Устройство для цифровой фильтрации

.8)свидетельство СССР1 03 Н 17/04, 1986 отличаю метод п п г опр тир ж сумматорнизации прямого фи тат ь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт тки АН БССР(56) АвторскоеР 1095357 кл. 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТАЦИИ(57) Изобретение относится к вычислительной технике. Цель изобретенияповышение быстродействия. Устройствосодержит фильтр 1 нижних частот, АЦП2, коммутаторы 3 и 7, блок памяти 4умножитель 5, накапливающий сумматор б, блок синхронизации 8, блок по Рной памяти 9 и мультиплексор 10 В устройстве осуществляется октавный частотный анализ с постоянной относи.льнай шириной диапазонов и значения среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов,щихся в два раза, Использован рореживания входных отсчетов о времени со смещением. Цель дастиается введение;1 мультиплексора 10,еделяющего с какого блока каммууется исходная и:Фармация: с выхода блока памяти 4 или с выхода умноителя 5, При зтом умнажнтель 5 и 6 па сигналам блока синхро,; 1:";г8 выполняют обработку в саот-вии со структурой, выбраннаи й Формы нерскурсивнага паласавольтра. Даны ил, выполнения камора 3, блока синхронизации 8 и ( иплексора 10, 5 ил.Устройство для цифровой Аильтрации предназначено для частотного анализа с постоянной относительной шириной диапазонов и значениями среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов, отличающихся в два раза, т.е. 50 СР Ч СР. Н ВЕрк н ВЕРКНн =2 К.,1Мфннк,н.Мср. цгде 2 ннкн,М55 среднегеометриастоты К-го диазначение ческой ч пазона; ЬерхнМ ф Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено дляиспользования в устройствах многодиапазонного частотного анализа сигналов с постоянной относительной шири 5ной полос пропускания и является усовершенствованием изобретения поавт. св. 9 1095357.Пель изобретения - повышение быстродействия (при использовании в полосовых фильтрах передаточной Функциис симметричными весовыми коэффициентами).На фиг. 1 приведена структурнаяэлектрическая схема устройства длящфровой фильтрации; на Аиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принципработы устройства для циАровой фильтрации; на Аиг,3 - пример реализацииблока синхронизации; на фиг.4 и 5примеры реализации мультиплексора ипервого коммутатора соответственно.Устройство для циАровой фильтрациисодержит фильтр 1 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)2, первый коммутатор 3, блок 4 памяти, умножитель 5, накапливающий сумматор 6, второй коммутатор 7, блок 8синхронизации, блок 9 постоянной памяти, мультиплексор 10.Блок 8 синхронизации содержит генератор 11 тактовых импульсов, счетчик 12, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13, элементы задержки14-1 14-3 и элементы И 15-13515-7,Мультиплексор 10 содержит инвертор 1 б, элементы И-ИЛИ 17, элементзадержки 18, регистр 19.Первый коммутатор 3 содержит мультиплексор 20, элемент задержки 21,регистр 22, не частота дискретизации равна соответственно и 1 Р /2, в (И)-ом -верн ни К с. /4 и т,д где и - число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое для преобразования его без искажений (и ) 2). Если каждый дискретный отсчет использовать для фильтрации сигнала только в одном, соответствующем ему частотном диапазоне, то суммарное количество дискрет в единицу времени, необходимое для анализа сигнала в частотных диапазонах, равно сумме геометрической прогрессии 8 -- и К,+ , и 2,+1 Ьерк н 1 Веркн. Веркнвеличины 2 и К Р, , а лишь асимптотически приближается к ней с ростом И и если частота дискретизации состав" ляет Вернм1 цВи 1 ю(3) то возможен частотный анализ в И непересекающихся частотных диапазонахс постоянной относительной ширинойполос. Здесь каждое второе значениеучаствует