JPH02228117A - ディジタルフィルタ回路 - Google Patents

ディジタルフィルタ回路

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JPH02228117A
JPH02228117A JP4903889A JP4903889A JPH02228117A JP H02228117 A JPH02228117 A JP H02228117A JP 4903889 A JP4903889 A JP 4903889A JP 4903889 A JP4903889 A JP 4903889A JP H02228117 A JPH02228117 A JP H02228117A
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Masaichiro Maeda
前田 雅一郎
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的1 (産業上の利用分野) この発明は、出力信号を入力側に帰還する巡回ループを
有するディジタルフィルタ回路に関する。
(従来の技術) 一般に、出力信号が1サンプル期間遅延後に入力側に帰
還されて、入力信号との和が出力となる回路は、巡回形
回路と称され、ブロック的には第9図aのように示され
る。
第9図aにおいて、1は入力x(n)が専かれる入力端
子、2は加算回路、3は出力y(n)を導出する出力端
子、4は遅延素子、5は乗算回路であり、出力端子3の
出力V(n>は、遅延素子4で遅延された出力V(n−
1)が乗算回路5で係数αと乗算され、加算回路2に帰
還して入力X(n)と加算されたものである。
このような回路の入出力間係は、 y(n)=αy (n−1) +x (n)    ・
・・■で与えられる。この0式によって表わされるシス
テムは、理想の線形システムであり、ディジタルフィル
タとして一般に広く用いられている。
また、遅延素子4を多段に構成した第10図。
第11図に示す回路は、遅延素子4の段数mに応じて残
響を付加する残響付加回路として用いられている。これ
らの回路は、論文r N atural Soundi
ng Artificial Reverberrat
ion J M、 R、5chroeder著(J o
urnal or the Audio Engine
erinaSociety July  1962  
volume  1o  、  Number3  P
219〜223にも記載されている。
特に第11図の回路は、全域通過形の’A9付加装置に
なる。伝達関数H(ω)は次式のように表わされる。
ここで、jは複素単位、ωは周波数、τは遅延時間1g
は係数値である。
このような回路も巡回ループを持つ点で第9図の回路と
同じであり、ディジタルフィルタ回路として扱う。
ところが、第9図aや第10図の回路は、入力x (n
)や回路内部の信号、係数α等の2進表示が有限長であ
ることによって、種々の非線形誤差が加わる。このよう
な誤差を少なくするためにまるめ操作が行われる。
第9図すは、第9図aの回路に、まるめ操作により生じ
た誤差(tfl音)を伴うシステムとして示したもので
ある。この回路の出力ω(n)は、ω (n)−Q  
[αω (n −1)]  +x  (n>・・・■ なる非線形差分方程式で表わされる。
Q[αω(n−1) ]は、αy(n−1>がまるめら
れた値を示す。
さて、文献「ディジタル信号処理」 (下巻)A。
V、 0pDenhein+/R、W、 5chafe
r)原著、伊達玄訳には、■式で、x(n)が00とき
の出力ω(n)を、特にリミットサイクルと称してその
説明がある。リミットサイクルとは、あるフィルタで入
力が零になったにも拘らず出力にある種の信号が現われ
る発振現象で、零でないある振幅範囲にまで出力が減衰
し、その後撮動的に振舞うこともある誤差を言い、巡回
ループを有するディジタルフィルタ特有の現象である。
リミットサイクルの誤差を最小にするまるめ方法を説明
する。
■式で、巡回ループにおける乗算時の演算語長(有限語
