автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Методы и реализация нерекурсивной цифровой фильтрации на основе дельта-модуляции

0 5 9 Ж '

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ЛЬВОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ТИМЧЕНКО АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОШЧ

УДК 621.398: 621.394.65

МЕТОДЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ НЕРЕКУРСИВНОЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ НА ОСНОВЕ ДЕЛЬТА-МОД/ЛЯЦИИ

05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Львов - 1992

■ Работа вьшолнена во Львовском политехническом институте и Львовском научно-исследовательском радиотехническом институте.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Защита состоится

"«¿6 "

- доктор технических наук* профессор В.А.Погрибной

- доктор технических наук, профессор М.А.Раков кандидат технических наук, доцент С.А.Савенко

- Институт кибернетики АН Украины

ОЬ_1992 г. в /-Г

часов на заседании специализированного совета Д068.36.04 во. Львовском политехническом институте /290013, г.Львов, ул.Мира,12, аудитория 22^7, гл. корпус^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института /ул.Профессорская, I/.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

05

1992 г.

Я.Т.Луцик

■ . -3-

\

ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' Актуальность темы. Практически во всех областях науки и техники имеется необходимость в цифровой обработке сигналов /ЦОС/ в режиме реального времени, т.е.без накопления запаздывания. Случайные сигналы анализируют во временной или частотной областях. Исследования сигналов во временной области чаще всего производят с помощью цифровой фильтрации /ЦФ/. Когда в основе ее лежит свертка входного сигнала и импульсной характеристики /№(/, то такая фильтрация носит название нерекурсивной, в отличии от рекурсивной, основанной на разности сверток. Нерекурсивная фильтрация имеет важные преимущества - линейную фазочастотную характеристику и всегда устойчивую работу фильтра, и поэтому нашла Ьирокое применение.

В большинстве случаев исходным сигналом ЦФ является аналоговый. Его представление в цифровой форме осуществляется с помощью импульсноткодовой модуляции /ЯКИ/ или дельта-модуляции /ДМ/.

ИКМ основана на аналого-цифровом преобразовании сигнала, которое заключается в дискретизации во времени и квантовании и кодировании полученных аналоговых отсчетов по уровню.

Практически все виды ДМ-представления базируются на дискретизации во времени, квантовании и кодировании по уровню разности между отсчетами входного и аппроксимирующего сигналов. Последний формируется путем суммирования соответствующих шагов квантования. Так как разностный сигнал изменяется в более узком диапазоне, чем входной, при одинаковой разрешающей способности устройств ЦОС разрядность ДМ-кода всегда ниже кода ИКМ. Именно это обстоятельство делает привлекательным применение ДМ в ЦФ: ведет к более простым, экономичным, надежным и в некоторых случаях более широкополосным реализациям процессоров. Взиду адаптивности в смысле аппроксимации преобразуемого сигнала, ДМ более приспособлена для обработки непрерывных нестандартных случайных сигналов.

В настоящее время ИКМ ЦФ наиболее распространена. К основным причинам ее применения можно отнести простоту алгоритмов свертки, отработанность расчета ИХ и исторически сложившееся наличие /направленность/ элементной базы. Недостатком является высокая разрядность и связанная с ней не всегда удовлетворительная экономичность.

К преимуществам ДМ относятся большая, чем при ИКМ помехоустойчивость, адаптивность и низкая разрядность кодирования при одинако-

вой с ЙКМ-сигналами разрешающей способности. Недостатком является необходимость более высокой частоты дискретизации. Поскольку сложность устройств ЦОС при заданной точности определяется разрядностью и частотой дискретизации сигналов, ДМ, благодаря низкой разрядности и новым эффективным алгоритмам, наиболее целесообразно использовать в спецпроцессорах конвейерного типа: систолических и на программируемых однородных вычислительных среди/ОВС/. Последнее обстоятельство связано с тем, что низкоразрядные ДМ-ко-ды более соответствуют одноразрядным ОВС, чем многоразрядные ИКМ-коды.

Однако указанные положительные и отрицательные качества не могут служить ответом на различные практические,задачи цифровой фильтрации.

Следовательно применение ДМ в цифровой нерекурсивной фильтрации целесообразно, а исследования особенностей ее применения актуальны и имеют научное и практическое значение.

Цель работы - разработка и исследование новых эффективных методов нерекурсивной фильтрации с ДМ, расчета и имитационного моделирования таких фильтров,- их метрологических особенностей, а также принципов построения соответствующих экономичных спецпроцессоров.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: определить области использования цифровой фильтрации с ДМ; разработать эффективные методы вычисления сверток ДМ-последоватейьнос-тей; найти методы расчета фильтров с ДМ, в том числе обеспечивающие снижение разрядности и числа весовых коэффициентов при заданной разрешающей способности ЦФДМ; исследовать точность работы фильтров с различными видами ДМ; разработать методику имитационного моделирования работы фильтров с учетом параметров их кодеров и процессоров; исследовать эффективные алгоритмы работы и принципы построения ЩЩ, включающих кодеры и спецпроцессоры.

