Адаптивный цифровой фильтр

(5 И 4 Н 03 Н 17 06 Р 15/3 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ А ОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе(56) Авторское свидетельство СССР800995, кл. 6 06 Г 15/353, 1981,Гольденберг Л. М., Матюшина Б, Д., Поляк М, Н. Цифровая обработка сигналов. - М.; Радио и связь, 1985, с. 165, рис. 3.4 (54) АДАПТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР(57) Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для фильтрации цифровых сигнаТаюг Й лов в различных системах обработки информации. Цель изобретения - увеличение точности за счет подавления коррелированных помех улучшением устойчивости процедуры вычисления весового вектора путем отыскания квазирешения системы линейных уравнений на компактном множестве значений весового вектора, Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят ключи 1, 2, коррелятор 3, блок 4 определения весовых коэффициентов, элементы 5 задержки, умножители 6, сумматор 7, синхронизатор 8. Блок определения весовых коэффициентов содержит узел 9 вычисления собственных значений, узел 10 вычисления вектора, делители 11, узлы 12 селекции, узел 13 перехода. 9 ил.Изобретение относится к вычислительнойтехнике и может использоваться для фильтрации цифровых сигналов в различныхсистемах обработки информации,Цель изобретения - повышение точностиза счет подавления коррелированных помехулучшением устойчивости процедуры вычисления весового вектора путем отысканияквазирешений системы линейных уравненийна компактном множестве значений весового вектора.На фиг, 1 изображена структурная схема адаптивного цифрового фильтра; нафиг. 2 - структурная схема узла вычисления вектора; на фиг. 3 - структурная схема весового узла; на фиг. 4 - структурная схема узла вычисления собственныхзначений; на фиг. 5 - структурная схемаузла селекции; на фиг. 6 - структурнаясхема узла перехода; на фиг. 7 - схемакоррелятора; на фиг. 8 - схема накопителя; на фиг. 9 - управляющие сигналы на выходах синхронизатора.Предлагаемый фильтр содержит ключи 1и 2, коррелятор 3, блок 4 определения весовых коэффициентов, элементы 5 задержки,умножители 6, сумматор 7, синхронизатор 8.Блок 4 определения весовых коэффициентов содержит узел 9 вычисления собственных значений, узел 10 вычисления вектора, делители 11, узлы 12 селекции,узел 13 перехода.Узел 9 вычисления вектора (фиг. 2)содержит умножитель 14, весовой узел 15,делители 16 и 17, сумматор 18, вычитатель19, сумматор 20. Весовой 15 узел (фиг. 3) содержит умножитель 21 и регистр 22 числа.Узел 9 вычисления собственных значений (фиг. 4) содержит квадратор 23, весовой узел 24, сумматор 25, элемент 26вычислений -/Х (квадратного корня), квадратор 27, вычитатель 28, весовой узел 29,сумматоры 30 и 31, весовой узел 32, сумматор 33, регистр 34 числа, вычитатель 35.Узел 12 (фиг. 5) содержит элемент 36вычисления модуля, компаратор 37, регистр38 (хранения верхней границы), элементыИ 39 и 40, элемент НЕ 41, элемент ИЛИ 42,регистр 43 (хранения нижней границы), элементы И 44 и 45, элемент НЕ 46, компаратор 47 и элемент ИЛИ 48.Узел 13 перехода (фиг. 6) содержитгруппу элементов НЕ 49, весовой узел 50, делители 51 и 52, умножители 53 и 54, сумматоры 55 - 57.Коррелятор 3 (фиг. 7) содержит регистр58 сдвига, первый 59, второй 60 и третий 61 умножители, квадратор 62, накопители 63 - 66 и три делителя 67 - 69.Каждый из накопителей (фиг, 8) содержит регистр 70 сдвига, сумматор 71, счетчик 72, компаратор 73, регистр 74 числа и элемент И 75.Цифровой фильтр работает следующимобразом,Адаптивный режекторный фильтр, синтезированный в соответствии с адаптивным байесовским подходом по критерию максимума коэффициента подавления помехи, использует для вычисления весового вектора Н = (11 ь Ь Ь) следующий алгоритм:,ркКН= - В; Н= - К В.леле к= (рк е 1 - оценка коррелнцнонной маг рицы помехи;В= р, - оценка корреляционноговектора;оценка коэффициентов корреляции,15) 1= 1,М (1 м - порядок фильтра).Так как процесс измерения параметровпомехи сопровождается ошибками (т.е. 1 == К+ОК,В = В+ 6 В, где К,В - истинные значения корреляционных характеристик, И, 6 В - матрица и вектор оши бок), то вектор Н, полученный из решениясистемы уравнений (1), отличается от своего оптимального значения Но = - КВ:+ 6 Н.