Сглаживающий фильтр

(71) Сибирский ордена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическиинститут им. Серго Орджоникидзе(56) Осмол вский П.Ф. Комбинировные измерительные следящие систеТеория инвариантности в системахавтоматического регулирования,-МНаука, 1964, с. 238,рис. 1.Авторское свидетельство СССРФ 003302, кл. Н 03 Н 21/00, 198(57) Изобретение может использоваться в устройствах адаптивной фильтрации сигналов. Цель иэобретенияповьшепие точности выделения информационного сигнала. Устройство содержит три капала фильтрации (КФ)2, 3, 4, два сумматора 1,25, три компаратора 12, 3, 4, три источникапостоянного напряжения (ИПН) 18, 19,20, шесть ключей 15, 16, 7, 21, 22,23, блок определения наименьшего эначепил сигнала (БОНЗС) 24, блок экстраполяции 26 и амплитудный дискриминатор (АД) 27. Входной сигнал х(1)преобразуется в КФ 2, 3, 4, выходные сигналы хх (Т) 1 х з(Т) ко12 торых через ключи 21, 22, 23, управляемые таким образом, что в каждый момент времени только один из них замкнут, а два других разомкнуты, по" ступают на входы сумматора 1, где алгебраически суммируются, Поскольку с выходов разомкнутых ключей поступают сигналы, равные нулю, то сиг"нал на выходе сумматора 1 равен одному из сигналон х, х (С), хн зависимости от того, какой из ключей 21, 22, 23 замкнут в данный момент времени. ИПН 18, 19, 20, ком" параторы 1,2, 13, 14, ключи 15, 16, 17, БОНЗС 24,. сумматор 25, блок экстраполяцчи 26 и АЦ 27 служат для уг равления ключами 21, 22, 23, чтобы при скачкообразном изменении структурных и статических свойств полезного сигнала и помехи подключить тот ЕФ 2, 3, 4, который обеспечивает наилучшую точность выделения полезного сигнала, управление. ключами 21, 22, 23 производится в за висимости от свойств отклонений входного сигнала х(г.), от его сглаженных значений и свойств самих сглаженных сигналов в каждом Кф 2,3,4.Приведен пример выполнения ЛД 27.1 з.п.Ф-лы,илИзобретение относится к радио"технике и может быть использованов устройствах адаптивной Фильтрации сигналов.Цель изобретения " повышение точности выделения инФормационногосигнала.На Фиг.1 приведена структурная"электрическая схема сглаживающего Фильтра, на Фиг.2 " структурнаяэлектрическая схема блока определения скорости изменения сигнала,; на Фиг.3 - структурная электрическаясхема блока анализа отклонения сигнала от значения; на Фиг,4 - струк"туркан электрическая схема, амплитудного дискриминатора.Сглаживающий Фильтр содержит первый сумматор 1, первый, второй и третий каналы 2, 3 и 4 Фильтрации, каждый из которых состоит иэ перно" го блока 5 вычитания, первого и вто ф рого блоков .6 и 7 анализа отклонения сигнала от среднего значения, блока 8 определения скорости изменения сиг" . нала, второго сумматора 9 и Фиды" ра 10 нижних частот, а второй и третий каналы 3 и 4 Фильтрации содержат кроме того по одному допол" нительному сумматору 11, первый, второй и третий компараторы 12,13 и 14, первый, второй и третий ключи 15, 16 и 17, перный, второй и третий источники 18, 19 и 20 постоянного напряжения, четвертый, пятый и шестой ключи 21 22 и 23, блок 24 определения наименьше. го значения сигнала, третий сумматор 25,блок 26 экстраполяции и амплитуд" ный дискриминатор 27, который состоит из четвертого и пятого источников 28 и 29 постоянного напряжения, четвертого и пятого компараторов ЗО и 31 и элемента 32 антисонпацений, первый и второй блоки 6 и 7 анализа отклонений сигнала от среднего значения состоят каждый иэ детектора 33 знака сигнала, первого элемента 34 задержки, перемножителя 35, второго бка 36 вычитания, интегрирующего усилителя 37, третьего блока 38 вычитания, масщтабирующего усилителя 39 и шестого источника 40 постоянного напряжения, блок 8 определения скорости изменения сигна/ ла состоит иэ второго элемента 41 задержки и четвертого блока 42 вычитания.