Методы исследований базируются на аппарате разностных уравнений, алгебре логики, функций комплексного переменного, а также на основных методах цифровой обработки сигналов.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

I. Исходя из разрядности, частоты дискретизации и отношения сигнал/шум определены области использования цифровой фильтрации с различными видами ДМ.

2. Разработаны эффективные методы преобразования аналоговых сигналов в ЛДМ- и МДМ-коды, в том числе с переключаемой квантующей1 характеристикой.

3: - Разработаны методы расчета ЦЩЦМ при различных представлениях входных-сигналов и ИХ, а такке повышении быстродействия и разрешающей способности путем оптимизации исходной ИХ.

. 4. Для фильтрации на основе различных видов ДМ найдены методы определения среднеквадратическсй ошибки /СКО/, соотношения сигнал/шум и точности амплитудно- и фазочастотных характеристик /АЧХ к ФЧХ/'.

5. На основе'предложенных моделей кодеров к процессоров разработана методика имитационного моделирования работы фильтров, позволяющая находить их АЧХ и ФЧХ и соотношение сигнал/пум фильтрации 1

6. Даны экономичные методы вычисления сверток ДМ-после-дова-гельностей на основе рециркуляции произведений, 'конвейерной обра-5стки, побитового распараллеливания с групповой обработкой шагов {вантованпя,-а также прореживания.

7. Разработаны эффективные алгоритмы работы и принципы построения процессоров Ц'З с различными видами. ДЕ1, н том числе конвейерных и на ОВС.

Личный вклад. Основная часть исследовании, а таюке теоретических и' практических разработок выполнены автором самостоятельно. Определяющий: является вклад автора в разработку методов и алгоритмов реализации сверток ДМ-сигналов, расчета и.оптимизации ИХ фильтров, а та:~~е повышения 'разрешающей способности, быстродействия и моделирования процессоров фильтров.

Практическая ценность. Предложенные в работе методы и принципы построения нерекурсивных ЦФДМ могут найти применение в разработках экономичных, в частности, бортовых систем и во многих областях народного хозяйства при цифровой обработке сигналов.

Внедрение, результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертации использованы при непосредственном участии диссертанта в разработках приборов "Блок корреляторов ДЭП-2Р-БК"; "Бортовой параллельный спектроанализатор БПС-8"; аппаратуре специального назначения; программного обеспечения мульконвейерных вычислительных структур, реализующих задачи цифровой фильтрации

•. сигналов на основ.е дельта-модуляции. Внедрение результатов диссертации позволило улучшить массогабаритше, энергетические' и точно. стные показатели разработанных приборов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 480 тыс.руб. /доля автора 86 тыс.руб./. ' ' '

Апробация работы. Диссертация в целом докладывалась на"кафед-.

АКМ МТ£ Львовского политехнического института.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и ' .обсуждались на 4-м Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра /г.Львов,1983/, Латвийской Международной конференции по обработке'сигналов /г..Рига,1990/, .4-м Всесоюзном' симпозиуме "Проблемы создания, преобразователей формы информации" /г.Киев,1988/, 1-й Всесорзннй конференции "Однородные вычислительные среды и систолические структдэы"/г.Львов,1990/, Всесоюзной научно-технической конференции "СтатРГОёские- методы в тёории ..передачи и преобразования информационных сигналов" /' • /г.Киев,1988/, конференциях "Методы и микроэлектронике средства цифровой обработки сигналов" /г.Рига,1986,1989/, Всесоюзном семинаре "Логические методы построения однородных и систолических структур" - 000^88 /г.Москва,1988/, Всесоюзных школах-семинарах" • "Распараллеливание обработки информации"/г.Львов,1981,1987,193Э/, Всесоюзном совещании•"Точные измерения-энергетических величин: переменного тока', напряжения, мощности и угла сдвига фаз"/г.Ленин- ■ • •град,1982/, республиканской'научно-технической конференции "Исследования- и разработки современных радиоэлектронных элементов и устройств /г. Рига, 1989/,' конференции по проблемам передачи и обре,б от- . ки сигналов' /г.Рига, 1991/, ф..Л2 семинарах по однородным вьмисли-тельным средам-и систолическим структурам /г.Львов, 1988,1989, . ■ 1990,1991/. - ' • • ' . * ' _ • .

Публикации. По теме диссертации' опубликовано' 35,работ, в том числе 12 авторских свидетельств на изобретения. -

Структура и обьем.'Диссертационная работа "состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных.на 192 страницах машинописного текста, списка Литературы из 106 наименований, иллюстративного материала на 36 листах и пяти приложений: • ■

. КРАТКОЕ - ООДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

Во введении /раздел I/ отмечена егстуэльность проблемы. На основе .результатов обзора литературные источников сформулированы' цель и задачи исследования. Обоснована научная новизна полученных - в диссертационной работе результатов и изложены положения, выносимые на защиту. Рассматриваются практическая ценность, реализация и'внедрение результатой работы. Приведены сведения об апробации . работы и публикациях. . ' '••..'

