Адаптивный фильтр Советский патент 1984 года по МПК H03H21/00 

Изобретение относится к радиотех нике и может быть использовано в устройствах цифровой обработки сигналов систем обнаружения, связи и управления. Известен адаптивный фильтр, соде зкащий лини-j задержки на N сдвиговых регистрах, выходы которых через соответствующие N адаптийных весовых коэффи1щентов подключены к входам сумматора, и блок обратной связи, включенный между выходом сумматора и входами адаптивных весо вых коэффициентов til. Указанное устройство хорошо работает при слабокоррелированном входном сигнале когда мало отношение максимального и минимального собственных значений корреляционной матрицы входного сигнала. От этого отношения зависит скорость настройки указанного адаптивного фильтра, что обуславливает его недостаток медленную скорость настройки при сильно коррелированном входном сигнале, когда отношение максимального и минимального собственных значений корреляционной матрицы входного сиг нала велико. Известен адаптивный фильтр, рабо тающий по алгоритму минимальной среднеквадратической ошибки в частотной области, содержапщй два блока N точечного быстрого преобразо вания Фурье, выходы которых через блоки комплексных адаптивных коэффициентов подключены к входам соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами блока N точечного обратного быстрого преобразования Фурье 2. Указаггаый адаптивиьга фильтр отли чается высокой скоростью сходимости с малым количеством вычислений (в расчете на один отсчет выходного сигнала, при условии поблочной обработки входных сигналов). Однако высокая скорость сходимости достигается за счет независимой настройки каждого из N комплексных адаптивных коэффи.циентов. При том на выходе пол чается маленькая среднеквадратическая ошибка лишь при слабокоррелированных входных сигналах (интервал корреляции которых много меньше размерности используемого БПФ), для которых выходные сиг налы каждого блока БПФ слабозависи2мы между собой. Поэтому независимая настройка каждого из N комплексных адаптивных коэффициентов обуславливает недостаток этого адаптивного фильтра - большую среднеквадратическую ошибку.на выходе при сильно коррелированных входных сигналах (интервал корреляции -которых соизмерим с размерностью используемого БПФ). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является адаптивный фильтр, содержащий последовательно соединенные блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ), блок перемножения, сумматор, вычитатель и блок формирования весового коэффициента,, а также блок деления и блок нормирующих коэффициентов, входы которых объединены и подключены к выходам блока ДПФ, а выходы блока нормирующих коэффициентов соединены с другими входами блока перемножения через последовательно соединенные блок деления и блок формирования весового коэффициента 2. В этом адаптивном фильтре на вход блока ДПФ, являюшJ йcя первым, входом адаптивного фильтра, поступает входной сигнал . t п 1 , на второй вход адаптивного фильтра, являющийся первым входом вычитат еля, поступает желаешт отклик Необходимым условием является .наличие adCvil составляющих, коррелированных с ft L 1 . Этот адаптивный фильтр настраивается по критерию минимума среднеквадратической ошибки 31, минимизируя функционал качества I--Al{(drnJ-vjCnll, - знак математического ожидания, уСи1 - выходной сигнал, п - номер текущего шага настройки. Однако этот адаптивньй фильтр арактеризуется недостаточной точостью фильтрации, обусловленной тем, то структура.прототипа не учитыает сильной.корреляции между сигалами, на выходах блока ДПФ с близ ими номерами, при сильно коррелиованном входном сигнале. Корреляия объясняется существенным-перерытием .амплитудно-частотных характеристик соседних фильтров гребенки которой эквивалентно ДПФ. Цель изобретения - повышение точности фильтрации. Поставленная.