Сглаживающий Фильтр работает следующим образом.Входной сигнал Фильтра х(1:) поступает,на вход первого канала 2 Фильтрации, а именно на вход фильтра 10 нижних частот, в котором выделяется низкочастотная составляющаясигнала х(С), являющаяся выходомпервого канала 2 Фильтрации.Сигнал х,(1) вычитается в первомблоке 5 вычитания из входного сигкала х(г) и полученная разность35ьх,й) = х(й) - х,Сигналы х, (г.), х,(Т) и х, поступают на входы соответственно четвертого, пятого и щестого ключей 21, 22 и 23, которые управляютс таким образом, что каждый момент времени только один пз них замкнут, а два других разомкнуты. Сигналы с выходов указанных ключей подаются на вход первого сумматора 1, в кото я поступает нд вход фильтра 10 нижних частот второго канала 3 Фильтрации фильтра 1 О нижних частот, в дополнительном сумматоре 11 алгебраически суммируется с выходным сигналом х, фильтра 10 нижних частот первого канала 2 фильтрации. На выходе дополнительного сумматора 11 второго канала 3. Фильтрации получается сигналх= х,(с) + 4 х, (1), являющийся выходом второго 3 канала фильтрации. Сигнал х (1) содер жит более высокочастотные состанляющие, чем сигнал х,(1) с выхода первого канала 2 фильтрации.Аналогично определяется сглаженный сигнал х (1), янляющийся выходом третьего канала 4 Фильтрации. Для этого в первом блоке 5 вычитания второго канала 3 фильтрации из вывходного сигнала х(с) вычитается сигнал х (1) с выхода дополнительного сумматора 11Сигнал о полученной разности4 х,(Е) = х(Е) - х,сглаживается в фильтре 10 нижних частот третьего канала 4 Фильтрации. Сигнал ь х (1) свыхода фильтра О нижних частот в дополнительном сумматоре 11 третьего канала 4 Фильтрации алгебрдически суммируется с сигналом х , поступившим с выхода дополнительного сумматора 11 вто" рого канала 3 фильтрации, Выходной сигнал дополнительного сумматора 11 третьего канала 4 фильтрациих (Е) х (Е)+ Ьх (С)-х (Е)+ лх (С) содержит .еще более высокочастотные составляющие, чем сигнал х(1). Сигнал х ("),поступая далее нд вход первого блока 5 вычитания, третьего канала 4 Фильтрации, вычитаетсянем иэ входного сигнала х(1):+1, если Ь х;Оэдп1 и;( :) =45 -1,если дх (с)О,С выхода детектора 33 знакасигнал поступает на вход первого зле"мента 34 задержки, и котором осу ществляется задержка на интервалвремени 9 , выбираемый.в каждомконкретном случае по статистическимсвойствам полезного сигнала и помехи. Задержанный сигнал э 1 рП4 х (С)- 55о ) умножается н перемножителе25 нд выходной сигнал детектора 33знака, в результате чего получается 510520 2530 35 40 ром сци алгебряически суммируются, Поскольку г. выходов разомкнутых клю" чей поступают сигналы равные нулю, то сигнал цд выходе первого сумматора 1 равен одному из сигналов х хИ), хв зависнмостй от того, кякой иэ ключей 21, 22 или 23 замкнут н данный момент времени, Ксмпдрдторы 17., 3 и 14, ключи 15, 1 Ь ь 17, источники 8, 19,и 20 посто- янного напряжения, блок 24, оумматор 25, блок 2 б,и амплитудный дискриминатор 2 У служат для упранления четвертым, пятым и шестым ключами 21, 22 и 23 с той целью, чтобы при скачкообразном изменении структурчых и статистических свойствполезноо сигнала и помехи подключить тот канал 2, 3 или 4 фильтрации из числа имеющихся, который обеспечивает наилучщую точность выделения полезного сигналя.Управление четвертым, пятым и шестым ключдми 21, 22 и 23 производится н зависимости от свойств отклонений входного сигнала х(с) от его сглаженных значений и свойствсамих сглаженных сигналов н каждом канале 2, 3 и 4 фильтрации следующим образом.Сигндлы об отклоцениях 4 х Ьх (:), л х (1:) поступают на входЬ первых блоков 6 анализа отклонения сигняля ст среднего значения первого, второго и третьего кдцялов 2, 3 и 4, в:.;оторых оцениваются покяздтели, харяктеривующие свойства этих отклонений фиг.