СТОХАСТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК H04B10/02 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для оптимального оценивания нелинейных стохастических сигналов.

Известны различные стохастические фильтры, решающие задачу оценивания нелинейных сигналов (Сейдж Э. Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. М. Связь, 1976, с. 496. Статическая теория связи, вып. 6).

Недостатком таких фильтров является невозможность формирования в реальном времени оптимальной оценки нелинейного процесса.

Наиболее близким по техническому исполнению к предлагаемому устройству является оптическое вычислительное устройство (Соколов С. В. Многофункциональное использование кольцевого оптического устройства // Изв. ВУЗ. Приборостроение, 1, 1991, с. 69, рис. 1), содержащее источник излучения, оптические разветвители, группу оптических усилителей, неуправляемый линейный и управляемый матричный оптические транспаранты.

Недостатком данного устройства, позволяющего, как показано далее, сформировать в реальном времени только априорную плотность распределения оцениваемого процесса, является невозможность определения апостериорной оценки нелинейного процесса, оптимальной по критерию максимума апостериорной вероятности выхода ошибки оценивания за заданные пределы (МАВ).

Изобретение направлено на решение задачи оптимального по критерию МАВ оценивания нелинейных стохастических процессов в реальном масштабе времени. Подобная задача возникает при обработке информационных сигналов в нелинейных системах связи и управления при действии помех в устройствах измерения.

Для решения поставленной задачи были использованы следующие теоретические соображения. Как показано (Тихонов В. И. Оптимальный прием сигналов, М. Радио и связь, 1983, с. 241 244), для диффузионного марковского процесса λ_t, априорная плотность распределения которого ρ(λ,t) описывается уравнением Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), нелинейный сигнал наблюдения ξ_t, за которым зашумлен помехой W с известным распределением, апостериорная плотность вероятности ρ(λ/ξ, t_i) в любой момент времени t_i может быть представлена выражением
ρ(λ/ξ,t_i) = ρ(λ,t_i)•ρ(λ/ξ,t_i)•D(t_i), (1)
где D(t_i) известный множитель, не зависящий от λ,
r(ξ/λ,t_i)- известная нелинейная функция (условная плотность), определяемая на основании плотности распределения помехи W.

Оптимальная оценка процесса λ_t на основании наблюдений ξ_t ищется в момент t_i по критерию МАВ, выражение для которого с учетом очевидной зависимости ( s ошибка оценивания) может быть представлено как

где [A и B] требуемый интервал существования ошибки.

Данную запись критерия для дальнейшего компактного построения схемы фильтра представим в виде адекватного условия

Так как функция r(ξ/λ,t_i) в (1) заранее известна, то при организации работы фильтра наибольшую трудность представляют вычисление в реальном времени априорной плотности ρ(λ,t_i), являющейся решением уравнения ФПК. С другой стороны, в работе (Соколов С. В. Рекуррентный метод решения уравнения ФПК // Радиофизика, 3, 1991) показано, что в любой момент времени t_i решение уравнения ФПК ρ(λ,t_i) может быть найдено с помощью следующей рекуррентной процедуры:

где ρ_j(λ,t_i) j приближение к искомому решению ρ(λ,t_i),
ρ_o(λ,t_i) = ρ(λ,t_o),

N^*(λ,S,t_i) известная двумерная фракция, которая используется в данном фильтре для определения ρ(λ,t_i).

Таким образом, реализация предлагаемого фильтра предполагает формирование в реальном времени пространственных нелинейных функций ρ(λ,t_i), ρ(ξ/λ,t_i) с последующим вычислением (1) (без учета множителя D(t_i), не влияющего на поиск экстремума по , формирование из r(λ/ξ,t_i) функции , ее интегрирование по координате σ и вычисление оценки на основании условия