цель достигается тем, что в адаптивный фильтр, содер жащий последовательно соединенные блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ), вход которого является первым входом адаптивного фильтра, блок перемножения, сумматор, вычитатель, второй вход которого является вторым входом адаптивного филь ра, и блок формирования весового коэффициента, выходы которого подключены к другой группе входов блока перемножителя, а также блок деле ния, первая группа входов которого объединена с соответствующими входа ми блока нормирующих коэффициентов и подключена к соответствующим выхо дам блока ДПФ, а вторая группа входов подключена к соответствующим выходам блока нормирующих коэффициентов, введены два распределителя и N решающих блоков, причем входы первого распределителя подключены к соответствующим выходам блока ДПФ, i - я группа выходов к.первому входу -i -го (i 1,N ) решающего блока, входы второго распределителя подключены к соответствующим выходам блока деления, i -я группа выходов - к второму входу I-го решающего блока, третий вход которого соединен с i -м выходом блока нормирующих коэффициентов, а выход - с i -м входом блока формирования весового коэффициента, при этом i-и решающий блок состоит из последовательно соединенных первого блока умножения, первая группа входов которого является первым входом решающего блока,.сумматора, з ножителя, второго блока умножения,первого блока вычитания, второго блока вьиитания и запоминающего устройства, выходы которого подключены к второй группе входов второго блока вычитания и к второй группе входов первого блока умножения, делителя, вход которого является третьим входом решающего блока, а выход подключен к другому входу первого блок вьиитания, а также первого блока комплексного сопряжения, входы которого являются вторым входом решающего блока, а выходы подключены. к другой группе входов второго блока умножения, и второго блока комплексного сопряжения, вход которого подключен к выходу сумматора, а выход является выходом решающего блoka. На чертеже представлена структурная электрическая схема адаптивного фильтра. Адаптивный фильтр содержит блок 1 дискретного преобразования Фурье (ДПФ) 1, блок 2 перемножения,блок 3 деления, блок 4 нормирующих коэффициентов, блок 5 формирования весового коэффи1Ц1ента, сумматор 6, вычитатель 7, распределители 8 и 9, решающие блоки (lO-l)-(IO-N). Каждый решающий блок 10- i состоит из первого блока 11-1 умноже ния, запоминающего устройства 12-1 сумматора 13-1 , умножителя 14- i , первого блока 15-i комплексного сопряжения, второго блока 16-i умножения, первого блока 1 7- -i вычитания, второго блока 18- i вычитания, делителя 19- i второго блока 20-1 комплексного сопряжения. Адаптивный фильтр работает следующим образом. Входной сигнал X Г И поступает на вход блока 1 дискретного преобразования Фурье (ДПФ), который осуществляет преобразование в частотную область. Сигналы Q v.. Q выходов блока 1 ДПФ поступают на блок 2 перемножения, блок 3 деления, блок 4 нормирующих коэффициентов . Йа вторую группу из N входов блока 2 перемножения поступает с N выходов блока 5 формирования весового коэффициента значения весовых коэффициентов фильтра в частотной области WQ ... , Q |i выходных сигналов блока перемножения, каждьй Д -и (i 1,N) из которых равен произведению 1 -го выходного сигнала блока 1 ДПФ и -го выходного сигнала блока 5 формирования весового коэффициента, поступают на N входов сумматора 6, на выходе которого получается их-cyNB a t 1 -выходной сигнал адаптивного фильтра. Вычи- татель 7 формирует на своем выходе сигнал ошибки 6 С и равный разности желаемого отклика d С 1 и выходного сигнала Ч t hi которые поступают на первый и второй его входы соответственно. Блок 4 нормирующих коэффициентов вырабатывает оценки мощности (вычисленные путем усреднения с помощью подвижного окна) си налов на вькодах блока 1 ДПФ, N си налов - оценок мощностей поступают с выходов блока 4 нормирующих коэффициентов на вторую группу входов блока 3 деления. На выходе блока 3 N сигналoBj каждый л -и из которых равен отношению сигнала на выходе блока,1 ДПФ к сигналу на i-M