Адаптивный фильтр Советский патент 1989 года по МПК H03H21/00 

I L

Изобретение относится к радиотехнике и автоматике и может быть использовано для выделения полезной низкочастотной составляющей измеряемых сигналов. Цель изобретения - повышение точности фильтрации адаптивного фильтра. В фильтр введены блок 4 определения модуля, инерционное звено 5, блок 6 ограничения, ключ 10, блок 14 формирования импульса, блок 15 деления, блок 16 извлечения квадратного корня. При уменьшении энергетического уровня помехи Р и, следовательно, величин подстраиваемых параметров К₁ и К₂ амплитудно-частотная характеристика фильтра стремится к единице, а фазовый сдвиг, вносимый при этом фильтром, стремится к нулю. Амплитудно-фазовые искажения полезного сигнала, вносимые фильтром, уменьшаются, что приводит к повышению точности фильтрации. 1 ил.

П

77

П

J9

я

га

21

Передаточная функция квазиоптимального фильтра, выделяющего полезный сигнал из смеси полезного сигнала и аддиативной помехи, спектральные плотности мощности которых описываются соответственно дробно-рациональными выражениями вида:

е .nCwVj)

S,(Q,G)) Q -V--- Л (W +b;)

при m - 1 m - q О;

j. .

.)

при k 1 - 2

un + k + q - Ш - I -

описывается формулой: -|и .

У„„„(1оэ) 2 J

.ОПТ

R

П f(iw j.oL

. NO 7- 7; ., М

(N - нечетное)

|Z(t)j+KeB(t-t) при у,0 maxiZ(t} при у,:0, (3)

t-ut, t

Z()I -KBH(-t--t -At) ,

0

5

0

5

где y,(t) |Z(t)| - fZ(t) + K,Jt-t)| , t ;

) rz(t -bt) - |Z(t) -KBH() , t f +4t; Z(t) - является суммой полезногО|

сигнала и аддитивной помехи;К.,„, К-,. - коэффициенты, которые опреOD о п

деляются скоростью изменения полезного сигнала и ёы- бираются таким образом, чтобы с вероятностью близкой к единице выполнялось: KBB,(t)l ; t-At, t ,

t - момент времени, в который вьтолняется соотношение Ш) max Z(t},-- t е (,t);

fit - интервал времени наблюдения, который выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение

Оо

27 S(Q,G3)d(J &t . (4)

J QS(Q,OD)dtO

0

Формируемый согласно формуле (2) сигнал t(t) является оценкой суммы величин Q и R. Этот сигнал, формируемый на выходе интегратора, используется для осуществления квазиоптимальной непрерывной настройки полосы пропускания фильтра, путем изменения величин коэффициентов К и К„ в соответствии с выралсением (2) ,

1

В. соответствии с формулой (1) ком- 15 тивном случае. Блок 12 формирования

плексный коэффициент передачи пред- , лагаемого фильтра, определяется выражением

I

W

Q(p

(1,Ш) ---.-- -----.------(5)

. Запишем амплитудно-частотную и фа- зо-частотную характеристики предлагаемого фильтра.

(i,U)| Arg

1

(1-к,со)к|со

(6)

W,cp(i,W)

(7)

л -2 -Arctg -----;

Как следует из приведенных выражений, при уменьшении энергетического уровня помехи R и, следовательно, величин Kj и К амплитудно-частотная характеристика предлагаемого фильтра стремится к единице, а фазовый сдвиг, вносимый при этом фильтром, стремится к нулю. Следовательно, амплитудно-фазовые искажения полезного сигнала, вносимые заявляемым устройством, уменьшаются, что приводит к по

вьшению точности фильтрации.

В предлагаемом адаптивном фильтре во втором, третьем и четвертом блоках 8, 1, 7 вычитания формируются сигналь, равные алгебраической разности сигналов, поступающих на их вт рые и первые входы соответственно. Первый и второй усилители 9, 2 с ограничением усиливают поступающий на их входы сигнал в К раз и ограничивают усиленный сигнал в диапазоне -А, +А. Первый, второй, третий и четвер- тьш интеграторы 19, 21, 11, 3 предназначены для интегрирования их входных сигналов с постоянными времени

{

Bpei

.

, 2. Блок 4 определения модуля предназначен для формирования сигнала, равного модулю его входного сигнала.

223826

Инерционное звено 5 имеет, например, передаточную функцию 1

W

из т

Т Р+1 1, t -I-J

параметр предварительной на10

где стройки.

