СПОСОБ ПОЛОСОВОЙ ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК H03H19/00 

Изобретение относится к области фильтрации аналоговых сигналов и может быть использовано для фильтрации (обнаружения) сигнала в условиях мощных помех или для анализа спектра.

Предлагаемый способ полосовой дискретно-аналоговой фильтрации (ПДАФ) строится на базе коммутируемой аналоговой фильтрации.

Данное техническое решение в первую очередь предназначено для выделения периодических сигналов из сигнально-шумовой смеси.

Проблема приема сигналов в радиолокации и передаче данных заключается в малом соотношении сигнал-шум. Полезный сигнал теряется на фоне шума и не может быть выделен простыми средствами, например, такими как простейший полосовой фильтр. Известны два основных метода выделения слабых сигналов из смеси сигнал-шум: метод накопления (интегрирования) и метод, основанный на применении сложных сигналов. Метод накопления используется для периодических или квазипериодических сигналов большой длительности.

Фильтрация представляет собой одну из самых распространенных операций обработки сигналов. Цель фильтрации состоит в подавлении помех, находящихся в соседних частотных диапазонах по отношению к заданному.

При решении задач по выделению периодических сигналов из сигнально-шумовой смеси обычно используют различные виды накоплений. В правильно построенных усредняющих устройствах со временем образуется достаточный для дальнейшей обработки уровень напряжения, обусловленный полезным сигналом. Шумовая же компонента из обрабатываемой смеси отфильтровывается.

Одним из наиболее мощных методов выделения сигнала из смеси «сигнал-шум» является синхронная фильтрация. Основы ее были заложены К.В. Владимирским [1] в начале пятидесятых годов и получили дальнейшее развитие в работах М.И. Финкельштейна [2], А.А. Харкевича [3] и ряда других авторов.

Первичным аналогом предлагаемого Способа полосовой дискретно-аналоговой фильтрации можно считать Способ синхронной фильтрации на коммутируемых конденсаторах, принципы работы которого описаны в [1, 2, 3].

Сущность данного способа заключается в следующем.

Фильтр состоит из набора конденсаторов С1, С2,…, C_n, которые с помощью ключей К₁,К₂,…, К_n, поочередно подключаются за период T_k к общему интегрирующему резистору R на время Δt каждый. Обязательным условием правильной работы синхронного фильтра является равенство периода переключения ключей T_k с периодом сигнала Т_с.

При таком режиме работы устройства каждый конденсатор подключается через резистор R к источнику сигнала в одной и той же фазе, то есть на каждом ключе всегда одинаковый уровень напряжения. Если в сигнале присутствует шум, то его период не совпадает с периодом фильтра, значит напряжение для него на каждом конденсаторе равно 0, следовательно, он не проходит через фильтр.

Способ-аналог имеет серьезный недостаток, заключающийся в невозможности использования фильтров нижних частот любых порядков, как пассивных, так и активных, что ограничивает избирательные свойства.

Из уровня техники известен Способ [4] активной фильтрации, при котором характеристики фильтрации изменяются за счет переключения конденсаторов. Данный фильтр состоит из конденсаторов, резисторов, транзисторных ключей и операционных усилителей.

Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость, так как определение уровня входного сигнала, при котором фильтр должен менять свои характеристики, осуществляется с помощью компараторов, которые чувствительны к сигналам внешних помех.

Из уровня техники известен дискретный согласованный фильтр сигналов, описанный в заявке на изобретение №2006141281, кл. Н03Н 17/00, 2008.06.10, включающий последовательно соединенные перемножитель, фильтр нижних частот, линию задержки сигналов, сумматор и решающее устройство. При этом выход сумматора соединен с входом устройства снятия постоянной составляющей выходного сигнала, образуя автокорреляционную функцию псевдошумового сигнала.

