Устройство для цифровой фильтрации сигналов

(51)5 6 01 С 21/00, 6 06 Е 15/353, В С 13/00 ТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПВЕДОМСТВО СССР(71) Московский институт электромеханики и автоматики(56) Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической обработки наблюдений, М.: Физматгиз, 1962.Гришин Ю.П. и Казаринов Ю,Н. Динамические системы, устойчивые к отказам, М,; Радио и связь, 1985.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ(57) Устройство для цифровой ф сигналов относится к цифровым Изобретение о ровых систем упра частности, может б ределения положен ся объекта с помощ носится к обла ления и навиг ыть применен я и скорости дв ю радиодальн тк+1 дискретные Т-як+1- тк, К-О,ИФункциональ прототипа приведе тройство-прототип соотношения оптим х 1(к+1) х 1(к)+Тх 2(к)+ моменты в, 1=1,2.ая схема уна на фиг.1 ореализует слального фильт ти цифции,ив для оп- жущеГометрии. иства иЯ. Ус ующие стро писа Извес х 2(к)Н1(к+1)(2(к+1)(х 1 х 2(к+1)=х 2(к)+х 1(0)=0, х 2(0 ется разностным начено: хф+1), х метода наимень ложения Х 1 и ск тСтвенно в 1+1 и(к) - опти щих квад орости Х 1 к момен В (3), (4), (5) обо мальные в смысл атов оценки и бъекта (1) соот ы времени: качестве прототмановского) оцскорости Х 2 обописывается неальными уравнеех 1 х 2,х 2-0а описание состуравнениямих 1(к+1)=х 1(к)+х 2(к+1)=х 2(к)где х(к), х 1(К+1)щие положению роиство, рассмотренное в па, для оптимального (калнивания положения Х 1 и екта. движение которого прерывными дифференцииями вида 2(к)Т(2) значения, соответствуюи скорости объекта в тк иуправления. Цель изобретения - повышение быстродействия. Предлагаемое устройство содержит ПЗУ, блок измерения положения объекта, сумматоры-вычитатели, блоки умножения, сумматоры, блоки задержки, блок формирования первого и второго сигналов усиления и соответствующие связи, В отличие от известного устройство содержит седьмой и восьмой выходы ПЗУ и седьмой и восьмой входы блока формирования первого и второго сигналов усиления,. а также новую схему реализации этого блока, который включает таймер, блоки деления, сумматоры, блоки умножения, сумматоры-вычитатели и новые связи. 2 ил,(к+1)(2(к+ 1) - (х 1(к)+Тх 2(к= Ф(к+1,к) Р(к/к) Ф (к+1, к),20 В нашем случае п=2, 5=1 и соответственно М(2,1)=37, А(2,1)-21.С первого выхода блока 13 сигнал К(1)поступает на второй вход блока 12, одновременно на второй вход блока 4 со второго Р выхода блока 13. поступает сигнал К 2(1),С выхода блока 2 на первый вход блока3 поступает сигнал 2(1), на второй вход которого с выхода блока 11 поступает сигнал х 1(О)+Тхг(0). С выхода блока 3 сигнал 2(1)- х 1(0)-Тхг(0) поступает на первый вход блока 12 и первый входэлока 4, С выхода блока 4 сигнал К 2 Я(1)-х 1(0)-Тхг(0)3 поступает на первый вход блока 5, на второй вход которого с выхода блока 6 поступает сигнал хг(0).40 Выход блока 5 является вторым выходомустройства, на котором в итоге присутствует сигнал 45 50 55 Р(к+1/к+1)С (к+21)Я, (6) С(к+1)=С(к)-(1,0) - матрица измерений,1 Т Ф (к+1,к)= - переходная матрица,0 1Р(к+1/к+1), Р(к,к) - матрицы ковариаций размерности пхп, где п=2, ошибок оценивания фазовых координат х, и хг соответственно в к+1 и к моменты времени;2(к+1)"х (к+1)+ч(к+1) - выходной сигнал блока измерения положения объекта,ч(к+1) - помеха типа дискретный белый шум с дисперсией й=сопз 1,о 10 Р(0/О)ос 3- матрица ковариаций ошибок оценивания до начала измерений,На фиг.1 обозначены: 1 - постоянное запоминающее устройство; 2- блок измерения положения объекта; 3 - сумматор-вычитатель; 4,7,12 - соответственно первый, второй и третий блоки умножения; 5,8,9,11 - соответственно с первого по четвертый блоки суммирования (сумматоры); 6,10 - соответственно первый и второй блоки задержки; 13 - блок формирования первого и второго сигналов усиления.Блок измерения положения объекта представляет собой, например, импульсное радиодальномерное устройство.На каждом шаге оценивания устройство-прототип работает одинаковым образом. Поэтому без потери общности рассмотрим его работу на первом шаге. Перед началом работы устройства на выходе блока 6 устанавливается сигнал хг(0)=0, а на выходе блока 10 сигнал х 1(0)=0,На первый вход блока 13 с первого выхода блока 1 поступает сигнал (число) о 1. Одновременно на второй вход блока 13 со второго выхода блока 1 поступает сигнал(число) В, на третий вход блока 13 с третьего выхода блока 1 поступает сигнал (число) с 3 . на четвертый вход блока 13 с четвертого выхода блока 1 поступает сигнал (число) 1 (единица); на пятый вход блока 13 с пятого выхода блока 1 поступает сигнал (число) 0; на шестой вход блока 13 с шестого выхода блока 1 поступает сигнал Т. В блоке 13 осуществляются операции сложение-вычитание и умножение-деление и тем самым реализуются соотношения (5), (6), (7); при этом в интересующем нас случае, когда все вычисления осуществляются в реальном масштабе времени, общее число операций умножения на один шаг оценивания вычисления по формуле(п )3 пЗ+2 пг+2 пг+З а общее число операций сложения по формуле А(п,Я)=Зпг+2 п 23+2 п Яг+Яз - 2 пг. хг(1)-хг(0)+Кг(1)(а(1)-х.