' Во втор'ом разделе даны методы формирования прследовательнос-тей с'ЛДМ, троичной ДМ и ВДМ с цельй выбора вида представления сиг налов для цифровЬй фильтрации. На основе анализа методов формирова^ ния сигналов, с ДМ обращение разрядности ДГ 'обрабатываемых сигналов при переходе от'ИКМ к ДМ определяется формулой:

где уи=Т"7Т„ • ,- коэффициент превышения частоты дискретизации при ДМ Т"1 • над частотой Найк^иста Тн-<=

верхняя частота спектра обрабатываемого сигнала.' Даны рекомендации по применению различных представлений сигналов в циф- ■ ровой фильтрации с учетом заданного соотношения'мощностей сигнала*, и шума, амплитудного и частотного диапазонов обрабатываемого .сигнала. . '•••'." - • .

Далее рассматриваются алгоритмы вычисления.сверток в различных форматах. , • . '

Для формата ЛДМ-ЛДМ даны алгоритмы,, позволяющие вычислять свертку с помощью реверсивного счетчика или сумматора с накоплением" [I] . С целью увеличения-быстродействия процессоров .таких, фильтров предложены алгоритмы [ 21 , реализуемые на блоках постоянной памяти /ПЗУ/; с подачей тактовьрс импульсов в первый и'второй разряды реверсивного счетчика [ 3 ] ; с одновременным накоплением * заданного числа произведений.

На основе.представления ВДМ- и ИКМ -сигналов прямым кодом со знаковым разрядом предложен метод вычисления сверток в форматах .ДДМ-МДМ /ИКМ/, ВДМ /ЙКМ/-ДДМ [4-3 с использованием секционированных ПЗУ.- Такие алгоритмы свободны от операций умножения многор'азрадных чисел СбЗ . ••

Упорядочение весовой последовательности по возрастающих ненулевых значениях коэффициентов или их модулей оказалось плодотворным для разработок алгоритмов вычисления ¿вертки в формате • ВДМ-ВДМ [б] , позволяющих вычислять произведения шагов на основе . накопителей. '

Предварительная обработка входной ДМ-последовательности пу- . тем транспонирования массива'входных Шагов позволяет реализовать быстродействующие алгоритмы фильтрации, свободные, от операций умножения [ 7 ] , использующие только незначительное число накоплений извлеченных из'памяти' ранее вычисленных значений. . •

Оптимизировать ИХ. [8,9] оказалось возможным путем минимизат-ции числа и разрядности ненулевых значений коэффициентов. Рассмотрен предельный случай алгоритма - при значениях коэффициентов весовой последовательности, равной I и 2 - позволяющей реализовать свертку с использованием шести сумматоров. Приведены примеры оптимизации ИХ фильтров в формате ДЦМ и ЩМ. .

Во всех приведенных алгоритмах показана возможность вычисления свертки ДМ-сигналов без использования операций умножения, с незначительным числом суммирований, что- позволяет реализовать ■ быстродействующие и компактные процессоры.фильтров.

Значительное внимание -уделено повышению быстродействия вычисления свертки за счет распараллеливания алгоритмов ее вычисления. Этот подход особенно целесообразен для систолических структур и ОВС [ю] . Для этой цели выделена базовая операция-свертки -

^¿Ми/Р'1 =- £кр-т Ьт , "/I/

где {е^}, п»0 - входная ДЩЛ -последовательность, {пт),т= О,Ми"'| - весовая ИКМ -последовательность, Ми - ее длина, р - коэффициент прореживания. Значения (I) удобно вычислять путем непосредственного считывания из памяти запоминаю-цих устройств, как функцию р последовательных значений (е^*1) , п=К(о-1),кр-1 . Накопление таких значений в ^ блоках дает первую разность выходного сигнала:

Ми/Р

где р - число одновременно обрабатываемых шагов.

Дальнейшее распараллеливание обработки [l0, II ] производится на уровне слоев и разрядов обрабатываемых слов.

Показано, что имеется единая реализация ОВС -фильтра, позволяющая обрабатывать сигналы в любом отданном формате [12] , приведены алгоритмы свертки с выделением базовых операций (2) на уровне разрядов, наиболее просто реализуемые 0BG.

В связи с тем, что прореживание позволяет существенно сократить обьем вычислений, рассмотрены алгоритмы цифровой фильтрации ЛДМ- и МДМ-сигналов с этой операцией [Ю, 13] . Даны примеры наиболее быстродействующих алгоритмов процессороо ЦЗЩМ на ОЕС.

Третий раздел посвящен расчету ИХ ЩЦМ [14, 15] . В осноис предложенного расчета лежит методика расчета фильтров с ИКМ, непосредственно используемая для фильтров в форматах ЛДМ-ИКМ и ЬЩМ-ИКМ.

