Устройство для цифровой фильтрации

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН И ОБРЕТЕНИ ПИС инсти- рьской ьство ССС 5/332, 19 тво СССР 5/353,ычисли ля тел ов ыч ции ук 4их сиг еобает трации.ит инфорвходной ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР А ВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕПЬС(71) Киевский политехническийтут им. 50-летия Великой Октябсоциалистической революции(56) Авторское свидетел РВ 1196894, кл. С 06 Р 1 85Авторское свидетельсУ 1348815, кл. С 06 Р 116.12.86,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТЦИИ(57)в Изобретение относится кой технике, предназначенления дискретного преобр Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления дискретного преобразования Фурье и процедуры цифровой фильтрации и может быть использовано в системах цифровой обработки различного рода сигналовЦелью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет вычисления рекурсивной фильтраНа фиг, 1-3 изображена ст ная схема устройства; на фиг временная диаграмма управляю налов режима рекурсивной филУстройство (фиг, 1) содер мационный вход 1 устройства,1) 4 С 06 Г 15/353 Н 03 Н 17/О ния Фурье и процедуры цифровой фильтрации и может быть использовано всистемах цифровой обработки различного рода сигналов. Цель изобретения -расширение функциональных возможностей за счет выполнения рекурсивнойфильтрации. Поставленная цель достигается за счет того, что в составустройства входят информационный входустройства, входной сумматор, перваяи вторая группы регистров суммы, регистры приема, умножители, входызадания коэфФициентов, сумматоры,информационный выход устройства, дватактовых входа устройства, генератортактовых импульсов, триггер управления, элемент И, элемент И-НЕ, дваэлемента ИЛИ, элементы НЕ, группаэлементов И. 4 ил. сумматор 2, регистры 3,1 ( = 1,И)суммы, регистры 41. приема, умножители 5, входы 6. задания коэффициента устройства, сумматоры 7,1,регистры 8. суммы, информационныйвыход 9 устройства, генератор 10 тактовых импульсов, триггер 11 управления, элепент И 12 и элемент И-НЕ 13,элемент ИЛИ 14, тактовый вход 15 устройства, элементы НЕ .16,1, элементыИ 17,)., триггеры 18,1., элемент ИЛИ 19,тактовый вход 20 устройства, модуль21,1 устройства. При вычислении дискретного азования Фурье устройство рабследующим образом.Я Х (1 с) =ап, 1 с = О,М(1)и:оЩгде а- элементы исходного векторааД регулярности Н Х Ь) - элементы выходного вектораХ коэффициентов Фурьерегулярности М;моИ - весовые коэффициенты,ЯЯ=е=.Г у ш - номер входной последовательности.15)Если вектор аД образует действительные элементы, тогда выражение (1) можно переписать в виде 20(3) где Ке и 1 ш - действительная и мнимая части комплексного числа. Вычисление выражений (2) и (3) выполняются аналогично, с той лишь разницей, что на вторые входы умножителей подаются или действительные (Ке) или милые (1 ш) части комплексногоМОвесового коэффициента М . Поэтому в дальнейшем работу устройства будем рассматривать при вычислении выражения (2), при этом обозначение действительной части числа Ке можно опустить.Примем, что прием информации в регистры 3 4, и 8.х; триггера40 11 и 18,х выполняется положительным перепадом.Режиму вычисления дискретного преобразования Фурье соответствует единичный уровень на входе 15 и на входе 20 код 1 ОООеНа вход умножителей 5. поступает последовательность весовых коэффициентов,1-, кМ Ю, х=1,И,где и - номер такта.Для примера рассмотрим работу устройства при вычислении алгоритмадискретного преобразования Фурье1 для Б = 4.В исходном состоянии на второйвход 15 устройства подается единица,которая поступает на вход элемента 50 55 3 1499374Устройство вычисляет следующеевыражение ИЛИ 14 и на вход входного сумматора2, который работает в режиме передачи операнда на выход, т,е. не суммирует, а пропускает информацию с входа на выход, которая поступает навход регистра 4 Единичное состояние с выхода элемента ИЛИ 14 поступает на Р-вход триггера 11, на прямом выходе которого - единичное состояние, которое поступает на управляющий вход регистра 8, и на входэлемента И 12, на выходе которогоприсутствуют тактовые импульсы, приэтом регистры суммы 8. открыты, адополнительный регистр суммы З,д закрыт и в вычислении дискретного преобразования Фурье не участвует.,В триггеры 18. записаны нули, на .