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены генератор тактовых импульсов, группа ключей, три элемента задержки, группа электрооптических модуляторов, группа оптических функциональных преобразователей, входной ключ, группа фотоприемников, линейный блок вычитания, селектор минимального сигнала, группа компараторов и преобразователь "позиционный код аналог", информационные входы группы ключей являются информационными входами фильтра, управляющие входы объединены с входами всех элементов задержки и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, выходы подключены к управляющим входам матричного оптического транспаранта, при этом выход оптического выходного разветвлителя подключен к информационных входам группы модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих оптических функциональных преобразователей, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом входного ключа, информационный вход которого является входом сигнала измерения, а управляющий вход соединен с выходом второго элемента задержки, при этом выход первого элемента задержки подключен к управляющему входу источника излучения, а выход третьего элемента задержки подключен к объединенным управляющим входам группы фотоприемников, информационные входы которых через оптический разветвитель-интегратор, образованный группой оптических волокон, разветвляющихся на число волокон, соответствующее их порядковому номеру в группе, причем одноименные (с одинаковым номером) волокна таких разветвлений объединены по выходу в волокна, выходы которых являются выходами оптического разветвителя-интегратора, соединены с выходами электрооптических модуляторов, а выходы подключены к входам вычитаемого линейного блока вычитания, входы уменьшаемого которого объединены и соединены с шиной задания постоянного потенциала, а выходы подключены к управляющим входам соответствующих компараторов и входам селектора минимального сигнала, выход которого подключен к информационным входам всех компараторов, выходы которых подключены к соответствующим входам преобразователя "позиционный код-аналог", выход которого является выходом устройства.

На фиг. 1 и 2 приведены функциональные схемы стохастического фильтра и оптического разветлителя-интегратора.

Фильтр состоит из генератора тактовых импульсов (ГТИ) 1, входного ключа 2_o и группы из N² ключей 2₁, 22N

, трех элементов задержки 3₁ 3₃, оптического блока вычислений априорной плотности 4 (ОБВАП), N электрооптических модуляторов света 5₁ - 5_N, оптического разветвителя-интегратора (ОРИ) 6, N оптических функциональных преобразователей (ОФП) 6₁ 6_N, N фотоприемников 7₁ 7_N, линейного блока вычитания 8, селектора минимального сигнала (СМС) 9, N компараторов 10₁, 10_N преобразователя "код-аналог" (ПКА)11.

ОБВАП 4 содержит последовательно соединенные импульсный источник излучения 4₁, входной разветвитель 4₂, неуправляемый линейный оптический транспарант 4₃, управляемый плоский транспарант 4₄, группу оптических усилителей 4₅(ОУ), оптический разветвитель 4₆, кольцевой оптический разветвитель 4₇ и группу выходных отверстий 4₈ (схема разветвителя оптических ответвлений показана на фиг. 1 в схеме ОБВАП 4) ОФП 6_i, i выполнен идентично схеме ОФП (авт. св. N 1644181, кл. 5 G 06 E 3/00, БИ N 15, 23.04.91).

СМС 9 выполнен идентично схеме СМС (Никулин Ю. Я. Огреб С. М. Соколов С. В. Смирнов Ю. А. Селектор минимального сигнала. Авт. св. N 1223259, кл. 4 G 06 G 9/00, 7/12. БИ N13, 7.04.86).

ПКА 11 представляет собой преобразователь позиционного кода в аналоговый сигнал и может быть выполнен в виде набора N масштабируемых усилителей, входы которых являются соответствующими входами ПКА, а выходы объединены с выходом ПКА.

Выход ГТИ 1 подключен к управляющим входам ключей 2₁, 22N

через первый элемент задержки 3₁ к входу источника излучения 4₁ (управляющему входу ОБВАП 4), через второй элемент задержки 3₂ к управляющему входу ключа 2_o и через третий элемент задержки 3₃ к управляющим входам фотоприемников 7₁, 7_N.

Информационные входы ключей 2₁, 22N

объединены с соответствующими N² информационными входами устройства U₁, U2N, а выходы подключены к NxN управляющим входам транспаранта 4₄ ОБВАП 4. Выходы N ответвлений 4₈, являющиеся ОБВАП 4, подключены к информационным входам электрооптических модуляторов 5₁, 5_N, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих ОФП 6₁, 6_N.

Управляющие входы ОФП 6₁, 6_N объединены через входной ключ 2_o, соединены с входом сигнала измерения ξ_t устройства.

Выходы модуляторов 5₁, 5_N через ОРИ 6 подключены к информационным входам фотоприемников 7₁, 7_N, выходы которых подключены к входам вычитаемого соответствующих N блоков вычитания, образующих линейный блок вычитания 8. Входы уменьшаемого блока 8 объединены и соединены с шиной задания постоянного потенциала "С", а выходы блока 8 подключены к N входам СМС 9 и входам управления соответствующих компараторов 10₁, 10_N.

