Progress of parallel methods and algorithms for solving digital filtering problems

Authors

  • Михайло Яджак
  • Марія Тютюнник
  • Богдан Бекас

DOI:

https://doi.org/10.15407/fmmit2026.42.058

Keywords:

цифрова фільтрація, квазісистолічний метод обчислень, паралельно-конвеєрний алгоритм, оптимальний за швидкодією алгоритм, адаптивне згладжування, багаторазова каскадна фільтрація, згорткова нейронна мережа.

Abstract

The quasisystolic method of organizing computations has been progressed for solving filtering problems using adaptive smoothing and multiple cascade digital filtering. This method differs from the purely systo-lic one in that it allows data transmission from one port to several reception points at once. Based on the mentioned method, optimal by speed parallel-pipeline algorithms for digital filtering of distorted data ha-ve been constructed. Optimality is proven in the specified classes of algorithms, which are equivalent in terms of the information graph. These algorithms are oriented towards implementation on quasisystolic computational structures and computers with a structural-procedural organization of calculations. The si-milarity of the structure of computations according to these filtering algorithms and computations perfor-med in convolutional neural networks gives grounds for using the latter when developing a more universal filter for preprocessing data of various types. For this purpose, a hybrid neural network architecture is proposed – a convolutional autoencoder. Numerical experiments have confirmed the high efficiency of such a filter. The obtained scientific results can be used in the pre-processing of large data arrays in many subject areas using modern computing means.

References

Поліщук О. Д., Яджак М. С. Моделі та методи комплексного дослідження складних мережевих

систем та міжсистемних взаємодій. Львів: Інститут прикладних проблем механіки і математики

ім. Я. С. Підстригача НАН України, 2023. 385 с.

Anisimov A. V., Yadzhak M. S. Construction of optimal algorithms for mass computations in digital

filtering problems. Cybernetics and Systems Analysis. 2008. Vol. 44, N 4. P. 465–476.

Yadzhak M. S., Tyutyunnyk M. I. An optimal algorithm to solve digital filtering problem with the use

of adaptive smoothing. Cybernetics and Systems Analysis. 2013. Vol. 49, N 3. P. 449–456.

Jadzhak M. S. On a numerical algorithm of solving the cascade digital filtration problem. Journal of

automation and information sciences. 2004. Vol. 36, N 6. P. 23–34.

Грубий Н., Яджак М. Застосування нейронних мереж для фільтрації сигналів. Матеріали конф.

мол. учених «Підстригачівські читання–2025», 27–29 травня 2025 р. Львів: ІППММ ім. Я. С. Підстригача НАН України, 2025. Реж. дост.: www.iapmm.lviv.ua/chyt2025/abstracts/Grubyi.pdf.

Valkovskii V. A. An optimal algorithm for solving the problem of digital filtering. Pattern Recogniti-on and Image Analysis. 1994. Vol. 4, N 3. P. 241–247.

Яджак М. Про чисельну реалізацію каскадної цифрової фільтрації. Вісник Львів. ун-ту. Серія прикл. матем. та інформат. 2000. Вип. 3. С. 75–79.

Cheryala N. K. Systolic Arrays and the TPU: [Electronic resource]. 2020. Available: https://www.linkedin.com/pulse/Systolic-arrays-tpu-neeraj-cheryala.

The list Top500: [Electronic resource]. Available: www.top500.org.

Луцків А. М., Лупенко С. А., Пасічник В. В. Паралельні та розподілені обчислення: навч. посіб. Львів: ПП «Магнолія 2006», 2024. 565 с.

Kalyaev I. A., Levin I. I., Semernikov E. A., Shmoilov V. I. Reconfigurable Multipipeline Computing Structures (Computer Science, Technology and Applications). Nova Science Pub Inc, 2013. 315 p.

Терейковський І. А., Бушуєв Д. А., Терейковська Л. О. Штучні нейронні мережі: базові положе-ння: навч. посіб. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022.123 с.

Ткаліченко С. В. Штучні нейронні мережі: навч. посіб. Кривий Ріг: Державний ун-т економіки і технологій, 2023. 150 с.

Oppenheim A. V., Schafer R. W., Buck J. R. Discrete-Time Signal Processing’. Upper Saddle River. New Jersey, 1999. 893 p.

Новотарський М. А., Нестеренко Б. Б. Штучні нейронні мережі: обчислення. Київ: Ін-т матема-тики НАН України, 2004. 408 с.

Грубий Н. В. Застосування нейронних мереж для фільтрації одновимірних сигналів: кваліфіка-ційна (магістерська) робота, спеціальність 122 – «Комп’ютерні науки». Львів: ЛНУ імені Івана Франка, 2025. 59 с.

Valdez L. D., Braunstein L. A., Havlin S. Epidemic spreading on modular networks: the fear to decla-re a pandemic. arXiv: 1909.09695v2 [physics.soc-ph]. 23 March 2020. 38 p.

Jackson M. O. Social and economic networks. Princeton: Princeton University Press, 2010. 520 p.

Demydyuk M. V., Lytwyn B. A. Optimization of the parameters of feet and the laws of motion of bi-pedal walking robots. Journal of Mathematical Sciences. 2023. Vol. 270, N 1. P. 214–236.

Demydyuk M. V., Hoshovs’ka N. V. Parametric optimization of the transport operations of a two-link manipulator. Journal of Mathematical Sciences. 2019. Vol. 238, N 2. P. 174–188.

Published

2026-06-18

How to Cite

Яджак, М. ., Тютюнник, М. ., & Бекас, Б. . (2026). Progress of parallel methods and algorithms for solving digital filtering problems. PHYSICO-MATHEMATICAL MODELLING AND INFORMATIONAL TECHNOLOGIES, (42), 58–63. https://doi.org/10.15407/fmmit2026.42.058