Блок 6 ограничения предназначен для ограничения снизу сигнала, поступающего на его вход, на уровне О, где - параметр предварительной настройки. Ключ 10 замкнут в случае отсутствия на его управляющем входе импульса управления и разомкнут в про

20

25

30

35

40 :

45

управляющих напряжении предназначен для формирования управляющих напряжений Ug и и, которые используются в блоках 13 и 14 соответственно. Компаратор 13 срабатывает в случае, если сигнал, поступающий на его второй вход, становится меньше Upr, О, поступающего на его первый вход. Блок 14 формирования импульса формирует импульс управления после срабатывания компаратора длительностью, пропорциональной напряжению, поступающему на его второй вход. Блок 15 деления предназначен для деления сигнала, поступающего на его второй вход, на сигнал, поступающий на его первый вход. . Блок 16 извлечения квадратного корня предназначен для формирования сигнала, равного корню квадратному его входного сигнала. Первый блок 17 вычитания предназначен для вычитания из сигнала, поступающего на его второй вход, суммы сигналов, поступающих на его первый и третий входы. Первый и второй блоки 18 и 20 умножения перемножают сигналы, поступающие на их первый и второй входы.

Адаптивньй фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал

Z(t) X(t) + (t),

где X(t - полезный сигнал; S(t) - аддитивная помеха, более высокочастотная, чем полезный сигнал, поступает на второй вход третьего блока 1 вычитания. На его первый вход поступает сигнал с выхода четвертого интегратора 3, который является грубой оценкой полезного сигнала X(t), На выхо- е третьего блока 1 вычитания формируется сигнал оценки помехи - (t), Который поступает на вход блока 4 определения модуля и далее для сгла71522382

живания на инерционное звено 5. В результате на выходе инерционного звена 5 формируется сигнал, пропорциональный среднеквадратическому значению помехи R, который подается на блок 6 ограничения и второй вход четвертого блока 7 вычитания. Кроме того, входной сигнал поступает на вто10

рой вход второго блока 8 вычитания. На его первый вход поступает сигнал (.P(t) с выхода третьего интегратора 11, который является оценкой суммы среднеквадратичных значений полезного сигнала и помехи q)(t) Q + R. Если . деления формируется сигнал уровень среднеквадр тического значе- Q/F который поступает на вход бло- ния помехи мал, то абсолютная величи- ка 16 извлечения квадратного корня, на производной входного сигнала по

первый вход четвертого блока 7 вычи тания, на второй вход которого поступает сигнал оценки уровня средне квадратического значения помехи. На выходе четвертого блока 7 формирует ся сигнал оценки среднеквадратическ го значения полезного сигнала Q, ко торый поступает на второй вход блока 15 деления. На первый вход блока 15 деления поступает ограниченный снизу сигнал оценки среднеквадрати- ческого значения помехи R. На выход

С в ыхода блока 16 сигнал, равный -1JQ/R, поступает в .качестве одного и сомножителей на первый и второй блоки 20 и 18 умножения. Первый блок 1 вычитания, второй блок 18 умножения первый интегратор 19, первый блок. 20 умножения и второй интегратор 21 обвремени ограничена ( dz/dt) К„„ К

вв

вн

и ключ 10 замкнут; нелинейный фильтр, состоящий-из блоков 8-11, остается в линейном режиме работы (коэффициент усиления К первого усилителя 9 и. постоянная, времени Т, третьего интегратора 11 выбирается таким образом, что-2с разуют фильтр с передаточной функци- бы выполнялось ТJ i К, а уровень огра- ей (1)., параметры которого самонаст- ничения А первого усилителя 9 - таким образом, чтобы выполнялось A/Tj ), а на выходе третьего интегратора I1 формируется функция c(t), практически совпадающая с входным сигналом Z(t).i Если уровень среднеквадратического ; значения помехи возрастает, то возрастает и сигнал ошибки, снимаемый с выход второго блока 8 вычитания, первый усилитель 9 входит в режим ограни-35 ния и второй блок умножения, последо- чения, и с выхода третьего интегра- вательно соединенные третий интегратора 11 снимается сигнал, равный:

1 гу

q)(t) K,5S.dt при

dZ 40

tf(t) при : -Ке„.

Кроме того, в моменты времени, ко: да входной сигнал Z(t) становится .меньше функции Lp(t) срабатывает комраиваются в соответствии с полученным значением.