Известен дискретный согласованный фильтр сигналов, описанный в патенте на изобретение №2310978, кл. Н03Н 17/00, 2007.11.20, относящийся к устройствам оптимального асинхронного приема сигналов, обеспечивающий повышение помехоустойчивости к трансформации сообщений и чувствительности по срабатыванию. Данный дискретный согласованный фильтр также содержит линию задержки сигналов, сумматор, перемножитель и решающее устройство, порог срабатывания которого выбирается по критерию Неймана-Пирсона, исходя из требований по вероятностям ложных тревог и надежности работы.

Недостатком всех описанных выше дискретных согласованных фильтров сигналов является их низкая помехоустойчивость, обусловленная отсутствием учета влияния постоянных искажений сигналов, вызванных внешними аддитивными и мультипликативными помехами, а также искажений, вызванных техническими особенностями реализации линий задержки, особенно на емкостной элементной базой. Это приводит к снижению корреляционного отклика существующих дискретных согласованных фильтров сигналов и, следовательно, к снижению помехоустойчивости. Кроме того, представленные выше дискретные согласованные фильтры сигналов существенно теряют в помехоустойчивости при возникновении несократимых ошибок в сигнале, так как их перемножители отражают импульсные характеристики ожидаемого сигнала и фиксированы, и в случае искажения принимаемого сигнала отклик таких фильтров существенно снижается, снижая помехоустойчивость дискретного согласованного фильтра.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является Способ полосовой фильтрации [5], содержащий несколько каскадно-соединенных лестничных звеньев.

Сущность данного способа-прототипа заключается в следующем.

В поперечных ветвях фильтра включены параллельные контуры, а в продольных - конденсаторы. Изменяя реактивные составляющие поперечных ветвей этого фильтра, получают перестраиваемый по частоте полосовой фильтр. Фильтры с емкостной связью, у которых для перестройки по частоте используют конденсаторы, подключенные параллельно катушке индуктивности, достаточно технологичны, поскольку все перестраиваемые конденсаторы соединены с общей шиной, и кроме того, такие схемы содержат минимальное число индуктивных элементов, что позволяет при меньших производственных затратах обеспечить наиболее высокий коэффициент передачи фильтра.

Способ-прототип имеет следующие недостатки.

1. Не используют фильтры нижних частот любых порядков, как пассивные, так и активные.

2. Не перестраивают частоту фильтрации посредством изменения частоты тактового генератора.

3. Используют нелинейные элементы, что не позволяет достичь высокого динамического диапазона, ограниченного только динамическим диапазоном ключей коммутатора, что не дает возможность использовать его при решении задач выделения периодических сигналов на фоне мощных помех.

4. Не используют выходной коммутатор.

Устранение этих недостатков возможно за счет применения перестройки фильтрации основанной на изменении частоты тактового генератора, управляющего работой входных и выходных ключей, подключающих входной сигнал поочередно к фильтрам низких частот.

Учитывая вышесказанное, технической задачей изобретения является фильтрация аналоговых сигналов при обеспечении:

формы сигнала на выходе приближающейся к форме входного сигнала;

полосы пропускания равной удвоенной полосе пропускания фильтров нижних частот и не зависящей от их числа;

формы частотной характеристики симметричной относительно частоты настройки и повторяющей форму частотной характеристики используемых фильтров нижних частот;

использования фильтров нижних частот любых порядков, как пассивных, так и активных для увеличения частотной избирательности;

перестройки посредством изменения частоты тактового генератора с сохранением неизменными полосы пропускания и формы частотной характеристики;

высокого динамического диапазона для выделения периодических сигналов на фоне мощных помех.

Технический результат предлагаемого способа заключается в фильтрации (обнаружении) аналоговых сигналов на фоне мощных помех.

Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - функциональная схема Способа полосовой дискретно-аналоговой фильтрации.

На фигуре 1 представлена функциональная схема Способа полосовой дискретно-аналоговой фильтрации, которая включает следующие элементы:

1. Тактовый генератор.

2. Входной аналоговый сигнал.

3. Входной коммутатор.

4. Выходной коммутатор.