ЗСигналх,(где- номер кдцяля фильтрации)подается на вход детектора 33 знака с законом функ- ционирования+1, если сигналы Ьх;(с) и дх (."9)одного знака, и -1, если указанныесигналы разных знаков,С выхода перемножителя 35 сигнал.р,И) поступает на вход второго бло-ка 36 вычитания и интегрирующего уси Олителя 37. Сглаженный (усредненньй)сигнал 11(С) на выходе интегрирующего усилителя 37 представляет собой аналог автокорреляционного момента и обладает следующими свойствами: 15его величина стремится к +1, еслиотклонения 4 х.(С) на интервале усреднения имеют одинаковые знаки; еговеличина меньше нуля, если отклонения дх;(С) знакопеременные на тоь 20же интервале времени.В третьем блоке 38 вычитания изсигнала а, (1) вычитается сигнал с1выхода источника 40 постоянного напряжения о желаемом заданном) значейни автокорреляционного момента,в частном случае, равном -1. Полученная разность н масштабирующем усилителе 39 умножается на заданный весовой коэффициент. ЗОН результате описанных преобразований сигналов об отклонениях дх,(С),д х (1.), ь хсоответственно вапервом, втором и третьем каналах 2,3 и 4 Фильтрации 1 и блоках 6 форми-руются сигналы о текущих значенияхпоказателей, характеризующих свойства отклонений.Для определения показателей, харак"териэующих свойства самих сглаженных щсигналов х,(Е), х (й), х , снача"гла в блоках 8 определения скоростиизменения сигнала находятся оценкискоростей изменения этих сигналов.Сигнал х;(г) с выхода 1 "го каналасглаживающего фильтра (а."1,213) поступает иа вход соответствующегоблока 8 определения скорости изменения сигнала (фиг.2), где задерживает"ся во втором элементе 41 задержки йа озаданный интервал времени. Оценкаскорости изменения низкочастотнойсоставляющей.х;(г), входного сигналах(с) находится в четвертом блоке 42вычитания как разность значенийвходного х; и выходного х (с)сигналов второго элемента 41 задерж- ки И (т)=ХИ) - Х (С - 1 ),Сигналы об оценках скорости 1(С),Га(1), с(1.) н каждом канале 2, 3и 4 Фильтрации поступают на входывторых блоков 7 анализа отклоненийсигнала от среднего значения, в кото .рых производятся преобразования, аналогичные описанным. С помощью детек"тора 33, элемента 34 и перемножителя 35 определяется произведение(усредняется). Аналог автокорреляционного момента ;(С) на выходеинтегрирующего усилителя 37 имеетследующее свойство. его величинастремится к +1, если оценки скорости Е;(й) йа интервале усреднения имеют одинаковые знаки, т.е.выделенная -и каналом Фильтрациинизкочастотная составляющая х (С)1входного сигнала х(1) монотонно возрастает и убывает, поэтому в данномслучае желаемым (заданным) значением автокорреляционного момента является +1. Соответствующий сигнал свыхода источника 40 в третьем блоке38 вычитания вычитается иэ сигнала;(1:), полученная разность в масштабирующем усилителе 39 умножаетсяна заданный весовой коэффициент. В результате описанных преобразо-:ваний сигналов об оценках скоростис 1, с, Е(е) в соответствующих блоках анализа отклонения сигнала от среднего значения Формируются сигналы о текущих значениях показателей, характеризующих свойствасглаженных сигналов.Показатели, найденные в первом ивтором 6 и 7 блоках анализа отклоненная сигнала от среднего значениян первом канале 2 Фильтрации суммируются но втором сумматоре 9, йа выходе которого получается сигнал обобобщенном показателе работы первогоканала 2 Фильтрации, учитывающемкак свойства отклонений дх (1) сгла-,гЬ1жеййого сигйала х, (ф;)сигнала х(й), так и свойства самогосглаженного сигнала х 1(й),Сигналы об обобщенных показателяхработы второго и третьего каналов 3и 4 Фильтрации Формируются аналогич.ным образом в соответствующих вторых сумматорах 9Сигналы об обобщенных показателях с выходов вторых сумматоров 9 всех каналов 2, 3 и 4 Фильтрации поступают на входы блока 24 определения наименьшего значения сигнала, а также на первые входы первого, второго и третьего компараторов 12, 13 и 14. В блоке 24.