Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Существует несколько возможных структур цифровых фильтров (последовательная, параллельная, в прямой форме и др.). Выбор структуры зависит от параметров фильтра, типа разрабатываемого арифметического устройства (АУ), а также от предпочитаемого типа управления или программирования. В случае фиксированного набора идентичных секций фильтра, как это было, например, в системе уплотнения ИКМ-каналов, перспективным может оказаться последовательное соединение секций второго порядка с умножителями на основе постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) [19, 20]. Поскольку операция фильтрации имеет итеративный характер, т.
е, коэффициенты фильтра не меняются, то арифметические операции можно свести к вычислению с помощью ПЗУ сумм произведений на каждую секцию второго порядка. На первый взгляд может показаться, что фильтры высокого порядка лучше всего реализовать в прямой форме, поскольку вычисление с помощью ПЗУ суммы четырех или пяти произведений оказывается даже более эффективным, чем для трех слагаемых. Однако для большинства цифровых фильтров, имеющих большой коэффициент усиления и порядок выше третьего, прямая форма реализации при соответствующих начальных условиях может поддерживать колебания предельного цикла с большой амплитудой даже при арифметике с насыщением [21].
Большое усиление может быть связано как с полюсами, имеющими высокую добротность Я, так и с полюсами, расположенными вблизи частоты дискретизации. Для многих систем, в которых начальные условия, необходимые для колебаний предельного цикла, образуются при включении питания, такой фильтр будет неприемлем.
Если нет необходимости иметь множество идентичных фильтров, а нужен один программируемый фильтр, как, например, в контрольно-измерительной аппаратуре, следует использовать умножитель с двумя входами. Из всех существующих структур для программируемых фильтров лучше всего подходит последователь- Глава 1 32 ЭЗ Применение ЦОС в системах связи ное соединение секций второго порядка. Например, в терминалах для сигналов с одной боковой полосой используются как рекурсивные секции второго порядка, так и трансверсальные фильтры с конечной импульсной характеристикой.
В этом примере в пользу выбора трансверсального фильтра говорит и то, что 13 из каждых 14 входных отсчетов равны нулю. Вообще же опыт показывает, что КИХ-фильтры в основном найдут применение в тех случаях, когда желательно иметь возможность изменять частоту дискретизации с целью упрощения схемы [22]. Последовательная структура из секций второго порядка не пригодна еще в ряде случаев.
Так, если секция имеет полюсы с очень высокой Я (для обеспечения крутых срезов) или частота полюса очень мала, усиление каждой секции второго порядка может быть очень большим. В одном примере в качестве ФНЧ для формирования импульсов набора номера использовался ФНЧ второго порядка с полосой 40 Гц, работающий с частотой дискретизации 32 кГц и имеющий усиление свыше 15600, или около 14 бит. Таким образом, при длине входного слова 16 бит выходное слово может иметь только 2 бит (16 — 14)1 Чтобы избежать такого грубого квантования на выходе, была выбрана структура, в которой масштабирование при фильтрации происходит после каждой секции первого порядка (т. е. эта структура является парой связанных секций первого порядка).
В примере с фильтром для импульсов набора номера каждый каскад имеет усиление до 7 бит, так что выходной сигнал может иметь 9 бит вместо 2 бит. Масштабирование, используемое для предохранения от нежелательного грубого квантования сигнала, является важным аспектом построения цифрового фильтра [23 — 25]. Оно связано с выбором длины слова данных и со структурой, как это видно из предыдущего примера. Хотя масштабирование и не влияет на характеристики фильтра, именно оно главным образом определяет отношение сигнал/шум фильтра и шумовые параметры этого же незанятого канала. Родственной проблемой является распределение членов с нулями и полюсами по различным каскадам фильтра.
Имеется ряд публикаций по этому вопросу [25 — 32], где отыскиваются распределения, обеспечивающие минимальный шум, и читатель может их изучить по этим работам. Определение порядка каждой секции является важным шагом при создании фильтра, и непродуманный выбор порядка может привести к потере большого числа двоичных единиц, определяющих точность представления сигнала. Существует и ряд других структур для реализации фильтра.
Секции второго порядка могут быть соединены параллельно, последовательно-параллельно или в других комбинациях, при которых все коэффициенты оказываются действительными. Однако, по всей видимости, нет каких-либо больших преимуществ у всех других способов соединения секций второго порядка перед последо- Вательным. Есть еще волновая структура [33, 34], которую рекомендуют для применения из-за низкой чувствительности к точности представления коэффициентов.