в фильтрации в самом высокочастотном Ы-ом диапазоне, каждоечетвертое - в более низкочастотном(Ы)-ом диапазоне, каждое восьмоев (И)-ом и т,д., причем каждый дискретный отсчет участвует в обработкетолько в одной, соответствующей емучастотной полосе. Для реализации этого, выборку дискретных значений длясоответствующих частотных полос производят со смещением: для самого высокочастотного И-го диапазона выборка Г- значения верхней и нижнейграничных частот Л-го диапазона,Примером такого анализа может служить октавный частотный анализ,В устройстве использован методпрореживания входных отсчетов по времени со смещением. Рассмотрим сущность его.Из выражения (1) с учетом теоремыотсчетов следует, что частота дискретизации, необходимая для анализа сигнала в И-ом частотном диапазоне, сосверкнтавляет и Г, в (11-1)-ом диапазо 14836начинается с О-га отсчета, д.тя следующего (И)-гс с 1-га отсчета, для(11-2)-го - с 3 ви т,д. В общем случае для К-га диапазона (К 6 И) выбор, Н-и .5ка начинается с (2 - 1)-га отсчеталт- к 1и идет с периодам 2 дискрет. Алгоритм выборки дискретных значенийпрореживацием по времени со слтещением иллюстрируется фиг.2: на Аиг.2 аисследуемый сигнал на выходе аналогоцифрового преобразователями на фиг,2 Ьсигнал после дискретизации, здесь же.показана принадлежность дискретныхотсчетов к О-му, 1-му, 2-му, 3-мудиапазонам анализа, на Фиг.2 с, 2 с 1,2 е, 2 Г показаны дискретные последовательности относящиеся соответственнок З-му, 2-му, 1-му и О-му частстньтмдиапазонам. Как видно из Фиг2, частота дискретизации для различных диапазонов оказывается различной и отличается в два раза для смежных частотных полос, так же как и значения ихсреднегеометрических частот и границ 25диапазонов,Лля фильтрации в нескольких частотных диапазонах с помощью одногоцифрового фильтра используется татизвестный Факт, что паласа пропускания и центральная частота Фильтра изменяются с изменением тактовой частоты ега работы, что происходит припрореживании, используемом в предлагаемом устройстве. Для паласовой,фильтрации во всех диапазонах в этомслучае требуется всего лишь один набор коэффициентов Аильтра, что ведетк высокой идентичности обработки вразличных частотных полосах. Кроме40того, в предлагаемом устройстве фазовые характеристики паласовых Фильтров являются нулевыми, что приводитк симметрии коэффициентов фильтра относительно центрального коэффициента.Необходимо отметить, что снижению45частоты выделения дискретных отсчетов должна предшествовать и соответствующая низкочастотная фильтрация,чтобы избежать эффекта наложения.Для этого, в предлагаемом устройствекаждый дискретный отсчет подвергается сначала низкочастотной фильтрации,а затем паласовой.Устройство для циАровой Аильтрации работает следующим образом.Исследуемый аналоговый электрический сигнал поступает на вход фильтра 1 нижних частот, работающего в О 6 6качестве фильтра предварительной выборки и подавляющего высокочастотные,саста вляиттие, присутствие каторьькмогло бы привести к эффекту наложения в процессе выборки д.:.скретттттхзначений в А 1 П 2, Частота среза 1 лФильтра 1 соответствует верхней гравеехннице Г ,самого высокочастотногодиапазоне анализа, С выхода фильтра1 аналоговый сигнал поступает в АЦП2, частота дискретизации которогозадается из блока 8 синхронизации исоставляет(4)где ттъ 2,С выхода АЦП 2 дискретный отсчет,соатветствутч 1 тий, наттример, К-му диапазону (К Е 0, 1. , 111), поступаетчерез первый вход первого коммутатора 3 на инАармацианный вход блокапамяти. При этом блок 8 синхрацизациичерез соответствующий (шестай) выходразрешает первому коммутатору 3 такую передачу входного отсчета и через соответствующий (второй) выходадресует этот отсчет в область хранения входных