Цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналов Советский патент 1984 года по МПК H03H17/06 

4

О5

сл

ос Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в вьиислительных устройствах статистической обработки геоакусти- ческих или радиолокационных сигналов По основному авт.св. № 964979 известен цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналов, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, первьй блок памяти умножитель, сумматор, второй блок памяти и блок анализа знаков, выход которого соединен с вторыми входами второго блока памяти, умножителя и сумматора, второй вход объединен с вторым входом коммутатора и подключен к выходу первого блока памяти, третий вход объединен с третьим входом умножителя, первым входом блока управления фильтрацией и подключен к второму выходу.коммутатора, третий вход которого объединен с вторым вхо дом аналого-цифрового преобразователя, вторым входом блока управления фильтрацией и первым входом блока за писи и подключен к выходу блока управ ления, вход которого соединен с выходом блока записи, при этом второй вход блока записи подключен к .первому выходу коммутатора, выход второго блока памяти - к третьему входу сум матора, а управляющие входы первого и второго блоков памяти и сумматора объединены и подключены к выходу блока управления фильтрацией tl Оптимальный режим фипьтрации для каждой реализации импульсных эхосигналов в известном фильтре создает ся за счет выбора в качестве импульс ной характеристики фильтра зондирующего сигнала и перезаписи импульсной характеристики при каждом зондировании. Недостатком цифрового согласованного фильтра для импульсных эхо-сигналов является низкая точность фильт рации при действии на входе коррелированных помех, т.е. в том случае, когда спектры эхо-сигнала и помехи близки по форме, но отличны по интенсивности. Целью изобретения является увеличение точности фильтрации. Цель достигается тем, что в цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналов, содержащий последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь, коммутатор, первый блок памяти, умножитель, сумматор, второй блок памяти и блок анализа знаков, выход которого соединен с вторыми входами второго блока памяти, умножителя и сумматора, второй вход объединен с вторым входом коммутатора и подключен к выходу первого блока памяти, третий вход объединен с третьим входом умножителя, первым входом блока управления фильтрацией и подключен к второму выходу коммутатора, третий вход которого объединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, вторым входом блока управления фильтрацией и первым входом блока записи и подключен к выходу блока управления, вход которого соединен с выходом блока записи, при этом второй вход блока записи подключен к первому выходу коммутатора, выход второго блока памяти - к третьему входу сумматора, а управляющие входы первого и второго блоков памяти и сумматора объединены и подключены к выходу блока управления фильтрацией, введены последовательно соединенных блоков фильтрации, вход первого из которых подключен к первому выходу коммутатора, и п последовательно соединенных блоков управления фильтрацией., вход первого из которых подключен к выходу блока управления, при этом каждый блок фильтрации состоит из последовательно соединенных блока памяти импульсной характеристики, умножителя и сумматора, блока задержки кодов, вход которого объединен с входом блока памяти импульсной характеристики и является входом блока фильтрации, а выход подключен к .второму входу умножителя, а также блок памяти промежуточных результатов, выход которого подключен к второму входу сумматора, а выход - к выходу сумматора, выход которого является выходом блока фильтрации, причем управляющие входы блока памяти импульсной характеристики, блока задержки кодов, сумматора и блока памяти промежуточных результатов объединены и подключены к выходу соответствующего блока управления фильтрацией. На чертеже приведена структурная электрическая схема цифрового согласованного фильтра для импульсных эхосигналов. Цифровой согласованный фильтр содержит блок 1 управления, аналогоцифровой преобразователь 2, коммутатор 3 (зондирующего и эхо-сигналов блок 4 записи, первый блок 5 памяти (зондирующего сигнала), блок 6 анали за знаков, умножитель 7, второй блок 8 памяти (промежуточных результатов) , сумматор 9, блок 10 управления фильтрацией, блоки 11-1 - 11-п фильтрации, каждый из которых состоит из блоков Т2-1 - 12-п памяти импульсной характеристики 12-1 - 12-п, умножителей 13-1 - 13-п, сумматоров 14-1 - 14-п, блоков 15-1 - 15-h задержки кодов, блоков 16-1 - 16-h памяти промежуточных результатов, а также блоки 17-1 - 17-п управления фильтрацией. Устройство работает.