Устройство для обработки сигналов Советский патент 1990 года по МПК G01V1/24 

Изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано в сейс- моразведке для регистрации и обработки сигналов.

Цель изобретения - повышение отношения сигнал/шум путем проведения нелинейной цифровой фильтрации и селекции входного сигнала по скорости при нелинейных условиях распространения.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Схема устройства содержит первый аналого-цифровой преобразователь 1, первую входную шину 2, схему сравнения 3 кодов анализатора экстремумов, запоминающее устройство 4, входную шину 5 импульсов синхронизации, мультиплексор 6, регистры сдвига 7.1...7.1, дополнительный регистр 8, первый 9 м второй 10 триггеры, второй аналого- цифровой преобразователь 11, вторую входную шину 12, первый цифровой фильтр 13, второй цифровой фильтр 14, первую схему сравнения 15 кодов функций, вторую схему сравнения 16 кодов функций, первые и вторые регистры параллельного действия 17 и 18, буферный регистр 19, блок опорных функций

СП 1 00

&

J

20, блок синхронизации 21, первые выходы регистров сдвига 7, вторые выходы регистров сдвига 7, первые входы запоминающего устройства 4, первые, вторые и третьи входы мультиплексора 6, параллельные входы и выходы дополнительного регистра 8, первые и вторые входы схемы сравнения 3, выходы первого цифрового фильтра 13, выходные шины регистров параллельного действия 17 и 18 соответст- венно, первые и вторые входы буферного регистра 19, вторые входы и выходы ; первой15 и второй1 16 схем сравнения соответственно, управляющие входы первого 17 и второго 18 регистров параллельного Действия, информационные выходы, пятый выход, шестой йыход, седьмой выход блока синхронизации 21, соединительные ши

ны, второй вход запоминающего устройства 4, первый вход первого триггера 9, тактовые входы регистров сдвига .7, вход дополнительного регис ра 8, выходную шинчу 22.

Первый аналого-цифровой преобразователь 1 соединен с первой входной шиной 2. Выходы триггеров 9 и 10 соединены с первым и вторым адресными входами мультиплексора 6, выход второго триггера 10 соединен также с установочным входом первого тирггера 9, С-вход второго триггера 10 соединен с выходом схемы сравнения 3 кодов анализатора экстремумов.

Входная шина 5 импульсов синхронизации соединена с первым входом первого триггера 9, с тактовыми входами регистров сдвига и входом 1-разрядного дополнительного регистра 8.

Первый выход мультиплексора 6 соединен с входом последовательной записи первого регистра сдвига 7, а 1-й вход мультиплексора 6 - с входом последовательной записи 1-го регистра сдвига 7.1 соответственно, первые выходы 22 регистров сдвига 7 соединены с входйми запоминающего устройства 4 соответственно, вторые выходы регистров сдвига соединены с .вторыми информационными входами мультиплексора 6 соответственно и с параллельными входами дополнительного регистра 8 соответственно, вторые выходы регистров сдвига 7 соединены также с вторыми входами схемы сравнения 3 кодов анализатора экстремумов соот- ветственно, выходы дополнительного

. 30

35

т-25

-

57867Г4

регистра 8 подключены к третьим информационным в хрдам мультиплексора 6 соответственно.

Кроме того, второй аналого-цифровой преобразователь 11 соединен с второй входной шиной 12, выходы nep-i вого 1 и второго 11 аналого-цифровых преобразователей соединены соответJQ ственно с входами первого цифрового фильтра 13, выходы которого подключены к первым информационным входам мультиплексора 6, к первым входам схемы сравнения 3 кодов анализатора

J5 экстремумов, а также к входам второго цифрового фильтра 14 соответственно . Первые выходы второго цифрового фильтра 14 подключены непосредственно к первым входам первой схемы срав20 нения 15 кодов функций, а вторые выходы второго цифрового фильтра 14 - к первым входам второй схемы сравнения

16кодов функций соответственно, при этом первые и вторые выходы второго цифрового фильтра 14 через первые

17и вторые 18 регистры параллельного действия подключены соответствен но посредством шин к входам буферного регистра 19 и к вторым входам первой 15 и второй 16 схем сравнения кодов функций, выходы которых соединены с управляющими входами первого

17и второго 18 регистров параллельного действия. Выходы буферного регистра 19 соединены соответственно с входами блока опорных функций 20, выходы которого соответственно подключены к третьим входам первого цифрового фильтра 13 и к вторым входам второго цифрового фильтра 14.

