Устройство для цифровой фильтрации Советский патент 1982 года по МПК H03H17/06 

{5) УСТРОЙСТВО для ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Изобретение относится к вычисли- тельной технике и предназначено для реализации его в системах диагностики технического состояния сложных динамических объектов.

Известно устройство льтрации случайных сигналов, представляющее собой цифровой нерекурсивный фильтр, содержащий первый счетчик, сумматор, блок элементов И, первый регистр памяти, второй сумматор, цифро-аналоговый преобразователь, блок памяти АМПЛИТУД,счетчик адреса, блок пайяти отсчетов входного сигнала, второй счетчик адреса, второй и третий регистры памяти, блок памяти весовых коэффициентов, реверсивный счетчик адреса и четвертый регистр памяти l .

Для работы фильтра необходимо знание весовых коэффициентов, получаемых обычно по априорно известным ста.тистическим характеристикам входного сигнала и помехи. Если.статистические характерист 1ки неизвестны или известны не полностью, то получить весовые коэффициенты невозможно. Это не позволяет использовать этот фильтр в системах.обработки, в которых сведения о статистических характеристиках входных сигналов известны неполностью или неточно.

Наиболее близким к предлагаемому ® является устройство для цифровой фильтрации, содержащее входной регистр, 2N+2 блока умножения, блок формирования эталонного сигнала, два накапливающих сумматора, два блока памяти, сумматор, N квадраторов, усилитель с соответствующими взаимо;СВЯЗЯМИ 2.

i

Недостатком устройства является трудность в формировании эталонного сигнала, что приводит при плохом выборе эталонного сигнала к замедлению процесса сходимости вектора весовых 33 коэффициентов к оптимальному значению. Цель изобретения - повышение быст родействия устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее регистр N квадраторов, N+1 умножителей, первый и второй блоки памяти, усилитель первый и второй на капли вающи е сумматоры, причем i-й (i 1,N) выход регистра подключен к первому входу i-ro (f 1 ,N) умножителя и входу i-ro (i 1,N) квадратора, выход которого подключен к i-му входу первого накапливающего сумматора, выход усилителя соединен с первым входом N+1-го умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого бло памяти, выход второго блока памяти соединен со вторым входом i-ro(,N умножителя, выход которого подключен к i-ому входу второго накапливающего сумматора, выход которого является выходом устройства, а вход регистра является входом устройства, введены N + 1 элементов И, 2N + 3 умножителей, третий и четвертый блоки памяти N+1-и квадратор, блок вычисления дис персии, первый, второй и третий счет чики, третий накапливающий сумматор генератор импульсов, кольцевой счетчик и элемент задержки, выход которо го соединен с первым входом первого счетчика, выход которого подключен по входу второго блока памяти, 1-ый (i I,N). выход регистра соединен с первым входом j-ro (j N + 2, 2Н+1 умножителя, первым входом К-го (К 2N+ 2, 3N + 1) умножителя и первым входом i-ro (i 1,N) элемента И выход которого подключен ко второму входу К-го (К 2N 2, 3N -f 1) умножителя, выход которого подключен к i-ому входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом 3N + 2-го умножителя, выход которого подключен ко входу третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом 3N + 3-го умножителя, выход которого подключен ко второму входу первого счетчика, выход j-ro (j N + 2, .2N + 1) умножителя соединен с i-ым (i 1,N) входом третьего блока памяти, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен со входом третьего счетчика, выход которого подключен ко второму входу 3N + 2-го умножиб . 4 теля, выход регистра соединен со входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с первым входом 3N + k-ro умножителя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен ко второму входу 3N + -го умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с первым входом N -ь 1-го элемента И, выход которого подключен ко входу элемента задержки и управляющим входам третьего и четвертого блоков памяти, второй выход генератора импульсов соединен со входом кольцевого счетчика, i-ый (i 1,N + 1) выход которого подключен ко второму входу i-ro элемента И, а N + 2-ой выход кольцевого счетчика соединен с его входом, выход первого накапливающего сумматора подключен ко входу N + 1-го квадратора, выход которого соединен со входом усилителя, выход N + 1-го умножителя соединен со вторым входом 3N+3-ro .