長)をbとすると、まるめの定義により、Q[αω(n
 −1)]−αω(n −1)≦(−2−)・2−b 1            ・・・■ であり、リミットサイクルが生じているときは、Q [
(Z(7) (n−1)] = l w (n−IN 
   ・=■が成立する。このとき、αの有効な等価値
は1となる。■、■式より、lω(n−1>1を解くと
、 となる。1ω(n−1)Iは、1次巡回形ディジタルフ
ィルタにおけるリミットサイクルの最大振幅を示ず。こ
のことは、リミットサイクルの振幅は、■式にて示す値
未満であることを意味する。
よって、出力信号がこのリミットサイクルの影響を受け
ないためには、■式にて示すリミットサイクルの最大娠
幅値以上のピット数を乗剪後の出力信号に設定すれば良
い。
例えば、仮にb=23 (符号を含めると24ビば0式
より 下であることなので、出力の有効語長を15ごット(符
号を含めると16ビツト)と新たに設定すれば、リミッ
トサイクルのl’lが生じることはない。
しかしながら、上記のようなまるめ方法は、例えばコン
パクトディスクやディジタルオーディオテープで扱う1
5ビツトの信号処理を例に(ると、巡回ループ中の乗n
回路、加算回路、遅延素子等の回路を、24ビツトの有
効語長を処11+する規模にしなければならない。これ
は、符号を含め16ビツトの吊子化信号を扱うために、
1.5倍もの回路規模の増大になり、紅論的に極めて不
利なものであった。
また、たとえ23ピツトの有効語長であっても、それは
1α1≦(1−)の場合119ミ′トサイクルの発振現
象は出力端子には生じないが、α1が1−1/28より
大きい場合は、リミットサイクルの発振現象が出力端子
に生じさせることを避けるために、更に有効語長を大き
くしなければならない。
このように有限語長を大きくすることは回路規模の増加
を意味する。
特に、第10図や第11図に示す回路は、m個の遅延素
子のピット数を増加しなければならなず、回路規模の増
大は膨大である。
(発明が解決しようとする課題) このように、従来の巡回ループを有するディジタルフィ
ルタは、信号処理過程において必然的に生ずる誤差の影
響を無くすために、信号の実際のビット数より数倍の信
号を処理する回路規模に構築しなければならなった。
この発明は上記問題点を除去し、ディジタル信号処理プ
ロセスにおいて、演算語長が有限であることにより出力
に加わる誤差を、語長を増加させずに無視できるように
したディジルタフィルタ回路の提供を目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) この発明は、出り信号を入力側に帰還する巡回ループを
有するディジタルフィルタ回路において、入力レベルに
応じて巡回ループ内の乗峰係数を切換え、入力レベルが
比較的小さいときは、前記乗粋係数をO或いはループの
利得をリミットサイクルが生じない範囲の小さな値にす
るようにしたことを特徴とする。
(作用) このような構成によれば、入力信号レベルがあるレベル
より小さいときは、乗算回路に設定する係数が零係数に
切替えられ、或いは巡回ループがオーブン状態に切替え
られる。このような回路状態は、ディジタルフィルタ回
路の巡回形回路としての働きを失うことであり、出力に
は零入力時のリミットサイクルが加わることはない。
(実施例) 以下、この発明を図示の実施例によって詳細に説明する
第1図はこの発明に係るディジタルフィルタ回路゛の一
実施例を示す回路図である。
第1図において、入力端子1には数列x (n)として
表現、される離散信号が入来する。入力端子1からの信
号は、加詐回路2.″M延素子4及び乗算回路5にて成
る巡回ループの加算回路2に入力すると共に、レベル検
出回路6に入力する。
レベル検出回路6は、入力信号のレベルを例えば実効値
で検出し、規準レベルにより高いか低いかを示す2(i
ff信@Lを出力する。2値信号りは、乗算回路5に係
数データを選択供給するスイッチ7の切換制御信号とな
る。即ち、スイッチ7は、一方の入力端子aに係数αが
導かれ、他方の入力端子すに別の係数α′が導かれてお
り、いずれか一方の係数を乗算回路5に供給Jる。
