Гребінчастий фільтр, що переналаштовується

Реферат: Гребінчастий фільтр, що пере налаштовується, має апаратну або апаратно-програмну реалізацію і включає ланку гребінчастого фільтра 2-го порядку, яка включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний, помножувач. Додатково включає як мінімум одну нерекурсивну ланку 2-го порядку. Кожна така нерекурсивна ланка 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний, два помножувачі та суматор. UA 101828 U (12) UA 101828 U UA 101828 U 5 10 15 Корисна модель належить до галузі радіотехніки та електроніки, а саме до систем цифрової обробки сигналів шляхом фільтрації, більш детально - до цифрових гребінчастих фільтрів, і може бути використане у системах зв'язку, радіолокації, гідролокації, медичному та іншому радіоелектронному обладнанні. З рівня техніки відомі гребінчасті фільтри (надалі - ГФ), що забезпечують додавання до сигналу цього ж сигналу з деякою затримкою. Амплітудно-частотна характеристика (надалі АЧХ) гребінчастого фільтра складається з ряду відносно вузьких смуг пропускання та має вигляд ряду рівномірно розподілених піків, що надає вигляду гребінки. Існують гребінчасті фільтри, які реалізуються як апаратно-програмно, так і програмно, і застосовуються для обробки сигналів, наприклад, у телевізійних системах стандартів PAL та NTSC. В системах зв'язку гребінчасті фільтри застосовуються для обробки сигналів зв'язку. Також гребінчасті фільтри використовуються для обробки аудіосигналів, у тому числі й для створення ефекту луни. Широко відома з рівня техніки [1] архітектура гребінчастого фільтра, що зображена на Фіг. 1. Такий фільтр має m елементів затримки на один такт кожний, помножувач з коефіцієнтом -t і суматор. Як видно з Фіг. 1. вихідний сигнал такого фільтра є різницею вхідного сигналу і затриманого на m тактів вхідного сигналу. Передатна функція такого фільтру має вираз: HГФ z   1  t  z m (2.1), де 20 25 30 35 40 45 50 55 z 1 - затримка сигналу на один такт; m - порядок гребінчастого фільтра; t - коефіцієнт помножувача гребінчастого фільтра, причому t  r m (2.2), де r  1  2  d (2.3), де d - кількість біт у представленні коефіцієнта t . Фіг. 2 зображена АЧХ ГФ 24-го порядку, тобто при m  24 . Передатна функція має нулі АЧХ, які рівномірно розподілені на інтервалі частот 2 радіан. Відомо, що існує можливість переналаштування описаного ГФ для зміни положення нулів АЧХ [2], такі гребінчасті фільтри із змінними параметрами мають АЧХ з періодично зсунутими по осі частот резонансними піками. Відносне розташування максимумів при переміщенні не змінюється, так, що гребінчаста частотна характеристика цілком зміщується ліворуч або праворуч по осі частот. Однак, у таких гребінчастих фільтрах із змінними параметрами відсутня можливість зміни відстані між сусідніми нулями АЧХ для зміни полоси пропускання. Для формування нулів АЧХ на завданих частотах шляхом зміни відстані між сусідніми нулями АЧХ, вищеописаний звичайний ГФ з передатною функцією (2.1) можна переналаштувати шляхом зміни порядку цього фільтра [3], тобто зміни кількості елементів затримки на один такт кожний. Вказані гребінчасті фільтри з параметрами, що змінюються шляхом зміни порядку, тобто зміни кількості елементів затримки на один такт кожний, є гребінчастими фільтрами, що переналаштовуються (надалі - ГФП). Реалізація такого ГФП здійснюється шляхом застосування елементарних відомих засобів вимкнення та увімкнення елементів затримки на один такт кожний з ланцюга гребінчастого фільтра. Такий ГФП може мати апаратну або апаратнопрограмну реалізацію і включає ланку гребінчастого фільтра як мінімум 2-го порядку, тобто містить не менше двох елементів затримки на один такт кожний. Зазначена ланка гребінчастого фільтра 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний, помножувач та суматор. Така ланка реалізована таким чином, що до її входу підключений перший вхід суматора та вхід першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт. До виходу першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт підключений вхід другого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт, вихід якого підключений до входу помножувача. А вихід помножувача підключений до другого входу суматора, вихід якого є виходом описаної ланки. Однак, описаний відомий ГФП має значний недолік, який полягає в тому, що частоти нулів можуть змінюватися лише дискретно та жорстко корельовано з порядком ГФП, а таке обмеження у виборі та неможливість плавного задавання частот нулів АЧХ суттєво обмежує можливості застосування цього ГФП. Задачею заявленого технічного рішення є створення гребінчастого фільтра, що переналаштовується, який забезпечує можливість довільного вибору частот нулів АЧХ фільтра при тому ж порядку (m) фільтра, тобто можливість плавно змінювати частоти вибраних нулів АЧХ в робочому діапазоні частот, з одночасним забезпеченням можливості управління 1 UA 101828 U 5 10 15 20 25 30 35 значеннями максимумів АЧХ цього фільтра для збереження заданих вимог до АЧХ шляхом зміни частот розташування інших нулів АЧХ в робочому діапазоні частот. Поставлена задача вирішена за рахунок того, що технічне рішення, що заявляється, описує гребінчастий фільтр, що переналаштовується, який має апаратну або апаратно-програмну реалізацію і включає ланку гребінчастого фільтра 2-го порядку та як мінімум одну нерекурсивну ланку 2-го порядку. При цьому вказана ланка гребінчастого фільтра 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний, помножувач та суматор. Ця ланка реалізована таким чином, що до її входу підключений перший вхід вказаного суматора та вхід першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт. До виходу першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт підключений вхід другого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт. Вихід другого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт підключений до входу зазначеного помножувача. А вихід вказаного помножувача підключений до другого входу вищевказаного суматора. Вихід цього суматора є виходом описаної ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку. Кожна вказана нерекурсивна ланка 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний, два помножувачі та суматор. Така ланка реалізована таким чином, що до її входу підключений перший вхід її суматора та вхід першого із вказаних її елементів затримки сигналу на один такт. До виходу першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт цієї ланки підключений вхід першого із вказаних помножувачів цієї ланки. Вихід першого із вказаних помножувачів цієї ланки підключений до другого входу суматора цієї ланки. До виходу першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт такої ланки підключений вхід другого із вказаних її елементів затримки сигналу на один такт. А до виходу другого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт підключений вхід другого із вказаних помножувачів цієї ланки. Вихід другого із вказаних помножувачів цієї ланки підключений до третього входу зазначеного суматора цієї ланки. Вихід цього суматора є виходом нерекурсивної ланки 2-го порядку. До того ж, вищеописані ланка гребінчастого фільтра 2-го порядку та як мінімум одна нерекурсивна ланка 2-го порядку включені послідовно. Тобто, нерекурсивна ланка 2-го порядку може бути включена послідовно до входу або виходу ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку, а розташування ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку у порядку послідовного включення будь-якої вибраної кількості нерекурсивних ланок 2-го порядку не має значення. При цьому заявлений гребінчастий фільтр, що переналаштовується, виконаний із забезпеченням можливості перетворення вхідного сигналу у відповідності до передатної функції, що має вираз:     40 HГФП z   1  b 2  z 2  Пn1 1  b1k  z 1  b 2  z 2 (3.1), k де b 2 - коефіцієнт множення помножувача ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку та вищевказаного другого з двох помножувачів нерекурсивної ланки 2-го порядку, що дорівнює 1 або 1 2 d , де d - кількість біт у представленні коефіцієнтів b , тобто є цілим числом. n - кількість вищеописаних нерекурсивних ланок 2-го порядку, k - номер нерекурсивної ланки 2-го порядку, z 1 - затримка сигналу на один такт, z 2 - затримка сигналу на два такти, b1k - коефіцієнт множення вищевказаного першого з двох помножувачів нерекурсивної 45 ланки 2-го порядку, що дорівнює 50 55 2  r  cosx k  , де r  b2 , a x k є нормованою цифровою частотою положення нуля k-οϊ нерекурсивної ланки 2-го порядку на інтервалі 0;  , тобто не включаючи 0 та  . А можливість переналаштовування описаного фільтра забезпечується шляхом зміни коефіцієнта множення b1k вищевказаного першого з двох помножувачів відповідної k-οϊ нерекурсивної ланки 2-го порядку. Тобто, при зміні одного коефіцієнта множення b 1 першого з двох помножувачів відповідної нерекурсивної ланки 2-го порядку, відбувається корельована зміна значення максимума АЧХ цієї ланки. При цьому забезпечена можливість управління значенням цього максимума АЧХ шляхом зміни інших коефіцієнтів множення b 1 інших відповідних їм нерекурсивних ланок 2-го порядку. 2 UA 101828 U 5 10 15 20 25 30 Як можна побачити, описане технічне рішення усуває такий суттєвий недолік відомого ГФП, як можливість зміни частоти лише дискретно та жорстко корельовано з порядком фільтру. Заявлене рішення усуває обмеження у виборі та можливості плавної зміни частот нулів АЧХ, завдяки чому суттєво розширюються можливості застосування ГФП. Описане рішення гребінчастого фільтра, що переналаштовується, забезпечує можливість довільного вибору частот нулів АЧХ фільтра при тому ж порядку фільтра, тобто можливість плавно змінювати частоти вибраних нулів АЧХ в робочому діапазоні частот, з одночасним забезпеченням можливості управління значеннями максимумів АЧХ цього фільтра для збереження завданих вимог до АЧХ шляхом зміни частот розташування інших нулів АЧХ в робочому діапазоні частот. Реалізоване таким чином заявлене технічне рішення дозволяє розширити функціональні можливості та сферу застосування гребінчастого фільтра, що переналаштовується, тобто, забезпечує можливість налаштування параметрів фільтра згідно з реальними умовами прийняття сигналу, дозволяє вільно адаптувати фільтр при зміні характеристик вхідного сигналу і забезпечує суттєве підвищення селективних властивостей пристрою. Для простого розуміння фахівцем у відповідній галузі детальної суті заявленого технічного рішення та підтвердження можливості його здійснення наведений подальший опис та креслення, де: на Фіг. 1 зображено типовий ГФ, на Фіг. 2 зображено АЧХ ГФ, на Фіг. 3 зображено заявлений ГФП, на Фіг. 4 зображено АЧХ ГФП при рівновеликій, симетричній відстані між частотами нулів, на Фіг. 5 зображено АЧХ ГФП при зміщених, асиметричних частотах нулів. Технічне рішення гребінчастого фільтра, що переналаштовується, може бути модифіковане та мати альтернативні варіанти реалізації. Наведені далі креслення приведено як приклад для характеристики суті заявленого рішення та можливості його здійснення і будуть описані детально. Є очевидним, що надані креслення та детальний опис не обмежують заявлене рішення наведеними окремими варіантами втілення, а навпаки, включають всі модифікації, еквіваленти та альтернативи, які підпадають під суть та обсяг правової охорони, що визначений формулою заявленого технічного рішення ГФП. Структурна схема ГФП показана на Фіг. 3, який включає в себе ланку гребінчастого фільтра 2-го порядку та послідовно з'єднані n нерекурсивних ланок 2-го порядку. Ланка гребінчастого фільтра 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один   такт кожний z 1 , помножувач з коефіцієнтом множення 35 b 2 та суматор  . Нерекурсивна ланка 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний z 1  , помножувач з коефіцієнтом множення b 2 , помножувач з коефіцієнтом множення b1k , суматор  . Індекси помножувача b11 вказують на те, що він є першим помножувачем першої нерекурсивної ланки 2-го порядку. Для n-ої нерекурсивної ланки другого порядку індекс першого