При этом относительное по норме возмущение весового вектора ЛН = НОНН/НННможно определить при помощи следующего соотношения;ЛН = сопдК(ЬК+ЛВ)/(1 - ЛКсопдК), (3)где ЛК=НЬКН/(КН, ЛВ=Н 6 В/НВ - относительные возмущения матрицы и вектора;сопД К = аймаке./лйсмин - числО ОбуСловленности матрицы;Амин, рмакс - МИНИмаЛЬНОЕ И МаКСИМаЛЪное собственные значения матрицы К;Н - означает норму матрицы или вектора.Из анализа (3) следует, что в случае сильно коррелированных помех, характеризующихся плохо обусловленной корреляционной матрицей (сопд К -оо), вычисленное значение вектора Н может значительно отли чаться от своего оптимального значения Но,что приводит к существенному снижению эффективности подавления помех. Получение устойчивых решений системы 45 уравнений (1) возможно лишь при условии,когда значения вектора Н образуют компактное множество. В этом случае применение метода квазирешений плохо обусловленных систем линейных уравнений приводит к следующему алгоритму. Пусть все значения ве сового векторра Н принадлежат компактному множеству Г: НГ. Тогда в качестве решения системы уравнений (1) берется такой вектор НфГ, чтол лк ркНКНр + В = 1 пГ Н КН + ВН.55 Рассмотрим расширенный весовой векторЙ = (Ьо, Н), который определяется из решения расширенной системы уравненийКЙ=О, 6)/Флгде К = (р ;- расширенная корреляционная матрица, К и = О, М.Из формулы (5) при ЬО = 1 следует система уравнений (1). Допустим, что р,- - 1 (сильно коррелированная помеха). Тогда решением системы (5) может служить такой вектор Й = (Ь 0Ьс), составляющие которого удовлетворяют условию Соотношению (6) отвечает вектор с бино.миальными коэффициентами;лф,Ь 0 = 1, Ь; = ( - 1)С,= 1, М,где С - число сочетаний из И по . 15Отсюда следует, что каждая координатавектора Н не превосходит некоторой константыЬ(Ьь (7)а, следовательно, множество значений вектора Н образуют М-мерный параллелепипед и является компактным. Предположим,что корреляционная матрица помехи К принадлежит некоторому априорно известномуклассу матриц: К 6 Р, характеризующемусядвумя граничными матрицами Р и Рг. Исходя из этого, для каждой координаты вектора определяются нижняя и верхняя границы Ьнг и Ьг с учетом полученных границ и соотношений (4) и (7) определяется алгоритм для вычисления весового вектора:Ь; = Ь;, если Ьнг ( Ь; ( Ьг,Ь; = Йг, если Ь;) Ьг, (8)Ь - Ьнг если Ь ( ЬнгАлгоритм (8) обладает свойством устойчивости, так как решение плохо обусловленной системы линейных уравнений ищет- З 5ся на компактном множестве Г.С использованием алгоритма (8) синтезирован нерекурсивный режекторныйфильтр третьего порядка.Для избежания трудоемкой операции 40обращения матрицы используют ортогональное преобразование (характеризующеесяматрицей С) такое, что С КС=Л,где Л= (Л"Л, .с) - диагональная матрица из собственныхзначений.Собственные числа корреляционной матрицы К определяются соотношениями етом которых матрица С Преобразование (9) переводит систему уравнений (1) в базис из собственных векторов матрицы: КН = - В = ) ЛН = - Р, (12)где Р=С В - корреляционный вектор помехи в базисе из собственных векторов, составляющие которого без учета знака в соотношении (12) определяютсяследующим образом:1 = р + 2 ррг/а+ рзс 2 = р + рз 1 (13)с 1 з = р + 2 ррг/в + рз,Для перехода в старый базис используется преобразование Н = СН, которое в координатной форме принимает видЬ = Ь Ьг+Ьз Ьг = 2 р Ь /а + 2 р Ьз/В; ( 1 С )Ьз = Ь + Ьг + Ьз.С выхода синхронизатора 8 на управляющий вход ключа 1 начинают поступать импульсы Т 0 оценки (фиг. 9 а), в результате чего цифровые отсчеты входного сигнала поступают в коррелятор 3 (фиг. 7), который производит оценку коэффициентов корреляции помехи в соответствии с алго- ритмом м мр; = Х 111 п 11 п -/Х 1.11 и,где(11 п - отсчеты входного сигнала;М - объем выборки оценивания.С выходов умножителей 59 - 61 и квадратора 62 отсчеты сигнала поступают в накопители 63 - 66 (фиг. 8). Счетчик 72 производит подсчет числа импульсов Т 0, при этом его выходной код поступает в компаратор 73, на другой вход которого с выхода регистра 74 числа подается код числа М. В момент равенства кодов на выходе компаратора 73 формируется единичный сигнал (уровень) и через элемент И 75 накопленные значения сигналов поступают в делители 67 - 69, на выходах которых в соответствии с (15) формируются оценки коэффициентов корреляции.