ここに、係数αは、本来のフィルタ特性を決定する係数
であり、α′は常に0か係数αの絶対値α1に比べ、よ
り0に近い値に設定する。従って、αが定期的に変更さ
れるシステムでは、α′はこれに応じて変更される場合
もある。
次に上記レベル検出回路6の具体的構成を説明する。
第2図はレベル検出回路6の一例を示す回路図である。
同図に示すように、レベル検出回路6は、入力信号x 
(n)を入力して絶対値化を行うディジタル整流回路1
1.この回路11からの絶対値の平均値を出力するディ
ジタル平滑回路12及び、この平滑回路12の出力レベ
ルと規準レベルにとを比較するディジタル比較回路13
から構成される。ディジタル整流回路11は、入力信号
x (n)の符号ビットを除く信号部を全て正の信号と
して出力する回路である。ディジタル平滑回路12は、
例えばローパス特性により信号の平均値を出力する回路
である。ディジタル比較回路13の出力は2値信号[−
となり、スイッチ7を制御する。
この発明によるディジタルフィルタの一実施例は以上の
ように構成され、次にその作用を説明する。
第1図、第2図の回路には、入力信号x(n)として零
レベルが過去に与えられており、いまn番目のサンプル
値以後、実効値で規準レベルに以上の振幅をもつ信号が
与えられたとする。また簡単のため、スイッチ7の係数
α′の値はOとする。
更に、ディジタル整流回路11.ディジタル平滑回路1
2は理想のものとし、リップル等を含まない信号をディ
ジタル比較回路13に与えるものとする。
先ず、第n番目の人力x (n)から実効値に以上の入
力信号によりディジタル整流回路11の出力が正の値と
して得られる。この信号は、ディジタル平滑回路12で
平滑され、その出力がディジタル比較回路13によりp
Aiレベルにと比較される。このときの2値信号りは、
例えば論理“1″となり、スイッチ7を入力端子a側に
接続する。すると、スイッチ7によって係数αが乗算回
路5に与えられ、これにより、第1図の回路は1次巡回
形ディジタルフィルタ回路として、係数αによって定め
られたフィルタ動作を行う。
入力端子1に与えられる信号が実効値で規準レベルに未
満になったとき、ディジタル比較回路13は、論理“O
”の2値信号りを出力する。これによって、スイッチ7
は入力端子すに切換接続され、係数α′を乗算回路5に
供給する。このことは、係数α′は0であるので、巡回
ループを遮断したこと等価となり、1次巡回形ディジタ
ルフィルタはその働きを失うことになる。故に、本回路
は、入力信号零時の出力応谷を示さず、リミットサイク
ル現象を発生しない。
ところで、0式は、αが零に近づくことでリミットサイ
クル現象の最大振幅が減少することを示している。これ
は反対に、係数αが1に近づくときはリミットサイクル
の最大振幅も増大することを意味する。このため、α′
はOに固定するより、係数αの大きさに応じて変更する
ことで、より自然な効果を得る場合もある。この場合、
α′は、1α1に比べよりOに近い非零の値にする。
尚、レベル検出回路6は、ディジタル平滑回路12によ
って入力信号を平滑しており、この為に、同回路12は
アナログ平滑回路に対応する時定数を持つ。よって、入
力信号の実効値が規準レベルに以上に未満に変化した時
、ただちにスイッチ7が切換ねる訳でねない。このため
、雑音を生じてしまう。しかし、信号処理の結果を最終
的に人間の視覚や聴覚でとらえる機器の一部に本回路を
用いた場合、ディジタル平滑回路12の時定数に起因す
る雑音は、視覚機器では残像効果、また聴覚機器ではマ
スキング効果により問題とならない。
また、本件回路の作用説明で、ディジタル整流回路11
及び平滑回路12は理想的なものとし、リップル成分を
考慮しなかったが、仮にリップル成分が±Δの幅で残存
していても、ディジタル比較回路13に与えらた規準レ
ベルKにヒステリシスを持たせることで、本件回路の基
本動作に影響はない。
入力信号が規準レベルに未満のとぎは、前述のように1
次巡回形ディジタルフィルタは、その働きを行わないが
、規準レベルKを微小値に設定1れば、フィルタ動作域
となる信号のダイナミックレンジは相対的に広くできる
