RU108669U1 - Цифровой фильтр - Google Patents
Цифровой фильтр Download PDFInfo
- Publication number
- RU108669U1 RU108669U1 RU2011119366/08U RU2011119366U RU108669U1 RU 108669 U1 RU108669 U1 RU 108669U1 RU 2011119366/08 U RU2011119366/08 U RU 2011119366/08U RU 2011119366 U RU2011119366 U RU 2011119366U RU 108669 U1 RU108669 U1 RU 108669U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- memory block
- sample
- multiplier
- Prior art date
Links
Landscapes
- Complex Calculations (AREA)
Abstract
Цифровой фильтр, содержащий блок памяти текущего входного отсчета, вход которого подключен к входу фильтра, блок памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, вход которого подключен к выходу блока памяти текущего входного отсчета, q идентичных по структуре вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выходной блок суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выход которого является выходом фильтра, отличающийся тем, что в него введены входной вычитатель, первый вход которого подключен к выходу блока памяти текущего входного отсчета, а второй вход подключен к выходу блока памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, в каждый из q вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала введены блок памяти предопределенных коэффициентов, первый умножитель, первый вход которого подключен к выходу первого блока памяти, а второй вход подключен к первому выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, второй умножитель, первый вход которого подключен к выходу второго блока памяти, а второй вход подключен к первому выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, третий умножитель, первый вход которого подключен ко второму выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу второго блока памяти, четвертый умножитель, первый вход которого подключен ко второму выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу первого блока памяти, вычитатель, первый вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй вход подключен к выходу третьего умножителя, а выход подключен к входу �
Description
Полезная модель относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используется цифровая обработка сигнала, и может быть использовано для выделения заданной полосы частот спектра одномерного дискретного сигнала
В качестве аналога полезной модели может быть рассмотрено известное устройство цифровой фильтрации [1], которое содержит блок цифровой задержки четыре сумматора и четыре умножителя, подключенные по схеме двухканального цифрового интегратора.
Недостатком аналога является его принципиальная ориентированность на фильтрацию нижних частот и необходимость последовательного выполнения двух операций умножения в каждом канале.
Известно устройство [2] (прототип) для осуществления скользящего ортогонального преобразования сигналов, содержащее входной блок памяти и основной вычислительный блок, в который введен блок нормировочных коэффициентов преобразования, основной вычислительный блок содержит блок памяти коэффициентов, сумматор, предназначенный для суммирования значений сигналов с первой и второй ячеек входного блока памяти, сумматор, предназначенный для суммирования значений сигналов с предпоследней и последней ячеек входного блока памяти, и арифметические блоки, имеющие входы а, b, с, d, e, f и выход g, причем количество арифметических блоков равно количеству спектральных коэффициентов, входы а арифметических блоков подключены к блоку нормировочных коэффициентов преобразования, входы b арифметических блоков подключены к выходу сумматора, предназначенного для суммирования значений сигналов с предпоследней и последней ячеек входного блока памяти, положительный вход этого сумматора подключен к последней выходной ячейке входного блока памяти, а отрицательный вход этого сумматора подключен к предпоследней выходной ячейке входного блока памяти, входы с арифметических блоков подключены к выходу сумматора, предназначенного для суммирования значений сигналов с первой и второй ячеек входного блока памяти, положительный вход этого сумматора подключен к первой входной ячейке входного блока памяти, а отрицательный выход этого сумматора - к второй входной ячейке входного блока памяти, входы d, e, f арифметических блоков подключены к соответствующим выходам блока памяти коэффициентов, при этом каждый арифметический блок содержит умножитель, предназначенный для перемножения сигналов с входов c и d арифметического блока, сумматор, предназначенный для суммирования сигналов с входа b арифметического блока и выхода предыдущего умножителя, умножитель, предназначенный для перемножения сигналов с входов а и е арифметического блока и выхода предыдущего сумматора, буфер, состоящий из входной и выходной ячеек, умножитель, предназначенный для перемножения сигналов с входа f арифметического блока и входной ячейки буфера арифметического блока, и сумматор, причем выход умножителя, предназначенного для перемножения сигналов с входов end арифметического блока, подключен к положительному входу сумматора, предназначенного для суммирования сигналов с входа b арифметического блока и выхода предыдущего умножителя, другой положительный вход этого сумматора подключен к входу b рассматриваемого арифметического блока, а выход этого сумматора - к входу умножителя, предназначенного для перемножения сигналов с входов а и е арифметического блока и выхода предыдущего сумматора, два других входа этого умножителя подключены к входам а и е арифметического блока, а его выход - к положительному входу сумматора, отрицательный вход которого подключен к выходной ячейке буфера арифметического блока, третий положительный вход сумматора подключен к выходу умножителя предназначенного для перемножения сигналов с входа f арифметического блока и входной ячейки буфера арифметического блока, выход сумматора - к входной ячейке буфера арифметического блока и к выходу g арифметического блока, выходы g арифметических блоков - к выходам основного вычислительного блока и предназначены для снятия мгновенных значений спектральных коэффициентов, соответствующих текущему положению окна анализа.