выходе блока 4 нормирующих коэф фициентов. Сигналы с выхода блока 3 деления поступают через распределители 8 и 9 И J решающих блоков (lO-l)-(IO-ti) на N входов блока 5 формирования весового коэффициента па (1 + 1)-и вход которого поступает с выхода вдаитателя 7 сигнал ошибка ,t(3.B блоке 5 фсЗрмирования весового коэффициента осуществляется хранение текущих весовых коэффициентов фильтра и вычисление следующи их значений. Наилучшей коррекцией сигнала на i-M входе блока 5 формирования весового коэффициента явл ется подача на этот вход взвешенной суммы выходных сигналов блока 1 ДПФ где веса равны элементам . л-и стро ки обратной корреляционной матрицы выходных сигналов блока 1 ДПФ. Дискретное преобразование Фурье размерности N эквивалентно гребенке фильтров. Передаточная харак теристика К. -го фильтра гребенки Н,и) -E-e-i отсюда амплитудно-частотная характеристика К -го фильтра SinlNto/il Hktw)l Sinluj/l-liK/N) где W - нормированная круговая час тота , W 23t-t/i, где - частота, тактовая частота работы фильтра. Уровень боковых лепестков этой характеристики спадает по мере удаления от главного лепестка, рас положенного на частоте to Ли/N (например, при .f 256 уровень третьего бокового лепестка меньше уровня главного лепестка более, чем на 20 о d , десятого - на 30cidj тридцатого на ) и степень перекрытия характеристик t -го фильтра и (K.iw)-ro, где rv х 4, считают незначительной. Если корреляционная матрица сильно коррелированного входного процесса во временной области заполнена полностью, то в частотной области существенную по модулю величину имеют лищь элементы на главной диагонали и трех диагоналях сверху и снизу от нее. Поэтому в каждом решающем блоке 10- -1 производится взвешенное суммирование выходных сигналов блока 1 ДПФ только с номерами от i -3 по +3 (для N-3), от 1 до 1+3 (для Ч 1,2,3) и от i-3 до fJ (для i N-2, N-1,N) с весовыми коэффициентами решающего блока 10-1, равными четвертой (для л - 4) или 1 -и (для 1,2,3) строке обратной корреляционной матрицы этих сигналов. Эти весовые коэффициенты адаптивно обновляются на каждом шаге и хранятся в решающих блоках (10-1)-(10-N). Подачу выходных сигналов блока 1 ДПФ с номерами от -i -3 по +3 (для 1 4 -т N-3),- от 1 до 1+3 (для 1 1,2,3) и от -1 -3 по N (для ,,W ) на каждый решающий блок 10- i осуществляет первый распределитель 8, на входы которого поступают Н выходных сигналов блока 1 ДПФ, а на выходах у него N требуемых групп. Второй распределитель 9 работает аналогично первому, только на его входы поступает N выходньпс сигналов блока 3 деления нормированных вькодных сигналов блока 1 ДПФ, группы которых с такими же номерами как и на выходе первого распределителя 8 используются при адаптивном обновлении весовых коэффициентов в решающих блоках (10-1)(10-N). Решающий блок 10-1 (i 1,N) работает следующим образом. На первую группу входов из X -t входов первого блока 11- i умножения поступают сигналы с i -и группы выходов первого распределителя 8 и в нем происходит перемножение каждого из этих сигналов на свои веса, значения которых поступают на входы второй группы с такими же номерами с выходов запоминающего устроГютва 12- i. Взвешенные сиг налы с пыхолов парного блока 11- i умножсмтя поступают на f(/ входов сумматора 13- , выходной сигнал к торого поступает на вход второго блока 14-1 комплексного сопряжения выходной сигнал которого является выходным сигналом решающего блока 10-1 и поступает на i -и вход блока 5 формирования весового коэф фйциента. Кроме того, выходной сиг нал сумматора 13- i поступает на .