ので問題とはならない。
次に他の実施例を説明する。
第3図はこの発明の他の実施例を示づ。
本実施例は、乗算回路5への係数を切換える代わりに、
巡回ループ内にループを遮断するスイッチ7′を接続し
たものである。スイッチ7′は、巡回ループにおける加
算回路2の入力端子と乗算回路5との間に、第1入力端
子aと出力端子間を接続し、第2入力端子すに、基準電
位を設定しである。スイッチ7′の切換制御信号は、第
1図の実施例と同様に、レベル検出回路6より出力する
2値信号しである。一方、乗算回路5にはフィルタ特性
を決定する係数αだけを与える。
このような構成によっても、第1図の実施例と等価な動
作が可能である。即ら、入力信号x(n)の実効値が規
準レベルにより大きいときは、2値信号[が論理“1”
となって、スイッチ7′の第1入力端子aと出力端子間
を接続状態にする。これにより、巡回ループは係数αに
よるフィルタ動作を行う。
一方、入力信号の実効値が規準レベルに未満になって、
2値信号しが論理“0”に変化すると、スイッチ7′は
、出力端子と第2入力端子とが接続され、例えばオール
論理“O”の信号を加算回路2に供給する。これは、第
1図の実施例と同様に、巡回ループが遮断されたされた
ことと等価となり、巡回形回路としての働きを失う。
本実施例では、巡回ループを実際に開状態にすることで
リミットサイクルを防止するので、スイッチ7′は巡回
ループのいずれに接続しても良い。
例えばP点(加符回路2の出力が出力端子3及び遅延素
子に分岐する分岐点と加算回路2の出力端子との間)、
Q点(前記分岐点より遅延素子の入力端子までの間)、
R点(遅延素子4と乗算回路5との問)が考えられる。
但し、P点にスイッチ7′を移動した場合、入力信号か
に未満の間、フィルタ動作はもとより出力信号に零が出
力されることになるが、レベル検出回路6に設定する規
準レベルKを微小値とすることで、入出力間のダイナミ
ックレンジは十分確保される。
第4図に更に他の実施例を示す。
上述した各実施例は、出力信号が入力側に帰還されるル
ープだけを有する巡回形ディジタルフィルタについての
実施例であった。本実施例は、上記巡回ループと、出力
信号が入力側に帰還されて応答する、という特性を持た
ない回路部、いわゆる有限長インパルス応答の回路部と
が組み合わされたディジタルフィルタに適用したもので
ある。
第4図において、乗算回路8と、遅延素子16及び乗算
回路9から成るt列回路とは、入力端子1からの信@x
 (n)を、それぞれ加算回路10に供給している。こ
のような回路は、加算回路10の出力信号が入力端子1
側に帰還されないので、有限長インパルス応答システム
(以下FIR回路という)である。一方、加締回路2.
遅延索子41乗褌回路5は、第1図、第3図と同じ巡回
ループを構成している。
レベル検出回路6は、入力端子1からの信号x(n)を
直接入力し、レベル検出を行っている。
そして、レベル検出回路6の2値信号りは、各実施例と
同様、係数αとα′を選択するスイッチ7をυ制御し、
巡回ループ側の乗算回路5への係数を切換える。
ここで、FIR回路における乗算回路8,9へのそれぞ
れの係数β1.β2は、切換えることはない。但し、レ
ベル検出回路6の検出点は、FIR回路において、乗算
回路8と加算回路10との間S、入力端子1と遅延素子
16との間T、遅延素子16と乗算回路9との間U2乗
算回路つと加算回路10との間V及び加算回路10と加
算回路2の間W′:6、°巡回形回路に入力する直前ま
での信号であればいず・れの信号によってレベル検出を
行っても良い。
第5図は複数次の巡回形ディジタルフィルタへ適用した
ものである。
第5図は第0(Oは整数を表わす)次の巡回形ディジタ
ルフィルタであり、遅延素子41.42〜40の0個を
縦列接続し、これに対応する乗算回路51.52〜50
を有している。各乗p回路51.52〜50からの出力
を加算する加算回路2′の出力は、出力端子3に導出す
ると共に、初段の遅延素子41に入力する。また、各乗
算回路51.52〜50には、第1図の実施例と同様に
、切換用のスイッチ71.72〜7oからの係数α1.