(0)-Тх 2(0), С выхода блока 12 сигнал К 11 Хг(1)- х 1(О)-Тхг(ОД поступает на второй вход блока 8.С выхода блока 6 сигнал хг(0) поступает на первый вход блока 7, на второй вход которого с шестого выхода блока 1 поступает сигнал Т. С выхода блока 7 сигнал Тхг(0) поступает на первый вход блока 8 и второй вход блока 11. С выхода блока 8 сигнал Тхг(0)+К 1)2(1)-х 1(0)-Тхг(ОЦ поступает на первый вход блока 9, на второй вход которого с выхода блока 10 поступает сигнал х 1(0). С выхода блока 9 сигнал х 1(1.х 1(0)+Тхг(0)+К 1(1)2(1) - х 1(0)-Тхг(ОЦ и о 182754315 тем недостатком, что число операций типа 30 35 40 45 50 ступает нэ первый вход блока 10. Выход блока 9 одновременно является первым выходом устройства.Из изложенного выше и рассмотрения фиг,1 следует, что всего на каждом шаге оценивания в реальном масштабе времени в устройстве-прототипе реализуется 40 операций умножения и 26 операций сложения.Отметим, что другие технические решения, основанные на использовании предвычисляемых и закладываемых в ПЗУ табличных значений коэффициентов усиления К 1 и К 2, а также основанные на других методах их аппроксимации (например, также предвычисляемых кусочно-линейных), в принципе требуют меньшего числа операций типа сложение, умножение, однако не рассматриваются нами в качестве аналогов или прототипом. Это объясняется тем, что в процессе измерений возможны изменения величин о 1, о,б, что делает необходимым последующий перезапуск устройства при новых значениях о 3, оЗ,б, С другой стороны, возможность учета изменений о 1, о 2,б, уже заложена в устройстве-прототипе, которое следовательно обладает важным свойством адаптации к начальным условиям. Однако, устройство-прототип обладает умножение, сложение, реализуемое в нем нэ каждом шаге велико, и, следовательно,устройство обладает относительно низким быстродействием.Целью предлагаемого технического решения является повышение быстродействия устройства при сохранении его точностных характеристик. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для цифровой фильтрации сигналов дополнительно введейы седьмой и восьмой выходы постоянного запоминающего устройства 1, а также седьмой и восьмой входы блока формирования первого и второго сигналов усиления 13, который содержит таймер 13,1, соединенный выходом со вторым входом первого блока деления 13.2, связанного первым входом с шестым выходом постоянного запоминающего устройства 1, а выходом с первым входом шестнадцатого блока умножения 13,23, связанного выходом с первым входом пятого сумматора 13,3, а вторым входом с первым выходом постоянного запоминающего устройства -1; выход первого блока деления 13.2 соединены также с первым и вторым входами четвертого блока умножения 13.4, первым входом второго сумматора-вычитателя 13.5. вторым входом девятого блока умножения 13.6, при этом 510 20 25 второй вход пятого сумматора 13.3 соединен со вторым выходом постоянного запоминающего устройства 1, а выход с первым входом второго блока деления 13,7, второй вход которого связан с первым выходом постоянного запоминающего устройства 1, а выход с первым входом седьмого сумматора 13.8, при этом четвертый выход постоя нного запоминающего устройства 1 связан со вторым входом второго сумматора-вычитэтеля 13,5 и вторым входом третьего сумматоравычитателя 13.9, причем первый вход третьего сумматора-вычитателя 13,9, причем первый вход третьего сумматора-вычитателя соединен с выходом четвертого блока умножения 13.4, а выход с первым входом шестого блока умножения 13.10, выход вто. рого сумматора-вычитателя 13,5 связан со вторым входом пятнадцатого блока умножения 13,11, первым и вторым входами пятого блока умножения 13,12, выход которого соединен со вторым входом десятого блока умножения 13.13, шестой выход постоянного запоминающего устройства 1 соединен с первым и вторым входами седьмого блока умножения 13,14, вторы входом тринадцатого блока умножения 13.15, при этом выход седьмого блока умножения 13,14 соединен с первым входом восьмого блока умножения 13.16, связанного вторым входом с третьим выходом постоянного запоминающего устройства 1, а выходом с первым входом десятого блока умножения 13.13 и первым