Недостатками известного устройства является сложность, низкое быстродействие и невозможность осуществления цифровой фильтрации.
Цель полезной модели - реализация цифрового фильтра на основе скользящего преобразования Фурье и увеличение его быстродействия.
С этой целью в известное устройство для осуществления скользящего ортогонального преобразования сигналов, содержащее блок памяти текущего входного отсчета, вход которого подключен к входу фильтра, блок памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, вход которого подключен к выходу блока памяти текущего входного отсчета, q идентичных по структуре вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выходной блок суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выход которого является выходом фильтра, с целью реализации цифровой фильтрации сигнала и увеличения быстродействия, в него введены входной вычитатель, первый вход которого подключен к выходу блока памяти текщего входного отсчета, а второй вход подключен к выходу блока памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, в каждый из q вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала введены блок памяти предопределенных коэффициентов, первый умножитель, первый вход которого подключен к выходу первого блока памяти, а второй вход подключен к первому выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, второй умножитель, первый вход которого подключен к выходу второго блока памяти, а второй вход подключен к первому выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, третий умножитель, первый вход которого подключен ко второму выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу второго блока памяти, четвертый умножитель, первый вход которого подключен ко второму выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу первого блока памяти, вычитатель, первый вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй вход подключен к выходу третьего умножителя, а выход подключен к входу третьего блока памяти, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу входного вычитателя фильтра, второй вход подключен к выходу третьего блока памяти, а выход подключен к входу первого блока памяти, выход которого подключен к соответствующему входу выходного блока суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, второй сумматор, первый вход которого подключен к выходу второго умножителя, второй вход подключен к выходу четвертого умножителя, а выход подключен к входу второго блока памяти.
Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании полезной модели, являются простые устройства цифровых фильтров, обладающие высоким быстродействием.
На фиг.1 изображена структурная схема цифрового фильтра. Цифровой фильтр содержит блок памяти текущего отсчета скользящей выборки сигнала 1, блок памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала 2, входной вычитатель 3, выходной блок суммирования 15, вычислители частичных составляющих отсчета выходного сигнала A1…Aq, каждый из которых содержит блок памяти предопределенных коэффициентов 4, умножители 5, 6, 7, 8, вычитатель 9, сумматоры 10 и 13, блоки памяти 11, 12 и 14.
На фиг.2 изображены характеристики одного элементарного фильтра.
Приведены амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ).
На фиг.3 изображены характеристики, являющиеся суперпозицией характеристик элементарных фильтров.
Приведены эквивалентные АЧХ и ФЧХ.
На фиг.4 изображена импульсная характеристика, являющиеся суперпозицией импульсных характеристик элементарных фильтров.
Приведена эквивалентная импульсная характеристика.
