Согласованный фильтр Советский патент 1983 года по МПК H03H15/02 

Изобретение относится к радиотехнике, а частности к передаче сигналов, и может быть использовано в уст|Ю йетвах связи для обнаружения полезных сигналов на фоне как слабых, так и сильных помех, для анализа выходюлс сигнёшов дефектоскопов в устройствах железнодорожной автоматики, а также для обработки сигналов при глубинном электромагнитном зондировании земной коры.

Известен сох ласованНЫЙ фильтр,содержанфий последовательно включенные линию, задержки, cyi e taTop, блок дискретизации и квантовйния, регистр сдвира и весовую матрицу, а также перемножитель, дерёьзй вход которого подключен к выходу генератора напряжения смещения, втор|Ой вход через измеритель мощности помехи объединен с входом линии задержки и является входом устройства, а выход соединен с другим входом сумматора t11.

Однако указанный согласованный фильтр не обеспечивает достаточной помехоустойчивости в области силышх помех. .

Известен согласованный фильтр для сигналов воль ной формы, в котором осуществляется предварительная

нелинейная обработка сигнала, пёрево: дящая алгоритм обработки в пространство частота - время путем п ехода к текущему комплексному eneKTi y сяйГнала, содержащий анализатор текущего спектра сигнала и блок свертьюания амплитудно-фазового спектра сигнала, содержащий по с1мплитудню« аыхог дам анализатора взвааивапций суноша10тор, а по фазовьм выходам - симметрв рующйй блок, взв иивсиощий сумматор и блок установки козгффициента переда чи 21. .

Известно устройство также не

15 обеспечивает достаточной помехоустойчивости в Области сильных помех, ;

Цель изобретения - повышение поме хоустойчивости. . ;

Поставленная цель достигается тем,

20 что в согласованнь1й фильтр, содержащий анализатор текущего спектра сигнала, амплитудные выходы которого соединены с входами первого взйенмваю1цего сумматора, дополнительнцй

25 вход которого подключен к выходу блока установки коэффициента-передачи, а фазовью выходы - с входами симметpHJpymaero блока, а также второй взвешивакаций сумматор, введены линия