5. Выходной аналоговый сигнал.

6. Фильтр нижних частот №1.

7. Фильтр нижних частот №2.

8. Фильтр нижних частот №3.

9. Фильтр нижних частот №N.

Для решения заявленной задачи предлагается Способ полосовой дискретно-аналоговой фильтрации, заключающийся в том, что:

1. Задают частоту тактового генератора 1, определяющего частоту настройки полосовой дискретно-аналоговой фильтрации.

2. Подают входной аналоговый сигнал 2 на входной коммутатор 3.

3. Подают тактовые импульсы с тактового генератора 1 на входной коммутатор 3 и выходной коммутатор 4.

4. Переключают в входном коммутаторе 3 в соответствии с тактовыми импульсами входной сигнал поочередно на все фильтры нижних частот 6-9, причем в общем случае число фильтров не ограничено и его выбирают исходя из требуемой точности восстановления формы сигнала после фильтрации.

Входной коммутатор 3, состоящий из N ключей, обеспечивает поочередное подключение аналогового сигнала со своего входа к входам каждого из N фильтров нижних частот.

В отличии от способа синхронной фильтрации на коммутируемых конденсаторах, где форма частотной характеристики, а следовательно, и избирательность, определяется RC фильтром первого порядка в Способе полосовой дискретно-аналоговой фильтрации могут быть использованы фильтры нижних частот любых порядков, как пассивные, так и активные, что позволяет значительно (практически неограниченно) увеличить его частотную избирательность.

5. Снимают выходной сигнал в выходном коммутаторе 4 с фильтров нижних частот 6-9, синхронно и синфазно с переключениями в входном коммутаторе 3.

При этом работа входного и выходного коммутаторов синхронная и синфазная, то есть частота и фаза коммутации ключей совпадают. В результате частота и фаза сигналов на входе и выходе на частоте настройки совпадают.

6. Снимают выходной сигнал 5 с выходного коммутатора 4.

При этом при увеличении числа используемых фильтров нижних частот N форма сигнала на выходном коммутаторе будет приближаться к форме входного сигнала.

Коэффициент передачи по напряжению определяется как К_0ФНЧ/N, где К_0ФНЧ - коэффициент передачи фильтров нижних частот.

Полоса пропускания равна удвоенной полосе пропускания используемых фильтров нижних частот и не зависит от их числа N.

Форма частотной характеристики симметрична относительно частоты настройки и повторяет форму частотной характеристики используемых фильтров нижних частот.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его на отечественной элементной базе с использованием как аналоговых, так и цифровых коммутаторов, управляемых тактовыми импульсами.

Получаемая частотная характеристика соответствует характеристике получаемой при использовании Способа синхронной фильтрации на коммутируемых конденсаторах и имеет гребенчатый характер, то есть имеет место прохождение сигнала на частотах кратных частоте основной настройки.

Тем не менее сопоставление заявленного Способа полосовой дискретно-аналоговой фильтрации и прототипа показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Используют поочередное подключение входного сигнала к фильтрам нижних частот.

2. Получают частотную характеристику имеющую гребенчатый характер.

3. Используют аналоговый входной сигнал.

Отличительные признаки предлагаемого решения:

1. Используют фильтры нижних частот любых порядков, как пассивные, так и активные.

2. Перестраивают частоту фильтрации посредством изменения частоты тактового генератора, при этом полоса пропускания и форма частотной характеристики остаются неизменными.

3. Не используют нелинейные элементы, что позволяет достичь высокого динамического диапазона, ограниченного только динамическим диапазоном ключей коммутатора и дает возможность использовать его при решении задач выделения периодических сигналов на фоне мощных помех.

4. Используют выходной коммутатор, работающий синфазно и синхронно с входным коммунаром на частоте и фазе, задаваемыми генератором.