Однако на практике волновая структура имеет ограниченное применение, поскольку фильтры на ее основе трудно мультиплексировать. 1.10.2. Чувствительность к точности представления коэффициентов Вопросы, связанные с чувствительностью к точности представления коэффициентов, оказываются не столь важными для фильтров, описанных в качестве примеров в этой главе. Как правило, длина информационного слова, выбранная из условия обеспечения необходимого отношения сигнал/шум и уровня шумов в незанятом канале на выходе системы, превышает длину коэффициентов, требуемую для обеспечения желаемой точности воспроизведения характеристик фильтра. Например, для фильтров нижних частот в описанных ИКМ-терминалах требовалась точность представления коэффициентов словами в 8 бит, чтобы обеспечить отклонение частотной характеристики от идеальной в пределах ч-0,2 дБ.
1.10.3. Разработка цифровых систем с помощью ЭВМ Перед разработчиком системы цифровой обработки стоит задача выбора множества решений, касающихся частот дискретизации, длин слов, структур, типов логики, распределения вентилей арифметических устройств для необходимых схем памяти [18, 35]. Однако найти наилучшее решение не слишком трудно, поскольку цифровая система может быть очень точно смоделирована иа цифровой вычислительной машине. Действительно, моделирование позволяет точно предсказать, как будет работать каждый вариант разрабатываемой системы. При наличии хороших программ для разработки системы и ее испытаний наряду с хорошими моделирующими программами цифровая система может быть изготовлена с малыми расходами на разработку и высокой гарантией качества.
Использование ЭВМ является ключевым моментом для повышения качества разработки цифрового процессора, и вполне естественно, что хорошая разработка дает хорошую систему. 1.11. Некоторые применения программируемого процессора цифровых сигналов Гибкость программируемого процессора цифровых сигналов, Который можно настроить на выполнение целого ряда задач, позволяет эффективно использовать его в контрольно-измерительной аппаратуре для систем связи. Одно такое программируемое устРойство позволяет проводить все испытания аппаратуры связи, 3 — 359 Глава 1 Применение ДОС в системах связи 35 для выполнения которых в настоящее время используется свыше десятка различных контрольно-измерительных приборов.
Кроме того, оно может служить в качестве терминала, обеспечивающего доступ к универсальной ЭВМ для получения дополнительной информации, записи результатов испытаний и поиска неисправностей. Процессор цифровых сигналов, показанный в виде блок-схемы на рис. 1.6, запрограммирован для выполнения функций таких устройств, как: 1) измеритель шума; 2) лрецезионный генератор тональных сигналов; 3) генератор последовательностей тональных сигналов для испытания приемников этих сигналов; 4) свин-генератор; 5) приемник вызовов при тастатурном наборе; 6) тональный приемник средних частот; 7) измеритель и фильтр тона звонка; 8) генератор наборов сигналов; 9) импульсный генератор шума; 10) схема для измерения импеданса; 11) синтезатор речи; 12) генератор музыки 136, 371.
Этот список будет постоянно расширяться, поскольку возможности программируемого процессора исключительно большие. Дополняя фильтр схемами обычного процессора, такими, на которых построен микропроцессор, можно быстрые сложные операции с отдельными отсчетами проводить в специализированном арифметическом устройстве, а последовательный контроль и видоизменения эт тапов испытаний выполнять как обычные операции ЭВМ. На рис. 1.12 показана фотография специализированного арифметич- еского устройства, выполняющего в 1 секунду 1 024 000 вычислений в секции второго порядка. Это устройство предназначено для непосредственного подключения к магистрали памяти имеющихся в продаже микропроцессорных систем. Процессор был разработан Х.
Г. Эллисом, специалистом фирмы Ве11 ЬаЬога1ог1ез. Представьте себе небольшой чемодан типа «дипломат», в который помещены показанные на рис. 1.13 небольшая электроннолучевая трубка (ЭЛТ) в качестве дисплея, панель управления, небольшой кассетный магнитофон и ряд выводов, подсоединяемых к испытываемому оборудованию. Такая система может выполнять ряд важных задач гораздо лучше оператора, использующего обычные приборы. Хорошим примером такой задачи является балансировка гибридной катушки при преобразовании двухпроводной линии в четырехпроводную.
В настоящее время балансировка осуществляется настройкой магазина емкостей до момента получения минимума отраженного сигнала на одной частоте. Программируемая система позволяет измерять отраженный сигнал за несколько секунд на многих частотах и безошибочно определять оптимальное рис. 1.12, Аппаратуриая реализация мультиплексируемого цифрового фильтра второго порядка, способного выполнять в 1 с 1024000 вычислений в секции второго порядка. Рис. 1.13. Программируемый контрольно-измерительный прибор. 37 Применение ЦОС в системах связи Глава 1 36 значение емкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