30 задержки, блоки определения мощности входного сигнала и помехи, определитель знака, пороговый элемент, переключатели, дополнительный симметрирующий блок и дополнительный блок установки коэффициента передачи,причем выход линии задержки соединен с первым информационным входом первого переключателя и через, определитель знака с вторым его информационным входом, отводы линии задержки через последовательно включенные блоки определения мощности входного сигнала и помехи соединены с управляющим вхо дом блока установки коэффициента пел редачи, информационный вход которого подключен к выходу симметрирующего блока, и с управляющим входом дополнительного блока установки коэффициента передачи, информационный вход которого подключен к выходу дополнительного симметрирующего блока, а выход - к дополнительному входу второго взвешивающего сумматора, при этом выход блока определения мощности входного сигнала через пороговый элемент соединен с управляющими входами переключателей, выход первого из которых подключен к входу анализа тора текущего спектра сигнала, первы информационный вход второго переклю.чателя - к выходу первого взвешиваюа второй информацион щего сумматора, ный вход второго переключателя - к выходу второго взвешивающего сумматора, входы которого соединены с амплитудными выходами анализатора теку щего спектра сигнала, фазовые выходы которого подключены к входам дополни-тельного симметрирующего бЛока. На чертеже представлена структурная электрическая схема согласованного. фильтра. Согласованный фильтр содержит последовательно соединенные линию 1 задержки, блок 2 определения мощно .ти входного сигнала, пороговый элемент 3, переключатейь 4, на один вход которого сигнал с линии задержки подается непосредственно, а на другой вход - через определитель 5 знака. Переключатель 4 соединен с анализатором 6 текущего спектра сигнала, имеющего две группы выходов: амплитудные и фазовые, к амплитудным выходам анализатора б подключены взвешивающие сумматоры 7 и 8, к дополнительным входам которых подключе ны соответственно выходы блоков 9л 10 установки коэффициентов передачи, управляющие входы которых подключены к выходу блока 11 определения мощ ности помехи, а к фазовым выходам анализатОрд 6 подключены входы симметрирующих блоков 12 и 13, выходы которых соединены с входами соответствующих блоков 9 и 10, выходы взвешивающих сумматоров 7 и 8 подключены к информационным входам переключателя 14, управляющий вход которо- го объединен с управляющим входом переключателя 4 и подключен к выходу порогового элемента 3. Согласованный фильтр работает следующим образом. Входной сигнал S(t) , представляюШЯй собой смесь сигнала и помехи, поступает через линию 1 задержки на блок 2 определенная мощности входного сигнала (ё + ё). Величина, равная суммарной мощности сигнала и помехи (полагаем сигнал и помеха статистически независимы), сравнивается в пороговом элементе 3 с некоторым порогом П. Выходной сигнал порогового элемента 3 управляет работой переключателя 4 на два положения. При сильных помехах мощность принятого входного сигнала больше порога П и пороговый элемент 3 управляет переключателем 4 таким образом, что сигнал с выхода линии 1 задержки через определитель 5 знака и переключатель 4 подается на вход анализатора б. Одновременно пороговый элемент 3, управляя работой переключателя 14, подключает к выходу устройства выход взвешивающего сумматора 8, ко- . торый совместно с блоком 10 и симметрирующим блоком 13 образуют блок свертывания спектра сигнатуры сигнала. При слабых помехах мощность входного сигнала меньше порога П, поэтому сигнал S(t) с линии 1 задержки через переключатель 4 подается на вход анализ 1тора 6. Далее осуществляется согласованная фильтрация полного спектра сигнала. Оптимальный коэффициент передачи по фазовому выходу КОРТ при котором получается максимальное отношение сигнал/помеха в блоках 9 и 10 устанавливается в зависимости от мощности помехи, которая определяется в блоке 11 путем вычитания из мощности смеси ((э I мощности сигнала (з§, которая предполагается известной для каждого конкретного случая. Характеристики блоков 9 и. 10 Копт. нелинейные. Рассмотрим подробнее способ согласованной фильтрации полного спектра сигнатуры сигнала. Предварительная нелинейная обработка - переход к амплитудному и фазовому спектру применяется не к принятому сигналу S(t)-«-Ht(t), а к сигнатуре его,.т.е. (t)+Hf(t), Sit) H(t) - сигнал и помеха,приведенные к одной мощности; Н - ртнсяаение помеха/ сигнал по напряжению. Для этого входной сигнал пропуска ется через определитель 5 знака, например компаратор, и для принятой смеси шумоподобного сигнала Sit/ и аддитивной помехи (t) подсчитывается сигнатура следующим образом: ni.ec«MS(t)He(t)o (tHHf(t,.(.;,,(i, Далее осуществляется нелинейная обработка в реальном масштабе ни путем перехода к спектру амплитуд S(ui) и спектру (ш) в дискретных точках на оси частот Bi С) 4,. c«rtt. 2 Г где А. y-at 1 (S +HfJcos(rT-KMl, в, f Ц st4;n(5,Hf)sin 1п-К)Л1 , (3 где к 0,1,2,3,...2FT - отсчетные точки на оси времени i 0,1,2,3,...FT-n - отсчетные точки на оси частот; 2FT - число степеней свобо дл сиг нала; ui - шаг квантования оси времени по Котельникову, CJ . выхснл

здесь - символ, означающий операцию усреднения по регшизации помех. По аналогичной формуле подсчитывается отношение (-)|хнл° / ° меха по мощности при согласованной нелинейной фильтрации полного спектра сигнала без перехода к сигнатуре. Отношение сигнал/помеха по мощности при согласованной линейной фильтра ции подсчитывается по формуле

) w

(6) П/выхл

(S -5 )2

ПК| ПК/

5n.i:s;

- значение свертки

где

ПК сигнала S(t) в пиковой точке без помех;

5пк (,,- ТО же при нсшичии

vv

ПК помех.

Во всех случаях усреднение производилось по 30 случайным реализациям помех с нормальным законом распределения.

Результаты расчетов показали,что при малых отношениях с/и на входе согласованная фильтрация с переходом рГ

40 к сигнатуре имеет существенный выигрыш перед линейной фильтрацией и перед нелинейной фильтрацией, осуществляемой в прототипе.

Этот выигрыш нарастает с уменьше45 нием отношения с/п на входе, начиная

со значений (nlBX

Для реализации этих возможностей в согласованном фильтре осуществляется автоматическое слежение за отношением сигнал/помеха на входе, и

50 при пересечении заданного отношения происходит изменение схемы обработки сигнала с нелинейной фильтрацией сигнала на нелинейную фильтрацию сигнатуры сигнала.