Информационные входы всех компараторов объединены и соединены с выходом СМС 9, а выходы подключены к соответствующим входам ПКА 11, выход которого является выходом устройства.

На фиг. 2 представлена функциональная схема ОРИ 6.

ОРИ 6 содержит N разветвляющихся волокон 12₁, 12_N, входы которых оптически связаны с выходами соответствующих модуляторов 5₁, 5_N. Каждое волокно 12_i разветвляется на i волокон 12_i1, 12_ii. Волокна 12_ii, 12_ki, K <N объединены по выходу в волокна 13_i, выходы которых являются соответствующими выходами ОРИ 6.

Работа устройства организована следующим образом.

ГТИ 1 формирует тактовые импульсы, поступающие на управляющие входы ключей 2₁, 22N

и через элементы задержки 3₁ 3_N соответственно на управляющие входы источника излучения 4₁, ключа 2_o и группы фотоприемников 7₁ 7_N, синхронизируя поступление управляющих сигналов на входы ОБВАП 4, сигнала измерения ξ_t на вход фильтра и сигналов с выхода ОБВАП 4. Вычисление априорной плотности ρ(λ,t_i) в ОБВАП 4 происходит следующим образом.

В первый момент времени на управляющие входы матричного транспаранта 4₄ через ключи 2₁ 22N

поступают известные временные управляющие сигналы. Данный поток, проходя через ОУ 4₅ (обеспечивающие компенсацию ослабления светового потока за счет затухания и разветвления в N раз на входе транспаранта 4₄ и в два раза в разветвителе 4₈), по разветвителю 4₇ поступает на вход разветвителя 4₈ и на вход транспаранта 4₄, обеспечивая в последующем формирование аналогичного вышеизложенному второго приближения ρ₂(λ,t_i), третьего ρ₃(λ,t_i) и т.д.

С выхода разветвителя 4₈ через некоторое определенное (гарантирующее требуемую точность) время снимается световой поток с распределением интенсивности ρ_к(λ,t_i) ≈ ρ(λ,t_i), который поступает через электрооптические модуляторы 5₁, 5_N на входы ОРИ 6.

В модуляторах 5₁, 5_N происходит умножение интенсивности светового потока ρ(λ,t_i) на функцию ρ(ξ/λ,t_i), формируемую в ОФП 6₁, 6_N по появлению на выходе ключа 2_o сигнала измерения ξ_t (наличие элемента задержки 3₂ синхронизирует появление информационных и управляющих сигналов модуляторов 5₁, 5_N за счет появления сигнала ξ_i на входах ОФП в требуемый момент времени. В ОФП 6 формируется значение ρ(ξ/λ_m, t_i), число N выбирается из условия обеспечения требуемой точности).

Умножение интенсивности светового потока в модуляторах 5₁, 5_K, 5_N производится с учетом последующего его разветвления в волокнах 12_K на K потоков (т. е. в модуляторе 5 учитывается коэффициент умножения К, который можно также обеспечить формированием на выходе ОФП 6 К соответствующего сигнала с усиленной в К раз интенсивностью).

Разветвление волокон 12₁, 12_N в ОРИ 6 обеспечивает трансформацию одномерной функции ρ(λ/ε,t_i), определенной на интервале в двумерную , определенную уже в треугольной области [(0,0)] . Последующее объединение волокон 12_jj, 12_kj в волокно 13 обеспечивает интегрирование по координате σ функции на выбранном интервале [ А= О, В=KΔσ = KΔλ, т.е. формирование функции . С выходов ОРИ 6 световой поток с интенсивностью, пропорциональной Φ, поступает на входы фотоприемников 7₁ 7₇, включенных к данному моменту сигналом с выхода элемента задержки 3₃.

С выходов фотоприемников 7₁ 7_N снимается вектор-сигнал, пропорциональный функции , который, поступая на входы вычитаемого линейного блока вычитания 8, формирует на его выходе вектор-сигнал, пропорциональный .

Сигналы с выходов блока 8 поступают на входы СМС 9 и управляющие входы (входы задания уровня) компараторов 10₁,10_N.