следующим образ ом. Первый командный импульс с внешне го устройства, совпадающий по времени с созданием зондирующего сигнала в среде, через утфавлякнций, вход устройства поступает на блок 1 управления, где по его.переднему фронту формируются команды управления и запуска. Команда управления поступает на коммутатор 3 и переключает его таким образом, что выход аналого-циф рового преобразователя 2 оказьшается подключенным к входам блока 4 записи блока 12-1 памяти импульсной характе ристики и блока 15-1 задержки кодов, первого блока 5 памяти. По команде запуска в блок 1 управления формиру ются импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 2 с частотой сл дования ff . Команда управления пос тупает также на блок 17-1 управления фильтрацией. Аналоговый сигнал с внешнего уст ройства подается на сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 2, в котором по каждому импульсу запуска производится выборка и преобразование текущего значения амплитуды входного сигнала в цифровой код. С выхода аналого-цифрового -преобразователя 2 цифровые коды, сопровождаемые синхроимпульсами, через коммутатор 3 подаются на блок 4 записи и первый блок 5 памяти, в котором про изводится последовательная запись цифровых кодов выборок. Время прихода зондирующего сигнал в общем случае неизвестно, поэтому запись входного сигнала в первый блок 5 памяти производится по команд ному импульсу с внешнего устройства. но ввиду ограниченности числа ячеек необходимо коды выборок зондирующего сигнала записать в первый блок 5 памяти таким образом, чтобы, например, максимальный код выборки амплитуды зондирующего сигнала находился в определенной ячейке первого блока 5 памяти. Для этого в блоке 4 записи производится сравнение кодов выборок входного сигнала, поступивших в данный SjjXmf) и предыдущий момент Sj tdn-Dt. При выборе максимального кода входного сигнала, т.е. при условии SjcC(m-1)i: Sj(mt) , 4 в блоке 4 записи формируется команда, по которой прекращается сравнение кодов и начинается счет синхроимпульсов, сопровождающих коды. Подсчет синхроимпульсов производится до тех пор, пока их количество не достигнет заранее выбранного числа выборок зондирующего сигнала, расположенных- после максимума участвующих в фильтрации эхо-сигналов. По окончании подсчета синхроимпульсов в блоке 4 записи вьфабатывается импульс конца записи зондирукицего сигнала, который поступает на блок 1 управления и запрещает формирование импульсов запуска аналогоцифрового преобразователя 2. Одновременно с записью в первый блок 5 памяти -цифровые коды выборок записываются в блок 12-1 памяти импульсной характеристики и в блок 15-1 задержки кодов. По окончании записи импульсной характеристики, длительность которой Т заранее задана или выбирается в процессе записи зондирующего сигнала, блок 17-1 управления фильтрацией формирует команду на разрешение фильтрации задержанного зондирующего сигнала, ко-. торая поступает также на следующий блок 17-2 управления фильтрацией, в котором формируется команда на разрешение записи цифровых кодов в блок 12-2 памяти импульсной характеристики и в блок 15-2 задержки кодов. В общем случае указанная команда, вьфабатьшаемая блоком 17-i управления фильтрацией, является командой на разрешение фильтрации задержанной импульсной характеристики, которая поступает на блок 17-i-H управления фильтрацией, где формируется команда на разрешение записи цифровых кодов в блок 12- i + 1 памяти импульсной характеристики .