Устройство для цифровой фильтрации

(5 Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРА иличитьо. Э х сверистине. 5 предла гаемому я цифровой входной режения, блок о сигнала, двадва блока драторов, усими взаимова являетсяи эталонногори плохом вык замедлению тора весовых Изобретение относится к вычисли" тельной технике и предназначено для реализации его в системах диагностики технического состояния сложных динамических объектов.Известно устройство Фильтрации случайных сигналов представляющее собой цифровой нерекурсивный фильтр, содержащий первый счетчик, сумматор,блок элементов И, первый регистр па в мяти, второй сумматор, цифро-аналоговый преобразователь, блок памяти амплитуд, счетчик адреса, блок памяти отсчетов входного сигнала, второй счетчик адреса, второй и третий регистры памяти, блок памяти весовых коэффициентов, реверсивный счетчик адреса и четвертый регистр памяти Я .Для работы фильтра необходимо знание весовых коэффициентов, получае 2 мых обычно по априорно известным ста. тистическим характеристикам входного сигнала и помехи. Если. статистические характеристики неизвестны известны не полностью то пол весовые коэффициенты невозможн не позволяет использовать это в системах, обработки, в котор дения о статистических характ ках входных сигналов известны полностью или неточно,Наиболее близким кявляется устройство длФильтрации, содержащеегистр, 2 й+2 блока умноФормирования эталонногнакапливающих сумматорпамяти, сумматор, М квлитель с соответствующи,связями 21Недостатком устройструдность в формировансигнала, что приводитборе эталонного сигналпроцесса сходимости ве3 95 коэффициентов к оптимальному значе-. нию,Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее регистр, М квадраторов, М+1 умножителей, первый и второй блоки памяти, усилитель, первый и второй накапливающие сумматоры, причем 1-й ( = 1,М) выход регистра подключен к первому входу 1-го (1 = 1,М) умножителя и входу 1-го (1 = 1,М) квадратора, выход которого подключен к 1-му входу первого накапливающего сумматора, выход усилителя соединен с первым входом М+1-го умножителя, второй вход которого подключен к.выходу первого блока памяти, выход второго блока памяти соединен со вторым входом 1-го(=1,М) умножителя, выход которого подключен к 1-ому входу второго накапливающего сумматора, выход которого является вь 1 ходом устройства, а вход регистра является входом устройства, введены М + 1 элементов И, 2 М + 3 умножителей, третий и четвертый блоки памяти, М+1-й квадратор, блок вычисления дисперсии, первый, второй и третий счетчики, третий накапливающий сумматор, генератор импульсов, кольцевой счетчик и элемент задержки, выход которого соединен с первым входом первого счетчика, выход которого подключен по входу второго блока памяти, -ый ( = 1,8), выход регистра соединен с первым входом 1-го . = М + 2, 2 Н+1) умножителя, первым входом К-го (К = = 2 М+ 2, 3 М + 1) умножителя и первым входом 1-го ( = 1,М) элемента И, выход которого подключен ко второмуК (К . 2 И т 2, 1 Й 31 ножителя, выход которого подключен к 1-ому входу второго счетчика, выход которого соединен с первым входом 3 М + 2"го умножителя, выход которого подключен ко входу третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом 3 М + 3-го умножителя, выход которого подключен ко второму входу первого очетккка, выход-го Ц = д де 2;2 М + 1) умножителя соединен с 1-ым ( = 1,М) входом третьего блока памяти, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен со входом третьего счетчика, выход которого подключен ко в 1 орому входу 3 М + 2-го умножи7416 4 теля, выход регистра соединен со входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с первым входом 3 М + 4-го умножителя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен ко второму входу 3 М + 4-го умножителя, первый выход генератора 10 импульсов соединен с первым входом М + 1-го элемента И, выход которого подключен ко входу элемента задержки и управляющим входам третьего и четвертого блоков памяти, второй выход 15 генератора импульсов соединен со входом кольцевого счетчика, 1-ый (1 = Г,д + 1) выход которого подкпючен ко второму входу 1-го элемента И, а М + 2-ой выход кольцевого счетчика соединен с его входом, выход первого накапливающего сумматора подключен ко входу М + 1-го квадратора, выход которого соединен со входом усилителя, выход М + 1-го умножителя 5 соединен со вторым входом 3 М+3- го .