входом девятого блока умножения 13.6, выходы которых соединены соответственно с первым входом одиннадцатого блока умножения 13.17 и вторым входом шестого блока умножения 13.10, выход которого через последовательно соединенные шестой сумматор 13,18 и третий блок деления 13.19 соединен со вторым входом седьмого сумматора 13,8, выход которого связан со вторым входом третьего блока умножения 12, при этом одиннадцатый блок умножения -13,17 соединен выходом со вторым входом третьего блока деления -13.19, а вторым входом с пятым выходом постоянного запоминающего устройства 1; двенадцатый блок умножения 13.20 соединен первым входом со вторым выходом постоянного запоминающего устройства 1, вторым входом с седьмым выходом постоянного запоминающего устройства 1, а выходом со вторым входом шестого сумматора 13.18, выход которого соединен со вторым входом четвертого блока деления 13,21, первый вход которого через последовательно соединенные тринадцатый блок умножения 13.15, четырнадцатый блок умножения 13.22, пятнадцатый блок умножения 13.11 соеди 18275435 10 15 20 оступает на второй 25 Кг О + О 1 И+ВО Т 2 Д (Д 2й вход блокахода блока 1вый вход блоигнал 6,Т по13.22, с выхотупают на пеода которого 1) + 12 12.сигнал "6" ка 13,15, с ступает на да которого поступает на второ С восьмого вь поступает на пер выхода которого с первый вход блока сигнал 6 ТО пос блока 13.11, с вых О 2 (Й) поступает 13,21, с выхода кот ляющегося вторымыи в гнал 4 Д 2 -1)+1 4,ентич пос го эффект торый явля им следую по етс я фиг.2, на едлагаемом ять 20 опеопераций оказано выаждом шаге ажд стр рацслож нен с восьмым выходом постоянного запоминающего устройства 1, причем второй вход четырнадцатого блока умножения 13.22 соединен с третьим выходом постоянного запоминающего устройства 1, а выход четвертого блока деления 13,21 соединен со вторым входом первого блока умножения 4.Анализ аналогичных устройств, проведенный по источникам патентной и научнотехнической литературы показал, что повышение быстродействия устройства достигается введением в известное устройство новых связей и выполнения блока формирования первого и второго сигналов усиления 13 в виде структуры, обеспечивающей в классе адаптивных к начальным условиям фильтров второго порядка, большее быстродействие по сравнению с прототипом за счет использования аналитических коэффициентов усиления фильтра, реализация которых требует существенно меньшего числа операций типа сложение, умножение,Функциональная схема устройства приведена на фиг.2.устройство работает следующим образом.С шестого выхода блока 1 сигнал Т поступает на первый вход блока 13.2, первый и второй входы блока 3.14, второй вход блока 13.15, второй вход блока 7,Одновременно с выхода блока 13.1 на второй вход блока 13,2 в дискретные, равноотстоящие друг от друга на время Т моменты времени поступают сигналы ь, где т=1 Т, С выхода блока 13,2 сигналы М=ь/Т поступают на первый вход блока 13.23, первый и второй входы блока 13.4, первый вход блока 13.5, второй вход блока 13,6. Со второго выхода блока 1 сигнал й поступает на второй вход блока 13.3 и первый вход блока 13.20, С выхода блока 13,3 сигнал О И+В поступает на первый вход блока 13.7, на второй вход которого с первого выхода блока 1 поступает сигнал с 4 С выхода блока деления 13.7 сигнал поступает наО 1 И+Впервый вход блока 13,8, С четвертого выхода блока 1 на второй вход блока 13,5 и вход блока 13.9 поступает сигнал 1, С выхода блока 13,5 сигнал поступает на второй вход блока 13.22 и второй вход блока 13.16, на первый вход которого с выхода блока 13,14 поступает сигнал Т 2. С выхода блока 13.16 сигнал О 2 Т поступает на первый вход блока 13.13 и первый вход блока 13.6, с выхода которого сигнал О 22 Т Й поступает на второй вход блока 13,10. С выхода блока 13,4 сигнал М поступает на. первый вхоу блока 13.9, с выхода которого сигнал й -1 поступает на первый вход блока 13.10, с выхода которого сигнал с Т й(М -1) поступает на первый вход бло 2 2ка 13.18, С выхода блока 13,12 сигнал (й) поступает на второй вход блока 13.13, с выхода которого сигнал О 2 Т (И) поступает на первый вход блока 13.17. С пятого выхода блока 1 сигнал "3" поступает на второй вход блока 13.17, с выхода которого сигнал 3 О 2 Т (М) поступает на второй вход блока 2 213,19,С седьмого выхода блока 1 сигнал "17" поступает на второй вход блока 13,20 с выхода которого сигнал 12.