Первый выход блока синхронизации 21 соединен с тактовыми входами первого 1. и второго 11 аналого-цифровых преобразователей, вторые и третьи выходы блока синхронизации 21, формирующие номера функций, соединены с вторыми входами первого 17 и второго

18регистров параллельного действия соответственно, четвертый выход блока синхронизации 21 подключен к входу блока опорных функций 20 и к буферному регистру 19, информационные выходы блока синхронизации 21 соединены соответственно с информационными входами мультиплексора 6,-установочный вход второго триггера 10 посредством шины соединен с пятым выходом блока синхронизации 21, шестой выход которого шиной соединен с установочными вхо40

45

SO

55

дами регистров сдвига, а седьмой - с входом запоминающего устройства 4, которое соединено с выходной шиной 22. Первый вход первого триггера 9 соединен с входной шиной 5 импульсов синхрониз ации.

ii

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В блоке синхронизации 2I импульсами синхронизации, идущими по шине 5, формируются импульсы, переключающие запоминающее устройство 4 в режим записи.

Триггеры 9 и 10 служат для управления мультиплексором 6. К моменту оцифровки аналогового сигнала блоком синхронизации 21 обеспечивается установка в исходное состояние триггеров 9 и 10, регистров сдвига 7.1... 7.1, первого 17 и второго 18 регистров параллельного действия, при этом мультиплексор 6 обеспечивает поключение выходов регистров сдвига 7.1...7.1 к входам их последовательной записи.

Входной сигнал U(t), представляющий собой функцию

№«

U(t) Re U(t)e

при этом

. j v(tf

U(t) U(t)e Uc(t) - ju5(t),

(f0 - центральная частота узкополосного сигнал.а, t - текущее время) поступает по первой входной шине 2 на первый 1 и по второй входной шине 12 на второй 11 аналого-цифровые преобразователи в виде синфазной составляющей комплексной огибающей

Uc(t) - U(t) cosV(t)

и квадратурной составляющей комплексной огибающей

Us(t) U(t) siny(t)

соответственно, где они подвергаются дискретизации во времени и квантованию по уровню амплитуд квадратурных (комплексных) составляющих.

Частота дискретизации аналого- цифровых преобразователей задается блоком синхронизации 21, на вход которого подаются импульсы синхронизации по входной шине 5.

Первый цифровой фильтр 13 осуществляет двумерную цифровую свертку сигналов Yc и Y9 первого 1 и второго 11 АЦП с опорными сигналами ХСв(1, m); Х5 (1,т), поступающими с блока опорных функций 20 в соответствии г формулой

3 Ь

Z2LUc(k-l, j.-э е

YCN(k,m)

хХ (l,j) + U5(k-l,m-j). XS|,(l,j);

5

0

0

5

0

J-7

U (k-l,m-j)

Ј«4. 5

Y5M(k,m) XCH(l,j) + Uc(k - l,m -j)-X5H(l,j,

где N - номер выходной функции, отличающейся опорной функцией по k,m,

и производит вычисление, функции вида

AN(k,m) F(YCN(k,m), YS||(k,m)),

5 где Uc(k,m),

U (k,m) - совокупность входных синфазных и квадратурных составляющих первого цифровогсГ фильтра, полученные дискретизацией сигнала на К отсчетов для каждого из m зондирований.

Во втором дифровом фильтре 14 вы-1 числяются функции

k Bu(n.,m) 2lA (k,m)h(n -k,0);

N « ц., П H

BN(k,n2) 2lAN(k,m)h(0,na-m),

0 Где h(k,0),

h(0,m) - опорные функции. Опорные функции формируются блоком опорных функций 20 и представляют собой импульсную характеристику

фильтра верхних частот для разных k и т. Далее,значения функции BN(n,m) обрабатываются первой схемой сравнения 15 кодов функции и первым регистром параллельного действия 17, а значения функции BM(k}ne) - второй схемой сравнения 16 кодов функции и вторым регистром параллельного действия 18 соответственно.

е При этом при превышении вновь пришедшего кода для каждой из функций над кодом, поступающим из регистра параллельного действия (17 или 18) этой же функции, соответствующая схема Сравнения 15 или 16 кодов функции формирует сигнал записи нового значения кода функции в регистр параллельного действия (17 или 18) соответствующей функции с фиксацией кода номера (N) функции в этом же регистре параллельного действия (17 или 18), идущих с блока синхронизации 21.

Зафиксированные в первом 17 и вто- ром 18 регистрах параллельного действия коды функций и их номера по сигналу с блока синхронизации 21 переписываются в буферный регистр 19, после чего импульсом из блока синхрони- зации 21 первый 17 и второй 18 регистры параллельного действия устанавливаются в исходное состояние.