Метод расчета фильтров в форматах ЛДМ-ЛДМ основан на следующей последовательности операций [14] :

- расчет фильтра-протитипа с неквантованным ИКМ-коэффициента-ми при выбранной частоте дискретизации и длине Ми ИХ;

- нахождение шага квантования ИХ

- получение ИХ фильтра в формате ЛДМ:

(h) е-'", hm-hm>0;

em

-fifW, hm- hm < 0

где Ьт= + аппроксимирующая весовая последовательность;

£^=0, К<0 } ид = 0 ; М=Ми-*-Длина ИХ в формате ЛДМ; - проверка расчета. .

Показано, что выбор шага & из условия минимальных

шумов зернистости и отсутствия перегрузки по крутизне

1 Ми'1

позволяет получить требуемые АЧХ и £4Х фильтров с ЛДМ» которые незначительно отличаются от параметров фильтра-прототипа [1б1 .

Метод расчета фильтров в форматах ДЦМ-ВДМ и ИКМ-ВДМ основывается на расчете фильтра-прототипа с ИКМ, определении минимального и максимального значений шагов квантования ИХ, ограничений разрядности входного сигнала и коэффициентов ENTi^^'^с учетом требуемого отношения сигнал/ шум на выходе фильтра [15] . Для фильтров с линейной ФЧХ показана антисимметричность ИХ относительно середины при четной длине. Даны примеры расчета фильтров.

Показана необходимость и возможность оптимизации ИХ в формате МДМ С , т= О,М-1 путем свертки ее со вспомогательной последовательностью а= 0, L-1 , с целью снижения ■ г.числа

и разрядности с"* ненулевых значений коэффициентов [ 9 3. Даны правила нахождения вспомогательной последовательности, позволяющие достичь минимума разрядности и числа ненулевых коэффициентов. При такой оптимизации ИХ алгоритм вычисления свертки в формате ИКМ-МДМ имеет вид рекурсии

л H*L-2. L-i ¿"1

£ Xi"» '

где {Vfa} - последовательность значений первой разности, 7уо-0 . Он значительно более быстродействующий за счет сокращения разрядности и числа ненулевых значений Fпреобразованной ИХ. Выигрыш в быстродействии составляет величину

д* F'с*ЧЧсм+Ъ)/ [ РСЛ)(Чс(я)+Ъ)+ 7?и)],

где - число ненулевых значений в ££т} . Его устойчи-

вость обеспечивается путем обнуления всех регистров, блоков памяти и накопителей перед началом работы фильтра.

Даны примеры оптимизации ИХ фильтров с ЛДМ и ВДМ /Приложение п.З/. Предельный случай оптимизации МДМ-фильтров сводится к ИХ, коэффициенты которой IR^k'lef0,1,2). Свертку с данными коэффициентами можно вычислять используя только накопители с учетом знака.

Дальнейшее сокращение временных затрат связано с оптимальными преобразованиями исходной ИХ методом многократной свертки.

Основой данного метода является синтез вспомогательной последова-

I /г!

тельности длиной ' из ряда последовательностей'меньшей длины 1.Ьр , где р- их число. Достигаемый в этом случае выиг-рыл в затратах машинного времени равен

к-Ьг^/Ег^';

Значение » поэтому величина К»л . ^

Поскольку кшкдая вспомогательная последовательность {¿^ } , ^ = ^р позволяет увеличить степень оптимизации /увеличить число нулевых значений и снизить разрядность ненулевых коэффициентов ИХ/, соответствующим выбором можно достичь требуемого значения

К> 1 •

В связи с экономичностью подходов, базирующихся на системе остаточных классов /СОК/, в данном разделе приведены методы оптимизации фильтрации ДМ -сигналов с использованием СОК [171 • Поскольку диапазон изменения сигналов в различных точках фильтров с ДМ существенно уже соответствующих значений в ИКМ - фильтрах, число оснований СОК для осуществления ДМ-фильтрации меньше, а преобразования соответствующих шагов и промежуточных сигналов в кольцо вычетов проще. Наиболее простил является преобразование шагов в СОК путем выбора оснований р'с > ^ ^ ~ основании.

СОК, /_ - их число. При этом значение соответствующего вычета определяется из формулы.

г . СО . О) ^ п .

Алгоритм функционирования систолического 1ЩМ в СОК для С -го основания основывается на выполнении базовых операций

где £<5^1С}, т- О, М-/ -соответственно

последовательность вычетов для t -го основания шагов входного сигнала и весовой последовательности, (¡, - степень распараллеливания обработки.

Благодаря низкой разрядности вычетов эти сигналы наиболее целесообразно вычислять табличными методами, при незначительном обьеме используемой памяти. Быстродействие такого фильтра

ограничивается только временем вьйор/.и значений из блоков постоянной памяти. Показано, что путем организации вычислений значений второй разности в СОК, при ее накоплении в позиционной системе, позволяет сократить число оснований не менее чем на два при меньших их значениях по сравнению с фильтрами в ИКМ-формате, обладающими той же разрешающей способность!^ Это приводит к соответствующему сокращению аппаратурных затрат и к повышению быстродействия.

