SU1095357A1 - Устройство дл цифровой фильтрации - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ШШ ЩГФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подкл1Ьчен к информационному входу аналого-цифрового преобразовател , управл ющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подкл оче к управл ющему входу блока пам ти, информационный выход которого соединен с первым входом умноткител , выход которого подключен к входу накатливающего сумматора ,- управл ющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации , четвертый выход которого подключен к адресному входу блока посто нной пам ти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножител , управл ющий вход которого подключен к п тому выходу блока синхронизации , а вход фильтра нижних частот  вл етс  информационным входом устройства, о. т л и ч а го щ е е с   тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей за счет миого диапазонной цифровой фильтрации, в него введены первый и второй коммутаторы , причем информационный выход аналого-цифрового преобразовател  SS соединен с первым входом первого коммутатора , выход которого подключен к информационному входу блока пам ти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, i-й выход ( 1 1,К) которого  вл етс  информационным выходом i -го канала О устройства, а шестой и седьмой выхоСО ды блока синхронизации соединены с ел управл ющими входами соответственно СлЭ ел первого и второго коммутаторов. VI

Description

Изобретение относитс  к вычислительной технике и предназначено дл  использовани  в устройствах многоди . апазонного. частотного анализа сигна лов с посто нной относительной шири ной полос пропускани . устройство дл  цифровой фильтрации, которое построено в вид спецвычислител , где отсчеты входного сигнала обрабатываютс  поразр дно содержащее два циклических регистра первый дл  задержки входного сигнала а второй дл  хранени  значений весовой функции, выходы регистров соединены с соответствующими входами разр дов двоичного счетчика, где образуетс  код выходного значени  фильтра С П. Недостатком данного устройства  вл етс  малое быстродействие вследствие того, что ведетс  поразр дна  обработка информации. Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  нерекурсивный цифровой фильтр, содержащий блок управлени , блок пам ти коэффициентов, блок умножени , накап ливающий сумматор, блок (оперативной пам ти, дешифратор, элемент И, первую и вторую группу И, причем вход накап.пивающего сумматора подключен к выходу умножител , первый вход которого подключен к выходу блока пам ти коэффициентов, вход которого соединен с выходом блока управлени , второй вход умножител  соединен с выходом блока пам ти, второй выход блока пам ти коэффициентов соединен с входом дешифратора, выход которого соединен с первыми входами элементов И первой и второй групп, и первым входом элемента И, выход которого подключен к первому входу блока пам ти , второй вход которого соединен с выходами элементов И первой группы , вторые входы которых  вл ютс  входами устройства, при этом выход накапливающего сумматора соединен с вторыми входами элементов И второй группы, выходы которых  вл ютс  выходами фильтра, а выход блока управлени  соединен с вторым входом элемента И. Дл  использовани  данног устройства необходй о также включение перед ним последовательно соединенных антиэлайзингового фильтра ниж них частот (преселектора) и аналогоцифрового преобразовател  L2. Недостатком указанного устройства  вл етс  невозможность одновременной многодиапазонной фильтрации сигнала., Цель изобретени  ,- расширение функциональных возможностей устройства за счет многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов (в реальном масштабе времени путем автоматической перестройки частотного диапазона фильтра с использованием метода прореживани  входных отсчетов Jвремени со смещением). Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  цифровой фильтрации, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразовател , управл ющий вход которого соединен с первым выхоДОМ блока синхронизации, второй выход которого подключен к управл ющему входу блока пам ти, информационный выход которого соединен с первым входом умножител , выход которого подключен к входу накапливающего сумматора , управл ющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации , четвертый выход которого подключен к адресному входу блока посто нной пам ти, информационньй выход которого соединен с вторым входом умножител , управл ющий вход которого подключен к п тому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот  вл етс  информационным входом устройства, введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразовател  соединен с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока пам ти, выход накапливающего сумматора соединен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора , i -и выход (,«) которого  вл етс  информационным выходом 1 -го канала устройства, а шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены с управл ющими входами соответственно первого и второго коммутаторов. На фиг.1 представлена блок-схема устройства дл  1щфровой фильтрации; на фиг.2 - схема, иллюстрирующа  используемьй в устройстве метод прореживани  входных отсчетов по времени со смещением; на фиг.З - функциональна  схема блока синхронизации; на фиг.4 - временные диаграммы его работы . Устройство (фиг.1) содержит (анти элайзинговый) фильтр 1 нижних частот (преселектор), аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), коммутатор (двухвходовой) 3,блок 4 пам ти,умножитель 5, накапливающий сумматор 6, коммутатор 7, блок 8 синхронизации и блок 9 посто нной пам ти (коэффици ентов) . Блок синхронизации (фиг.З) содержит генератор 10 тактовых импульсов , счетчик 11, узел 12 посто н ной пам ти, элементы И 13-18, элементы задержки 19-21. Устройство предназначено дл  частотного анализа .с посто нной относительной шириной диапазонов и значени ми среднегеометрических частот и границ соседних частотных диапазонов отличающимис  в два раза, т.е. сср.2 рСр.2. ..верхн.-бер N M-f N NгНИ ;Н - значение среднегеометричес кой частоты N-rO диапазона значение верхней граничной частоты N-ro диапазона; значение нижней граничной частоты N-ro диапазона. Примером такого анализа с достаточной степенью точности может служить октавный частотный анализ. В устройстве использован метод прореживани  входных отсчетов по вре мени со смещением, сущность которого состоит в следующем. Из выражени  (1) с учетом теоремы отсчетов следует, что частота дискре тизаций (число отсчетов, вз тое в единицу времени), необходима  дл  анализа сигнала в N -ом частотном диапазоне, составл ет n-f , в (Nом диапазоне частота дискретизации равна соответственно ni., в (N-2)-oM /4 и т.