Величины Brf() и Bjj(k,n) в блоке опорных функций 20 сравнивают- ся с порогами (заданными в виде постоянных коэффициентов) и служат для выбора соответствующих h(k,0), h(0,m) т.е. ширины полосы пропускания фильтра верхних частот. Чем меньше величи- ны В ц( п „ m), BN(k,n,,), тем ниже граничная частота полосы пропускания цифрового фильтра верхних частот. Выбором соответствующего номера изменяются опорные функции первого цифрово- го фильтра 13, соответствующие наилучшей фокусировке. Для повышения помехоустойчивости номера N могут быть усреднены путем суммирования за несколько циклов в блоке опорных функций 20.

Опорные функции ХСн(1,тп), Х5ч(1,т) формируются таблично в блоке опорных функций 20 посредством ППЗУ с учетом того, что опорная функция равна про- изведению функции окна (например, Хемминга, Ханнинга, прямоугольного) и импульсной характеристики, которая комплексно сопряжена с импульсной характеристикой модели распространения волн.

Коды с выхода первого цифрового фильтра 13 поступают одновременно на входы мультиплексора 6 и входы схемы сравнения 3 кодов, где сравниваются коды с выхода 32 первого цифрового фильтра 13 и коды с т-х разрядов регистров сдвига 7.1... 7.1, так как последние находились в исходном сое- тоянии (код, хранящийся в регистрах сдвига, меньше кода на выходе первого цифрового фильтра), срабатывает схема сравнения 3 кодов, выходная команда которой с задержкой устанавливает второй триггер 10 в единичное состояние, в результате чего через мультиплексор 6 происходит запись выходного кода с первого цифрового фильтра 13 на входы последовательной записи и регистров сдвига 7.1...7.1 на входы регистров с выхода блока синхронизации 21 по шине, коды которой соответствуют номерам каналов дальности и номерам каналов скорости

Таким образом, по окончании первого импульса синхронизации (команды с блока синхронизации 21 на регистры сдвига 7.1.,.7.1 и дополнительный регистр 8) происходит запись в регистры сдвига 7.1... 7.1 выходно го кода первого цифрового фильтра 13 и кодов номера канала дальности и номера канла скорости.

По переднему фронту очередного импульса синхронизации триггер 9 устанавливается в единичное состояние, изменяя адрес мультиплексора 6 так, что он подключает выходы дополнительного регистра 8 к входам последовательной записи регистров сдвига 7.1... 7.1 через входы мультиплексора 6.

С приходом т-1 импульсов синхронизации, по их заднему фронту происходит т-1 циклический сдвиг кодов, записанных в регистрах сдвига 7,1...7.1 и дополнительном регистре 8. Этим обеспечивается запись экстремального кода в т-1 разряды регистра сдвига 7.1...7.1, которые соответствуют самому большому весу. С приходом т+1 импульса синхронизации происходит следующая выдача нового кода с первого цифрового фильтра, при этом триггеры 9 и 10 устанавливаются в исходное состояние.

Алгоритм обработки для очередной выдачи кода с первого цифрового фильтра 13 (кроме последнего в данном цикле) происходит следующим образом.

Если схема сравнения 3 кодов анализатора экстремумов не срабатывает, то по заднему фронту импульсов синхронизации происходит сдвиг кодов в регистрах сдвига 7.

Если код аналого-цифрового преобразования не превысил коды, записанные в m разрядах регистров сдвига 7, то после m-го сдвига происходит новая выдача кода с первого цифрового

фильтра 13. Если код первого цифрового фильтра 13 превысил один из кодов, записанный в каком-то разряде регистров сдвига 7 после 1-го сдвига, то срабатывает схема сравнения 3 кодов, выходная команда которой. аналогично описанному устанавливает второй триггер 10 в единичное состояние, переключая мультиплексор 6 в режим приема выходного кода с первого цифрового фильтра 13 на входы последовательной записи регистров сдвига 7.1... 7.1, ас выходов блока синхронизации

20

25

30

21 - на входы последовательной записи 15 ответствует требуемому разрешению регистров сдвига 7.(d+1)...(7.1) соответственно, при этом код блока синхронизации 21 соответствует номеру кода дальности и скорости (азимута при синтезированной апертуре , или кажущейся скорости волны в данном цикле). По заднему фронту импульсов синхронизации происходит запись и сдвиг информации в регистрах сдвига 7 совместно с дополнительным регистром 8, поступающей с выходов первого цифро-. вого фильтра 13 и блока синхронизации 21. Далее по переднему фронту импульса синхронизации первый триггер 9 устанавливается в единичное состояние, подключая через мультиплексор 6 выходы дополнительного регистра 8 к входам последовательной записи регистров сдвига 7. При этом с приходом (т - 1 - 1) импульсов синхронизации происходит (т - 1 - 1) циклический сдвиг кодов, записанных в регистры сдвига 7 и дополнительный регистр 8, т.е. происходит вставка кода первого цифрового фильтра совместно с вытеснением младшего разряда в дополнительный регистр 8. Далее процесс повторяется.