отсчетов блока 4 памятина место самого "старого" из гп хранимых в ней значений входн,;х отсчетов (пт - порядок Фильтра нижних частот). Затем по сигналам блока 8 синхронизации из блока 4 памяти последовательно считываются и передаютсяна первый информационный вход умцажителя 5 все т атсчетсв вхсдттагасигнала, Одновременно па сигналамблока 8 синхронизации пз блока 9 последовательна и сттнхрантто са входнымиотсчетами поступают на второй информационный вхац умнажителя 5 ш коэффициентов Фильтра нижцих частот ссоответствующей данному К-му диапазону частотой среза,По сигналам с соответствующих выходов блока 8 синхранизацт и умнажцтель 5 и накапливающий сумматор 6 выполняют обработку поступающих входных отсчетов и коэААициентав в соответствии со структурой, выбраннойпрямой формы нерекурсивнога фильтра.Реализация данной структуры и алгоритма в предлагаемом устройстве асуществляется следующим образом. Первый из отсчетов, поступающих на первый инАормационный вход умнажителя 5с выхода блока 4 памяти, умножается на значение первого каэфАициента,поступающего с выхода блока 9.Полученное в уможителе 5 произведение поступает через мультиплексор 10 н накапливающий сумматор 6,В данном случае на управляющий входмультиплексора 1 О с восьмого выходаблока 8 синхронизации поступает сигнал, вызывающий передачу информациис первого входа мультиплексора 10 наинформационный вход накапливающегосумматора б. Затем производится перемножение значений второго отсчетаи второго коэффициента, и полученноепроизведение суммируется со значением, хранимым в накапливающем сумматоре 6. Далее обрабатывается третья пара и т.д. Окончательно, полученное в накапливающем сумматоре 6отфильтрованное значение с выходапоследнего подается на второй входпервого коммутатора 3. С шестого выхода блока 8 синхронизации на негопоступает сигнал, вызывающии передачу информации с второго входа коммутатора 3 на информационный вход блока 4 памяти. На упранляющий вхсд последнего с соответствующего выходаблока 8 подается сигнал, вызывающийзапись поступившего отсчета в областьпамяти, соответствующую данному К-мучастотному диапазону на место самогостарого" из 1/2 хранящихся в нейотсчетов, значение которого при это;:пропадает (1 - порядок полосовогофильтра, при 1 - нечетном в памятихранятся одновременно (1+1)/2 отсче 35тов, относящихся к данному К-му диапазону),Затем по сигналам блока 8 из данной области памяти последовательносчитываются и передаются на первыйвход умножителя 5 все 1/2 хранимыхзначений. Одновременно по сигналам,поступающим с четвертого выхода блока 8 на вход блока 9, из последнегосчитываются и последовательно, синхронно с 1/2 отчетами, подаются навторой информационный нход умножителя 5 1/2 коэффициентов полосовогофильтра, Умножитель 5 и яакалянающий сумматор 6 по сигналам блока 8выполняют обработку в соответствиисо структурой, выбранной прямой Формы нерекурсивного полосового ФильтраРеализация этой структуры и алгсритФма в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом,Первый из 1/2 отсчетов, поступив- .ших на первый вход умножителя 5 с выхоца блока 4 памяти, умножается на значение первого коэффициента полосового фильтра, поступившего с выхода блока 9. Полученное в умножителе 5 промежуточное произведение поступает одновременно на третий вход первого коммутатора 3 и через мультиплексор 10 в накапливающий сумматор б. В данном случае на управляющие входы мультиплексора 10 и первого коммутатора 3 с шестого и восьмого выходов блока 8 поступают сигналы, вызывающие передачу информации с вхсда мультиплексора 10 на информационный вход накапливающего сумматора б и с входа первого коммутатора 3 на информационный вход блока 4 соответственно. В последней из каждой К областей, отведенных для хранения 1/2 отсчетов, необходимых для полосоно;. ",льтрации, дополнительно выделено 1/2 областен для записи значений промажу очных произведений, Причем для 1-й области, отведенной для произведений первого отсчета на перви;й коэффиц. .