α2〜αO及びα1′、α2′・・・α0′が与えられ
るようになっている。各スイッチ71゜72〜70は、
レベル検出回路6からの2値信号りにより一斉の切換制
御を受ける。
このような複数次の巡回ループを有するディジルタフィ
ルタにおいても、第1図と同様の効果を達成する。
尚、入力信号のレベルが規準レベル未満のときに選択さ
れる係数α1′、α2′・・・α0′は、全て同じO値
であっても、本来の係数α1.α2〜α0に合わせて選
択してもよい。
第6図の実施例は同じ0次の回路であるが、各遅延素子
4z 、42〜40からの信号を、それぞれ所定の係数
と乗算を行う乗算回路181 、182〜18oを経て
7JU&算回路17で一旦一つの信号にするところが第
5図と異なっている。加算回路17の出力は、第1図の
実施例と同様に、スイッチ7によって係数が切換られる
乗算回路5を介して加算回路2′に供給される。
第5図及び第6図のような高次の巡回形ディジタルフィ
ルタでは、乗算回路181 、182〜180への乗算
係数群、α1.α2〜α0.α1α2′〜α0′の各群
の係数が、安定である条件でスイッチ7の切換を行えば
、フィルタ系の安定性をそのままにリミットサイクルを
防止することができる。
但し第5図、第6図では、巡回形ループ部のみ有する高
次フィルタを示したが、第4図のような、FIR回路を
伴う回路に適用しても良い。また、遅延素子の多段接続
部は、遅延させてから係数を乗じているが、信@X (
n)に係数を乗じてから順次遅延したもの(転置)、そ
の他種々の変形回路に適用することができる。
次に、全域通過フィルタにこの発明を適用した実施例を
説明する。
第7図において、入力端子1からの信号x (n)は、
加算回路20の出力と、遅延素子4と乗算回路5−1か
らなる帰還路を介して加算される。この加算回路20の
出力は、乗算回路5−2を介して加算回路19に入力し
、遅延素子4からの出力と加算されている。
全域通過フィルタでは、上記乗算回路5−1゜5−2に
同じ係数を与える必要がある。このため、スイッチ7は
、2つの乗算回路5−1.5−2の両方に共通の係数を
与える。これによって、入力信号が規準レベルに未満の
場合に、リミットサイクル現象を生じない安定なフィル
タ動作を実現する。
第8図は第11図の回路にこの発明を適用した実施例を
示す。
第8図において、入力信号x (n)は乗舞回路5日で
係数−αと乗算され一方入力として加算回路22に入る
。一方、加算回路211m段遅延素子群4.4・・・、
及び乗算回路5^から成る巡回回路部も入力信号x (
n)を処理する。この巡回回路部からの出力は乗算回路
5cで係数1−α′と乗算され他方入力として前記加算
回路22に入る。そして出力信号V(n>は、加算回路
22より導出Jる。
各乗算回路5A、5[1,5Cに与える係数は、レベル
検出回路6からの2値信号りにより切換制御されるスイ
ッチ7によって選択する。即ち、入力信号が規準レベル
に以上のときにαを選択し、に未満のとぎにα′を選択
する。反転回路32は負号(−)を付す回路である。3
1は演算回路であり、これにより1−α 及び1−α′
2の係数を演算づる。
スイッチ7をα′に切換えた場合、第1図、第3図、第
5図、第6図の回路はフィルタとして動作しない。本回
路の場合、伝達関数は、■式でαがα′に置き換えられ
るだけで、伝達特性に変わりは無い。即ち、■式を満足
したままリミットサイクルをなくすことができる。
尚、この場合のα′は、αに比べ1に近い値とJるのが
良い。何故なら、乗算回路5Cに与える係数は、1−α
″である。そのため、遅延素子4の出力信号にリミット
サイクルの発娠現象が生じても東口回路5Cの出力がO
となら無ければ出力端子3の信号に発振環条が生じるこ
とはない。
こうして、巡回形ディジタルフィルタのあらゆる構成の
ものについて、この発明は適用可能である。
尚、レベル検出回路6は、入力信号の実効値を検出する
のではなく、入力信号の絶対値の平均値に対して動作す
る回路を用いても良い。
また、第1図、第3図、第4図、第7図の実施例におい
て、遅延素子4を、第10図のように、m個多段に接続
しても良い。
更に、スイッチ7は、2つの係数データを選択する2値