Таким образом, заявленный Способ полосовой дискретно-аналоговой фильтрации за счет использования входного и выходного коммутатора, состоящего из N ключей, и поочередного синхронного и синфазного подключения аналогового сигнала ко входам каждого из N фильтров нижних частот, позволяет обеспечить:

форму сигнала, на выходе приближающуюся к форме входного сигнала при увеличении числа используемых фильтров нижних частот N;

полосу пропускания равную удвоенной полосе пропускания фильтров нижних частот и не зависящую от их числа;

форму частотной характеристики симметричной относительно частоты настройки и повторяющую форму частотной характеристики используемых фильтров нижних частот;

использование фильтров нижних частот любых порядков, как пассивных, так и активных, что в свою очередь позволяет значительно (практически неограниченно) увеличивать частотную избирательность;

частотную характеристику гребенчатого характера (то есть имеет место прохождение сигнала на частотах кратных частоте основной настройки);

перестройку посредством изменения частоты тактового генератора, при этом полоса пропускания и форма частотной характеристики остаются неизменными;

высокий динамический диапазон, ограниченный, ввиду отсутствия в составе нелинейных элементов, только динамическим диапазоном ключей коммутатора, что дает возможность использовать его при решении задач по выделению периодических сигналов на фоне мощных помех.

На фиг. 2, 3 и 4 представлены временные диаграммы узлов при использовании Способа полосовой дискретно-аналоговой фильтрации с числом фильтров нижних частот N=8 при частоте и фазе входного сигнала, совпадающей с частотой и фазой настройки генератора, причем:

фиг. 2 - входной сигнал;

фиг. 3 - сигналы управления ключами коммутатора;

фиг. 4 - сигнал на выходе при совпадении частоты и фазы сигнала и коммутаторов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Владимирский К.В. О синхронном фильтре. ЖЭТФ, 1951, №1.

2. Финкельштейн М.И. Методы построения гребенчатых фильтров. Тр./ РИИ ГФВ, 1964, №38.

3. Харкевич А.А. Борьба с помехами. Наука, 1965 г.

4. Гауси М., Лакер К. Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 168 с.

5. Знаменский А.Е., Попов Е.С. Перестраиваемые электрические фильтры. Изд. «Связь», М.: 1979 г.

Изобретение относится к фильтрации (обнаружению) сигнала в условиях мощных помех для анализа спектра. Технический результат заключается в улучшении выделения периодических сигналов из сигнально-шумовой смеси. Для этого в способе полосовой дискретно-аналоговой фильтрации: задают частоту тактового генератора, определяющего частоту настройки полосовой дискретно-аналоговой фильтрации; подают входной аналоговый сигнал; подают тактовые импульсы с тактового генератора на входной коммутатор; переключают во входном коммутаторе в соответствии с тактовыми импульсами входной сигнал; снимают выходной сигнал, отличающемся тем, что: подают тактовые импульсы с тактового генератора на входной коммутатор и выходной коммутатор; переключают во входном коммутаторе в соответствии с тактовыми импульсами входной сигнал поочередно на все фильтры нижних частот; снимают выходной сигнал в выходном коммутаторе с фильтров нижних частот, синхронно и синфазно с переключениями во входном коммутаторе; снимают выходной сигнал с выходного коммутатора. 4 ил.

Способ полосовой дискретно-аналоговой фильтрации, заключающийся в том, что: задают частоту тактового генератора, определяющего частоту настройки полосовой дискретно-аналоговой фильтрации; подают входной аналоговый сигнал; подают тактовые импульсы с тактового генератора на входной коммутатор; переключают во входном коммутаторе в соответствии с тактовыми импульсами входной сигнал; снимают выходной сигнал, отличающийся тем, что: подают тактовые импульсы с тактового генератора на входной коммутатор и выходной коммутатор; переключают во входном коммутаторе в соответствии с тактовыми импульсами входной сигнал поочередно на все фильтры нижних частот; снимают выходной сигнал в выходном коммутаторе с фильтров нижних частот, синхронно и синфазно с переключениями во входном коммутаторе; снимают выходной сигнал с выходного коммутатора.