д., где п - число дискретных отсчетов на период верхней частоты сигнала, необходимое дл  преобразовани  его без искажений (из теоремы Котельникова П7/2). Если каждый дискретный отсчет использовать Дл  фильтрации сигнала только в одном соответствующем ему частотном диапазоне, то суммарное количество дискрет в единицу времени (частота дискретизации), необходимое дл  анализа сигнала в Н - частотных полосах, равно сумме геометрической прогрессии: . пО N 2 N Так как сумма (2) не превосходит величины 2п., а лишь асиптотически приближаетс  в ней с ростом N и если частота дискретизации сос . . i eepxri о(., то возможен частотный анализ в N непересекающихс  частотных диапазонах с посто нной относительной шириной полос. Здесь каждое второе значение участвует в фильтрации в самом высокочастотном N-OM диапазоне, каждое четвертое - в более низкочастотном (N-l)-oM диапазоне, каждое восьмое в (N-2)-oM и т.д., причем каждый дискретньш отсчет участвует в обработке только в одной соответствующей ему ч.астотной полосе. Дл  реализации этого выборку дискретных значений дл  соответствующих частотных полос производ т со смещением: дл  самого высокоЧ астотного N -го диапазона выборка начинаетс  с 0-го отсчета, дл  следующего (N-l)-ro - с 1-го отсчета , дл  (М-2)-го - с. 3-го и т.д. В общем -елучае дл  диапазона ( К4К) выборка начинаетс  с (2: -1)-го . .. о N- к отсчета и идет с периодом 2 дискрет. Алгоритм выборки дискретных значений прореживанием по времени со смещением, иллюстрируетс  фиг,2, где а - йсследуемьй непрерывный сигнал на входе аналого-цифрового преобразовател ; Ъ - сигнал после дискретизации , здесь же показана принадлежность дискретных отсчетов к 0-му, 1-му, 2-му, 3-му диапазона 1 анализа; с, d, е, f .- дискретные последовательности , относ щиес  соответственно к 3-му, 2-му, 1-му и 0-му частотным диапазонам. Как видно из фиг.2, частота дискретизации дл  различных диапазонов оказываетс  различной и отличаетс  в два раза дл  смежных частотных полос, так же как« значение их среднегеометрических частот и границ диапазонов. В устройстве дл  фильтрации сигнала в нескольких частотных диапазонах с помощью одного цифрового фильтра используетс  тот известньй факт, что полоса пропускани  и центральна  частота фильтра измен ютс  с изменением тактовой частоты его работы, что происходит при использовании указанного метода прореживани . Дл  полосовой i фильтрации во всех диапазонах в это случае требуетс  всего лишь один на бор коэффициентов фильтра, что веде к высокой идентичности обработки в различных частотных полосах. Снижению частоты выделени  дискр ных отсчетов (Что фактически происх дит при сортировке дискрет по час тотным диапазонам) должна предшеств вать и соответствующа  низкочастотна фильтраци , чтобы избежать искажений вызываемых эффектом наложени . Дл  этого в предлагаемом устройстве каждьй дискретный отсчет подвергаетс  сначала низкочастотной фильтрации, а затем уже полосовой фильтрации. Устройство работает следующим образом . Исследуемый сигнал (измен ющеес  в широком диапазоне частот н-апр жение ) поступает на вход фильтра 1 ниж них частот, работающего в качестве фильтра предварител-ьной выборки и подавл ющего высокочастотные составл ющие , присутствие.которых могло бы привести к искажени м из-за про влени  эффекта наложени  в процессе выборки дискретных значений в АЦП 2. Частота среза f р фильтра 1 соответствует верхней границе Р самого высокочастотного диапазона N анализа С выхода фильтра 1 аналоговый сигнал поступает в АЦП 2, частота дискретизации которого задаетс  из блока 8 синхронизации и составл ет г- Of/) pSSP . ацп ср N Двухкратное завьшение частоты дискретизации АЦП 2 диктуетс  используе мым в устройстве методом прореживани . по времени входных .отсчетов со смещением , cynjHOCTb которого изложена вьш1е. С выхода АДП2Дискретньа отсчет, соответствующий, например, К-му диапазону (Ke{0,Np поступает через пход коммутатора 3 на информационный вход блока 4 пйм ти. При этом блок 8 синхронизации через соответствзтощи выход разрешает коммутатору 3 такую передачу входного отсчета, через соответствующий выход адресует этот отсчет в область хранени  входных отсчетов блока 4 на место самого старого из m хранимых в ней значений входных отсчетов (т - пор док цифрового фильтра нижних частот) -. Затем по сигналам блока 8 синхрони7 зации из блока 4 пам ти последовательно считываютс  и передаютс  на первый информационный вход умножител  5 все m отсчетов входной величины . Одновременно по сигналам блока 8 синхронизации из блока посто нной пам ти 9 коэффициентов последовательно и синхронно с входными отсчетами поступают на соответствующий вход умножител  5 m коэффициентов фильтра нижних частот с соответствующей данному К-му диапазону частотой среза. По сигналам с соответствующих выходов блока 8 синхронизации умножитель 5 и накапливающий сумматор 6 выполн ют обработку поступающих входных отсчетов и коэффициентов в соответствии со структурой выбранной пр мой формы нерекурсивного (трансверсального ) фильтра. Реализаци  данной структуры и алгоритма в предлагаемом устройстве осуществл етс  следующим образом. Первьй из отсчетов, поступающих иа соответствующий вход умножител  5 с выхода блока 4 пам ти, умножаетс  на значение первого коэффициента , поступающего с выхода блока 9 посто нной пам ти коэффициентов. Полученное в умножителе 5 произведение поступает в накапливающий сумматор 6. Затем производитс  перемножение значений второго отсчета и второго коэффициента и полученное произведение суммируетс  со значением , хранимым в накапливающем сумматоре 6, далее обрабатываетс  треть  пара и т.д. Полученное в сумматоре 6 отф шьтрованное значение с выхода последнего подаетс  на соответствующий вход коммутатора 3. В данном случае на управл ющий вход коммутатора 3 с соответствующего выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал, вызывающий передачу информации с этого входа коммутатора 3 на информационный вход блока 4 пам ти. На управл ющий вход последнего с соответствующего выхода блока 8 синхронизации подаетс  сигнал, вызывающий запись поступившего отсчета в область пам ти, соответствующую данному полосовому частотному иапазону,на место самого старого з f хран щихс  в ней отсчетов, который при этом пропадает (б - пор ок полосового фи-пьтра). Затем по сигналам блока 8 синхроизации из данной области пам ти последовательно считываютс  и передаютс  на соответствующий вход умножител  5 все Е хранимых значений. Одновременно по сигналам, поступающим с соответствующего выхода блока 8 на вход блока 9 посто нной пам ти коэффициентов , из последнего считываютс  и последовательно, синхронно с К отсчетами подаютс  на соответствующий вход умножител  5 Р коэффициентов полосового фильтра. Умножитель 5 и накаш1иваю1дий сумматор 6 по сигналам блока 8 синхронизации аналогично описанной вьше процедуре низкочастотной фильтрации выполн ют вычисление значени  выходного отфильтрованного отсчета , которое с выхода накапливающего сумматора 6 подаетс  на вход коммутатора 7. На управл ющий вход последнего с соответствующего выхода блока 8 синхронизации поступает сигнал , по которому отфильтрованньй отсчет передаетс  на один из выходов