На фиг.1 приведена структурная схема цифрового фильтра. Цифровой фильтр содержит блок памяти теущего отсчета 1, вход которого подключен к входу фильтра, блок памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала 2, вход которого подключен к выходу блока памяти 1, q идентичных по структуре вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала A1…Aq, выходной блок 15 суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выход которого является выходом фильтра, входной вычитатель 3, первый вход которого подключен к выходу блока памяти 1 текущего отсчета скользящей выборки сигнала, а второй вход подключен к выходу блока 2 памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, блок 4 памяти предопределенных коэффициентов, умножитель 5, первый вход которого подключен к выходу блока памяти 14, а второй вход подключен к первому выходу блока 4 памяти предопределенных коэффициентов, умножитель 6, первый вход которого подключен к выходу блока памяти 12, а второй вход подключен к первому выходу блока 4 памяти предопределенных коэффициентов, умножитель 7, первый вход которого подключен ко второму выходу блока 4 памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу блока памяти 14, умножитель 8, первый вход которого подключен ко второму выходу блока 4 памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу блока памяти 12, вычитатель 9, первый вход которого подключен к выходу умножителя 5, второй вход подключен к выходу умножителя 7 а выход подключен к блоку памяти 11, сумматор 13, первый вход которого подключен к выходу входного вычитателя 3, второй вход подключен к выходу блока памяти 11, а выход подключен к входу блока памяти 14, выход которого подключен к соответствующему входу выходного блока 15 суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, сумматор 10, первый вход которого подключен к выходу умножителя 6, второй вход подключен к выходу умножителя 8, а выход подключен к входу блока памяти 12.
Цифровой фильтр работает следующим образом.
Характеристики АЧХ ФЧХ цифрового фильтра определяются суперпозицией характеристик элементарных фильтров, которые являются результатом работы вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала. С помощью каждого из вычислителей из спектра скользящей выборки сигнала формируется текущий отсчет одной определенной гармонической составляющей спектра.
Определим вид частотной характеристики элементарного цифрового фильтра через его импульсную характеристику.
Отсчеты выходного сигнала определяются общим выражением:
где n - номер текущего отсчета; N - количество отсчетов в выборке входного сигнала; i - номер отсчета в пределах выборки (i∈0…N-1); Δf - интервал дискретизации; q - номер выбранной гармонической составляющей спектра.
Выходной сигнал элементарного фильтра формируется последним отсчетом (n=N-1). Анализ показал, что можно допустить при больших N следующее приближение N-1≈N. Данное приближение приводит к незначительному смещению ФЧХ, которым можно пренебречь. Выражение (1) принимает вид:
Определим текущее значение А импульсной характеристики, используя (2) и прямое дискретное преобразование Фурье (ДПФ) функции Дирака:
В (3) δ(nΔt-iΔt}=1/Δt при значении аргумента nΔt-iΔt=0. Следовательно, в пределах значений n∈0…N в (3) будет лишь одно слагаемое с ненулевым значением. Соответственно и за пределами этого диапазона все значения А будут нулевыми. Таким образом, выражение для отсчетов импульсной характеристики элементарного цифрового фильтра имеет вид:
Импульсная характеристика элементарного q-го фильтра является конечной и определяется q периодами косинусоиды.
Частотная характеристика элементарного фильтра равна спектру его импульсной характеристики. В результате преобразований получим выражение для дискретного комплексного спектра:
Приведем (7) к алгебраической форме комплексной функции и введем нормированную частоту . В результате получим частотную характеристику элементарного фильтра:
Модуль (8) Uq является АЧХ элементарного фильтра, а аргумент (8) Фq является его ФЧХ. На фиг.2 приведены АЧХ и ФЧХ элементарного Фильтра при использовании третьей гармоники спектра скользящей выборки сигнала (q=3).
Для синтеза заданной характеристики цифрового фильтра используем суперпозицию характеристик элементарных фильтров. В этом случае импульсная характеристика синтезируемого фильтра будет суперпозицией отрезков косинусоид с кратными периодами. Используя (8), математическую модель синтезируемого фильтра, нормированную по амплитуде, представим в виде результирующей АЧХ U и результирующей ФЧХ Ф.
где Uq - амплитудные коэффициенты, с которыми складываются характеристики элементарных фильтров; множитель (-1)q учитывает скачки фазы ФЧХ элементарных фильтров на π.
Аналогичным образом представим результирующую импульсную характеристику синтезируемого фильтра.
На фиг.3 приведены АЧХ и ФЧХ полосного фильтра. При его синтезе использовались гармонические составляющие с номерами 4,…, 12. С целью минимизации колебаний АЧХ в пределах полосы пропускания и получения максимального подавления вне полосы подбирались значения Uq, которые приведены в табл.1. Другие значения равны нулю.
| Таблица 1. | |||||||||
| Значения Uq. | |||||||||
| q | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| Uq | 0,07 | 0,6 | 0,97 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 0,97 | 0,6 | 0,07 |
На фиг.4 приведена импульсная характеристика данного фильтра, при построении которой использовалось выражение (10) с введением нормированного времени .
