтра-прототипа требуется кранить 32 или 16 чисел, ,то в блоке памяти прецлагаемого фильт 55 ра требуется кранить 4 или 2 чйсла. Если в приведенном примере нерекурсивного Цф в блоке памяти фильтра-прототипа требуется хранить 16 или 8 чисел, З,чабанив ф Талица наченаяЗначен таЬица 3 95 10то в блоке памяти предлагаемого фильтра требуется хранить 4 или 2 числа, Перестройка параметров в фильтре-прототипе и предлагаемом фильтре выполняется изменением чисел записанных в их блоках памяти, причем, изменяться должны все числа. ПредлагаемыйЦф содержит в блоке памяти меньшее количество чисел по сравнению с прототипом, поэтому изменение содержимого его блока памяти выполняется за меньшее время, чем увеличивается скорость. Отсюда ясно, что преимушества предлагаемого фильтра наиболее очевидны при использовании в адаптивных системах обработки сигналов.Таблица 4 3 иаченйУ ф 789995, 12тов сигнала является входом фильгра, вы ход суммирующего блока является выходом фильтра, о т Л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью сокращения оборудования и повышения быстродействия, он содержит арифметико-логический блок, причем выходы К (К С К ) блоков хране ния последовательных отсчетов сигнала, подключены ко входам блока формирования адреса, выходы (И -К) блоков хра кения последовательных отсчетов сигнала и выход блока памяти подключены ко входам арифметико-логического блока, выход которого подключен ко входу суммирующего блока.мул ержащий И бло ельных отсчетов ок формирования ок, причем выход са соецинен со од одного из нательных отсчеРи ков сп Ядр ба о вхо 777130,оототип),блок фровой фильтр, соц ранения послецоват ла, блок памятк, бл а, суммирующий бл формирования апре м блока памяти, вх в хранения последб бретения пятые во . Патент 235-156 . Патент 235-152 3. Патекл, 235-1 чники вним США 197 США 197 США 197 информации,ние при экспеРтй 35210411.М 3993890,6,М 3789995 Составитель А. Бар Техред С.Мигунова орректор;:. Шомак Редактор В, Парасюн илиад ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная Заказ 9138/78 Тираж 751 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж 35, РаушПодписное комитета СССР открытий ая набд. 4/5