Четвертый раздел посвящен метрологическим особенностям цифровой фильтрации с ДМ. Они исследуются с помощью ошибок фильтрации и на основе имитационно моделирования процессоров фильтров. Последнее позволяет определять АЧХ, ФЧХ и соотношение сигнал-шум.

Ошибка фильтрации-состоит из шибки наложения спектров из-за эффекта "просачивания" и ошибки за счет квантования шагов входного сигнала и^ИХ. Ошибку наложения спектров во взаимосвязи с формой спектра и АЧХ НС/)предискажающего фильтра нижних частот

/ФНЧ/ предложено вычислять следующим образом [1б1 :

Л }ь

£ = у^т^ц!

Т72 о

С использованием данной формулы определено, что ограниченность спектра речевых и телевизионных сигналов является недостаточной при ДМ-фильтрации /поскольку >Т~У2 и / и требует

включения дополнительного ФНЧ для уменьшения ошибки наложения. Рассчитаны зависимости как функции порядка предискажающего фильтра, и отношения 1 Т .

На основе сравнения ЦЗЩМ с идеальным / с неквантованными отсчетами входного сигнала и ИХ/ ЦФИКМ найдена СКО-фильтрации

[18,19] - с»)

V- 2. -2'

Еи2пЬМ+^МДххС0);Где /М-

СИ)

мощность ошибки квантования ИХ; С - разрядность кодирования коэффициентов ИХ; N3) - мощность ошибки квантования входного сигнала; ~ автокорреляционная функция последовательности

входных отсчетов.

Минимум разрядности коэффициентов ИХ для обеспечения максимума отношения сигнал/шум в фильтрах ДМ-ИКМ и ЛДМ-ЛДМ определяется из СКО по следующих формулах:

>) 1 сит, Р Ми Я«» СО) 1 ММАхк(О)

С учетом СКО найдены значения шагов квантования входного сигнала и ИХ для фильтрации в различных форматах во взаимосвязи со спектром сигнала и частотой дискретизации, максимизирующие отношение сигнал/шум [201":

(ь), s л*) \ л^Т

ь еду) - е

ЧМ+О^ ЯххСО)

сь> , <й ^ \ Н

¿тах=* тах /у*> \1^(М*тм(0) '

Выбор указанных значений шагов обеспечивает минимальную разрядность обрабатываемых сигналов при максимальном отношении сигнал/шум, что позволяет минимизировать 'аппаратурные затраты фильтров, в том числе и на ОВС, при заданной разрешающей способности. ' '

Методика проверки АЧХ и ФЧХ ДМ-фильтров осуществляется двумя методами: ДПФ аппроксимирующей весовой последовательности, а также имитационным моделированием с учетом конкретного алгоритма функционирования кодера и процессора фильтра [15] .

При первом методе ошибка находится следующим образом:

Л А

где НС'). - оценка АЧХ из последовательности {Ьт} на частоте и^бДи), Формулы для этой ошибки имеют замкнутый вид.

Другой метод - позволяет не только определить реальные АЧХ и ФЧХ из рассчитанных ДМ-коэффициентов, но и проверить выбранный алгоритм работы процессора. Отсчеты АЧХ и ФЧХ в этом случае находятся с помощью сигнала * аппроксимирующего на

интервале реализации 0 выходной сигнал фильтра по методу наименьших квадратов: ,

А - - отсчет АЧХ;

(апЦСЬ/Я,)', Л,*0,

' ~ \ Я/2 , /Ц = О - отсчет ФЧХ .

Значения А1 и В1 находятся из приближения последовательности

Г П-и Г ПхО

где /-р - число отсчетов выходного сигнала без учета пере-

ходного процесса. Отсюда находится мощность выходного синусоидального сигнала Р1 = И^д / 1-р и отншение сигнал/шум фильтра-

чииувых-*!У^Рг/»!1) •

В этом же параграфе описана программа моделирования ЦВДМ из разработанного пакета программ /Приложение п.2/. Примеры расчета и моделирования фильтров даны в Приложении п.1.

Рассмотрено моделирование процессора 1ЩМ на ОВС [21] . Дан пример синтеза фильтра, обрабатывающего сигналы в прямом коде [221 . Переход от структурной схемы фильтра на дискретных элементах к ОВС осуществляется путем вьщеления базовых операций на уровне разрядов [23, 241 » реализованных в виде микропрограммных модулей /ШМ/.

Последовательность выполняемых в МПМ операций, форма представления обрабатываемых сигналов и управляющих констант, подробно рассмотрены в Приложении п.4. Там ж? даны структурные схемы модулей [25] .

В пятом разделе представлены разработанные структуры кодеров и фильтров, обладающие высокой надежностью и быстродействием.