иэ значений трех поступивших на его входы сигналов выбирается наименьшее, которое подается далее на вторые входы первого,второго н третьего компараторов12, 13 и 14В любой момент временина входах одного из укаэанных компараторов значения сигналов совпадают, и этот блок формирует управляющий сигнал на вход управлениясоответствующего первого, второгоили третьего ключа 15, 16 или 7.По этому сигналу соответствующийкхпоч замыкается, и на вход третьего сумматора 25 поступает сигналот соответствующего первого, второ"го или третьего источника 18, 19или 20 постоянного напряжения, Па"пряжения источников 8, 19 и 20постоянного напряжения пропорциональны номерам каналов 2, 3 и 4фильтрации относительно величины2, 3. Таким образом, сигнал навыходе третьего сумматора 25 в каждый момент времени пропорционаленномеру наилучшего канала фильтрациив соответствии с выбраннымкритерием качества.Показатели качества работы каналов 2, 3 и 4 фильтрации Формируются по значениям входного сигналахИ) и его низкочастотных составляющих х х , хна скользящем интервале предыстории и характеризуют их .работу на этом интервале предыстории, т.е, с запаздыва"нием. Сигнал с выхода третьего сумматора 25 поступает на вход блокаэкстраполяции 26, в котором он экстраполируется на интервал этого запаздывания,Сигнал рс выхода блока 26экстраполяции поступает далее навход амплитудного дискриминато"ра 27, в котором определяется номерканала фильтрации, ближайший к теКущему значению экстраполированного сигнала (Фиг;4). Для этого с помощью четвертого и пятого компара 5 10 15 20 25 30 35 торов 30 и 31 величина экстраполированного сигнала сравниваетсяс напряжениями четвертого и пятогоисточников 28 и 29 постоянногочапряженпя, пропорциональными относительным величинам 1,5 и 2,5 соответственноЕсли сигнал(.)меньше 1,5, то четвертый компаратор вырабат.-.вает управляющий сигнал, эамыка.ий четвертый ключ 21,вследствие чего на выход сглажи"вающего фильтра поступает сигналх,(г.) с выхода первого канала 2Фильтрации.Если сигнал О больше 2,5, топятый компаратор 31 вырабатываетуправляющий сигнал, замыкающийшестой ключ 23, вследствие чего навыход сглаживающего Фильтра постужЪпает сигнал х(1:) с выхода третьегоканала 4 Фильтрации,Сигналы с выходов четвертого лпятого компараторав 30 и 31 поступают также на вход элемента 32 антисовпадения. Если сигнал(Т) больше 1,5, но меньше 2,5 срабатываетэлемент 32 антисовпадения и замыкает пятый ключ 22, вследствие чегона выход сглаживающего Фильтра поступае сигнал х,(С) с выхода второгоканала 3 Фильтрации. В описанномсглаживающем Фильтре предусмотренытри канала сглаживания, По аналогииможно простроить Фильтр с произвольным числом каналов, и , следовательно, расширить ео возможности. Формула изобретения 1,Сглаживающий фильтр, содержащийпервый сумматор и первый канал фильтрации, состоящий из последовательно соединенных первого блока вычитания, вход которого является входом первого канала фильтрации и входом сглаживающего фильтра, первого блока анализа отклонения сигнала от среднего значения и второго сумматора, выход которого являетсяпервым дополнительным выходом первого канала Фильтрации, иэ последовательно соединечных блока определения скорости изменения сигнала ивторого блока анализа отклонения сигнала от среднего значения, выход которого подключен к второму входувторого сумматора, а также из Фильтра нижних частот, вход которого яв 121185 Эляется дополнительным входом первого канала фильтрации, а выход со- Ъ единец с вторым входом первого блока вычитания, с выходом блока определения скорости изменениясигнала и является выходом первого канала фильтрации, причем выход первого блока вычитания является вторым дополнительным выходом первого канала Фильтрации, а каждыйблок анализа отклонения сигнала