По команде с блока синхронизации 21 информация с выходов регистров сдвига 7 переписывается в запоминающее устройство 4 без прекращения анализа и обработки сигналов, по очередной команде с блока синхронизации 21 запоминающее устройство 4 переключается в режим считывания информации по выходной шине 22, при этом триггеры 9 и 10, регистры сдвига 7, регистры параллельного действия 17 и 18 устанавливаются в исходное состо-55 яние.

35

40

4S

50

сигнала по обеим координатам. Прич адаптивный выбор полосы пропускани второго цифрового фильтра также ос ществляется блоком опорных функций задающим пороговые значения, по ко рым происходит сравнение входного нала второго цифрового фильтра в д ной полосе частот, что позволяет п изводить выбор полосы в изменяюшда ся условиях приема. Улучшение отно ния сигнал/шум при когерентном нак лении может быть п, где п - числ суммирований по выбранной системе динат.

Предлагаемое устройство для об ботки сигналов позволяет улучшить ношение сигнал/шум путем введения линейной цифровой фильтрации, расширить функциональные возможности за счет селекции входного сигнала по скорости при нелинейных условия распространения с возможностью ада тирования к изменениям условий при ма сигнала.

Предложенное устройство, исполь зующее для цифровой фильтрации когерентную обработку сигнала, позволяет получить разрешение по скорости, улучшить соотношение сигнал шум в п раз, где п - порядок фильт кроме того, при недостаточности ап орных данных устройство позволяет самонастраиваться по двум координа там (скорости и дальности), тем са мым стабилизируя отношение сигнал/ шум и разрешающую способность.

Так, если на входе первого цифрового фильтра отношение сигнал/шу по напряжению составляет

А/О1,

h

Таким образом, устройство для обработки сигналов осуществляет много

мерную нелинейную фильтрацию, что позволяет осуществить сверхнаправленную когерентную обработку сигнала. Выбор и коррекция нелинейности скорости и дальности осуществляется первым цифровым фильтром при помощи выбора опорных функций, которые заранее рассчитаны исходя из геометрических соотношений распространения волн. Выбор опорных функций осуществляется по настройке на верхних частотах совместной полосы пропускания первого и второго цифровых фильтров, что со

ответствует требуемому разрешению

сигнала по обеим координатам. Причем адаптивный выбор полосы пропускания второго цифрового фильтра также осуществляется блоком опорных функций, задающим пороговые значения, по которым происходит сравнение входного сигнала второго цифрового фильтра в данной полосе частот, что позволяет производить выбор полосы в изменяюшда- ся условиях приема. Улучшение отношения сигнал/шум при когерентном накоплении может быть п, где п - число суммирований по выбранной системе координат.

Предлагаемое устройство для обработки сигналов позволяет улучшить отношение сигнал/шум путем введения не-, линейной цифровой фильтрации, расширить функциональные возможности за счет селекции входного сигнала по скорости при нелинейных условиях распространения с возможностью адаптирования к изменениям условий приема сигнала.

Предложенное устройство, использующее для цифровой фильтрации когерентную обработку сигнала, позволяет получить разрешение по скорости, улучшить соотношение сигнал/ шум в п раз, где п - порядок фильтра, кроме того, при недостаточности априорных данных устройство позволяет самонастраиваться по двум координатам (скорости и дальности), тем самым стабилизируя отношение сигнал/ шум и разрешающую способность.

Так, если на входе первого цифрового фильтра отношение сигнал/шум по напряжению составляет

А/О1,

А - б„h

амплитуда сигнала; дисперсия шума,

то на выходе перрого цифрового фильт- ра амплитуда максимального импульса равна сумме средних значений (nA), a дисперсия шума - сумме дисперсий (n6h).,

Поэтому, отношение сигнал/шум на выходе интегратора по напряжению составляет

пА

щ;

-AR,

а по мощности соответственно

2

1 , r-1,2 a s ()

при этом

iNft&f,

где

NO спектральная плотность шума; bf - эффективная ширина спектра. Следовательно выигрыш в отношении сигнал/шум улучшается в п раз.