умножителя, а выход второго накапливающего сумматора соединен со вторым входом j-ro (j N + 2, 2N + 1) умножителя. На чертеже представлена блок-схема устройства, которое содержит регистр 1 , генератор 2 импульсов, блок 3 вычисления дисперсии, умножитель k (j N + 2, + 1) , умножитель 5 i-ый (i 1,N), умножитель 6 К-ый (К 2N + 2, 3N + 1), элементы И 7, квадраторы 8, второй накапливающий сумматор 9, третий блок 10 памяти, сумматор li, умножитель 12 ЗН+4-ый, четвертый блок 13 памяти, третий счетчик Н, умножитель 15уЗМ+2-ой, кольцевой счетчик 16, второй счетчик 17, умножитель 18 ЗN+3-ий, первый накапливающий сумматор 19, усилитель 20, умножитель 21 N+1-ый, первый блок 22 памяти, первый счетчик 23, второй блок 2 памяти, элемент 25 задержки, третий накапливающий сумматор 26. Входырегистра 1, генератора 2, блока 3 соединены со входом устройства. Выходы регистра 1 соединены с первыми входами умножителей S, первыми входами умножителей 4, первыми входами умножителей 6, входами N квадраторов 8 и первыми входами элементов И 7. Вторые входы умножителей t соединены с выходом второго накапливающего сумматора 9, а выходы. - со входами третьего блока 10 памяти, выход которого соединен с первым входом сумматора 11, второй вход которого соединен с выходом умножителя 12, один вход которого соединен с выходом блока 3, адругой - с выходом четвертого блока 13 памяти. Выход сумматора 11 соединен со входом третьего счетчика , выход которого соединен со вторым входом умножителя 15. Вторые входы элементов И 7 соединены с N выходами кольцевого счетчика 16, а выходы - со вторыми входами умножителей 6, выходы которых соединены со входами второго счетчика 17, выход которого связан с первым входом умножителя 15, выход которого соединен с входом третьего накапливающего сумматора 26, выход которого связан с первым входом умножителя 18. Выходы N квадраторов 8 соединены с входами первого накапливающего сумматора 19, выход которого соединен с входами N+1-го квадратора 8, выход которого через усилитель 20 соединен с первым входом умножителя 21, второй вход которого соединен с выходом первого блока 22 памяти, а выход соединен со вторым входом умножителя 18, выход которого соединен со вторым входом первого счетчика 2 выходы которого соединены со входами второго блока 2k памяти, выходы которого соединены со вторыми входа ми умножителей 5. Выход генератора соединен со входом кольцевого счетч ка 16, N+2-ой выход которого соединен со своим входом, а N+1-ый выход - с одним входом N+1-го элемента И 7, второй вход которого соединен с выходом генератора 2. Выход N+1-го логического элемента И 7 сое динен с управляющими входами треть его 10 и четвертого 13 блоков памят и входом элемента 25 задержки, выход которого соединен с первым входом первого счетчика 23. Устройство работает следующим об разом. 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) , генератора 2 импульсов и блока j вычисления дисперсии , N выборок входного сигнала поступают с выхода регистра 1 на первые входы умножителей -6, входы квадраторов 8 и первые входы элементов И 7. Сигналы с выхода генератора 2 поступают на вход кольцевого счетчика 16, на выходе которого формируются сигналы . На вторые входы умножителей поступает сигнал y(j), полученный на предыдущем шаге адаптации. С выхода умножителей полученные N значений матрицыстолбца y(j)x(j) записываются в третий блок 10 памяти. Одновременно в блоке 3 определяется дисперсия входного процесса. Сигнал С, снимаемый с одного из выходов кольцевого счетчика 16, поступает на вход N+1-го элемента И 7, с выхода которого импульсы поступают на вход элемента 25 задержки и входы третьего 10 и четвертого 13 блоков памяти. Эти импульсы вытесняют из четвертого блока 13 памяти значения нормированной корреляционной функции, которые поступают, на второй вход умножителя 12, . где умножаются на величину текущего значения дисперсии. Полученные значения корреляционной вектор-функции

