Многоканальное цифровое сглаживающее устройство Советский патент 1978 года по МПК G06F17/17 G06F17/18 

(54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ ЦИФРОВОЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для сглаживания и подавления гармонических составляющих случайных процессов.

Известно цифровое сглаживающее устройство l , содержащее сумматор, регистр, триггер, элементы И, ИЛИ. Выходы старших рязрядов сумматора соединены с соответствующими входами регистра, выходы которого соединены с младшими разрядами сумматора через элементы ИЛИ. Параметры фильтрации в данном устройстве устанавливаются конструктивным способом.

Устройство позволяет решить задачу цифровой фильтрации детерминированного сигнала на фоне аддитивной случайной помехи.

Однако это устройство не позволяет подавлять гармонические составляющие сигнала в низко- и инфранизкочастотном диапазонах с амплитудой, соизмеримой с дисперсией случайной части сигнала.

Наличие одной или нескольких гармонических составляющих в сигнале характерно, например, для автоматических систем регулирования, работающих в режиме автоколебаний, для

автоматизированных систем контроля технологических процессов, в которых пc eзный сигнал модулируется периодической помехой из-за флуктуационных явлений в газовой и жидкой среде, пульсаций в гидравлических и механических системах замера параметров, вибрации и других факторов.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство (2 , которое содержит формирователь тактов/ вход которого соединен с первым входом устройства, и в каждом канале элемент задержки и накапливающий сумматор, информационный вход накапливающего сумматора первого канала соединен с информационным входом устройства, выход накапливающего сумматора каждого предыдущего канала соединен с информациионным входом накапливающего сумматора последующего канала, выход накапливающего сумматора последнего канала соединен с .выходом устройства.