Так как с выхода СМС 9 снимается сигнал, равный , то на выходах всех компараторов, кроме одного соответствующего этому же минимальному сигналу, формируются нулевые сигналы. Таким образом, сигналы на выходах компараторов 10₁, 10_N образуют позиционный код значения соответствующего S или, как было показано выше, МАВ. Данный код поступает на входы ПКА 11, с выхода которого снимается аналоговое значение искомой оценки оптимальной по критерию МАВ.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для оптимального оценивания нелинейных стохастических сигналов. Сущность изобретения: в устройство введены генератор тактовых импульсов, группа ключей, три элемента задержки, группа электрооптических модуляторов, группа оптических функциональных преобразователей, входной ключ, группа фотоприемников, линейный блок вычитания, селектор минимального сигнала, группа компараторов и преобразователь "позиционный код-аналог", информационные входы группы ключей являются информационными входами фильтра, управляющие входы объединены с входами всех элементов задержки и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы подключены к управляющим входам матричного оптического транспаранта, при этом выход оптического разветвителя подключен к информационным входам группы модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих оптических функциональных преобразователей, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом входного ключа, информационный вход которого является входом сигнала измерения, а управляющий вход соединен с выходом второго элемента задержки, при этом выход первого элементов задержки подключен к управляющему входу источника излучения, а выход третьего элемента задержки подключен к объединенным управляющим входам группы фотоприемников, информационные входы которых через оптический разветвитель-интегратор, образованный группой оптических волокон, разветвляющихся на число волокон, соответствующее их порядковому номеру в группе, причем одноименные (с одинаковым номером) волокна таких разветвлений объединены по выходу в волокна, выходы которых являются выходами оптического разветвителя-интегратора, соединены с выходами электрооптических модуляторов, а выходы подключены к входам вычитаемого линейного блока вычитания, входы уменьшаемого которого объединены и соединены шиной задания постоянного потенциала, а выходы подключены к управляющим входам соответствующих компараторов и входам селектора минимального сигнала, выход которого подключен к информационным входам всех компараторов, выходы которых подключены к соответствующим входам преобразователя "позиционный код-аналог", выход которого является выходом устройства. 2 ил.

Стохастический фильтр, содержащий источник излучения, выход которого подключен к входу входного оптического разветвителя, выходы которого оптически связаны с входом неуправляемого линейного оптического транспаранта, выход которого подключен к входу первого оптического разветвителя, оптические разветвления которого объединены по выходу с оптическими разветвлениями второго оптического разветвителя, выходы которых оптически связаны с входами строк управляемого матричного оптического транспаранта, выходы столбцов которого подключены к входам третьего оптического разветвителя, выходы объединенных оптических разветвлений которого подключены к входам оптических усилителей, выходы которых подключены к входам второго оптического разветвителя и выходного оптического разветвителя, отличающийся тем, что в него введены генератор тактовых импульсов, группа ключей, три элемента задержки, группа электрооптических модуляторов, группа оптических функциональных преобразователей, входной ключ, группа фотоприемников, оптический разветвитель-интегратор, линейный блок вычитания, селектор минимального сигнала, группа компараторов и преобразователь позиционный код - аналог, информационные входы группы ключей являются информационными входами фильтра, управляющие входы объединены с входами всех элементов задержки и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы подключены к управляющим входам управляемого матричного оптического транспаранта, при этом выход выходного оптического разветвителя подключен к информационным входам группы электрооптических модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих оптических функциональных преобразователей, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом входного ключа, информационный вход которого является входом сигнала измерения, а управляющий вход соединен с выходом второго элемента задержки, при этом выход первого элемента задержки подключен к управляющему входу источника излучения, а выход третьего элемента задержки подключен к объединенным управляющим входам группы фотоприемников, информационные входы которых через оптический разветвитель-интегратор, образованный группой оптических волокон, разветвляющихся на число оптических волокон, соответствующее их порядковому номеру в группе, причем одноименные оптические волокна таких оптических разветвлений объединены по выходу в оптические волокна, выходы которых являются входами оптического разветвителя-интегратора, соединены с выходами электрооптических модуляторов, а выходы подключены к входам вычитаемого линейного блока вычитания, входы уменьшаемого которого объединены и соединены с шиной задания постоянного потенциала, а выходы подключены к управляющим входам соответствующих компараторов и входам селектора минимального сигнала, выход которого подключен к информационным входам всех компараторов, выходы которых подключены к соответствующим входам преобразователя позиционный код - аналог, выход которого является выходом устройства.