т, отв.десДна ,1+) ячейка, для втор,ж области (1-1) ячейка для 3-й - (1-3) ячейка и т.д. с шагом уменьшения числа ячеек на 2 для т;слдней 1/."- .:.-,асти отводится две ячейки, Поступающее с выхода первого коммутатора 3 значение записывается в свободную ;чейку 1-й области, отведенной для:.; омежуточных произведений. Затем из данной области памяти считывается самое "старое" из хранимых в ней значений, в результате чего данная ячейка освобождается, Считанное иэ блока 4 памяти значение поступает на второй вход мультиплексора 10, На управляющий вход мультиплексора 10 с восьмого выхода блока 8 ,поступает сигнал, задающий передачу 1информации с второго входа мультиплексора 10 на информационный вход накапливающего сумматора, где она суммируется с имеющимся в нем значекием, Зат=м на первый вход умножителя 5 поступает с выхода блока 4 памяти второ;:, ы. в , 1/2 о;счетов процесса, хранимых в области, отведенной для данного К-го д.апаэона. Обработка в данном случае подобна обработке, происходящей при поступлении первого отсчета, Новыми являются лишь значение нового коэффициента, считываемого из блока 9 постоянной памяти по второму адресу, задаваемому с четвертого вьжода блока 8 синхронизации, ад 1483606рес, по которому производится записьпромежуточного произведения в блок 4памяти, и адрес, по которому выполняется считывание самого "старогопромежутачнага произведения из храня 5щихся во второй области памяти, относящейся к обрабатываемому К-му частотному диапазону, После того, какподобная обработка произойдет со всеми 1/2 отсчетами, в накапливающемсумматоре 6 получается отсчет отфильтрованного сигналя в К-м частотномдиапазоне. Данное значение с выходанакапливающего сумматора 6 подаетсяна вход коммутатора 7. На управляющийвход последнего с седьмого выходаблока 8 синхронизации поступает сигнал, по которому отфильтрованный отсчет передается на выход второго каммутатора, 7, соответствующий данномуК-му диапазону, и передается на дальнейшую обработку,Затем па сигналу, поступающему ссоответствующего выхода блока 8 синхронизации, А 11 П 2 срабатывает сноваи новый дискретный отсчет, соответствующий теперь уже К-му частотномуканалу (Н б 0, 1, , И, начинаетобрабатываться в устройстве. цикл обряботки его аналогичен описанномувыше, новыми являются лишь набор коэффициентов фильтра нижних частот,поступающий из блока 9 в умнажитель5 и адреса, задаваемые из блока 8синхронизации в блок 4 памяти и второй коммутатор 7,Функционирование блока 8 происходит следующим образом,Генератор 11 генерирует последовательность импульсов частотой Г,.Рассмотрим прохождение одного из импульсов этой последовательности, С. выхода генератора 11 он поступает насчетный вход кольцевого адресного45счетчика 12 и увеличивает хранящийсяв нем код на единицу. С выхода счетчика 12 числовой код поступает на ад ресные входы АО-АК ПЗУ 13. Кроме того, импульс с выхода ГТИ 11 поступаетчерез элемент 14-1 задержки на тактовый вход С считывания ПЗУ 13 синхронно с поступлением информации наадресные входы последнего,В управляющем слове, получаемомна выходе ПЗУ 13 в соответствии споступившим адресом, отдельным блокамустройства отведены числовые полясоответствующей разрядности, С выхода элемента задержки 14-1 импульс поступает также на вход элемента 14-2 задержки, величина задержки ня катарамравна времени срабатывания ПЗУ 13,С выхода элемента 14-2 задержки импульс поступает на вторые входы элементов И 15-1 15-7, к первым входам которых подключены 