входе 20 присутствует единичное значение,Первый такт. В триггерах 18,218.4 записаны нули, на вход элементаИЛИ 19 поступает единица (на другомего входе - нуль), с выхода последнего единичное значение поступаетна Р-вход триггера 18.1. Положительным перепадом тактового импульса,который поступает с выхода дополнительного элемента И 12, единичноезначение записывается в триггер 181на выходе которого единичное значение разрешает прохождение инвертированного на элементе 16.1 тактовогосигнала на синхровход. регистра 4.1приема и до конца первого такта присутствует на Р-входе триггера 18,2,На информационный вход устройства 1поступает операнд а , который управляющим сигналом проходит через входной сумматор 2 и синхроимяульсом свыхода элемента 17.1 принимается врегистр 4. 1. На вход 6.1 задания ко-эффициентов поступает множитель И .оВ умножителе 5.1 выполняется операа оция а И , результат умножения поступает на вход регистра 8.1 суммы.Во втором .такте на Р-вход триггера 18.1 поступает нулевое значение.,тактовым импульсом выполняется прием в триггер 18,1 нуля, в триггер18,2 - единицы. Единичное значениена выходе триггера 18.2 разрешаетприем в регистр 42 по инвертированному тактовому входу импульса данного а . Этим же тактовым импульсомфв регистр 8,1 принимается а,Ю , Навыходы 61 и 6,2 задания коэффициентов поступает У . В умножителе 5,25 149 вычисляется аИ и, суммируясь с веоличиной а И . на сумматоре 7,2, посту" пает на вход регистра 8.2, в умножителе 5.1 вычисляется опять а Иа.оВ третьем такте в триггер 18,3 записывается единичное значение, в триггеры 18.1, 18.2 и 18,4 - нулевое, в регистр 4,3 принимается а и выФ ополняется умножение а И , в регистр 8.2 принимается а И + а, И , в реп огистр 8.1 аИ , в умножителе 5.3 вычисляется аИ , на сумматоре 7.3 -умма аИ + а Иа + а И ф результат поступает на вход регистра 8,3. На вход 6.2 задания коэффициентов поступает И, на входы 6.1 и 6,3 задания коэффициентов И. В умножителе 5,2 вычисляется аИ , на сумматоре 7.2 -т о всумма аоИ + аИ э и результат поступает на вход регистра 8.2. На входе регистра 4.4 приема будет а.В четвертом такте в триггер 18.4 записывается единица, в триггеры 18.1-18.3 - нули, в регистр 4.4 принимается а, на входы 6.1 и 6.4 задао ния коэффициентов поступает И , на входы 6,2 и 6.3 задания коэффициентов И 2, В умножителе 5.4 вычисляется в ааИ, в регистр 8.3 принимается значение а,Ио + аИ + а",И, которое суммируется с результатом умножения а И . Получаем значения нулевого ко- . эффициента фурье ааИ + аИ + а И +о а 1+ а И = Х, . В регистр 8, 2 принимается а Ио + а,И, на вход 63 задания коэффициентов поступает И 2. В умножителе 5.3 вычисляется аИ , на суммапторе 7.3 вычисляется а И + а,И +Яо+ аоИВ пятом такте Х о принимается в регистр 8.4 и поступает на выход 9 устройства. В триггер 18. 1 принимается единичное значение, поступающее через второй вход элемента ИЛИ 19, в остальные триггеры 18.2-18.4 записаны нули. Как и в первом такте, в регистр 4,1 принимается а (в+1)-й последовательности. В умножителе 5.1 вычислявф оется ао И и поступает на вход регистра 8,1, в регистр 8.1 принимается аИ , на входы 6,1 и 6,3 заданияо коэффициентов поступает И , на входы 6,2 и 6.4 - значение Ф . Б умно- жителе 5.2 вычисляется а,И на сумаматоре 7,2 - сумма а Ч + а,ИЗ вБО 55 Режиму вычисления нерекурсивнойфильтрации соответствует единичныйуровень на входах 15 и 20.Прием входного отсчета а выполняЦется во все регистры 4.х приема. Навход б.х задания коэффициентов постоянно поступает коэффициент Ь(И-х),Вычисление выходных отсчетов ХЬ)осуществляется за пять тактов,Рассмотрим работу вычисления рекурсивной фильтрации,9374 6регистр 8.2.