Устройство для цифровой фильтрации Советский патент 1984 года по МПК H03H17/06 

1113 Изобретение относится к радистахнике и может быть использовано в циф/ ровых системах диагностики техничес кого состояния динамических объектов. По основному авт. св. № 957416 известно устройство для цифровой фильтрации, содержащее регистр, N квадраторов, N+1 умножителей, первый и второй блоки памяти, усилитель, первый и второй накапливающие сумматоры, причем i-й (, N) выход регистра подключен к первому входу i-ro (,N) умножителя и входу i-ro квадратора, выход которого подключен 5 к i-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 входо i-ro (,N) умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго накапливающего сумматора, выход которого является выходом устройства, вход регистра является входом устройства, а также N+1 элементов И 2N+3 умножителей, третий и четвертьй блоки памяти (Ы+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, i-й (,N) выход регистра сое динен с первым входом j-го (, ) умножителя, первым входом К-го (, 3N+1) умножителя и первым входом i-ro (,N) элемента И, выход которого подключен к второму входу К-го (, 3N+1) умножителя, выход которого подклю-чей к i-му входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом (3N+2)-ro умножителя, выход которого подключен к входу третьего накапливающего сумматора, вьпсод которого соединен с первым входом (3N+3)-ro умножителя, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, выход j-ro (, 2N+1) умножителя соединен с i-м (,N) входом третьего блока памяти, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен 5 10 84 с входом третьего счетчика, вьрсод которого подключен к второму входу (ЗЫч-2)-го умножителя, вход регистра объединен с. входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с первым входом (3N+4)-ro умножителя, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен к второму входу ()-ro умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с пер,вым 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 (, N+l) выход которого подключен к второму входу i-ro элемента И, а (М+2)-й выход кольцевого счетчика соединен с его входом, выход первого накапливакмцего сумматора подключен к входу (N+1)-го квадратора, выход которого соединен с входом усилителя, выход (N-fl)-ro умножителя соединен с вторьм входом (3N+3)-ro умножителя, а выход второго накапливающего сумматору соединен с вторым входом j-ro (, 2N+1) умножителя lj . Недостатком известного устройства является понижение точности фильтрации сигналов при уменьшении величины интервалов корреляции. Цель изобретения - повьшение точности фильтрации сигналов при уменьшении интервалов корреляции. Для достижения указанной цели в устройство для цифровой фильтрации, содержащее регистр, N квадраторов, (N+1) умножителей, первый и второй блоки памяти, усилитель, первый и второй накапливающие сумматоры, причем i-й (,N) выход регистра подкачен к первому входу i-ro (,N) умножителя и входу i-ro . квадратора, выход которого подключен к i-му входу первого накапливающего сумматора, выход усилителя соединен с первым входом (N+1)-ro умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого блока памяти, выход второго блока памяти соединен с вторым входом i-ro (,N) умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго накапливающего сумматора, выход которого является выхо31дом устройства, вход регистра являет ся входом устройства, а также N+l элементов И, 2N+3 умножителей, третий и четвертый блоки памяти, (М+1)-й квадратор, блок вычисления дисперсии первый, второй и третий счетчики, третий накапливающий сумматор, генератор импульсов, кольцевой счетчик и элемент задержки, выход которого сое динен с первым входом первого счетчи ка, выход которого подключен второго блока памяти, i-й (,N) вы ход р егистра соединен с первым входом j-ro (, 2N+1) умножителя, первым входом К-го (K 2N-t-2, 3N-t-1) ум ножителя, первым входом К-го ( 3N+1) умножителя и первым входом i-r (,N) элемента И, выход- которого подключен к второму входу К-го ( 3N-H) умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом (3N+2)-ro умножителя, выход которого подключен к входу третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом ()-ro умножителя, выход которого подключен к второму вхо щ первого счетчика, выход j-ro (j N+2, 2N+1) умножителя соединен с i-м (,N) входом третьего блока памяти выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен с входом третьего счетчика, выход которого подключен к второму входу (3N-i-2)-ro умножителя, вход регистра обьединен с входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с nepBbtM входом (3N+4)-ro умножителя, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход чет вертого блока памяти подключен к второму входу (3N-4)-ro умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с первым входом ()-ro элемента И,, выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющим входам третьего и четвертого блоков памяти, второй ВЬЕХОД генератора импульсов соединен с входом кольцевого счетчика, 1-й (, N+1) выход которого подключен к второму входу 1-го элемента И, а (М+2)-й выход кольцевого счетчика соединен с его выходом, выход первого накапливающего сумматора подключен к входу (N+l)-ro квадратора, выход которого соединен с входом усилителя. 