коммутатора 7 (в соответствии с данным К-м диапазоном),и передаетс  на дальнейшую обработку.

Затем по сигналу, поступающему с сЬответствующего выхода блока 8 синхронизации, АЦП 2 срабатывает снова и новый дискретный отсчет, соответствующий теперь уже R-му частотному каналу ( N), начинает обрабатыватьс  в устройстве. Цикл обработки его аналогичен описанному выше , новьми  вл ютс  лишь набор коэффициентов фильтра нижних частот,- поступающий из блока 9 посто нной пам ти коэффициентов в умножитель 5, и адреса, задаваемые из блока 8 синхронизации в блок 4 пам ти и коммутатор 7.

Таким образом, данное устройство обладает расширенными функциональными возможност ми, заключающимис  в многодиапазонной цифровой фильтрации сигналов .

О 1 2 3 If У 7 9 $ Ю tt W ;

3- t-u i-iiH

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, содержащее фильтр нижних частот, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, информационный выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора,- управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, информационный выход которого соединен с вторым входом умножителя, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, а вход фильтра нижних частот является информационным входом устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет много• диапазонной цифровой фильтрации, в него введены первый и второй коммутаторы, причем информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого ко*ммутатора, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход накапливающего сумматора соеди9

   ОТ а

   нен с вторым входом первого коммутатора и входом второго коммутатора, i-й выход ( ΐ= 1,К) которого является информационным выходом ΐ-го канала устройства, а шестой й седьмой выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами соответственно первого и второго коммутаторов.

   О ςο сл СлЗ Сл фиг./