принимается а",Ио + аИ,В умножителе 5.3 вычисляется а,И,на сумматоре 7.3 - сумма а И + аИ +:вычисляется аИЗ, на сумматоре 7.4 -сумма аИ + аИ + аИ - а,И = Х,.В шестом такте работа устройства1 О в модулях 211 и 21.2 аналогична вто-,ФФ 111 срому такту для данных а, и а/ л а а 1 3принимается ааИ + а,И, на входы6.3 и 6.4 задания коэффициентов поступает Ю. В умножителе 5.3 вычисляется аИ , на сумматоре 7,3 - сумемааИ +аИ +а И, в регистр 8.320 принимается а,И + аИ + а И,оВ умножителе 5.4 вычисляется аИ ,на сумматоре 7.4 - сумма аИ ++аИ +аИ +а 1 И =ХВ седьмом такте работа устрой 25 ства в модулях 21.1-21,3 аналогичнатретьему такту. В регистр 8.3 принимается аоИ + а,И + а И, на вход6.4 задания коэффициента поступаетИ, . В умножителе 5.4 вычисляетсяЗо а"И , на сумматоре 7.4 - сумлайВ восьмом такте работа устройствааналогична четвертому такту, в регистр 84 принимается Х и поступа"ет на выход устройства 9,Таким образом, в каждом тактена выходе устройства 9 получаемзначения коэффициентов Фурье.Рассмотрим работу вычисления не 4 О рекурсивной фильтрации,Устройство вычисляет выходныеотсчеты в соответствии с выражениемн-ХОс) = , а(Е-и)Ь(п), (4)л:о45 где Ь (и) - коэффициенты ылпульснойхарактеристики;а(п) - отсчеты входного сигнала.При реализации режима рекурсивной фильтрации устройства вычисляет выхоцные отсчеты в соответствии с выражением-(5 Х(1 с) =, аЬ-и)Ь(п) + Х(1 с-и+1) я(п+1),л:ргде 1(п), у(п)- коэффициенты импульсной характеристики 3 1 Оа (и) - отсчеты входногосигнала;Х(1) - выходные отсчеты. При работе устройства в режиме рекурсивной фильтрации на вход 20 подается уровень логической единицы, на вход 15 - уровень логического нуля. Входной сумматор 2 работает в режиме суммирования операндов, а триггер 11 управления работает в счетном режиме. На входе 20 управляющий сигнал высокого уровня обеспечивает работу триггеров 18.1-18.3 аналогично режиму нерекурсивной фильтра(. 25 ции. В исходном состоянии все регистры обнулены. Прием в регистры 3., 41 и 81 осуществляется в конце такта. На вход входного сумматора 2 поступает содержимое дополнительного регистра 3(. суммы, а на другой вход поступает входной отсчет, Результат входного сумматора 2 поступает на информационные входы регистров 4. 1- 4,3 приема. На входе 1 устройства отсчеты меняются каждые два такта, при 35 ем информации в регистры 4.1-4.3 также осуществляется каждые два такта.Для примера рассмотрим работу устройства при вычислении рекурсивной фильтрации для И = 3.В первом такте на второй вход 15, устройства подается нуль, который поступает на вход элемента ИЛИ 14 и на вход входного сумматора 2. На выходе элемента ИЛИ 14 будет состояние инверсного выхода триггера 11 управления, которое в первом такте равно нулю. Единичное состояние на прямом выходе триггера 11 управления обеспечивает включение регистра 8.1 суммы и выдачу импульса приема х-го регистра 4, приема, в котором фиксируется результат суммы входного сумматора 2, а также обеспечивает выдачу импульса приема 1.-го регист 55 ра 8(. суммы, Единичное состояние на инверсном выходе триггера 11 управления обеспечивает включение дополнительного регистра 3, суммы и выда"т чу импульса приема -го дополнительного регистра 3, суммы, В первом такте входной отсчет а(0), поступивший на вход входного сумматора 2, суммируется с нулем, поступившим с выхода регистра З,М, и результат суммирования поступает в регистры 4. 1-4.3 приема в конце первого такта.Во втором такте нулевое состояние на прямом выходе триггера 11 управления выключает регистры 8 а 1-8.3 суммы, а единичное состояние на инверс.ном выходе триггера 11 управления включает дополнительные регистры 3,1-3,3 суммы. Это состояние на триггере 11 управления возникает каждый четный такт работы устройства. На входы 6.1-6.3 задания коэффициентов соответственно поступают коэффициенты я(3), 8(2) и я(1). В умножителях 5.1-5.3 производится вычисление произведений а(0)д(3), а(0)8(2), а(0)д(1), которые через сумматоры 7,1-7.3 принимаются в регистры 3.1-3.3 соответственно.