55 Для оценки мощности помех имеется блок 2, пороговый элемент 3 и блок 11, который изменяет схему и управляет характеристикой (выбирает КОРТJблоков 9 и 10 по фазовым

60выходам анализатора 6.

Вид обработки принятого сигнала зсщается переключателями 4 и 14 которыми управляет пороговый элемент 3 Оптимальные значения коэффициен65 тов К, при которых отношение сигСформированные анализатором 6 в дискретных точках текущие сп&ктра амплитуд и фаз, состыкованные на оси частот, рассматриваются как отсчеты преобразованного сигнгша в простран- стве частота - время. После взвешивания, суммирования и умножения на имеем свертку в пиковой точке . ,(4) аи1«т Ьт- где 5j и - значение кюдуля спёкт ральной функции сигнатуры сигнала соответственно без помех (НвО) и при наличии помех (Н 0) в дискретных точках оси частот в моменх времени t Т ; Ц, и р - значение аргумента спектральной функции сигнатуры сигнала со ответственно без помех и при наличии помех на . оси частот в времени t « Т, подсчитанные по формулам 2. Отношение сигнал/помеха по мсадности в пиковой точке, обеспечиваемое согласованной фильтрацией полного спектра сигнатуры сигнала, подсчитывается по формуле апт УлУ/) ..j v/) нал/помеха максимально зависит от мощйости помехи и .от закона ее распределения. При известном заранее законе рас пределения помехи и неизменной мощности полезного сигнала можно рассчй заран её: з исимос.ть коэффициен та К от мощности К f (ё. Эта зависимость (нелинейная) вое производится в виде характеристики блока 9 для случс1Я нелинейной согла фильтрации сигнала и блока 10 для случая нелинейной согласован ной фильтрации сигнатурм сигнала. В случае, когда уровень помех не меняется, коэффициент К остается ностоянным и может устанавливаться заранее вручную. При расчетах оптимальный коэффи- циент К для различных отношений с/п рассчитывался на вычислительной машине... Предлагаемый согласованный фильтр позволяет обеспечить б.олее высокую помехоустойчивость по сравнению с известным устройством в более широ-. ком диапазоне изменения уровня помех. Кроме того, устройство устанавливает оптимальные значения коэффициентов передачи по фазовым выходам в соответствии с уровнем помех на входе. . . Формула изобретения Согласованный фильтр, содержадий анализатор текущего спектра сигнала амплитудные выходы которого соединены с входами первого взвешивающего сумматора, дополнительный вход котор го подключен к выходу блока установки коэффициента передачи, а фазовые выходеа - к входам симметрирующего блока, а такзке второй взвешивающий сумматор, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоус тсй1чивости, в него введены линия зарцержки, блоки определения мощности входного сигнала и помехи, определитель: знака, пороговый элемент, переключатели, дополнительный симметрирую1ЦИЙ блок и дополнительный блок установки коэффициента передачи, причем выход линии задержки соединен с первым информационным входом первого переключения, и через определитель знака с вторым его информационным входом, отводы линии задержки через последовательно включенные блоки определения мощности входного сигнала и помехи соединены с управляющим входом блока установки коэффициента передачи, информационный вход которого под1СЛючен к выходу симметрирующего блока, и с управляющим входом дополнительного блока установки коэффициента передачи, информационный вход которого подключен к выходу дополнительного си1« етрирующего блока, а выход - к дополнитель 1ому входу второго взвешивающего сумматора, при этом шлход блока определения мощности входногосигнала через пороговый элемент соединен с управляющилш входами переключателей, выход первого из которих подключен к входу анализa-J тора текущего спектра сигнала, первый информационгалй вход второго пере1слй чателя - к выходу первого взвешиванадего сумматора,а второй информа- ционный вход втсфого переключателя К ВЫХОДУ второго взваливающего сумматора , входы которого соединены с амплитуднылш выходгиуш анализатора текущего спектра сигнала, фазовые выходы которого подключены к входам дополнительного симметрирующего блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, Тузов Г.И. Статистическая теория приема смежных сигналов. М., Советское радио, 1977, с. 139-140, рис.3,17. ; 2. Авторское свидетельство СССР по заявке 2879168/09, кл. и 03 Н 15/02, 1980 (прототип).