Устройство для цифровой фильтрации

Устройство для цифровой фильтрации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ по авт. св. № 957416, отличающееся тем, что, с целью повышения корреляций, мёжду выходом второго накапливающего сумматора и вторым входом j-ro умножителя включен дополнительно введенный сумматор, второй вход которого соедииен с входом устройства для цифровой фильтрации. 9 9 30 эо 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

awSUan ! m Н 03 Н 17/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 9574 16 (21) 3628821/18-09 (22) 29.07.83 (46) 15.09.84. Бюл. N 34 (72) В.Н. Попов н И.М. Колесников (53.) 681.32(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 957416, кл. Н 03 Н 17/06, 1981. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ

ФИЛЬТРАЦИИ по авт. св. В 957416, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения корреляции ° мемду выходом второго накапливающего сумматора и вторым входом j-го умиоиителя включен дополнительно введенный сумматор, второй вход которого соеди.» нен с входом устройства для цифровой фильтрации.

113884 тов.

По основному авт. св. 9 957416 известно устройство для цифровой фильтрации, содержащее регистр, Ы квадраторов, N+1 умножителей, первый и второй блоки памяти, усилитель, первый и второй накапливающие сумматоры, причем i-й (i=1, N) выход регистра подключен к первому входу i-ro (i=1 N) умножителя и входу i-го квадратора, выход которого подключен к 1-му входу первого накапливающего сумматора, выход усилителя соединен с первым входом N+ 1 умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого блока памяти, выход второго блока памяти соединен с вторым входом

i-ro (i=1,N) умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго накапливающего сумматора, выход которого является выходом устройства, вход регистра является входом устройства, а также И+1 элементов И

2N+3 умножителей, третий и четвертый блоки памяти (N+1)-й квадратор, блок вычисления дисперсии, первый, второй и третий счетчики, третий накапливающий сумматор, генератор импульсов, кольцевой счетчик и элемент задержки, выход которого соединен с первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первым входом первого счетчика, выход которого подключен к входу второго блока памяти, -й (1=1,N) выход регистра соединен с первым входом j-ro (1=Й2, 2И+1) умножителя, первым входом

К-го (K=2N+2, ЗИ+1) умножителя и первым входом i-го (i=1,N) элемента И, выход которого подключен к второму входу К-го (K=2N+2, ЗМ+1) умножителя, выход которого подклю-. чен к i-му входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом (ÇN+2)-го умножителя, выход которого подключен к входу третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом (3N+3)-ro умножителя, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, выход j-го (j=N+2, 2N+1) умножителя соединен с -м (=1,N) входом третьего блока памяти, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен .

50

4 1

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в циф ровых системах диагностики техничес кого состояния динамических объек1

30 с входом третьего счетчика, выход которого подключен к второму входу (3N+2)-ro умножителя, вход регистра объединен с, входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с пЕрвым входом (3M+4)-го умножителя, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен к второму входу (3N+4)-ro умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с первым входом (N+1)-ro элемента И, выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющим входом третьего и четвертого блоков памяти, второй выход генератора импульсов соединен с входом кольцевого счетчика, i-й (i=1 N+I) выход которого подключен к второму входу i-го элемента И, а (0+2)-й выход кольцевого счетчика соединен с его входом, выход первого накапливающего сумматора подключен к входу (И+1)-го квадратора, выход которого соединен с входом усилителя, выход (И+ 1)-ro умножителя соединен с вторым входом (ÇN+3)-ro умножителя, а выход второго накапливающего сумматора соединен с вторым входом 3-го (З И+2, 2М+1) у»ожи теля (1) .

Недостатком известного устройства является понижение точности фильтрации сигналов при уменьшении величины интервалов корреляции.

Цель изобретения — повышение точности фильтрации сигналов при уменьшении интервалов корреляции.

Для достижения укаэанной цели в устройство для цифровой фильтрации, содержащее регистр, N квадраторов, (N+1) умножителей, первым и второй блоки памяти, усилитель, первый и второй накапливающие сумматоры, причем i-й (i=1,N) выход регистра подключен к первому входу i-ro (i=1 Н) умножителя и входу i-го . квадратора, выход которого подключен к 1-му входу первого накапливающего сумматора, выход усилителя соединен с первым входом (0+1)-го умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого блока памяти, выход второго блока памяти соединен с вторым входом i-ro (i=1,N) умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго накапливающего сумматора, выход которого является выхоз 1113 дом устройства, вход регистра является входом устройства, а также N+1 элементов И, 2N+3 умножителей, третий и четвертый блоки памяти, (И+1)-й квадратор, блок вычисления дисперсии, первый, второй и третий счетчики, третий накапливакмций сумматор, генератор импульсов, кольцевой счетчик и элемент задержки, выход которого соединен с первым входом первого счетчи- 10 ка, выход которого подключен к входу второго блока памяти, i-й (=1,N) выход регистра соединен с первым входом j-го (j=N-2, 2N+1) умножителя, первым входом К-го (K=2N+2, ЗИ+1) ум- ножителя, первым входом К-го (K 2N+2, ЗИ+1) умножителя и первым входом i-ro (i 1,N) элемента И, выход- которого подключен к второму входу К-ro (K=2N+2; ЗИ+1) умножителя, выход которого подключен к -му входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом (ÇN+2)-ro умножителя, выход которого подключен к входу третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом (ÇN+3)-го умножителя, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, выход j-ro (j=