Вычисление значения текущего отсчета в каждом элементарном фильтре выполняется следующим образом. Введем - массив отсчетов комплексного спектра текущей выборки сигнала, u - массив отсчетов входного сигнала. Покажем связь между ними:
На каждом шаге дискретизации происходит смещение выборки входного сигнала на один отсчет. При этом происходит удаление самого старого отсчета массива u и добавление нового. Преобразование (11) представляет собой векторную сумму на комплексной плоскости. При смещении выборки на один отсчет, удаляется первое слагаемое в сумме (11) и добавляется одно новое. Все остальные слагаемые останутся неизменными, изменяются лишь их порядковые номера на единицу, что эквивалентно повороту суммарного вектора на угол . Таким образом, комплексное значение отсчета спектра текущей выборки можно определить на основе комплексного значения отсчета спектра предыдущей выборки:
где - отсчет комплексного спектра предыдущей выборки, ивх0 - первый отсчет предыдущей выборки, который удаляется в текущей выборке, - текущий отсчет входного сигнала.
В (13), в скобках, происходит вычитание из предыдущего значения отсчета комплексного спектра первой составляющей суммы (11). Результат поворачивается на угол , что обусловлено сдвигом порядковых номеров на единицу. После чего происходит добавление нового текущего отсчета входного сигнала.
Раскроем скобки в (13):
Обратное ДПФ требуется выполнить только для отсчета n=N. В этом случае (12) принимает следующий вид:
Видно, что в разработанном алгоритме отсутствует обратное ДПФ. Общий вид выходного сигнала можно представить как:
Перед каждым этапом вычислений на интервале дискретизации состояние схемы фильтра следующее. В блоке памяти 1 записано нормированное значение последнего отсчета сигнала, полученное на предыдущем интервале дискретизации. В блоке 2 памяти всех отсчетов сигнала выход подключен к ячейке, где хранится значение самого старого отсчета выборки. В блоке 4 записаны вещественная и мнимая части единичного вектора поворота Значения частей определяются номером гармоники, выделяемой в элементарном фильтре. В блоке памяти 14 хранится вещественная часть комплексного значения последнего выходного отсчета хre. В блоке памяти 12 хранится мнимая часть комплексного значения последнего выходного отсчета хim. Операцию поворота комплексного значения последнего выходного отсчета можно представить следующим образом:
Эта операция выполняется с помощью умножителей 5, 6, 7, 8, вычитателя 9 и сумматора 10. На каждом интервале дискретизации текущий нормированный отсчет входного сигнала записывается на место предыдущего отсчета в блок памяти 1. В вычитателе 3 из него вычитается значение самого старого отсчета. В сумматоре 13 каждого вычислителя полученная разность складывается с вещественной частью комплексного значения предыдущего выходного отсчета, а результат записывается в блок памяти 14. После этого выполняется перерасчет вещественной и мнимой составляющих комплексного значения выходного отсчета, которые записываются в блоки памяти 11 и 12. Одновременно в блок памяти отсчетов 2 вместо самого старого отсчета записывается последний отсчет и выполняется переадресация выхода блока 2. Выходной сигнал фильтра вычисляется суммированием со своими знаками и коэффициентами в блоке 15 всех значений, которые хранятся в блоках памяти 14 каждого вычислителя.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет упростить структуру фильтра, ввести эффективное распараллеливание вычислений и увеличить быстродействие. Фильтр является неискажающим, так как имеет линейную ФЧХ. Комбинируя характеристики элементарных фильтров можно получить эквивалентную АЧХ любой сложности.
Список источников для рассмотрения в ходе экспертизы.
1. Витязев В.В. Основы многоскоростной обработки сигналов: Учебное пособие Ч.1 [Текст] // В.В.Витязев, А.А.Зайцев; Рязан. Гос. Радиотехн. Акад. Рязань, 2005. 124 с.