Повышение надежности и минимизации времени восстановления после перегрузки цифровых ДЦМ-кодеров предложено осуществлять путем блокировки накопителя и формирования нулевого ДЦМ-кода {0,1} на время перегрузки. Реализация этого метода распространена на случай обработки двухполярного входного сигнала и огибающей нходного высокочастотного сигнала или импульсной последовательности [26] .

Далее рассмотрено устройство формирования МДМ-кодов из кодов ЛДМ [ 27] . При четном и нечетном числе накоплений ЛДМ-шагов характеристика МДМ-квантователя будет соотвественно с централь- ным клишированием или центральным подавлением слабых сигналов. На основе предложенных методов минимизации времени перегрузки разработана структура быстродействующего ВДМ-кодера с прямым кодированием разностного сигнала [28] и переключаемой квантующей характеристикой [29] .

Разработаны эффективные последовательные процессоры ЦЗДМ. Показано, что использование - рециркуляции позволяет получить необходимые для вычиления свертки индексные последовательности [30]. Предложен метод формирования адресов блоков оперативной и постоянной памяти на основе М-последовательности, позволяющий минимизировать время выЗорки этих блоков [ 4 ] .

При реализации фильтров с предобработкой входных шагов сокращается число и упрощаются выполняемые арифметические операции [ 31]. Свертка ДМ-сигналов реализуется в этом случае только на основе чтения данных из памяти и их суммирований с необходимыми сдвигами.

Рассмотрены эффективные реализации фильтров с оптимизированными ИХ [32]. Для случаев, когда разрядность оптимизированной ИХ минимальна, структура фильтра свободна от умножителей и реализуется с помощью лишь задержек и суммирований входных шагов. Для случаев малого снижения разрядности коэффициентов ИХ предложена реализация процессора [33] с преобразованием ИХ путем группировки входных шагов. Такая реализация позволяет минимизировать для форматов ИКМ-ЦЦМ, ВДМ-ВДМ число умножителей.

Для исследованных систолических фильтров с ДМ даны методы увеличения быстродействия, разрешающей способности и сокращения затрат. На примерах реализаций процессоров определены резервы имеющегося значительного роста быстродействия процессоров с использованием операции прореживания. Определено, что максимальным быстродействием обладают систолические ДМ-фильтры с прореживанием, а минимальными затратами аппаратуры ЛДМ-ЛДМ-структуры С 34, 35] .

На основе разработанных МПМ базовых операций проведен сравнительный анализ структур ЦЩЦМ на ОВС по обьему используемого поля и быстродействию. Выялены наиболее быстродействующие и компактные ОВС-структуры: на основе МПМ базовых операций свертки.

Сравнение их с ДМ-фильтрами на традиционной элементной базе позволяет сделать вывод об,их предпочтении для реализации перестраиваемых фильтров.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, даны сведения об их использовании и приложениях.

Приложения содержат примеры расчета и оптимизации ЦОДМ, описание пакета программ расчета и моделирования фильтров, разработанных микропрограммных ОВС-модулей, акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Г. Основываясь на частоте дискретизации и заданном соотношении сигнал/шум определена область использования цифровой фильтрации с ДМ. Даны рекомендации по использованию ИКМ, ЦЦМ,и ЛДМ в 1ЩМ.

2. Разработана новая методика преобразования аналоговых сигналов в ЛДМ и ИКМ-коды с высокой достоверностью восстановления входного сигнала, исключающая сбои в выходном коде из-за перегрузки. Предложен метод преобразования аналоговых сигналов в ВДМ с переключаемой квантующей характеристикой.

3. Разработаны методы расчета весовых коэффициентов фильтров с ЛДМ и МДМ на основе расчета коэффициентов фильтра-прототипа с ИКМ и заданной частоты дискретизации. Предложен метод определения АЧХ и ФЧХ фильтра с ДМ на базе фильтра с ИКМ с аппроксимированной ИХ.

4. Разработана методика уменьшения разрядности и числа коэффициентов' ИХ фильтров с ВДМ при сохранении разрешающей способности.

5. На основе СКО и соотношения сигналчпум исследована точность АЧХ и ФЧХ фильтров с различными видами ДМ. Найдены выражения для минимальной разрядности кодирования входного сигнала и весовых коэффициентов при условии обеспечения требуемой разрешающей способности фильтра.

6. Разработаны программные модели кодеров и процессоров фильтров с различными ведами ДМ. С их помощью разработана методика имитационного моделирования работы фильтров, позволяющая опреде-

лять параметры моделируемого фильтра.

.7. Предложены эффективные методы вычисления сверток ДМ-пос-ледовательностей'на основе рециркуляции произведений, конвейерной обработки, побитового распараллеливания с групповой обработкой шагов квантования, а также прореживания.

8. Предложенные методы использованц при создании экономичных спецпроцессоров ЦЗДМ, в том числе перестраиваемых и "конвейерного типа на ОВС.