のスイッチであったが、2つの係数データの間を補間し
た値を係数とする構成としてもこの発明を実現できる。
補間は直線補間、対数的直線補間等種々の方法が適用で
きる。これにより、入力信号の実効値が規準レベルに以
上から未満に変化する過渡域での変化を滑らかにするこ
とができる。
また、補間は、入力信号の実効値が規準レベルKに比較
して、K以上からに未満へ変化する場合(入力信号の実
効値の減少)と、K未満からに以上へ変化する場合(入
力信号の実効値の増加)とで、係数がその変化の最終値
α(或いはα′)に到達する時開を変化させても良い。
この場合、入力信号の立上り、立下りにより巡回ループ
の動作域と非動作域の変化にヒステリシスを与えること
になり、より人間の感覚に適応したフィルタリング作用
を実現する。
また、この発明は勿論、電子計算機上、又はディジタル
信号処理プロセッサ上にソフトウェアで実現したり、又
は電子計算機とディジタル信号処理ブOセッサとを組合
わせて実現しても良い。
以上各々の実施例について、ディジタル回路として説明
下が、全部或いは一部の回路をアナログ回路に置換えて
も本件を実現することができることは明白である。
[発明の効果] 以上説明したようにこの発明によれば0巡回形ループを
有するディジタルフィルタにおいて、演算語長を増加さ
せずに、リミットサイクル現象を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係る巡回形ディジタルフィルタの一
実施例を示す回路図、第2図はこの発明に用いたレベル
検出回路の一例を示1回路図、第3図から第8図はそれ
ぞれこの発明の他の実施例を示す回路図、第9図はリミ
ットサイクル現象を説明するために一船釣巡回形ディジ
タルフィルタを示す説明図、第10図は第9図の変形例
を示1回路図、第11図はこの発明を適用可能な残響付
加装置を示す回路図である。 1・・・入力端子、2.2’ 、 20.21.22・
・・加綽回路、3・・・出力端子、4.41.42〜4
゜41’、42’〜40′・・・遅延素子、5.5−1
゜5−2.5^、5a・・・乗算回路、6・・・レベル
検出回路、7.71.72〜70・・・スイッチ、α、
α′・・・係数。 第1図 纂2図 第6図 第7図 第8図 第9図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)出力信号を入力側に帰還する巡回ループを有する
    ディジタルフィルタ回路において、入力レベル検出回路
    と、この入力レベル検出回路の出力に応じて切換制御さ
    れ巡回ループ内の乗算係数を零値又は本来の係数に比べ
    より零に近い値の係数に切替える係数切換スイッチとを
    有することを特徴とするディジタルフィルタ回路。
  2. (2)出力信号を入力側に帰還する巡回ループを有する
    ディジタルフィルタ回路において、入力レベル検出回路
    と、この入力レベル検出回路の出力に応じて切換制御さ
    れ巡回ループを遮断する遮断スイッチとを有することを
    特徴とする請求項1に記載のディジタルフィルタ回路。
  3. (3)前記係数切換スイッチが、巡回ループ内の乗算係
    数を、本来の係数に比べより零に近い値の係数に連続的
    に切換える構成であることを特徴とする請求項1に記載
    のディジタルフィルタ回路。
  4. (4)入力信号を遅延する遅延素子及びこの遅延素子か
    らの巡回信号を前記入力信号に加算する加算回路を有す
    るディジタルシグナルプロセッサ或いは電子計算機にて
    構成したディジタルフィルタ回路において、入力信号の
    レベルを判別するステップと、このレベル判別結果に従
    つて前記巡回ループ内の乗算係数を所定値に切換えるス
    テップ又は遮断するステップを設けたことを特徴とする
    ディジタルシグナルプロセッサ或いは電子計算機にて構
    成したディジタルフィルタ回路。
JP4903889A 1989-02-28 1989-02-28 ディジタルフィルタ回路 Pending JPH02228117A (ja)

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