Я поступает на второй вход блока 13.18; с выхода которого сигнал 3 Т й(й -1)+12 Я поступает на вто 2 2рой вход блока 13.21 и первый вход блока 13.19, с выхода которого сигнал и 02 Т М (М - 1)+12 В вход блока 13,8, с выхода которого, являющегося одновременно первым выходом блока 13, сигнал усиления на первыи вход блока рого, одновременно явыходом блока 13 сигнал упает на второй вход блока Далее работа устройства ид устройства-прототипа,Достижение положительно равнению с прототипом, ко базовым объектом, поясн образом. Как следует из рассмотрени ом шаге фильтрации в пр ойстве требуется осуществл й умножения-деления и 9 ения вычитания, Как было и устройстве-прототипе на к40 45 фильтрации требуется осуществлять 37 операций умножения-деления и 21 операцию сложения-вычитания. Таким образом, предлагаемое устройство является по крайней мере в два раза более быстродействующим устройство-прототип, Более того, учитывая, что при аппаратной или программной реализации устройства, операции умножения выполняются в 8 - 10 и 100 - 150 медленнее, чем операции сложения, выигрыш становится еще более значительным. Формула изобретения Устройство для цифровой фильтрации сигналое, содержащее постоянного запоминающее устройство, последовательно соединенные блок измерения положения обьекта, первый сумматор-вычитатель, первый блок умножения, первый сумматор, первый блок задержки, второй блокумножения, второй и третий сумматоры, второй блок задержки четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход со вторым входом первого сумматора-вычитателя, третий блок умножения и блок формирования первого и второго сигналов усиления, причем шесть выходов постоянного запоминающего устройства соединены с соответствующими входами блока формирования первого и второго сигналов усиления, первый выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, а второй выход - с вторым входом первого блока умножения, при этом шестой выход постоянного запоминающего устройства соединен также с вторым входом второго блока умножения, выход второго блока задержки соединен с вторым входом третьего блока умножения, выход первого блока задержки соединен с вторым входом первого сумматора. выход первого сумматора-вычитателя соединен с первым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, о.т л и ч а ю щ е е с я тем; что, с целью повышения быстродействия устройства, в него введены в постоянное запоминающее устройство две ячейки памяти соответственно с седьмым и восьмым выходами, а блок формирования усиления первого и второго сигналов выполнен в виде таймера. трех квадраторов, трех суммато 5 10 15 20 25 30 35 ров. двух сумматоров-вычитателей, пяти блоков деления и десяти блоков умножения, причем последовательно соединены первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом таймера, первый сумматор-вычитатель, второй кеадратор, четвертый и пятый блоки умножения, третий делитель и третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, а выход является первым выходом блока формирования первого и второго сигналов усиления, последовательно соединенные десятый блок умножения, первый сумматор и второй блок деления, последовательно соединенные первый квадратор, второй сумматор-вычитатель, второй блок умножения второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом шестого блока умножения, а выход - с первым входом третьего блока деления и вторым входом четвертого блока деления, последовательно соединенные третий квадратор, третий блок умножения и первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого блока деления, а также с входами десятого блока умножения и первого квадратора, а выход соединен с вторым входом второго блока умножения, последовательно соединенные седьмой, восьмой и девятый блоки умножения. второй вход последнего Соединен с выходом первого сумматора-вычитателя, а выход - с первым входом четвертого блока деления, выход третьего блока умножения соединен с первым входом четвертого блока умножения, при этом первым - восьмым входами блока формирования первого и второго сигналов усиления соответственно являются объединенные вторые входы десятого блока умножения и второго блока деления, обьединенные второй вход первого сумматора и первый вход шестого блока умножения, объединенные вторые входы третьего и восьмого блоков умножения, объединенные вторые входы первого и второго сумматоров-еычитателей, второй вход пятого блока умножения, обьединенные первый вход. первого блока деления. вход третьего квадратора и второй вход седьмого блока умножения, второй вход шестого и первый вход седьмого блоков умножения, а вторым выходом является выходчетвертого блока деления.1827543 ктор М,Керецма В.Трубченко Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 каз 2353 ВНИИП Составитель В КалмыковТехред М.Моргентал Тираж Лодписноеударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5