умножителя 14-1 который осуществл ет умножение на постоянньм коэффициент K- На 1 1 входов первог блока 15- 1 комплексного сопряжения поступают сигналы i -и группы выходов второго распределителя 9, комплексно-сопряженные входные сиг с выходов блока 15-i компле ного сопряжения поступают Ha. входов второго блока 16-i умножения, в котором происходит перемножение каждого входного сигнала на выходной сигнал yмнoжиteля 14-1-fci сигналов с выходов второго блока 16- 1 умножения поступают на вход первого блока 17-1 вычитания. В первом блоке 17- вычитания произ водится вычитание из четвертого (для /- 4) или из 1 -го (для i 2,3) входного сигнала выходного сигнала делителя 19-i. Делитель 19- 1 ос1Ш1ествляет деление постоян ного коэффициента на -и нормирующий коэффициент Л i который поступает на его вход с i -го выхо да блока 4 нормирующих коэффициентов. i выходных сигналов первого блока 17- ( вычитания поступают на первую группу входов второго блока 18-i- вычитания, на вторую группу из К i входов которого поступают текущие значения весовых коэффициентов с выходов запоминающего устройства 12- i , Во втором блоке 18-i вычитания из текущих значений, весовьк коэффициентов решающего блока lO-i вычитаются выходные сигналы первого .блока 17-1 вычитания, которые поступают на входы с одинаковыми номерами соответственно во второй и первой группе входов. Получающиеся Л i выходных сигналов являются значениями весовьпс коэффициентов решающего блока 10- i для следующего шага и поступают на вход запоминающего устройства 12-i .. Работу решающих блоков (10-1)(10-N) можно пояснить следующ1Л4 образом. Посредством первого блока 15- 1 комплексного сопряжения, второго блока 16- 1 умножения,первого блока 17-1 вьмитания, второго блока 18-1 вычитания, запоминающего устройства 12- ч делителя 19-1 и умножителя 14- i в каждом решающем блоке 10- i для адаптивного обновления весовых коэффициентов G решающего блока 10-i реализуется итерационное решение системы линейных алгебраических уравнений ,, гдеГК и - текущая оценка корреляционной матрицы выходных сигналов блока 1 ДПФ с номерами от i -3 до i+3 (для 1 4-r(N-3), от 1 до i+3 (для i 1,2,3) и от i-3 по N (i N -2, N-1,N )i .ji--gi лэ, 1-4-(N-31 ,...,д.,,з 1ЛД 1.i л N-1, ,М - вектор настраиваемых весовых коэффициентов решающего блока 10-1 , r-i - направляющий вектор - столбец (такой же размерности как ),. у которого четвертый (для 04) либо 1 -и (для 1 1,2,3) элемент равен единице, остальные нули. При,этом используется свойство 1-и строки обратной матрицы при домножении на саму матрицу давать вектор-строку с 1 на i -м месте и с нулями на остальных. Итерационное решение поясняется уравнением , ,;Cn yrLиl(.LnlXg.LnЗC., i - постоянный коэффициент (), Г - диагональная м атрнца с элементами на диагонали ..ь олл i % 4 V.-.-lAUi qNA -,1,5 . .лА M-a, де . М - оценки мощности CHrHeaitif на выходах блока 1 ДПФ х к а I- ) а г т 5л, ,,..N-) - 1 -- , u - Gl . - Q -I9 .5 о,--. г ,H-A,N; Работа всего фильтра поясняется уравнениями ,т tjCn WQtnl-XQ n j ELnbdlt l-yt-, WqLn-v 1 WqLn Qlnl) Sii Зп 21 3«4 13 «JW

дач 9.32 93i JM 3ь5 3 ье Зм 9 945 q46 (

G W

.- VОПри этом блок 1 ДПФ состоит из (N-1) элементов памяти, объедияенны блоков, выполняющем непосредственно дискретное преобразование Фурье по любой из схем быстрого преобразования Фурье. Блок перемножения постро ен на основе N умножителей комплек ных чисел; на входы А -го ( 1,N умножителя постз ают -е выходные сигналы блока 1 ДПФ и блока 5 формирования весового коэффициента . Блок 5 формирования весового коэффициента вьтолнен на N умножителях, на первые входы которого подаются сигналы с выходов решающих блоков (lO-l)-(IO-N), а на вторые входы сигнал с выхода (N+1)-ro умножителя, который домножает сигнал о1Ш1бки С пЗ на постоянный скалярный коэффициент адаптации. ВыходыN умножителей соединены со вкодами сумматоров, на вторые входы которых подаются текущие значения весовых коэффициентов фильтра в частотной области с выходов регистров включен ных на выходах сумматоров. Выходные сигналы регистров образуют весовые коэффициенты фильтра. fQ -с

Ч . QN-2N

Vо