умножителя, а вых 1 од второго накапливающего сумматора соединен со вторым входом 1-го ( = М + 2, 2 М + 1 умножителя.На чертеже представлена блок-схема устройства, которое содержит регистр 1, генератор 2 импульсов, блок 3 вычисления дисперсии, умножитель 2 еЛ = Я2, /3 7, 5 1-ый ( = 1,М), умножитель 6 К-ый (К = 2 М + 2, 3 М + 1), элементы И квадраторы 8, второй накапливающий сумматор 9, третий блок 10 памяти, сумматор 11, умножитель 12 ф 3 М+4-ый, четвертый блок 13 памяти, третий 40Ф счетчик 14, умножитель 15 3 М+2-ой, кольцевой счетчик 16, второй счетчики 17, умножитель 183 М+3-ий, первый накапливающий сумматор 19, усилительд гг20, умножитель 21 М+1-ый, первый 45 блок 22 памяти, первый счетчик 23, второй блок 24 памяти, элемент 25 задержки, трети й на капли вающий сумматор 26. Входы регистра 1, генератора 2, блока 3 соединены со входом 50ч устроиства, Выходы регистра 1 соединены с первыми входами умножителей 5, первыми входами умножителей 4, первыми входами умножителей 6, входами М квадраторов 8 и первыми входами элементов И . Вторые входы умножителей 4 соединены с выходом второго накапливающего сумматора 9, а выходы - со входами третьего блока 1 О ца5 957416 Ьмяти, выход которого соединен с пер- ментов И 7. Сигналы с выхода генеравым входом сумматора 11, второй вход тора 2 поступают на вход кольцевогокоторого соединен с выходом умножи- счетчика 16, на выходе которого фортеля 12, один вход которого соединен мируются сигналы С.Си,. На вторыес выходом блока 3, адругой - с выхо входы умножителей 4 поступает сигдом четвертого блока 13 памяти. Вы- нал у(1) полученный на предыдущемход сумматора 11 соединен со входом шаге адаптации. С выхода умножитетретьего счетчика 14, выход которого лей 4 полученные М значений матрицысоединен со вторым входом умножите- столбца,у(х(1) записываются в треля 15. Вторые входы элементов И 7 О тий блок 10 йамяти. Одновременно всоединены с М выходами кольцевого блоке 3 определяется дисперсия входсчетчика 16, а выходы - со вторыми ного процесса. Сигнал С снимаемыйвходами умножителей 6, выходы кото- с одного из выходов кольцевого счетрых соединены со входами второго чика 16, поступает на вход М+1-госчетчика 17, выход которого связан 15 элемента И 7, с выхода которого имс первым входом умножителя 15, выход пульсы поступают на вход элемента 25которого соединен с входом третьего задержки и входы третьего 10 и четнакапливающего сумматора 26, выход вертого 13 блоков памяти. Эти имкоторого связан с первым входом ум- пульсы вытесняют из четвертого блоканожителя 18. Выходы М квадраторов 8 20 13 памяти значения нормированной корсоединены с входами первого накапли- реляционной функции, которые постувающего сумматора 19, выход которого пают на второй вход умножителя 12,соединен с входами М+1-го квадратора где умножаются на величину текущего8, выход которого через усилитель 20 значения дисперсии, Полученные знасоединен с первым входом умножителя 25 чения корреляционной вектор-функции21, второй вход которого соединен с К поступают на второй вход сумвыходом первого блока 22 памяти, а матора 11, на первый вход котороговыход соединен со вторым входом ум- поступают сигналы с третьего блока 1 Оножителя 18, выход которого соединен памяти. В сумматоре 11 происходитсо вторым входом первого счетчика 2350 алгебраическое суммирование сигналов,выходы которого соединены со входа- соответствующих величинам К (1)ми второго блока 24 