Данному устройству присущи те же недостатки, что и устройству рассмотренному выше, которые не позволяют достигнуть высокого качества сглаживания . 8 Целью изобретения является повыш ние эффективности сглаживэнил путем обеспечения возможности подавления .гармонических составляющих сигнала в низкочастотном и инфранизкочастот ном диапазонах с амплитудой,соизмеримой с дисперсией случайной части сигнала. Поставленная цель достигается тем, что в каждый канал устройства введен делитель частоты и регистр, первый вход которого подключен ко второму входу устройства, инверсные выходы поразрядно соединены со входами делителя частоты, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу формирователя тактЪв, а выход соединен со вторым вхо дом регистра, первым управляющим входом накапливающего сумматора и через элемент задержки со вторым управляющим входом накапливающего сумматора. Блок-схема устройства приведена на чертеже, где приняты следующие обозначения: канал 1; накапливающие сумматоры 2; элементы 3 задержки; блоки 4 деления тактовой частоты, включающие регистры 5 для ввода коэффициентоэ деления и делители частоты б, формирователь тактов 7, включающий элементы задержки 8, вх ды 9-11 и выход 12 устройства. Текущие значения исходного процесса поступают через вход 9 на вхо сумматора 2 первого канала. Со вход 10в регистр 5 заносится прямой ко коэффициента деления тактовой част ты. Последняя с периодом, равным периоду дискретизации исходного сл чайного процесса, поступает на вхо 11устройства. Каждый канал рассматриваемого устройства реализует частный случа цифрового алгоритма оператора экспоненциального сглаживания, описыв JMoro следующим рекуррентным соотно шением: Tp-ctX;(i-o6) , (1) где X, текущая дискрета входно го процесса, Y, - выходная текущая дискре сглаженного процесса, . - постоянная сглаживания. При oL - 2 имеем (Х-У;,,) (2) Для рассматриваемого П1 -каналь ного устройства алгоритм цифрового сглаживания записывается в следующ виде: Y Т С. .К - /, i 0 п-4-(3) Рассмотрим цикл работы определе .ного звена устройства в режиме сгл живания. Цикл состоит из двух такт в первом такте тактирующий сигнал производит сложение текущей дискреты предыдущего канала с сопержимим данного канала. Во втором такте этот же сигнал, задержанный посредством элемента задержки J на время, равное или &бльшее продолжительности операции сложения в первом такте, сдвигает содержимое сумматора 2 рассматриваемого канала вправо на один оазряд в соответствии с выражением, В этом же такте тактирующий сигнал, задержанный элементом задержки 8 на время, равное или больше времени сложения и сдвига в рассматриваемом канале, поступает для управления сумматором 2 последующего канала и производит описанные выше операции в этом каМале, но уже в следующем цикле. Принцип подавления содержащихся в исходном случайном процессе низкочастотных гармонических составляющих с амплитудой, соизмеримой с дисперсией случайной части процесса, заключается в следующем. Передаточная Функция одного канала устройства имеет следующий вид: ) а амплитудно-частотная характеристикаJ5-4cos(2ftf/f) (5) где - начальная частота дискретизации процесса. Минимальный коэффициент передачи из выражения (5) получается пpиf/i(5 1/2, т.е. для гармоники,частота которой вдвое меньше частоты дискретизации . Таким образом, для подавления периодических составляющих случайного процесса необходимо задавать тактовые частоты их выборки вдвое больше, чем частоты этих составляющих, при условии, что высокочастотные гармоники исходного случайного процесса предварительно сглажены или они имеют пренебрежимо малую амплитуду. Из (5) при j fо /2 имеем (f Vi/SSfrt, (6) где If - фазовый сдвиг между подавляемой гармонической компонентной процесса и начальным тактом ее выборки, причем при ф 0-К() О (полное подавление составляющей), прИ1р,.,2-К(г)1/Э. Ввиду полной неопределенности момента включения устройства по отношению к исходному случайному процессу и его гармонических составляющих, которые к тому же, как правило, не стабильны по частоте, а колеблются относительно своих средних значений, фазовый сдвиг является величиной слу5чайной. Поэтому и передаточный коэф фициент для данной гармонической составляющей можно рассматривать ка независимую случайную переменную, равномерно распределенную в диапазо не (0,1/3) с математическим ожидание равным 0,1 (6) и среднеквадратичным отклонением,равным 0,096. Так как каналы в устройстве соединены последовательно, то результирующий коэффициент передачи для данной подавляемой гармоники может быть получен из формулы: ) (7) в целях упрощения устройства тактовая частота выборки каждой подавляемой гармонической компоненты про цесса выбирается кратной начальной частоте дискретизации исходного слу чайного процесса путем деления последней. Коэффициент деления вычисляется по формуле V o/2i2- 8) Работа устройства в режиме подавления отличается от описанного выше режима сглаживания (K 1 - для всех каналов) только тем, что в каждый канал 1 на регистр 5 со входа 10 из ЭВМ или другого устройства перед началом работы заносится код коэффициента деления тактовой частоты дискретизации процесса, соответствующий из выражения (8) подавляемой гармонической компоненте. Тактирующий сигнал с выхода делителя частоты 6 каждого канала 1 од новременно поступает для управления :;у№1атором 2, производя описанные эыше операции и для опроса инверсного кода регистра 5, занося в делител 6 код коэффициента деления тактовой частоты для следующего цикла работы устройства. Сначала в каналах с младшими номерами подавляются гармоники с относительно более высокими частотами, причем для подавления одной составляющей можно выделить один, два или более каналов; так, при использоваии двух каналов можно ожидать из ыражения (7) уменьшения амплитуды той составляющей более чем в 30 ра:ч . Выходной результат, считываемый выхода 12 устройства(МОЖНО считать кользящей оценкой математического жидания исходного случайного проесса, содержащего гармонические комоненты значительной амплитуды. Формула изобретения Многоканальное цифровое сглаживающее устройство, содержащее формирователь тактов, вход которого соединен с первым входом устройства, и в каждом канале элемент задержки и накапливающий сумматор, информационный вход накапливающего сумматора первого канала соединен с информационным входом устройства, выход накапливающего сумматора каждого предыдущего канала соединен с информационным входом накапливающего.сумматора последующего канала, выход накапливающего сумматора последнего канала соединен с выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности сглаживания путем обеспечения возможности подавления гармонических составляющих сигнала в низкочастотном и инфранизкочастотном диапазонах с амплитудой, соизмеримой с дисперсией случайной части сигнала, в каждый канал его введены делитель частоты и регистр, первый вход которого подключен ко второму входу устройства, инверсные выходы поразрядно соединены со входами делителя частоты, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу формирователя тактов, а выход соединен со вторым входом регистра, первым управляющим входом накапливающего сумматора и через элемент задержки со втррым управляющим входом накапливакмцего сумматора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Авторское свидетельство СССР 356644, кл, Ст 06 F 7/38, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 377785, кл. & 06 Р 15/32, 1971.