2. Патент 2177173 МПК7 G06F 17/14 Устройство скользящего преобразования сигналов. Гарбузов Б.В. Опубл. 20.12.2001
Claims (1)
- Цифровой фильтр, содержащий блок памяти текущего входного отсчета, вход которого подключен к входу фильтра, блок памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, вход которого подключен к выходу блока памяти текущего входного отсчета, q идентичных по структуре вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выходной блок суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, выход которого является выходом фильтра, отличающийся тем, что в него введены входной вычитатель, первый вход которого подключен к выходу блока памяти текущего входного отсчета, а второй вход подключен к выходу блока памяти всех отсчетов скользящей выборки сигнала, в каждый из q вычислителей частичных составляющих отсчета выходного сигнала введены блок памяти предопределенных коэффициентов, первый умножитель, первый вход которого подключен к выходу первого блока памяти, а второй вход подключен к первому выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, второй умножитель, первый вход которого подключен к выходу второго блока памяти, а второй вход подключен к первому выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, третий умножитель, первый вход которого подключен ко второму выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу второго блока памяти, четвертый умножитель, первый вход которого подключен ко второму выходу блока памяти предопределенных коэффициентов, а второй вход подключен к выходу первого блока памяти, вычитатель, первый вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй вход подключен к выходу третьего умножителя, а выход подключен к входу третьего блока памяти, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу входного вычитателя фильтра, второй вход подключен к выходу третьего блока памяти, а выход подключен к входу первого блока памяти, выход которого подключен к соответствующему входу выходного блока суммирования q частичных составляющих отсчета выходного сигнала, второй сумматор, первый вход которого подключен к выходу второго умножителя, второй вход подключен к выходу четвертого умножителя, а выход подключен к входу второго блока памяти.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011119366/08U RU108669U1 (ru) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | Цифровой фильтр |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011119366/08U RU108669U1 (ru) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | Цифровой фильтр |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU108669U1 true RU108669U1 (ru) | 2011-09-20 |
Family
ID=44759251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011119366/08U RU108669U1 (ru) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | Цифровой фильтр |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU108669U1 (ru) |
-
2011
- 2011-05-13 RU RU2011119366/08U patent/RU108669U1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8855243B2 (en) | Method and system for performing complex sampling of signals by using two or more sampling channels and for calculating time delays between these channels | |
| CN103792427B (zh) | 对非平稳信号进行实时频谱分析的方法及系统 | |
| CN101300623A (zh) | 用于抑制噪声的方法、设备和计算机程序 | |
| Park | Guaranteed-stable sliding DFT algorithm with minimal computational requirements | |
| Assef et al. | Modeling and FPGA-based implementation of an efficient and simple envelope detector using a Hilbert Transform FIR filter for ultrasound imaging applications | |
| US9112479B2 (en) | Filtering discrete time signals using a notch filter | |
| Ayinala et al. | Parallel-pipelined radix-2 2 FFT architecture for real valued signals | |
| US20020029234A1 (en) | Recursive discrete fourier transformation apparatus | |
| RU113597U1 (ru) | Цифровой фильтр со смещаемой фазочастотной характеристикой | |
| RU108669U1 (ru) | Цифровой фильтр | |
| JP4769323B2 (ja) | 信号処理装置、エコーキャンセラ、信号処理方法 | |
| Gustafsson et al. | Implementation of polyphase decomposed FIR filters for interpolation and decimation using multiple constant multiplication techniques | |
| CN108199714A (zh) | 一种应用于aic结构信号恢复的改进omp算法的电路系统 | |
| CN105656451B (zh) | 一种基于频域处理的扩频信号匹配滤波系统及方法 | |
| EP2391001B1 (en) | Implementation of complex sampling | |
| Srinivas et al. | Low latency architecture design and implementation for short-time fourier transform algorithm on FPGA | |
| Akhter et al. | Logarithmic Multiplier: An Analytical Review | |
| Bae et al. | Overlap-save commutators for high-speed streaming data filtering | |
| Damian et al. | A low area FIR filter for FPGA implementation | |
| Dai et al. | FPGA Realization of Hardware-Flexible Parallel Structure FIR Filters Using Combined Systolic Arrays | |
| RU62469U1 (ru) | Устройство вычисления адаптивного вейвлет-преобразования | |
| RU137811U1 (ru) | Цифровой фильтр со смещаемой фазочастотной характеристикой | |
| US11416579B2 (en) | Recursive discrete Fourier transform device | |
| KR101818656B1 (ko) | 2 이상의 샘플링 채널을 사용하여 신호의 복소 샘플링을 수행하고 이들 채널들 간에 시간지연을 계산하기 위한 방법 및 시스템 | |
| CN107193784A (zh) | 高精度低硬件复杂度的sinc插值实现方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20120514 |