b1n . Виходячи з того, що b 2 дорівнює 1 або 1 2d , a d є кількістю біт у представленні коефіцієнтів b , тобто d є цілим числом, коефіцієнт множення другого з двох помножувача буде 40 45 помножувачів нерекурсивної ланки 2-го порядку буде завжди додатним, а коефіцієнт множення помножувача ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку буде завжди від'ємним. При цьому коефіцієнт множення другого з двох помножувачів нерекурсивної ланки 2-го порядку та коефіцієнт множення помножувача ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку мають однакову абсолютну величину b 2 . Коефіцієнт b 2 може дорівнювати 1 у випадку, коли в подальшому відсутня необхідність компенсації нуля відповідної ланки полюсом, що здійснюється після виходу ГФП. Кількість n нерекурсивних ланок 2-го порядку визначає кількість нулів АЧХ ГФП на інтервалі робочих частот 0;  , тобто не включаючи 0 та  . Апаратно елементи затримки можуть бути реалізовані регістрами зсуву або пристроями пам'яті. Зокрема елемент затримки може бути реалізованим на оперативному запам'ятовуючому пристрої (пам'яті). Помножувач може бути апаратно реалізованим на операційному підсилювачі або регістрі зсуву. Суматор апаратно може бути реалізованим на операційному підсилювачі. Апаратно-програмно ГФП може бути реалізований на мікроконтроллері. На Фіг. 4 зображено АЧХ ГФП при рівновеликій, однаковій відстані між частотами нулів, тобто АЧХ заявленого ГФП має такий самий вигляд, як у найближчого аналога.   50 55 3 UA 101828 U Передатна функція (3.1) дозволяє одержати нулі АЧХ на будь-якій частоті на інтервалі робочих нормованих частот x  0;  [при фіксованому числі n нерекурсивних ланок 2-го   порядку. Сумарне число нулів АЧХ ГФП є рівним n  2 . Значення частот, які на АЧХ відповідають нулям, регулюються значенням коефіцієнта b1k . При апаратній реалізації, 5 10 15 20 25 30 35 40 значення b1k регулюється шляхом налаштування цифрової частоти k-го нуля через операційний підсилювач, мультиплексор або мікроконтроллер гібридної архітектури. При апаратно-програмній реалізації, значення b1k може регулюватися шляхом задавання значення цифрової частоти k-го нуля за відповідним алгоритмом. ГФП при зміні частот нулів змінює амплітуди АЧХ між нулями фільтра. Амплітуда АЧХ корельована з інтервалом частот між нулями фільтра. Така властивість дозволяє одержати більшу кількість варіацій АЧХ при завданій розмірності передатної функції n . Для прикладу, на Фіг. 5 частота третього нуля АЧХ зміщена в сторону зменшення на 0,03 радіана і частота четвертого нуля зміщена в сторону збільшення на 0,03 радіана. Змінюючи частоти нулів в сторону зменшення та збільшення можна досягти вирівнювання екстремумів АЧХ на всіх інтервалах між нулями, виділяючи рівень АЧХ між третім та четвертим нулями. Таким чином, коли, при зміні одного коефіцієнта множення b 1 першого з двох помножувачів відповідної нерекурсивної ланки 2-го порядку, відбувається корельована зміна значення максимуму АЧХ цієї ланки, забезпечена можливість управління значенням цього максимуму АЧХ шляхом зміни інших коефіцієнтів множення b 1 інших відповідних їм нерекурсивних ланок 2-го порядку. Тобто, при тому ж порядку ГФП, описане рішення надає можливість плавно змінювати частоти вибраних нулів АЧХ в робочому діапазоні частот, з одночасним забезпеченням можливості управління значеннями максимумів АЧХ цього фільтра для збереження заданих вимог до АЧХ шляхом зміни частот розташування інших нулів АЧХ в робочому діапазоні частот. Як вже було зазначено, заявлене рішення ГФП може мати апаратну або апаратнопрограмну реалізацію. Апаратно-програмна реалізація описаного ГФП може бути виконана на базі електронно-обчислювального пристрою з відповідним програмним додатком, що записані в процесорному блоці. При цьому команди можуть бути виконані одним або більше процесорами, наприклад, одним або більше цифровими сигнальними процесорами (процесорами DSP), мікропроцесорами загального призначення, спеціалізованими інтегральними схемами (схемами ASIC), програмованими