Формула и з обретения

Устройство для обработки сигналов, содержащее первый аналого-цифровой преобразователь, соединенный с первой входной шиной, схему сравнения кодов анализатора экстремумов, входную шину импульсов синхронизации, запоми- нающее устройство, мультиплексор, 1 регистров сдвига, дополнительный регистр, первый и второй триггеры,вы- ходы которых соединены с первым и вторым адресными входами мультиплексора соответственно, выход второго триггера соединен также с установочным входом первого триггера, С-вход второго триггера соединен с выходом первой схемы сравнения кодов, входная шина импульсов синхронизации соединена с С-входом первого триггера, с тактовыми входами регистров сдвига, 1- разрядного дополнительного регистра, первый выход мультиплексора соединен с входом последовательной записи первого регистра сдвига, а 1-й выход мультиплексора - с входом последовательной записи.- 1-го регистра сдвига соответственно, первые выходы регистров сдвига соединены с входами запоминающего устройства соответственно, вторые выходы регистров сдвига соединены с вторыми информационными входами мультиплексора соответственно и с параллельными входами дополнительного регистра соответственно, выходы которого подключены к третьим ин

формационным входам мультиплексора соответственно; вторые выходы регистров сдвига соединены также с входами первой схемы сравнения кодов соответственно, отличающееся тем, что, с целью улучшения отношения сигнал/шум путем введения нелинейной цифровой.фильтрации и селекции вход0 ного сигнала по скорости при нелинейных условиях распространения, в него введены второй аналого-цифровой преобразователь, соединенный с второй входной шиной, первый и второй циф5 ровые фильтры, первая и вторая схемы сравнения кодов функций, первый и второй регистры параллельного действия, буферный регистр, блок опорных функций, блок синхронизации, соединен0 ный с входной шиной импульсов синхронизации, и выходная шина, подключенная к выходу запоминающего устройства, при этом выходы первого и второго аналого-цифровых преобразовате5 лей соединены соответственно с первыми и вторыми входами первого цифрового фильтра, d-выходы которого подключены к первым d информационным входам мультиплексора и к d-входам схемы

0 сравнения кодов анализатора экстремумов, а также к первым входам второго цифрового фильтра соответственно, первые выходы которого подключены к первым входам первой схемы сравнения кодов функций и к первым входам первого регистра параллельного действия, а вторые выходы второго цифрового фильтра подключены к первым входам второй схемы сравнения кодов функций и к первым входам второго регистра параллельного действия соответственно4

выходы первого регистра параллельного действия соединены с вторыми входами первой схемы сравнения кодов функе ций и с первыми входами буферного регистра, выходы второго регистра параллельного действия соединены с вторыми входами второй схемы сравнения кодов функций и с вторыми вхо0 дами буферного регистра, выход первой схемы сравнения кодов функций подключен к установочному входу первого регистра параллельного действия, а выход второй схемы сравнения кодов

5 функций подключен к установочному входу второго регистра параллельного действия, первые выходы буферного регистра через блок опорных функций соединены с третьими входами пер5

0

вого цифрового фильтра, а вторые выходы буферного регистра через блок опорных функций - с вторыми входами второго цифрового фильтра, кроме то- го, первый выход блока синхронизации соединен с тактовыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, вторые входы первого и второго регистров параллельного действия соединены соответственно с вторыми и третьими выходами блока синхронизации, четвертый выход которого соединен с блоком опорных функций и буферным регистром, d + 1... 1 информационные входы мультиплексора соединены с информационными выходами блока синхронизации, пятый выход которого соединен с установочным входом второго триггера, шестой выход блока синхронизации соединен с установочными входами регистров сдвига, а седьмой выход - с запоминающим устройством.

Изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано в сейсморазведке для регистрации и обработки сигналов. Целью изобретения является повышение отношения сигнал/шум путем введения нелинейной цифровой фильтрации селекции входного сигнала по скорости при нелинейных условиях распространения. Устройство содержит два аналого-цифровых преобразователя, схему сравнения кодов анализатора экстремумов, запоминающее устройство, мультиплексор, L регистров сдвига, дополнительный регистр, первый и второй триггеры, первый и второй цифровые фильтры, первую и вторую схемы сравнения кодов функций, первый и второй регистры параллельного действия, буферный регистр, блок опорных функций, блок синхронизации. Изобретение позволяет путем многомерной фильтрации осуществлять направленную когерентную обработку сигнала, улучшить в N раз отношение сигнал/помеха (N - число накоплений), а при недостаточной априорной информации о сигнале - самонастраиваться по двум координатам (скорость, дальность). 1 ил.