памяти, выходы и у(1)х(которого соединены со вторыми входами умножителей 5. Выход генератора 2 У (1) х(1) В(1 )соединен со входом кольцевого счетчи- после чего результат запйсывается35ка 16, М+2-ой выход которого соеди- в третий счетчик 14, После этого нанен со своим входом, а М+1-ый вы- выходе кольцевого счетчика 16 появляход - с одним входом М+1-го элемен- ется сигнал С. Сигнал С поступаетта И 7, второй вход которого соеди- на второй вход первого элемента И 7,нен с выходом генератора 2. Выход о с выхода которого сигналы поступаютМ+1-го логического элемента И 7 сое- на вторые входы всех умножителей 6,динен с управляющими входами треть- На выходе умножителей 6 формируютсяего 10 и четвертого 13 блоков памяти элементы строки матрицы ххтЦ ),и входом элемента 25 задержки, вы- Они записываются во второй счетчикход которого соединен с первым вхо. Из второго счетчика 17 сигналыдом первого счетчика 23, поступают на вход умножителя 15, гдеУстройство работает следующим об- происходит их умножение на сигналы,разом. соответствующие элементам вектораВыборки входного случайного сиг у(х(3) - В, Ц ). Результаты умнонала, поступая на вход устройства,50жения суммируются в третьем накаплипроходят на входы регистра 1, пред- вающем сумматоре 26, Сигналы с выназначенного для хранения М выборок хода М квадраторов 8 поступают навходного сигнала х (1) = х(1) входы первого накапливающего суммах(-1) х(1-М+1)генератора 2 тора 19 на выходе которого получаимпульсов и блока 3 вычисления дис- ется сигнал, пропорциональный велиперсии, М выборок входного сигналачине х Ц) х(1), С выхода первого на 55 тпоступают с выхода регистра 1 на капливающего сумматора 19 сигналпервые входы умножителей 4-6, входы поступает на вход М+1-го квадратоквадраторов 8 и первые входы эле- ра 8, на выходе которого получается957416 Формула изобретения величина х Ц) х(3)3 ф . Этот сигнал поступает на вход усилителя 20, на выходе которого получается сигнал, обратный входному Ех (3) хЦ)3 .Этот 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 1 О К/ Е хт (3 ) х Ц )1который поступает на второй вход умножителя 18, на первый вход которого поступает сигнал с третьего накапливающего сумматора 26, С выхода умножителя 18 сигнал запи- м сывается в первый, счетчик 23, в котором происходит накопление величины дЧ, т.е. формирование вектора ь У(3). После записи в него величины д И на кольцевом счетчике 16 появляется 2 О сигнал С и цикл Формирования ЬЧ повторяется. Так происходит до тех пор, пока в первом счетчике 23 не будет й значений 6 Ч. После этого на выходе элемента 25 задержки появляется сигнал, поступающий на первый вход первого счетчика 23. В результате значения ЬЧ(3) переписываются во второй блок 24 памяти, где складываются с предыдущим значением вектора весовых коэффициентов И(3-1), Сигналы с выходов второго блока 24 памяти поступают на вторые входы умножителей 5, с выхода которых сигналы поступают на вход второго накапли 35 вающего сумматора 9, на выходе которо го получается выходной сигнал у Ц+1). Эффективность предлагаемого устройства состоит в том, что за счет40 введения новых элементов и их соответствующего подключения появилась возможность построить устройство для цифровой фильтрации, использующее на эталонный сигнал, а лищь нормированную корреляционную функцию полезного4 Я 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 5 Ц ), получим его в виде= Мр(3) - у(3)х(3 ЯМЕР Ц)хЦ) + М 5 Ц)1, - Я2 М Ч(3) хЦ) 5 Ц)1, (1) где М - операция математического ожидания. 