N Ч iNN-3 NN-2(jNH-4 %N ГАЕ VJQLnMv);Ln,..., вектор весовых коэффициентов фильтра в частотной области, К.Г.--(хвМ,..хЧи1 вектор сигналов на выходах блока 1 ДПФ; у п - выходной сигнал сумматора 6; - опибка на выходе блока 7 вычитания: - постоянный коэффициент адаптации; G С Т матричньй коэффициент адаптации; 15 Блок 3 деления содержит М держателей, на первые входы которых поступают выходные сигналы блока 1 ДПФ, а на вторые входы - сигналы с выходов блока 4 нормирующих коэффициентов. Делители, осуществляют деление Q/ r--rN) Блок 4 нормирующих коэффициентов состоит из N блоков оценки мощности, каждый из которых содержит блок комплексного сопряжения, перемножитель, на .входы которых поступает сигнал V л. , С выхода блока комплекс 1 Чь кого сопряжения сигнал К поступает на второй вход перемножителя,сигнал у Q с выхода перемножителя поступает на вход первого умножителя, которыйосуществляет домножение на постоянный коэффициент (1-р), где р - коэффидаент сглаживания оценки мощности. Предьщущее значение оценки мощности Л с выхода регистра поступает на вход второго умножителя, который осуществляют 111 домножение на Р Сигнал р, поступает с выхода второго умножителя на вход сумматора, на выходе которого получается новое значение . В целом работа -го блока оценки мощности поясняется уравнением . + i XAtnl-pni-p1 XQCnl-xJjC«l. Схема первого блока 11- i умножения аналогична по вьтолнению схеме блока 2 перемножения, имеет две группы входов по входов в каждой R. выходов и содержит К. V умножителей. Второй блок 16- i перемножителя также содержит К умножителей, на первые входы которого поступают сиг налы с выходов первого блока 15-1 комплексного со1фяжения,а на вторые входы - сигнал с выхода умножителя 14Второй блок 18- вычитания содержит L J вычитаю1цих устройств, которые осуществляют вычитание из весовых коэффициентов решающего блока 10- , поступающих на вторую группу входов блока 18-i вычитания с §ыход о в запоминающего устройст ва 12-1 , соответствующих сигналов с выходов первого блока вычитания 17-i . Таким образом, в адаптивном фильтре повьшается точность фильтрации вследствие осзгществления на. каждом шаге коррекции поправки к весовым коэффициентам в частной области с учетом коррелированности соседних выходных сигналов блока ДПФ.

АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ), вход которого является первым входом адаптивного фильтра, блок перемножения, сумматор, вычитатель, второй вход которого является вторым входом адаптивного фильтра, и блок формирования весового коэффициента, выходы которого подключены к другой группе входов блока перемножения, а также блок деления, первая группа входов которого объединена с соответствующими входами блока нормирующих коэффициентов и подключена к соответствующим выходам блока ДПФ, а вторая группа входов подключена к соответствующим выходам блока нормирующих коэффициентов, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности фильтрации введены два распределителя и N решаю-, щих блоков, причем входы первого распредели.теля подключены к соответствующим выходам блока ДПФ, i -я группа выходов - к первому входу -гс (l 1,N ) решающего блока, входы второго распределителя подключены к соответствующим выходам блока деления, л -я группа выходов - к второму входу 1 -го решающего блока, третий вход которого соединен с 1-м выходом блока нормирующих коэффициентов, а выход - с -1 -м входом блока формирования весового коэффициента,при этом i -и решающий блок состоит из последовательно соединенных первого (Л блока умножения, первая группа вхос дов которого является первым входом решающего блока, сз мматора, умножителя, второго блока умножения, первого блока вычитания, второго блока вычитания и запоминающего устройства, выходы которого подключены к второй группе входов второго блока вычитания и к второй группе входов первого блока умножения, делителя, 9д вход которого является третьим вхосл с дом решающего блока, а выход подключен к другому входу первого блока. Kj вычитания, а также первого блока комплексного сопряжения, входы которого являются вторым входом решающего блока, а выходы подключены к другой группе входов второго блока умножения, и второго блока комплексного сопряжения, вход которого подключен к выходу сумматора, а выход является выходом решающего блока.