'9. Разработаны-программы моделирования процессоров фильтров и библиотека микропрограммных модулей базовых операций цифровой фильтрации с ДМ на ОВС с учетом заданной- длины 'ИХ и частоты дискретизации входного сигнала. ' ,

ПУБЛИКАЦИИ '

i. Кальмук Ю„С.,'Погрибной В.А., Тимченко A.B. Цифровой фильтр с дельта-модуляцией. Точные измерения энергетических величин:, переменного тока, напряжения, мощности, энергии и угла сдвига фаз /Тезисы докладов-Всесоюзного совещания. 24-26.11.1982. Ленинград: 1982.с.81-62.

• 2. Тимченко A.B. Применение'линейной дельта-модуляции в систолических процессорах цифровых фильтров/. Параллельные вычислительные системы, Препринт ИППММ АН УССР, № 8-89, Львов, 1989 -64с., с.29-32.

3.'Тимченко A.B. Систолические процессоры цифровой фильтрации с линейной дельта-модуляцией/ Конвейерные вычислительные системы, Препринт ИППММ АН УССР, № 17-88, Львов, 1988, 61с,с.36-39.

4. A.c. I481893 СССР, МКИ H03M3/02, H03HI7/06. Цифровой фильтр с линейной дельта-модуляцией / А.В.Тимченко -Опубл.1989, Бюл.№ 19.

5. Тимченко A.B. Алгоритмы и процессоры цифровой фильтрации дельта-модулированных сигналов / Автоматизация производственных процессоров в машиностроении и приборостроении, Республиканский межведомственный научно-технический сборник, Вып. 28, Львов, 1989, - с,133-138.

_6. A.c.'- I4942I.0 СССР, ШИ Н03Н17/06,- K03M3/Ö4. ' Цифровой фильтр с многоуровневой дельта-модул яцизй ./А.В.Тимченко, В.А.Погрибной - Опубл. 1989, Бэл. К» 26.

7. Тимченко А.'В. Методика построения быстродействующих процессоров цифровых .фильтров с многоуровневой."дельта-модуляцией/ Конвейерные вычислительные.системы, Препринт ИППММ АН УССР, № 17-88;'Львов; 1988 - 61 е., С. 34-36. ' ' ' . "

' ' 8.' ГГогрибной В.А., Тимченко A.B. Методика погашения быстро-, ' действия , цифровой'фильтрации с дельта-модуляцией/ Вычислительные системы с перестраиваемой архитектурой, Препринт'ИППММ АН УССР, 1Г> 4-88,'Львов, 1988..с. 37-39. ' •. -, . ■ '

9. Погрибной В.А., Тимченко.А.В..Улучшение с.аойств цифровых

- фильтров с дельта-модуляцией на основе преобразования импульсных .

- характеристик / Радиотехника- и электроника,. Вып.' 5, 1989.-с.IQ45-,1051.. * ' -у- ' ■ " . . .. - • '

. 10.-Тимченко A.B.,Методы повышения быстродействия и. разре- .

• шающей способности цифровой фильтрации с дельта-модуляцией на ОВС'/ Цифровая фильтрация сигналов с дельта-модуляцией на ОВС,

* Препринт НТЦ,"Интеграл", № 8-91,.Львов, 1991 - с.26-36. •

II. Poßrißnoy \1;Я.}ТипсЬепко ДМ. Programming of homogeneous computing army £or nonrecuràii/c jittering Jlth detia^tnoduHatioh / Conf erence on the ¿ißrutf- trammluion ' and proçeiiLna pro&Cemi,

Ri$a, fyrie.3-5, Ш. г p.p. 55-55.-tya. 1891. ' ' : ,

; ' 12. Погрибной В.А., Тиь<ченко"A.B., Пристайко O.P. Проведение операций над дельта-модулйрованными сигналами для нерекурсивной . -•фильтрации на ОВС / Система автоматизации программирования'ОВС, Препринт ИППММ АН УССР, № 19-84,.Львоч, 1989, с. 37-41.

. 13. Тимченко A.B. Групповая обработка сигналов с дельта-мо-дуляцией-в систолических структурах цифровых фильтров / Система автоматизации программирова'ний ОВС, Препринт ИППММ АН УССР, № 19-89, Львов,.1989, с. 41-46. '

14.- Погрибной -В.А., Тимченко A.BV Методы расчета 'нерекурсивных цифровых фильтров с дельта-гмодуляцией //• * ■ . •Изв.высш.учебных-заведений, СерРадиоэлектроника,.т.27, № 9, . .1984, -с.23-27. , ' ' ,

.15. Логрибной В.А.-, Тимченко A.B. Расчет цифровых•фильтров с дельта-модуляцией // Из в. висл, учебных заведений» сер. Радиоэлектроника, т.31, $.3, 1588. с. 15-21.

16. Волкомирпкая Л.Б., Погрибной В.А., Резников А.Е., Тимченко A.B. Методы цифровой фильтрации геофизических сигналов /Препринт ИЗМИР Щ СССР, № 4 5/659/, М.: 1936, 35 с. '

17. Тимченко A.B. Систолизация цифровой фильтрации с дельта-модуляцией в системах остаточных классов / Программное обеспечение ОВС, Препринт ИППММ АН-УССР,'№ 5-90, Львов, 1990, с 27-33.