844 выход (N-fl)-ro умножителя соединен с вторым входом (3N+3)-ro умножителя, а выход второго накапливающего сумматора соединен с вторым входом (, 2N-I-1) умножителя, между входом второго накаппивакщего сум-, матора и вторым входом j-rp умножителя включен дополнительный сумматор, второй вход которого соединен с входом устройства для 1Ц1фровой фильтрации. На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для цифровой фильтрации. Устройство для цифровой фильтрации содержит регистр 1, генератор 2 импульсов, блок 3 вычисления дисперсии, умножитель 4j-й (, 2N+1), умножитель 5 1-й(, умножитель 6 К-й (, 3N+1), элемен- . ты И 7, квадраторы 8, второй накапливающий сумматор 9, третий блок 10 памяти, сумматор 11, умножитель 12 (ЗМ+4)-й, четвертый блок 13 памяти, третий счетчик 14, умножитель 15 (ЗЫ+2)-й, кольцевой счетчик 16, второй счетчик 17, умножитель 18 (3N+3)-и, первый накапливающий сумматор 19, усилитель 20, умножитель 21 (К+О-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)3 генератора 2 импульсов, блока 3 вычисления дисперсии. 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 Cfj . На вторые входы умножителей 4 поступает CHrnajt 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 умножитеJ1лей 4 полученные N значений матрицыстолбца Г x(j)+y(j)Jx(j) записываются в третий блок 10 памяти. Одновременно в блоке 3 определяется дисперсия входного сигнала, поскольку дисперсию помехи отдельно определить невоз можно. Сигнал С|, снимаемый с одного из выходов кольцевого счетчика 16, поступает на вход (п+1)-го элемента И 7, с выхода которого импульсы поступают на вход элемента задержки 25 и входы третьего и четвертого блоков 10 и 13 памяти. Эти импульсы считывают из четвертого блока памяти 13 значения нормированной корреляционной функции помехи, которые поступают на второй вход умножителя 12, где умножаются на величину текущего значения дисперсии, поступающего с блока 3. Полученные значения корреляционной вектор-функции Кип поступают на второй вход первого сумматора 11, на первый вход которого пое тупают сигналы с третьего блока 10 памяти. В сумматоре 11 происходит алгебраическое суммирование сигналов соответствукицих величинам Р-прИ ( х(j)-y(j)х(J), после чего результат записывается в третий счетчик 1А После этого на выходе кольцевого счетчика 16 появляется сигнал С, . Си нал С поступает на второй вход первого элемента И 7, с выхода которого поступают на вторые входы всех умножителей 6. На выходе умножителей 6 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, соответствующие элементам вектора f x(j) -y(J)Jx(j)(j)(. Результаты умножения суммируются в третьем нак/ пливающем сумматоре 26. Сигналы с выхода N квадраторов 8 поступак на входы первого накапливающего г лматора 19, на выходе которого iглучает ся сигнал, пропорциональный геличине x(j)x(j). С выхода первог лакапливающего сумматора 19 сигнс т поступает на вход (N+1)-ro квадр.бра 8, на выходе которого получае / величина Этот сигч- г поступает на вход усилителя 20. .if выходе которого получается сигна; , обратный входному x(j)x(.i)J . сигнал в умножителе 21 умножаег;я на сигнал соответствующий некоторму постоянно 4 му значению, который хранится в первом блоке памяти 22. На выходе умножителя 21 получается сигнал, соответствующий величине К/| х (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 &W т.е. формирование вектора iiW(j), После записи в него величины bW на кольцевом счетчике 16 появляется сигнал С, и цикл формирования uW повторяется. Так продолжается до тех пор, пока в первом счетчике 23 не будет N значений W. После этого на выходе элемента задержки 25 появляется сигнал, поступающий на первый вход первого счетчика 23. В результате значения W; (j) переписываются во второй блок 24 памяти, где складываются с предьщущим значением вектора весовых коэффициентов W(j-1). 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 вьгходной 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 повыщает точность фильтрации с уменьшением интервала корреляции. Действительно, подставив в формулу для среднеквадратичного критерия качества вместо эталонного сигнала полезный сигнал S(j), вьфаженный через входной сигнал x(j) и помеху f(j), где все значения скалярны, получим критерий в виде 3w 4hoCjl-y(illV-M L5 iVijtj f5 м(х1- 21зП-у()-())-2(((5)(1Ь г . . -) -(1(7Последнее из выражений (1) после замены x(j) на сумму имеет S(j)(j) ((i(il--2w 5Ci Z(ih ((Ш2( 2) где x(j) - входной сигнал; y(j) - выходной сигнал; S(j) - полезный сигнал; М - операция математического ожидания; I7(j) - помеха. Поскольку (j)r(j) 0; (J) i(j)3 0, то выражение (2) имеет вид (J)(J)R2. (3) Подставляя выражение (3) в выраже ние (1), получим выражение для крите рия качества в виде + (j)-w4j)R.n. Градиент критерия качества (4) им ет вид И ) (j)-y(j)x{j)-R,,. Матрица вторых производных критерия качества равна (j)x4j). Поскольку устройство обрабатывает единичные реализации, то приходится иметь дело не с точными значениями градиента (5) и матрицу (6), а с их оценками, которые имеют вид 84 (J)-y(J)x(j)-R П x(j)x(j). В этом случае алгоритм определения весовых коэффициентов устройства, основанный на использовании метода Ньютона-Рафсона имеет вид Wj,, W(j). (8) Поскольку матрица ly вырождена, то обратной матрицы для нее не существует, В этом случае целесообразно использовать псевдообратную матрицу, определяемую выражением (j)x(j)/,x(j)x(j)/ (9) Справедливость выражения (9) легко устанавливается по условиям Пенроуза, характеризующим псевдообратную матрицу. С учетом выражений (7) и (9) алгоритм (8) в окончательном виде имеет вид ; Vr /xTJJ)/ (rx(J) -y(J)x(j)(j), где R(j) - корреляционная функция помехи. Из выражения (-10) видно, что если задана нормированная корреляционная функция помехи, то, умножая ее на текущую дисперсию входного сигнала (поскольку текущ то дисперсию помехи определить невозможно), можно определить (j), а следовательно, и выходной сигнал устройства в j-t-l момент времени в виде y(j + 1)W(j + 1)x(j-t-l). (11)

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