В третьем такте единичный уровень на прямом выходе триггера 11 управления включает регистры 8,1-8.3 суммы и обеспечивает выдачу импульсов записи регистров 4.1-4.3 приема и регистров 8.1-8,3 суммы, На входы 61-6,3 задания коэффициентов соответственно поступают Ь(2), Ь(1) и Ь(0), в умножителях 51-5.3 проводится вычисление произведений а(0)Ь(2), а(0)Ь(1) и а(0)Ь(0) = Х(О), которые проходят через сумматоры ,1-7,3 и принимаются в регистры 8, 1-8.3 соответственно. Из регистра 8.3 на выход устройства 9 поступает Х(0). На входном суматоре 2 в этом такте производится суммирование вход ного отсчета а(1) и произведения, которое поступило с выхода регистра 3.3. Результат суммирования а(0)8(1) + + а(1), который обозначим А , принимается в регистры 4,1-4.3 в конце такта.В четвертом такте на входы 6,1-6,3 задания коэффициентов соответственно поступают д(3), д(2) и д(1) . В умно- жителях 5.1-5.3 выполняется умножение А(К(3), А(8(2) и А,ц(1), результаты поступают на сумматоры 7,1-7.3, На выходе сумматора 7.1 получаем сумму А(8(3) + О, которая принимается в ре1499374 Устройство для цифровой фильтрации, содержащее М умножителей (Ч гистр 3, 1, на выходе сумматора 7,2 -сумма А,д(2) + а(0)д(3), которая принимается в регистры 3,2, на сумматоре 7.3 - сумма Ад(1) + а(0)8(2),которая принимается в регистр 7,3.В пятом такте на входы 6.1-63задания коэффициентов соответственно поступают коэффициенты Ь(2), Ь(1)и Ь(0), которые в умножителях 5,1-5,3 10умножаются на А,. На выходах умножителей 5.1-5.3 соответственно получаем произведения АЬ(2), АЬ(1) иА,Ь(0), которые поступают на первыевходы соответствующих сумматоров 7,17.3. На сумматоре 71 вычисляетсясумма Л,Ь(2) + О, которая принимается в регистр 8,1, на сумматоре 7.2сумма А,Ь(1) + а(0)Ь(2), которая при"нимается в регистр 8,2, на сумматоре 7.3 - сумма АВ(0) + а(0)Ь(1)= Х(1), которая принимается в регистр 8.3. Из регистра 8,3 на выход9 устройства поступает Х(1). На входном сумматоре 2 входной отсчет а(2) 25суммируется с суммой А,а (1) + а (О) 8 (2),поступающей с выхода регистра З,ЗРезультат суммирования А 8(1) ++ а(0)д(2) + а(2), который обозначимА , принимается в регистры 4,1-4,3,В шестом такте на входы 6. 1-6.3задания коэффициентов соответственнопоступают г.(3), я(2) и 8(1). В умножителе 5.1 вычислЯетсЯ Агд(3), насумматоре 7.1 - сумма А 8(3) + О,г35которая в конце такта принимаетсяв регистр 3.1. В умножителе 5.2 вычисляется А я(2), на сумматоре 7.2 -сумма Ад(2) + А,а(3), которая вконце такта принимается в регистр 33 2В умножителе 5.3 вычисляется Л (1),на сумматоре 7,2 - сумма А К(1) ++ А ц (2) + а ( 0) я (3), которая принимается в регистр 3,3,В седьмом такте на входы 6.1-6.3 45задания коэффициентов соответственнопоступают Ь(2), Ь(1) и Ь(0). В умножителе 5.1 вычисляется АгЬ(2), насумматоре 7,1 - сумма А Ь(2) + О,которая в конце такта принимается50в регистр 8.1, В умножителе 5,2 вычисляется А Ь(1), на сумматоре 7,2 сумма А п(1) + А,Ь(2), которая в конце такта принжается в регистр 8.2.В умножителе 5.3 вычисляется А Ь(0),на сумматоре 7.3 - сума А Ь(0) +552+ АВ(1) + а(0)Ь(2) = Х(2), котораяв конце такта принимается в регистр8,3 Из регистра 8,3 на выход 9 устройства попадает Х(2), На входнойсумматор 2 с выхода регистра 3,3 поступит А,е(1) + А,д(2) + а(0)8(3) ивходной отсчет а(3), которые в этомтакте суммируются, и результат Ар(1)+ А,д(2) + а(0)д(3) + а(3) = Ав конце такта принимается в регистры 4.1-4.3,В восьмом такте на входы 6.1-6.3задания коэффициентов соответственно поступают К(3), 8(2) и К(1). В умножителе 5.1 вычисляется А д(3), насумматоре 7,1 - сумма АВ(3) + О, которая в конце такта принимается в регистр 3,1, В умножителе 5.2 вычисляется АК(2), на сумматоре 7,2 - сумма А д(2) + А д(3), которая в концетакта принимается в регистр 3.2.