Полученные таким образом значения Лрь= 1, 3, поступают в узел 9 вычисления собственных значений матрицы К, который в соответствии с алгоритмом (10) определяет величины а, в, Л, Лг и Лз. Узел 10 вычисления вектора Р по оценкам р = 1, 3, и значениям а и в, которые поступают на его входы с выходов узла 9, определяет в соответствии с (13) компоненты вектора Р. После чего на выходах делителей 11 формируются составляющие весового вектора в базисе из собственных векторов Ь; = 4/Л;,= 1,3,поступающие в узлы 12, реалирацию (8).5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Через элемент 36, вычисления модуля абсолютные значения Ц поступают в компаратор 37, в котором сравниваются со своими верхними границами Вь 2, При выполнении условия Ц ) Ь 2 на выходе компаратора формируется единичный уровень, благодаря чему через элемент И 39 значение Ьв 2 поступает в компаратор 47. Если выполняется усРловие 1 Ц ( Ь 2, то на выходе компаратора 37 формируется нулевой уровень, поступающий через элемент НЕ 41 на вход элемента И 40. В результате этого значение Ь через элемент ИЛИ 42 подается в компаратор 47, Верхняя (фиг, 5) часть схемы работает аналогичным образом.С выходов логических узлов значения /Ц поступают в узел 13 перехода, который в соответствии с алгоритмом (14) осуществляет переход в старый базис. Причем группа элементов НЕ 49 необходима для учета знака минус в соотношениях (12), а сумматор 57 работает как вычитающее устройство.С выходов блока 4 определения весовых коэффициентов отсчеты весового вектора1, 3, поступают на входы умножителей 6. После чего с выхода синхронизатора 8 на управляющий вход ключа 2 и тактовые входы элементов 5 задержки начинают поступать импульсы Тоб обработки (фиг. 9 б), В результате этого отсчеты входного сигнала проходят в настроенный не- рекурсивный фильтр, при этом на выходе сумматора 7 формируется выходной сигнал в виде взвешенной суммы задержанных отсчетов,Формула изобретенияАдаптивный цифровой фильтр, содержащий блок определения весовых коэффициентов, три элемента задержки, три умно- жителя и сумматор, выход которого является информационным выходом фильтра, выход первого элемента задержки подключен к первому входу первого умножителя и информационному входу второго элемента задержки, выход которого подключен к первому входу второго умножителя и информационному входу третьего элемента задержки, выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, 1-й (1 = 1; 3) выход блока определения весовых коэффициентов подключен к второму входу 1-го умножителя, выход которого подключен к 1-му входу сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены два ключа, коррелятор и синхронизатор, первый выход которого подключен к тактовым входам первого, второго и третьего элементов задержки и управляющему входу первого ключа, выход которого подключен к информационному входу первого элемента задержки и четвертому входу сумматора, второй выход синхронизатора подключен к тактовому входу коррелятора и управляющему входу второго ключа, выход которого подключен к информационному входу коррелятора, 1-й выход которого подключен к 1-му входу блока определения весовых коэффициентов, информационные входы первого и второго ключей соединены и являются информационным входом фильтра, причем блок определения весовых коэффициентов содержит три делителя, три узла селекции, узел перехода, узел вычисления собственных значений и узел вычисления вектора, 1-й выход которого подключен к первому входу 1-го делителя, выход которого подключен к входу 1-го узла селекции, выход которого подключен к 1-му входу узла перехода, второй вход 1-го делителя подключен к 1-му выходу узла вычисления собственных значений, первый и второй входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами узла вычисления вектора и являются соответственно первым и вторым входами блока определения весовых коэффициентов, третьим входом которого является третий вход узла вычисления вектора, четвертый и пятый выходы узла вычисления собственных значений подключены соответственно к четвертому и пятому входам узла вычисления вектора, и узла перехода, шестой вход ко. торого подключен к первому входу блока определения весовых коэффициентов, 1-м выходом которого является 1-й выход узла перехода, причем узел вычисления вектора содер. жит два делителя, два сумматора, вычитатель, два умножителя и регистр числа, выход которого подключен к первому входу перво. го умножителя, выход которого подключен к первым входам первого и второго делителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены с первым входом вычитателя, первым входом второго умножителя и являются первым входом узла вычисления вектора, вторым входом которого является второй вход второго умножителя, выход которого подключен к второму входу первого умно- жителя, третьи входы первого и второго сумматоров соединены с вторым входом вычитателя и являются третьим входом узла вычисления вектора, четвертым и пятым входами которого являются вторые входы соответственно первого и второго делителей, выход первого сумматора, выход вычитателя и выход второго сумматора являются соответственно первым, вторым и третьим выходами узла вычисления вектора, при этом узел вычисления собственных значений содержит четыре сумматора, два вычитателя, элемент вычисления -/Г, четыре регистра числа, три умножителя и два квадратора, выходы которых подключены соответственно к первому входу первого умножителя и первому входу первого сумматора, выходы которых подключены соответственно к вто. рому входу первого сумматора и входу элемента вычисления .l выход которого под 1387173ключен к первым входам первого вычислителя и второго сумматора, выходы кото. рых подключены к первым входам соответственно второго и третьего умножителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого сумматоров, вторые входы которых соединены с первым входом второго вычитателя и подключены к выходу первого регистра числа, вторые входы первого, второго и третьего умножителей подключены к выходам соответственно второго, третьего и четвертого регистров числа, вход первого квадратора является первым входом узла вычисления собственных значений, вторым входом которого являются соединенные между собой вход второго квадратора, вторые входы первого и второго вычитателей и второй вход второго сумматора, выходы второго и третьего умножителей являются соответственно четвертым и пятым выходами узла вычисления собственных значений, первым, вторым и третьим выходами которого являются выходы соответственно третьего сумматора, второго вычитателя и четвертого сумматора, причем каждый узел селекции содержит два регистра, четыре элемента И, два элемента НЕ, два компаратора, два элемента ИЛИ и элемент вычисления модуля, выход которого подключен к первому входу первого элемента И и первому входу первого компаратора, выход которого подключен к первому входу второго элемента И и входу первого элемента НЕ, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к первым входам третьего элемента И и второго компаратора, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И и входу второго элемента НЕ, выход которого подключен к первому входу четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И, выход первого регистра подключен к вторым входам первого компаратора и второго элемента И, выход которого подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, выход второго регистра подключен к вторым входам второго ком паратора и четвертого элемента И, вход элемента вычисления модуля является входом узла селекции, выходом которого является выход второго элемента ИЛИ, при этом узел перехода содержит три сумматора, два делителя, три умножителя, регистр числа и группу элементов НЕ, выход первого элемента НЕ группы подключен к первым входам первого сумматора и первого умножителя, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, второй вход 20 которого подключен к выходу второго умножителя, первый вход которого соединен с вторым входом первого сумматора и подключен к выходу второго элемента НЕ группы, выход второго элемента которой подключен к третьему входу первого суммато ра, выход третьего умножителя подключенк первым входам первого и второго делителей, выходы которых подключены к вторым входам соответственно первого и второго умножителей, 1-й (1=1, 3) вход третьего сумматора соединен с входом 1-го элемента НЕ группы и является 1-м входом узла перехода, 1-м выходом которого является выход 1-го сумматора, вторые входы первого и второго делителей являются соответственно четвертым и пятым входами узла перехода, шестым входом которого является первый вход третьего умножителя, второй вход которого подключен к выходу регистра числа.яск СР по делам изобРаушская наб., дприятие, г Ужгоро открытий ектная, 4 едактор М. Бланараказ 1230/56НИИПИ Государственного3035, МосквПроизводственно полиграф тель А. Баранов Верее К 8 П ректор Адписноеетений и4/5д, ул. Про