и в блок 15- i+1 задержки кодов. По комавде на разрешение фильтрации, вырабатьшаемой бло ком 17-1 управления фильтрацией, циф ровые коды задержанной импульсной характеристики с блока 15-i задержки кодов и цифровые коды с блока 12- памяти импульсной характеристики поступают на умножитель 13-i, где каждое значение задержанной импульсной характеристики перемножается (свертывается) со всеми цифровыми кодами, поступающими с блока 12-i памяти импульсной характеристики, а полученные произведения подаются на сумматор 14-i, На сумматоре 14-i производится сложение текущих значений с промежуточными результатами свертки, которые хранятся: в блоке 16-i памяти промежуточных результатов, В заданные моменты времени по сигналам управления с блока 17-i управления фильтрацией, циф ровые коды с сумматора 14-i поступают на блок 15- i+1 задержки кодов и блок 12- i +1 памяти импульсной характеристики. По окончании записи Цифровых кодов в блок 12-п памяти импульсной характеристики, в каждом одноименном блоке 12-ri будут- записаны цифровые коды импульсной характepиcтикиJ длительность которой равна f , представляющей из себя автокорреляционную функцию импульсной характеристики, записанной в предыдущем блоке памяти импульсной характеристики 12- i - 1. Таким образом, в блоке 12-п записана импульсная характеристика, длительность которой равна 1 (:, т.е. в больше, чем длительность зондирующего сигнала. Расширение длительности сигнала ведет к сужению его частотного спектра, поэтому импульсная характеристика цифрового-согласованного фильтра для импульсных эхо-сигналов имеет спектр примерно в 2 раз уже, чем спектр зондирующего сигнала По второму командному импульсу с внешнего устройства, который по времени упреждает эхо-сигнал, но не должен приходить ранее окончания записи цифровых кодов в блок 12-2 памяти импульсной характеристики, блок 1 управления вновь формирует команды управления и запуска. По ко- манде управления коммутатор 3 подключен выход первого блока 5 памяти к своему входу, образуя кольцо из ячеек памяти для циркуляции по ним кодов выборок зондирующего сигнала, и выход аналого-цифровогю преобразователя 2 к входам блока 6 анализа знаков, умножителя 7, блока 10 управления фильтрацией и блока 15-i задержки кодов. А по команде запуска в блоке 1 управления формируются импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 2 с прежней частотой следования f,. Команда управления поступает также через блок 17-1 управления фильтрацией на все последующие одноименные блоки 17-2 - 17-h, в каждом из которых формируются команды управления фильтрацией, одна из которых поступает в блоки 12-1 - 12-п памяти импульсной характеристики, переводя их в режим считьгоания информации, запрещая тем самым запись цифровых кодов, поступающих на вход. Аналоговый сигнал с внешнего устройства подается на сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 2, в котором по каждому импульсу запуска производится выборка и преобразование, текущего значения амплитуды входного сигнала в цифровой код. С выхода аналого-цифрового преобразователя 2 через коммутатор 3 цифровые коды подаются на первый вход умножителя 7 и блока t5-1 задержки кодов, знак кода выборки входного сигнала поступает в блок 6 анализа знаков, а синхроимпульсы, сопровождающие цифровой код, на блок 10 управления фршьтрацией. В последней по каждому синхроимпульсу вырабатьшается последовательность из (Пд+ 1)-то тактового ш-шульса, частота следования которых должна быть больше в (П{,+ 1) раз, чем частота импульсов запус fj . т.е.т(по+ Dfj. Последовательность тактовых импульсов подается в первьй блок 5 памяти, где она используется для циркуляции кодов выборок зондирующего сигнала. Но так как первый блок памяти имеет Пр ячеек, а тактовых импульсов ( 1), то в каждом цикле запуска аналого-цифрового преобразователя 2 производится лишний сдвиг кодов выборок зондирующего сигнала. Такой режим циркуляции облегчает поиск результата фильтрации в каждом цикле запуска. В блоке 10 управления фильтрацией вырабатывается также скользящий импульс, который подается на сумматор У и используется там для вывода результата фильтрации, ко торый в каждом цикле запуска образуется в разные такты (скользит по тактам), т,е, в первом цикле он обра зуется. в первом такте, во втором цик ле - во втором такте, и т.д., в цикле- в Пр-ом такте, а в ( п + 1)цикле - снова в первом такте, в (hp + 2)-цикле - во второмтакже и т.д. Кроме этого, с блока 10 управления фильтрацией п тактовых импульсов подаются на второй блок 8 памяти где они используются для записи цифровых кодов, поступающих на сумматор 9 и знака указанных кодов на блок 6 анализа знаков.