от среднего значения содержит шестойисточник постоянного напряжения и последовательно соединенные детекторзнака сигнала, вход которого является входом блока анализа отклонения сигнала от среднего значения, первый элемент задержки, перемножитель, второй вход которого подключен к ны" ходу детектора знака, второй блок вычитания,интегрирующий усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока вычитания, тре" тий бло вычитания, второй вход которого подключен к шестому источнику постоянного напряжения, и масштабирующий усилитель, выход, которого является выходом блока анализа отклонения сигнала от среднего значения, а блок определения ско" рости изменения сигнала содержит последовательно соединенцыв второй элемент задержки и четнертый блок вычитания, второй вход которого подключен К входу второго элемента задержки и является входом,.а выМод четвертого блока вычитания ны" ходом блока определения скорости изменения сигнала, о т л и ч а ющ и й с я тем,что,сцельк повышения точности выделения информационного сигнала, введены второй и третий каналы фильтрации, в каждом из ко" торых между выходом Фильтра нижних частот и выходом каждого канала фильтрации включен дополнительно. сумматор, йходы второго и третьего каналов фильтрации подключены к входу сглаживающего фильтра первый, второй и третий компараторы, блок определения наименьшего значения сигнала, первый, второй и третий входы которого соединены с первыми допол". нительными выходами первого, второго и третьего его каналов фильтрации и первыми входами первого, второго и третьего компараторов соотнет"ний вторым выходом амплитудного дискриминатора. 5г 1 1 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 ствеццо, вторые входы первого, второго ц третьего компараторов цодключецы к выходу блока определения наименьшего значения сигнала, последовательно соединенные третий су;оратор,блок экстраполяции и амплитудныйдискриминатор, первый, второй и третий источники пос.тоянного напряжения, первый, второй и третий ключи, включенные между выходами первого, второго и третьего источников постоянного напряжения и первым,вторым и третьим входами третьегосумматора соответственно, входы управления первого, второго и третьего ключей соединены с выходами первого, второго и третьего компараторон соответственно, четвертый, пятый и шестой ключи, включенные междувыходами первого, второго и третьего каналов фильтрации и входами первого сумматора соответственно, входиуправления четвертогопятого и шестого ключей соединены с первым, вторым и третьим выходами амплитуд"ного дискриминатора соответственно,вторые дополнительные выходы первогои второго каналов фильтрации подключены к дополнительным входам второгои третьего каналов фильрации соответственно выходы первого и второгоканалов фильтрации соединены с нторымн дополнительными входами второгон третьего каналов фильтрации соответственно, а выход первого сумматора является выходом сглаживающегофильтра,2. Фильтр по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что амплитудный дискриминатор содержит последовательносоединенные четвертыц источник постоянного цапряжеия и четвертыйкомпаратор, выход которого являетсяпервым выходом амплитудного дискримиатора, последовательно соединенные пятый источник постоянного напряжения и пятый компаратор, выходкоторого является третьим выходомамплитудного дискриминатора, элементацтисовпаденцй, входы которого подключецы к выходам четвертого ипятого компараторон соответственно,вторые входы четвертого ц пятогокомпараторон объединены и являютсявходом, а выход блока ацтцсонпаде211853 оррект Рещетник писное Тираж 88Государственного комитета ССелам изоб ретений и о тк рь 1 тийМосква, Ж, Раушская наб аказ б 49/5 ВН/в Дз иал ППП Патент Ужгород, ул.Проектная,4 Сосч авитель Л,ОсиповичРедактор Л.Авраменко Техред О.Ващищина