В умножителе 5,3 вычисляется Ац(1),на сумматоре 7,3 - сумма А д(1) ++ Ар(2) + А,р(3), которая в концетакта принимается в регистр 3,3,В девятом такте на входы 6,1-6.3задания коэффициентов соответственно поступают Ь(2), Ь(1) и 11(0)В умножителе 5.1 вычисляется АЬ(2),на,сумматоре 7.1 - сумма А Ь(2). + О,которая в конце такта принимаетсяв регистр 8,1, В умножителе 5,2 вычисляется АВ(1), на сумматоре 7,2 -сумма А Ь(1) + А Ь(2), которая в2конце такта принимается в регистр8.2. В умножителе 5.3 вычисляетсяА Ь(0), на сумматоре 7.3 - суммаА Ь(0) + А Ь(1) + А Ь(2) = Х(3),которая в конце такта принимаетсяв регистр 8.3, откуда поступает навыход 9 устройства выходной отсчетХ(3), На входной сумматор 2 с выхода регистра 3,3 поступает суммаАИ(1) + А 8(2) + А я(3) и входнойотсчет а(4), которые в этом тактесуммируются, и результат А,ц(1) ++ Агд(2) + А 8(3) + а(4) = А в конце такта принимаются в регистры4. 1-4, 3. В дальнейшем работа устройства происходит аналогично.Таким образом, в конце каждого нечетного такта работы устройства на выходе 9 устройства получаем значения выходных отсчетов,Формула и з о б р е т е и и ядлина импульсной характеристики), И регистров приема, первую группу из И регистров суммы, группу из М элементов И, Ы триггеров, И элементов НЕ, первый элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, причем выход х.-го И = 1,М) регистра приема подключен к первому входу -го умножителя, второй вход которого является х-м входом задания коэФФициентов устройства, а выход х-го умножителя подключен к инФормационному входу х-го регистра суммы первой группы, выход .з-го Ц = 1, Ю) регистра суммы первой группы подключен к первому входу Я+1)-го сумматора, первый вход первого элемента ИЛИ является первым тактовым входом устройства, второй вход первого элемента ИЛИ подключен к выходу х-го триггера, а выход первого элемента ИЛИ- .к 0-входу первого триггера, выход х-го триггера подключен к первому входу х-го элемента И группы, а вы ход ,1-го триггера подключен к В-входу Ц+1) -го триггера, выход -го элемента И группы подключен к тактовому входу х-го регистра приема, выход И-го регистра суммы первой группы является шформационным выходом устройства, выход хго элемента НЕ подключен к второму входу -го элемента И группы и тактовому входу -го регистра суммы первой группы, первый вход первого сумматора явля"35 ется входом задания логического нуля устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения Аункциональных возможностей за счет выполне О ния рекурсивной Фильтрации, в него введены вторая группа из И регистров суммы, входной сумматор, триггер управления, элемент И-НЕ, элемент И,второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с входом синхронизациивходного сумматора и является вторымтактовым входом устройства, выходвторого элемента ИЛИ подключен кВ-входу триггера управления, тактовый вход которого подключен к прямомувыходу генератора тактовых импульсов,инверсный выход которого подключен кпервым входам элемента И-НЕ и элемента И, второй вход элемента И-НЕ, второй вход второго элемента ИЛИ и входы разрешения приема регистров суммы второй группы подключены к инверсному выходу триггера управления, выход элемента И подключен к тактовомувходу -го триггера и входу х-го элемента НЕ выход элемента И-НЕ подключен к тактовому входу -го регистрасуммы второй группы, прямой выходтриггера управления подключен к входуразрешения приема 1-го регистра суммы первой группы и второму входу элемента И, входы разрешения приема И-хрегистров суммы первой и второй группсоединены между собой и являются входом задания логической единицы устройства, выход -го сумматора подключен к информационному входу -го регистра суммы второй группы, выход,1-го регистра суммы второй группыподключен к второму входу (1+1)-госумматора, выход И-го регистра суммы второй группы подключен к первомувходу входного сумматора, второйвход которого является информационнымвходом устройства, а выход входногосумматора подключен к информационному входу -го регистра приема.Составитель А. Барановдактор В.Петраш Техред Л,Сердюкова Корректор И. Мус аз 4696/49 Тираж 668 Подписн ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5