второй вход сумматора 11, на первый вход которого поступают сигналы с третьего блока 10 памяти. В сумматоре 11 происходит алгебраическое суммирование сигналов. R5s(J) соответствующих величинам и y(j)x(j) y(j)x(j) - RbsOO, после чего результат записывается В третий счетчик 14. После этого на выходе кольцевого счетчика 16 появляется сигнал С. Сигнал С2 поступает на второй вход первого элемента И 7, с выхода которого сигналы поступают на вторые входы всех умножителей 6. На выходе умножителей 6 формируются элементы строки матрицы xO)2S(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 y(j)2(j) Результаты умножения Суммируются в третьем накапливающем сумматоре 26. Сигналы с выхода N квадраторов 8 поступают на входы первого накапливающего сумматора 19, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный величине x(j)x(j) С выхода первого накапливающего сумматора 19 сигнал поступает на вход N+1-го квадратора 8, на выходе которого получается 7Э величина x(j})(j}f Этот сигнал поступает на вход усилителя 20, на выходе которого получается сигнал, обратный входному (j)x(j) .3TOT сигнал в умножителе 21 умножается на сигнал, соответствующий некоторому постоянному значению К, который хранится в первом блоке 22 памяти. На выходе умножителя 21 получается сигнал, соответствующий величине k/Cx(J)x(j)3 , который поступает на второй вход умножителя 18, на первый вход KdToporo поступает сигнал с третьего накапливающего сумматора 26 С выхода умножителя 18 сигнал записывается в первый .счетчик 23, в котором происходит накопление величины М( , т.е. формирование вектора iW(j) После записи в него величины W на кольцевом счетчике 16 появляется сигнал С и цикл формирования ДЫ повторяется. Так происходит до тех пор, пока в первом счетчике 23 не будет N значений &W|. После этого на выходе элемента 25 задержки оявляется сигнал, поступающий на первый вход первого счетчика 23. В результате значения AW(j) переписываются во второй блок 2k памяти, где складываются с предыдущим значением вектора весовых коэффициентов i/(j-1). Сигналы с выходов второго блока 2k памяти поступают на вторые входы умножителей 5, с выхода которых сигнал поступают на вход второго накапливающего сумматора 9, на выходе котор го получается выходной сигнал y(j+l) Эффективность предлагаемого устройства состоит в том, что за счет введения новых элементов и их соответствующего подключения появилась возможность построить устройство для цифровой фильтрации, использующее на эталонный сигнал, а лишь нормированную корреляционную функцию полезного сигнала. Это позволяет устранить произвол в выборе эталонного сигнала и значительно повысить быстродействие устройства. Подставив в формулу критерия качества, представляющего собой среднеквадратическую ошибку, вместо эталонного сигнала полезный сигнал S(j), получим его в виде J (j) - w(j)x{j)H, - )s(j) + ) - 2М WMjTx(j)S(j),. . (1) где М - операция математического ожидания. 68 . Последнее выражение в формуле (1) можно представить в виде )x(j)S(j) (j)S(j) + ),(2) где 1 (j) - помеха. Так как (j)S( j). О, то выражение (2) примет вид (j)x(j)S(jn )) (3) Градиент критерия качества (О с учетом (3) имеет вид ДЛу ,)x(j)x(j) - RSS(J) (jlx(j)3- RgsO) (k) Матрица вторых производных критерия качества (1) равна uJw (j)x-(j) (5) Поскольку устройство обрабатывает единичные реализации, то приходится иметь дело не с точными значениями градиента () и матриць (5), а с их оценками, которые имеют вид AJw(j) y(j)) Rbs(J) (6) 3(П x(j)xT(j) (7) В этом слумае алгоритм минимизации критерия среднеквадратической ошибки на основе метода НьЮтона-Рафсона имеет видд., д W(j + 1) W(j) + (j)iJw(J) (8) Поскольку матрица ,(j) вырождена, то обратной матрицы для нее не существует. В этом случае целесообразно использовать псевдообратную матрицу, определяемую выражением лЧО) x(j)x(j)(j)(.)j2(g) Справедливость выражения (9) легко устанавливается по условиям Пенроуза, характеризующим псевдообратную матрицу. С учетом (6) и (9)алгоритм (8) в .окончательном виде будет следующим W()W(j).|li}glj y(j)x(j) - RSS(J) Из (10) видно, что если задана нормированная корреляционная матрица полезного сигнала, то умножая ее на текущую дисперсию, можно определить ij} t а следовательно, и выходной сигнал устройства в (J -f-.l) момент времени в виде y(j + 1) W(j + 1)x(j + 1) (11) Формула изобретения Устройство для цифровой фильтрации, содержащее регистр, N квадраторов, N + 1 умножителей, первый и второй блоки памяти, усилитель, пер-, 8ЫЙ И второй накапливающие сумматоры, причем i-ый (i 1,N) выход регистра подключен к первому входу i-ro (i 1,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-го умножителя, второй вход которого под ключен к выходу первого блока паяти, выход второго блока памяти соединен с вторым входом i-ro (i 1,Ю умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго накапливающего сумматора, выход которого является выходом устройства, а вход регистра является входом устройства, отличающееся тем, что , с целью повышения быстродействия, в не го введены N + 1 элементов И, 2N + 3 умножителей, третий и четвертый бло ки памяти , N+1-ый квадратор, блок вы числения дисперсии, первый, второй и третий счетчики, третий накапливеющий сумматор, генератор импульсов кольцевой счетчик и элемент задержки, выход которого соединен с первым ,входом первого счетчика, выход которого подключен к входу второго блока памяти, i-ый (i 1,N) выход регистра соединен с первым входом j-ro (j N - 2, 2N + ,1) умножителя, первым входом К-го (К 2N + 2, 3N + 1) умножителя и первым входбм i-ro (i 1,N) элемента И, выход которого подключен к второму входу К-го (К . 2N + 2, 3N + 1) умножителя, выход которого подключен к i-му входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом 3N+2-ro умножителя, выход которого подключен к вхо ду третьего накапливающего сумматора выход которого соединен с первым вхо дом ЗМ+З-его умножителя, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, выход J-ro (j N + 2, 2N + 1) умножителя соединен с i-ым (i 1,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+2-ro умножителя, вход регистра объединен с входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с первым входом SN+t-ro умножителя, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен к второму вхо ду 3N+4-ro умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с первым входом N+1-го элемента И, выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющим входам треть его и четвертого блоков памяти, второй выход генератора импульсов соединен с входом кольцевого счетчика, i-ый (i 1,N + 1) выход которого подключен к второму входу 1-го элемента И, а N+2-ой выход кольцевого счетчика соединен с его входом, выход первого накапливающего сумматора подключен к входу N+1-го квадратора, выход которого соединен с входом усилителя, выход N+1-го умножителя соединен с вторым входом 3N + + 3-го умножителя, а выход второго накапливающего сумматора соединен с вторым входом J- (j N + 2, 2N + 1) умножителя. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР , кл. Н 03 Н 17/06, 197. 2.Авторское свидетельство СССР о заявке № , кл. Н 03 Н 17/06, 6.10.78.