8Последнее выражение в формуле (1)можно представить в виде2 мЕ 1 т (1) х( ) ) 5 (3)1: 2 м)т(3) Е 5 (3 )= Му(3 х(3)1" Й Ц) (")Матрица вторых производных критериякачества (1) равнаЛ = М,х(3 (3)3 (5)Поскольку устройство обрабатываетединичные реализации, то приходитсяиметь дело не с точными значениямиградиента (4) и матрицы (5), а с ихоценками, которые имеют видд )(3) = у(3)И Йвь(3) (6)аЗ(3): х(3) хтЦ) (7)В этом случае алгоритм минимизациикритерия среднеквадратической ошибкина основе метода Ньютона-Рафсона имеет видЛ- л)(3+1): ц(3) + .1 (3)д,1 Ц) (8)Поскольку матрица дЛ,(3) вырождена,то обратной матрицы для нее не существует. В этом случае целесообразно использовать псевдообратную матрицу, определяемую выражениемьу/-"(3) (3)хт(3),/Ет(3)х(3)3 (9)Справедливость выражения (9) легкоустанавливается по условиям Пенроуза,характеризующим псевдообратную матрицу. С учетом (6) и (9)алгоритм (8)в.окончательном виде будет следующимИ1):И) )+ .+) - -.)-у ) х )- Й, (3) (10) Из (10) видно, что если задана нормированная корреляционная матрица полезного сигнала, то умножая ее на текущую ди спер сию, можно определи т ь Й)Ц), а следовательно, и выходной сигнал устройства в (3 + .1) момент времени в видеу(3 + 1) = У(3 + 1) х(3 + 1) (11) Устройство для цифровой филь грации, содержащее регистр, й квадраторов, И + 1 умножителей, первый и второй блоки паинти, усилитель, пер-,9574вый и второй накапливающие сумматоры, причем 1-ый (1 = 1,М) выход регистра подключен к первому входу1-го (1 = 1,М) умножителя и входу1-го квадратора, выход которого подклюцен к 1-му входу первого накапливающего сумматора, выход усилителя соединен с первым входом й+1- гоумножителя, второй вход которого подключен к выходу первого блока паяти, 10выход второго блока памяти соединенс вторым входом 1-го (1 = 1,М) умножителя, выход которого подключенк 1-му входу второго накапливающегосумматора, выход которого является 15выходом устройства, а вход регистра является входом устройства, о т -л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения быстродействия, в него введены М + 1 элементов И, 2 М + 3 20умножителей, третий и четвертый блоки памяти, М+1-ый квадратор, блок вычисления дисперсии, первый, второйи третий счетчики, третий накапливающий сумматор, генератор импульсов, 25кольцевой счетцик и элемент задержки, выход которого соединен с первым ,;входом первого счетчика, выход которого подключен к входу второго блокапамяти, 1-ый (1 = 1,М) выход регист- З 11ра соединен с первым входом 1-го(1 = 1,М) элемента И, выход которогоподключен к второму входу К-го (К =2 М + 2, 3 М + 1) умножителя, выходкоторого подключен к 1-му входу второго сцетчика, выход которого соединен с первым входом 3 М+2-го умножителя, выход которого подключен к вхо"ду третьего накапливающего сумматора,выход которого соединен с первым входом 3 М+3-его умножителя, выход которого подключен к второму входу пер 16 10вого счетчика, выход 1-го (1 = М + 2, 2 М + 1) умножи теля соеди нен с 1-ым (1 = 1,й) входом третьего блока памяти, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен с входом третьего счетчика, выход которого подключен к второму входу 3 М+2-го умножителя, вход регистра объединен с входом генератора импульсов и входом блока вычисления дисперсии, выход которого соединен с первым входом 3 М+4-го умножителя, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход четвертого блока памяти подключен к второму вхо ду 3 М+4-го умножителя, первый выход генератора импульсов соединен с первым входом й+1-го элемента И, выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющим входам третьего и четвертого блоков памяти, второй выход генератора импульсов соединен с входом кольцевого счетчика, 1-ый (1 = 1,Я + 1) выход которого подключен к второму входу 1-го элемента И, а й+2-ой выход кольцевого счетчика соединен с его входом, выход первого накапливающего сумматора подключен к входу й+1-го квадратора, выход которого соединен с входом усилителя, выход й+1-го умножителя соединен с вторым входом 3 М + + 3-го умножителя, а выход второгонакапливающего сумматора соединен с вторым входом - (1 = й + 2, 2 й + 1) умножителя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРй 516043, кл, Н 03 Н 17/06, 1974.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке й 1 2684708, кл. Н 03 Н 17/Об,16.10.78,