N+2 2N+1) умножителя соединен с i-м

Э

30 (i=1 И) входом третьего блока памяти, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен с входом третьего счетчика, выход которого подключен к второму входу (ÇN+2)-го умножителя, вход регистра объединен с входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с первым входом (ÇN+4)-го умножителя, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен к второму входу (ÇN-4)-го умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с первым входом (И+1)-го

45 элемента И,. выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющим входам третьего и четвертого блоков памяти, второй выход генератора импульсов соединен с входом кольцевого счетчика, i-й (i=1, N+1) выход которого подключен к второму входу i-го элемента И, à (N+2)-й выход кольцевого счетчика соединен с его выходом, выход первого накапливающего сумматора подключен к входу (И+1)-го квадратора, выход которого соединен с входом усилителя, 884 4 выход (И+1)-го умножителя соединен с вторым входом (ÇN+3)-го умножителя, а выход второго накапливающего сумматора соединен с вторым входом

j--го (j=N+2, 2И+1) умножителя, между входом второго накапливающего сумматора и вторым входом j-го умножителя включен дополнительный сумматор, второй вход которого соединен с входом устройства для цифровой фильтрации.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для цифровой фильтрации.

Устройство для цифровой фильтрации содержит регистр 1, генератор 2 импульсов, блок 3 вычисления дисПер" сии, умножитель 4j-й (jN+2, 2N+1), умножитель 5 i-й (i1 N), умножитель 6 К-й (K 2N+2, ÇN+1} элементы И 7, квадраторы 8, второй накапливающий сумматор 9, третий блок 10 памяти, сумматор 11, умножитель 12 (3N+4)-й, четвертый блок 13 памяти, третий счетчик 14, умножитель 15 (3N+2) †.й, кольцевой счетчик 16, второй счетчик 17, умножитель 18 (3N+3)-й, первый накапливающий сумматор 19, усилитель 20, умножитель 21 (N+1)-й блок, первый блок 22 памяти, первый счетчик 23, второй блок 24 памяти, элемент 25 задержки, третий накапливающий сумматор 26 и дополнительный сумматор 27.

Устройство работает следующим образом.

Выборки входного случайного сигнала, поступая на вход устройства, проходят на входы регистра 1, предназначенного для хранения N выборок входного сигнала x (j)=>x(j)

x(j-1) ... x(j-N+1)1 генератора 2 импульсов, блока 3 вычисления диспЕр" сни. N выборок входного сигнала поступают с выхода регистра 1 на первые входы умножителей 4-6, элементов И 7 и входы квадраторов 8. Сигналы с выхода генератора 2 поступают на вход кольцевого счетчика 16, на выходе которого формируется сигнал

С - С >+< . На вторые входы умножителей 4 поступает сигнал (x(j)-y(j)), полученный в дополнительном сумматоре 27, причем на один вход сумматора 27 поступает сигнал с выхода второго накапливающего сумматора 9, являющегося выходом устройства, а на второй вход — сигнал со входа устройства x(j). С выхода умножите1113884

45 лей 4 полученные N значений матрицыстолбца px(j)+y(j)) x(j) записываются в третий блок 10 памяти. Одновременно в блоке 3 определяется дисперсия входного сигнала, поскольку дисперсию помехи отдельно определить невозможно. Сигнал С1, снимаемый с одного из выходов кольцевого счетчика 16, поступает на вход (и+ 1)-ro элемента

И 7, с выхода которого импульсы поступают на вход элемента задержки 25 и входы третьего и четвертого бло- ков tO и 13 памяти. Эти импульсы считывают из четвертого блока памяти

13 значения нормированной корреля- 15 ционной функции помехи, которые поступают на второй вход умножителя 12, где умножаются на величину текущего ( значения дисперсии, поступающего с блока 3. Полученные значения корре- 20 ляционной вектор-функции R посту(2 пают на второй вход первого сумматора 11 на первый вход которого поступают сигналы с третьего блока 10 памяти. В сумматоре 11 происходит 25 алгебраическое суммирование сигналов, соответствующих величинам R u

f x(j)-у())1 x(j), после чего результат записывается в третий счетчик 14.