1-й, З-й, тп+2"й, 3+1-й, с 1+1-й, 2-й, 1-й выходы числовых полей Р, 1 В, Б, Т, К, М соответственно. Значение каждого изэтих разрядов определяет включение в работу соответствующего блока для . циФровой фильтрации. Например, при необходимости выполнения аналого-цифрового преобразования значения сигнахтя, задаваемое в выходном слове ПЗУ 13 на выходе 1 поля Е равно 1, и тогда, поступивший с выхода элемента 14-2 задержки импульс, через схему И 15-1 поступает на вход запуска АЦП 2 и инициирует выполнение дискретизации и аналага-цифровага преобразования последним. Аналогично производится синхронизация включения и остальных блоков устройства. Укажем назначение остальных выводов числовых полей, соответствуюпптх блокам устройства для цифровой фильтрации, Ь.1 и Ь, выходы поля задают адрес входа первого коммутатора 3, подключаемого на вход блока 4 памяти (1. = 00 - подключается выход АЦП 2, 1, = О 1 - подключается выход умножителя 5 и 1. = 10- подключается выход накапливающего сумматора 6). Разряды М,1-т т поля М задают адрес информации, записываемой или считываемой из .блока 4 памяти, а значение й 1(тп+1)-го разряда определяет: запись производится или считывание (т 1.(тп+1) = 0 - запись;И.(тп+1) = 1 - считывание) . Выходы (Б,1-Б 1) поля Б определяют адрес, по которому производится считывание информации из блока 9, значения Т.1 - Т,Й разрядов поля Т определяют номер выхода устройства (номер октавы), на который выдается из накапливающего сумматора 6 няйденныйт атфпльтра" ванный отсчет через второй коммутатор 7, Выход элемента И 15-7 подключен к входу синхронизации умнажителя 5 и, кроме того, подан ня вход элемента 14-3 задержки. Последний задерживает импульс с выхода элемента И 15-7 на величину й , равную времени, необходимомуля псремнож - ния отсчета и каэффтпттента в умнажи1483606 О2 ЭЮ 7 63 МОИМИ теле 5 и прохождения сигнала черезмультиплексор 10. С выхода элемента14-3 задержки импульс поступает навход синхронизации накапливающегосумматора 6.Мультиплексор 10 работает следующим образом,Исходная коммутируемая информацияпоступает с выхода блока 4 и умножителя 5. На вход адреса К,1 поступаетсигнал, определяющий, с выхода какогоблока коммутируется информация (= 0 - коммутируется информация с выхода блока 4, Е = 1 - с выхода умножителя 5). По сигналу стробированияС, задержанному на элементе 18 задержки, информация записывается нарегистр 19, Величина задержки выбрана таким образом, чтобы сигнал записиприходил на регистр 19 к моменту наличия на его информационных входахданных.Первый коммутатор 3 работает следующим образом,По адресным входам 1 . 1 и 12 отблока 8 поступает сигнал, определяющий, с какого входа информация подается на вход регистра 22, а по входу Е,З от блока 8 поступает стробирующий сигнал, который стробируетпоступающую информацию па входе мультиплексора 20 и через время, необходимое для прохождения через него данных и формируемое элементом 21 заодержки, записывается в регистр 22,Формула изобретения устройство для цифровой фильтрации по авт, св. У 1095357, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, выход умно-, жителя подключен к входу накапливающего сумматора через введенный мультиплексор, второй вхоп которого соединен с выходом блок- памяти,. причем управляющий вход мультиплексора подключен к восьмому выходу блока синхронизации, а. выход умножи; еля соеди нен с третьим входом первого коммутатора.1483 606 дику бЯЛИ кю Ю 774 РАУф ФЩЛОЛЮОф 7148380 Составитель С.МузычукТехред М. Ходанич Корректор О,актор Н тулинец изводственно-издательский комбинат "Пате Гагарина, 01 г. Ужгор Заказ 2850/54 Тираж 88 ВНИИПИ Государственного комитета по113035, Москва, ЖПодписноезобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб д. 4/5