В зависимости от знаков кодов -выборок входного зон дирующего сигнала, а также знака кода промежуточного результата, блок 6 анализа знаков вырабатывает команды на считывание прямого или обратного кода с умножителя 7 на сумматор 9, с сумматора 9 на второй блок 8 памяти и со второго блока 8 памяти на сумматор 9. При каждом цикле запуска код выборки входного сигнала S (iT) поступает на один из входов умножителя 7 и сохраняется на нем до прихода кода следующего цикла запуска S (1+1)т1 На второй вход умножителя 7 при каждом цикле запуска подаются п.. кодов выборок зондирующего сигнала. В умно жителе 7 производится последовательное умножение кода выборок входного сигнала S на все По кодов выборки зондирующего сигнала (По-К)т Парные произведения с выхода умножителя 7 подаются на один из входов сумматора 9, на второй вход кото рого поступают коды промежуточных результатов из второго блока 8 памяти. Промежуточные (частные) суммы парных произведений с выхода сумматора 9 записываются во второй блок 8 памяти. В один из тактов, соответствующий скользящему импульсу, код промежуточной суммь выводится с сумматора 9 на вход устройства, а в это момент во второй блок 8 памяти записывается нулевой код, т.е. происходи сброс одной из ячеек второго блока 8 памяти. С выхода аналого-цифрового преобразователя 2 цифровые коды, сопровож даемые синхроимпульсами через коммутатор 3, поступают на блок 15-1 задержки кодов, где они задерживаются на время ц, Соответствующее длительности импульсной характеристики, записанной в блоке 12-1 памяти импульсной характеристики. После этого, блок 17-1 управления фильтрацией формирует команду на разрешение фильтрации задержанных эхо-сигналов. В общем случае цифровые коды с сумматора 14-1-1 подаются на блрк 15-i задержки кодов, где задерживаются на время, соответствующее длительности импульсной характеристики, записанной в блоке 12-i памяти импульсной характеристики. После этого блок 17-i управления фильтрацией формирует команду на разрешение фильтрации задержанных входных сигналов, поступивших на блок 15-i задержки кодов. По указанной команде цифровые коды с блока 15-i задержки koдoв и цифровые коды с блока 12-1 памяти импульсной характеристики поступают на умножитель 13-, где каждое значение задержанных входных сигналов перемножается со всеми значениями импульсной характеристики, и полученные парные произведения подаются на сумматор 14-i. На сумматоре 14-i производится сложение текущих значений парных произведений с промежуточными результатами сумм парных произведений, которые хранятся в блоке 16-i памяти промежуточных результатов. Цифровые коды с сумматора 14-i поступают в блок 16-i памяти промежуточных результатов, и в заданные моменты времени по командам с блока 17-i управления фильтрацией выдаются на блок 15- i + 1 задержки кодов. Предлагаемое устройство представляет собой многозвенный цифровой согласованньй фильтр для импульсных эхо-сигналов. В каждом звене фильтрации импульсная характеристика оказывается согласованной с сигналом, поступающим на вход этого звена. Это позволяет в несколько раз повысить точность фнпьтрации импульсных эхо-сигналов при малых соотношениях сигнал/помеха и перекрывающихся спектрах сигнала и помехи на входе устройства по сравнению с известным устройством.

ЦИФРОВОЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЭХО-СИГНАЛОВ, по авт.св. № 964979, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности фильтрации, в него введены h последовательно соединенных блоков фильтрации, вход первого из которых подключен к первому выходу коммутатора, и п последовательно соединенных дополнительных блоков управления фильтрацией, вход первого из которых подключен к выходу блока управления, при этом каждый блок фильтрации состоит из последовательно соединенных блока памяти импульсной характеристики, умножителя и сумматора, . блока задержки кодов, вход которого объединен с входом блока памяти импульсной характеристики и является входом блока фильтрации, а выход подключен к второму входу умножителя, а также блок памяти промежуточных результатов, выход которого подключен к второму входу сумматора, а вход .- к выходу сумматора, выход которого является выходом блока фильтрации, причем управляющие входы блока памяти импульсной харак(П теристики, блока задержки кодов, сзгмматора и блока памяти промежуточных результатов объединены и подключены к выходу соответствукяцего блока уп§ равления фильтрацией.