После этого на выходе кольцевого

30 счетчика 16 появляется сигнал С,. Сигнал С, поступает на второй вход первого элемента И 7, с выхода которого поступают на вторые входы всех умножителей 6. На выходе умножителей б формируются элементы строки матрицы x(j)x (j) ° Они записываются во второй счетчик 17. Из второго счетчика 17 сигналы поступают на вход умножителя 15, где происходит их умножение на сигналы, соответствуюмне элементам вектора t (x(j)

М

y (j )) x (j ) -R (j )gr. Результаты умножения суммируются в третьем на .: иливающем сумматоре 26. Сигналы с выхода N квадраторов 8 поступа(гу на входы первого накапливающего г .(матора 19, на выходе которого )глучается сигнал, пропорциональный галичине х. (j)x(j). С выхода первог накапли50 вающего сумматора t9 сигна поступает на вход (N+1)-го квадрг ора 8, на выходе которого получае- .s величина

{ х (j)x(j )J . Этот сигчу r поступает на вход усилителя 20, а выходе ко55 торого получается игнas, обратный входному (x (j)x(i)) . от сигнал в умножителе 21 умножагг я на сигнал, соответствующий некотор(му постоянному значению, который хранится в первом блоке памяти 22. На выходе умножителя 2 1 получается сигнал, соответствующий величине K/1х (j)x(j) /, который поступает на второй вход умножителя 18, на первый вход которого поступает сигнал с третьего накапливающего сумматора 26, с выхода умножителя 18 записывается в первый счетчик 23, в котором происходит накопление величины д1(; т.е. формирование вектора дН(3) . После записи в него величины дМ; на кольцевом счетчике 16 появляется сигнал С и цикл формирования дЫ; повторяется. Так продолжается до тех пор, пока в первом счетчике 23 не будет N значений д Ы э . Пос1 ле этого на выходе элемента задержки 25 появляется сигнал, поступающий на первый вход первого счетчика 23.

В результате значения gM;(j) переписываются во. второй блок 24 памяти, где складываются с предыдущим значением вектора весовых коэффициентов M(j-l).

Сигналы с выходов второго блока памяти 24 поступают на вторые. входы умножителей 5, с выхода которых сигналы поступают на вход второго накапливающего сумматора 9, на выходе которого получается выходной сигнал y(j).

Эффективность предложенного устройства по сравнению с базовым состоит в том, что за счет введения новых элементов и их связей появляется возможность построить устройство для цифровой Фильтрации, использующее нормированную корреляционную функцию помехи, что повышает точность фильтрации с уменьшением интервала корреляции.

Действительно, подставив в формулу для среднеквадратичного критерия качества вместо эталонного сигнала полезный сигнал S(j), выраженный через входной сигнал x(j) и помеху

t (j), где все значения скалярны, получим критерий в виде

=(а{(к())- ()))- ())3 =@((к()).q()))-g (()) —.м((к()\.w ())к()))3 эк({ ())) -2м{(х(()(t)

- w ()) к ())) (() ))j

1113884

Последнее из выражений (1) после замены x(j) на сумму имеет вид S(j)e>

1(j) 2и{(х(>>-yJù>t(i\)ö>)=2»>{(6(>) ((>> ,-à (i>5(i>-и (» (>>)2(й (2> где x(j) — входной сигнал;

y(j) - выходной сигнал;

S(j ) — полезный сигнал; 10

И вЂ” операция математического ожидания;

g (j) — помеха.

Поскольку М fS(j) т (3)) =0;

M(S(j) (j)) =О, то выражение (2} име15 ет вид

И((З)) Е - (j)Н . (3)

Подставляя выражение (3) в выражеwe (1), получим выражение для крите- 0 рия качества в виде Е =Иjgx(j)-«(j)(x(j)$ +

+ 2И((3)) -1>t (j)R . (4) 25

v.,=w(j ) +w (Р(1

y(j)1 x(j>-"(((>){, (tx(j)Градиент критерия качества (4) име,ет вид

I =М{(х(1)-К (j)x(j)) x(j)-R„ >

=>>{(x(j)-y(j>) x(j)-R„„.

30 где R, (j) - корреляционная функция помехи.

Из выражения (10) видно что если задана нормированная корреляционная функция помехи, то, умножая ее на

35 текущую дисперсию входного сигнала (поскольку текущ.ю дисперсию помехи определить невозможно), можно определить К,(j), а следовательно, и выходной сигнал устройства в je1

40 момент времени в виде (6) 11 2.Х =И(х(3) х (3)1 . у()+1) И (j+1)x(j+1).

Составитель А. Осипович

Редактор С. Тимохина Техред M.Tenep Корректор О, Черни Заказ 6633/44 Тираж 861 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 4

Иатрица вторых производных критерия качества равна

Поскольку устройство обрабатывает елиничные реализации, то приходится иметь дело не с точными значениями градиента (5) и матрицу (6), а с их оценками, которые имеют вид

q T =Px(j)-у(3)1 x(j)-R„„ (7)

9 Е x(j)x (j)

В этом случае алгоритм определе- ния весовых коэффициентов устройства, основанный на использовании метода Ньютона-Рафсона имеет вид

1 (+(= (j)e Ь Е,„еЕ,„. (8)

Поскольку матрица 5 Е,„вырoждeна, то обратной матрицы для нее не существует. В этом случае целесообразно использовать псевдообратную матрицу, определяемую выражением ч Е„,=х(3)х (j) /1 х (j) x(j) / . (9) Справедливость выражения (9) легко устанавливается по условиям Пенроуэа, характеризующим псевдообратную.матрицу.

С учетом выражений (7) и (9) алго. ритм (8) в окончательном виде имеет вид