18'. Погрибной В.А., Тимчеино А.В; Влияние ошибок квантования-на-цифровую фильтрацию, с дельта-модуляцией /'Статические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов. Тезисы докладов БНТК. Киев': КНИГА", 1988, с. 142. •

19. Погрибной В.А., Тимченко А.В, Методы фильтрации сигналов с мноуровневой дельта-модуляцией- на ОВС/ Исследование и раз-■ работка современных радиоэлектронных элементов и устройств: Тезисы докладов республиканской НТК. 24-26.04.1989.. Рига: 1989. с. 84-85. . . '

20. Погрибной В.А., Тимченко A.B.'Определение.отношения сигнал-шум для цифровых фильтров с дельта-модуляцией / Распараллеливание обработки информации. Тезисы докладов У1 Всесоюзной школы-' семинаров. Львов, Ш АН УССР, 1987г - 4.2, с. 372-374 i,

■ . 21. Погрибной В".А.-, Литвинюк A.A.; Рожанкоаский И.В.', Семо--тюк В.Н., Тимченко A.B. Ориентирование на ОВС методы нерекурсивной фильтрации с дельта-модуляцией / Методические пособие, ИППММ, Львов, 1990, 72'е., ил. .. • ■ - ■ '

22 . PoßriSnoy V. Я., TLmchsnko Д. V., Prtitayko O.R. fli^orithmü and implementation of dißitaS. Jittering and correlation anal^Lb u/ith 3eZta-triadu£aticn in Sidto£Lc ¿truature6 (VLSI) and Homo-(jenecui computationai media ( Latvian PrcceuLntj Internationat ■ Conference, flieja, Rprii 24-Z&. \990- Mot ¿.p.p. /83-/87. '

. 23. -Погрибной,В.A., Тимченко А.В.Особенности реализации алгоритмов. цифровой фильтрации ДМ-сйгналов на ОВС /. Однородные•вычислительные среды и систолические структуры. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции. 17-20.04.1990. Львов,1990,т.I, с.121-124.

24. Погрибной В.А., Тимченко A.B. Алгоритмы и системы цифровой фильтрации с дельта-модуляцией на однородных структурах/ Логические методы построения однородных и систолических структур'. Труды 1-го Всесоюзного семинара, M.: I98G. с.118-120.'

25. Погрибной В.А., Тимченко A.B., Рожанковский И.В. Микропрограммные модули для реализации цифровой фильтрации сигналов с дельта-модуляцией на ОВС / Цифровая фильтрация сигналов с дельта-модуляцией на ОВС. Препринт НТЦ "Интеграл", № 8-91, Львов, 1991. с. 6-25.

26. A.c. 1448411 СССР, МКИ НОЗМ 3/02. Дельта-модулятор /

А.В.Тимченко, В.А.Погрибной, 0.Р.Пристайко. - Опубл.1938, Бюл.№ 48.

27. А.с.1510090 СССР, МКИ НОЗМ 3/02. Дельта-модулятор / 0.Р.Пристайко, А.В.Тимченко -Опубл.1989, Бюл.№ 35.

28. A.c..1425838 СССР, МКИ НОЗМ 3/02. Дельта-модулятор / А.В.Тимченко, С.В.Тимченко. -Опубл.1938, Бюл.№ 35.■

29. А.с.1504802 СССР, МКИ НОЗМ 3/02, 3/04 Дельта-модулятор/ А..В.Тимченко, Пристайко O.P., Тимченко C.B. -Опубл. 1989, Бюл.1? 32.

30.A.c. I5I009I СССР, МНИ_НОЗМ 3/02, НОЗН 17/06. Цифровой фильтр- с линейной дельта-модуляцией / А.В.Тимченко, - Опубл. 1989, Бюл Л? 35.

31. A.c. I5277I3 СССР МКИ НОЗМ 3/04, НОЗМ 17/06. Цифровой фильтр с дельта-модуляцией / А.В.Тимченко -Опубл.1989, Бюл. № 45.

32- A.c. I661968 СССР, МКИ НОЗ Щ7/06, НОЗМ 3/04. Цифровой фильтр с многоуровневой дельта-модуляцией / А;В'.Тимченко -Опубл. IS9I, Бюл. № 25.

33. A.c. I661969 СССР, МКИ НОЗН 17/06, НОЗМ 3/04. • Цифровой фильтр с многоуровневой дельта-модуляцией / А.В.Тимченко ■ Опубл. 1991, Бюл.№ 25.

34. A.c. I60I749 СССР, МКИ НОЗ HI5/00, H03M3/02.

Цифровой трансверсальный фильтр / А.В.Тимченко -Опубл.1990,Бюл.№39.

35.' A.c. 1589384 СССР, МКИ НОЗН 17/06. Цифровой фильтр с симметричной импульсной характеристикой /А.В.Тимченко -Опубл. .1990, Бюл.№ 32.