Формула изобрет ения

Адаптивный фильтр, содержащий последовательно соединенные первый интегратор, первый блок умножения, второй интегратор, первьш блок вычитатор и.второй блок вычитания, последовательно соединенные четвертый интегратор и третий блок вычитания, а также четвертый блок вычитания и первый, и второй усилители, причем второй вход первого блока вычитания является входом адаптивного фильтра, выходом которого является выход втопаратор 13 (и, О), который запуска- 45 рого интегратора, отличающий - ет блок 14 формирования импульса. Дли- с я тем, что, с целью по.вьпдения точ- тельность этого импульса i . At ности фильтрации, введены ключ, по- деляется напряжением UA- и является следовательно соединенные блок опре- параметром предварительной настройки деления модуля, инерционное звено, и выбирается из условия (U). Напряже- 50 блок ограничения, .блок деления, блок ние UOP и напряжение U формируются в извлечения квадратного корня и после- блоке 12. При поступлении с блока 14 довательно соединенные блок формирова- импульса управления ключ 10 размыка- ния управляющих напряжений, koMnapa- ется ив течение этого промежутка вре- тор и блок формирования импульса, мени напряжение на выходе третьего , 55 выход которого соединен с управляющим интегратора 11 не изменяется. Таким входом ключа, а первый и второй уси- образом, на его выходе формируется лители выполнены усилителями согра- функция U)(t) согласно формуле (3). ничением, причем вторые входы второ8

0

деления формируется сигнал Q/F который поступает на вход бло- ка 16 извлечения квадратного корня,

л л

Функция cfCt) Q + R поступает на

первый вход четвертого блока 7 вычитания, на второй вход которого поступает сигнал оценки уровня средне- квадратического значения помехи. На выходе четвертого блока 7 формируется сигнал оценки среднеквадратическо- го значения полезного сигнала Q, который поступает на второй вход блока 15 деления. На первый вход блока 15 деления поступает ограниченный снизу сигнал оценки среднеквадрати- ческого значения помехи R. На выходе

. деления формируется сигнал Q/F который поступает на вход бло- ка 16 извлечения квадратного корня,

20

С в ыхода блока 16 сигнал, равный -1JQ/R, поступает в .качестве одного из сомножителей на первый и второй блоки 20 и 18 умножения. Первый блок 17 вычитания, второй блок 18 умножения, первый интегратор 19, первый блок. 20 умножения и второй интегратор 21 образуют фильтр с передаточной функци- ей (1)., параметры которого самонаст- ния и второй блок умножения, последо- вательно соединенные третий интеграраиваются в соответствии с полученным значением.

Формула изобрет ения

Адаптивный фильтр, содержащий последовательно соединенные первый интегратор, первый блок умножения, второй интегратор, первьш блок вычитаразуют фильтр с передаточной функци- ей (1)., параметры которого самонаст- ния и второй блок умножения, последо- вательно соединенные третий интегратор и.второй блок вычитания, последовательно соединенные четвертый интегратор и третий блок вычитания, а также четвертый блок вычитания и первый, и второй усилители, причем второй вход первого блока вычитания является входом адаптивного фильтра, выходом которого является выход второго интегратора, отличающий с я тем, что, с целью по.вьпдения точ- ности фильтрации, введены ключ, по- следовательно соединенные блок опре- деления модуля, инерционное звено, блок ограничения, .блок деления, блок извлечения квадратного корня и после- довательно соединенные блок формирова ния управляющих напряжений, koMnapa- тор и блок формирования импульса, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а первый и второй уси- лители выполнены усилителями согра- ничением, причем вторые входы второ9152238210

го и третьего блоков вычитания соеди-мирования импульса, а выход третьего

йены с вторым входом первого блокаинтегратора соединен с первым входом

вычитания, выход второго блока вы-четвертого блока вычитания, второй

читания соединен с вторым входомвход которого подключен к выходу инеркомпаратора и через последовательноционного звена, а четвертого

соединенный первый усилитель с огра-блока вычитания соединен с вторым

ничением и ключ с входом третьего .входом блока деления, вьшод блока изинтегратора, выход третьего блока вы-влечения квадратного корня соединен

читания соединен с входом блока onpe- |Qс вторыми входами первого и второго

деления модуля и через второй усили-блоков умножения, выход последнего

тель с ограничением с входом четвер-из которых соединен входом первого интого интегратора, второй выход блокатегратора, выход которого подключен к

формирования управляющих напряженийтретьему входу первого блока вычита подключен к второму входу блока фор- ния.