користувачем вентильними матрицями (матрицями FPGA) або іншою еквівалентною інтегральною або дискретною логічною схемою. Додатково, у деяких випадках, вищеописані функціональні можливості заявленого технічного рішення можуть бути забезпечені в межах спеціалізованих апаратних модулів та програмного забезпечення, сконфігурованих для таких цілей. Різні компоненти, модулі або блоки цього ГФП можуть бути об'єднані в апаратному блоці ГФП або забезпечені сукупністю взаємодіючих блоків, що включають в себе один або більше процесорів у поєднанні з відповідним програмним забезпеченням. Джерела інформації: 1. Голд Б., Рэйдер. Ч. Цифровая обработка сигналов - Μ.: Советское радио, 1973. – 368 С. стор. 100-103; 2. Большая Энциклопедия Нефти и Газа, Гребенчатый фильтр, http://www.ngpedia.ru/id562354pl.html; 3. А.В. Оппенгейм, Р.В. Шафер. Цифровая обработка сигналов - М.: Связь, 1979. - 416 с. стор. 186. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Гребінчастий фільтр, що переналаштовується, який має апаратну або апаратно-програмну реалізацію і включає ланку гребінчастого фільтра 2-го порядку, яка включає два елементи затримки сигналу на один такт кожний, помножувач та суматор і реалізована таким чином, що до входу цієї ланки підключений перший вхід вказаного суматора та вхід першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт, до виходу якого підключений вхід другого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт, вихід якого підключений до входу зазначеного помножувача, вихід якого підключений до другого входу вищевказаного суматора, а вихід цього суматора є виходом описаної ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку, який відрізняється тим, що додатково включає як мінімум одну нерекурсивну ланку 2-го порядку, при цьому кожна така нерекурсивна ланка 2-го порядку включає два елементи затримки сигналу на один такт 4 UA 101828 U 5 10 кожний, два помножувачі та суматор і реалізована таким чином, що до входу цієї ланки підключений перший вхід її суматора та вхід першого із вказаних її елементів затримки сигналу на один такт, до виходу якого підключений вхід першого із вказаних помножувачів цієї ланки, вихід якого підключений до другого входу зазначеного суматора цієї ланки, крім того, до виходу першого із вказаних елементів затримки сигналу на один такт такої ланки підключений вхід другого із вказаних її елементів затримки сигналу на один такт, до виходу якого підключений вхід другого із вказаних помножувачів цієї ланки, вихід якого підключений до третього входу зазначеного суматора цієї ланки, а вихід цього суматора є виходом цієї нерекурсивної ланки 2го порядку, до того ж, вищеописані ланка гребінчастого фільтра 2-го порядку та як мінімум одна нерекурсивна ланка 2-го порядку включені послідовно, при цьому гребінчастий фільтр, що переналаштовується, виконаний із забезпеченням можливості перетворення вхідного сигналу у відповідності до передатної функції, що має вираз:  15 20    HГФП z   1  b2  z 2  Пn 1 1  b1k  z 1  b2  z 2 , де: k b 2 - коефіцієнт множення помножувача ланки гребінчастого фільтра 2-го порядку та вищевказаного другого з двох помножувачів нерекурсивної ланки 2-го порядку, що дорівнює 1 d або 1  2 , де d - кількість біт у представленні коефіцієнтів b , n - кількість вищеописаних нерекурсивних ланок 2-го порядку, k - номер нерекурсивної ланки 2-го порядку, z 1 - затримка сигналу на один такт, z 2 - затримка сигналу на два такти, b 1k - коефіцієнт множення вищевказаного першого з двох помножувачів нерекурсивної   r  b2 , a x k є нормованою цифровою частотою положення нуля k-ої нерекурсивної ланки 2-го порядку на інтервалі 0;  , ланки 2-го порядку, що дорівнює 2  r  cos xk , де 25 при цьому гребінчастий фільтр, що переналаштовується, виконаний із забезпеченням можливості переналаштовування шляхом зміни коефіцієнта множення b 1k вищевказаного першого з двох помножувачів відповідної k-ої нерекурсивної ланки 2-го порядку. 5 UA 101828 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6