Адаптивный фильтр

ОЮЗ СОВЕТСНИХцццц ющццццРЕСПУБЛИК ц Н 03 Н 21/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ЗОБРЕТЕН ЕЛЬСТВУ(56) 1. Патент США В 4238746,кл. 333-166, 1980.2. Дентино М., Маккул Дж.,Уидроу Вц Адаптивная фильтрацияв частотной области, - ТИИЭР, 197т. 66, Р 12, с. 81-82,А. Ллгоквадрата и. - ТИИЗР, 143 ( 3. Наитм наимшибки в981, т.отип) . аян С., Питерсо еньшего среднег частотнрй облас 69, У 1, с. 142 ржа(54) (57) АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР, соде щий последовательно соединенные блок дискретного преобразования фурье (ДПФ), вход которого является первым входом адаптивного фильтра, блок перемножения, сумматор, вычитатель, второй вход которого является вторым входом адаптивного фильтра, и блок формирования весового коэффициента, выходы которого подключены к другой группе входов блока перемножения, а также блок деления, первая группа входов которого объединена с соответствующими входами блока нормирующих коэффициентов и подключена к соответствующим выходам блока ДПФ, а вторая группа входов подключена к соответствующим выходам блока нормирующих коэффициентов, о т л ищ и й с я тем, что, с целью чаю ОПИСАНИЕ повышения точности фильтрации введены два распределителя и М решаю-, щих блоков, причем входы первого распределителя подключены к соответствующим выходам блока ДПФ, 1 -я группа выходов - к первому входу 1 -гс ( = 1, М ) решающего блока, входы второго распределителя подключены к соответствующим выходам блока деления,-я группа выходов - к второму входу 1 -го решающего блока, третий вход которого соединен с 1 -и выходом блока нормирующих коэффициентов, а выход - с й -м входом блока формирования весового коэффициента,при этом 1 -й решающий блок состоит из е последовательно соединенных первого блока умножения, первая группа входов которого является первым входом решающего блока, сумматора, умножителя, второго блока умножения, перф,вого блока вычитания, второго блока вычитания и запоминающего устройства, выходы которого подключены к второй группе входов второго блока вычитания и к второй группе входов первого блока умножения, делителя, вход которого является третьим входом решающего блока, а выход подключен к другому входу первого блока, вычитания, а также первого блока ком плексного сопряжения, входы которого являются вторым входом решающего блока, а выходы подключены к другой группе входов второго блока умножения, и второго блока комплексного сопряжения, вход которого подключен к выходу сумматора, а выход является выходом решающего блока.1116537 50 Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах цифровой обработки сигналов систем обнаружения, связи и управления, 5Известен адаптивный фильтр, содер жащий лини.э задержки на Н сдвиговых регистрах, выходы которых через соответству 1 ощие Й адаптивных весовых коэффициентов подключены к 1 О входам сумматора, и блок обратной связи, включенный между выходом сумматора и входами адаптивных весовых коэффициентов ь 11.Указанное устройство хорошо ра ботает при слабокоррелированном входном сигнале., когда мало отношение максимального и минимального собственных значений корреляционной матрицы входного сигнала. От этого 20 отношения зависит скорость настройки указанного адаптивного фильтра, что обуславливает его недостаток - медленную скорость настройки при сильно коррелированном входном сиг нале, когда отношение максимального и минимального собственных значений корреляционной матрицы входного сиг. нала велико.Известен адаптивный фильтр, рабо- З 0 тающий по алгоритму минимальной среднеквадратической ошибки в частотной области, содержащий два блока 11 точечного быстрого преобразоваиия Фурье, выходы которых через блоки комплексных адаптивных коэффициентов подключены к входам соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами блока И точечного обратного быстрого преобразования Фурье 121. Указап 1 ый адаптивный фильтр отличается высокой скоростью сходимости с малым количеством вычислений (в расчете на один отсчет выходного сигнала, при условии поблочной обработки входных сигналов), Однако высокая скорость сходимости достигается за счет независимой настройки каждого из М комплексных адаптивных коэффициентов. При,этом на выходе получается маленькая средне- квадратическая ошибка лишь при слабокоррелированных входных сигналах (интервал корреляции которых много меньше размерности используемого БПФ), для которых выходные сиг. налы каждого блока БПФ слабоэависи-мы между собой. Поэтому независимаянастройка каждого из Й комплексных адаптивных коэффициентов обуславливает недостаток этого адаптивного фильтра - большую среднеквадратическую ошибку,на выходе-при сильнокоррелированных входных сигналах(интервал корреляции .которых соизмерим с размерностью используемогоБПФ),Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяадаптивный фильтр, содержащий последовательно соединенные блок дискретного преобразования фурье (ДПФ),блок перемножения, сумматор, вычитатель и блок формирования весовогокоэффициента,. а также блок деленияи блок нормирующих коэффициентов,входы которых объединены и подключе.ны к выходам блока ДПФ, а выходыблока нормирующих коэффициентов соединены с другими входами блока перемножения через последовательносоединенные блок деления и блокформирования весового коэффициента 23. В этом адаптивном фильтре на вход блока ДПФ, являющийся первым входом адаптивного фильтра, поступает входной сигнал 1 0.1, на второй вход адаптивного фильтра, являющийся первым входом вычитателя, поступает желаемый отклик д 1.д 1. Необходимым условием является. наличие в С 1 д 1 составляющих, коррелированных сГ д 3. Этот адаптивный фильтр настраивается по критерию минимума среднеквадратической ошибки31, минимизируя функционал качества где М - знак математического ожидания,1 и 1 - выходной сигнал,о - номер текущего шаганастройки.Однако этот адаптивный фильтрхарактеризуется недостаточной точностью фильтрации, обусловленной тем,что структура. прототипа не учитывает сильной. корреляции между сиг-.налами на выходах блока ДПФ с близкими номерами, при сильно коррелированном входном сигнале. Корреляция объясняется существенным перекрытием .амплитудно-частотных харак311теристик соседних фильтров гребенки,которой эквивалентно ДПФ.ель изобретения - повышениеточности фильтрации.Поставленная. цель достигаетсятем, что в адаптивный фильтр, содер.жащий последовательно соединенныеблок дискретного преобразованияФурье (ДПФ), вход которого являетсяпервым входом адаптивного фильтра,блок перемножения, сумматор, вычитатель, второй вход которого является вторым входом адаптивного фильтра, и блок формирования весовогокоэффициента, выходы которого подключены к другой группе входов блока перемножителя, а также блок деления, первая группа входов которогообъединена с соответствующими входами блока .нормирующих коэффициентови подключена к соответствующим выходам блока ДПФ, а вторая группа входов подключена к соответствующимвыходам блока нормирующих коэффициентов, введены два распределителя и М решающих блоков, причемвходы первого распределителя подключены к соответствующим выходамблока ДПФ,- я группа выходовк.первому входу 4 -го (1 = 1, Й )решающего блока, входы второго распределителя подключены к соответствующим выходам блока деления,-ягруппа выходов - к второму входу1 -го решающего блока, третий входкоторого соединен с-м выходомблока нормирующих коэффициентов, авыход - с-м входом блока формирования весового коэффициента, приэтом 1 -й решающий блок состоит изпоследовательно соединенных первогоблока умножения, первая группа входов которого является первым входомрешающего блока, сумматора, умножителя, второго блока умножения,первого блока вычитания, второго блокавычитания и запоминающего устройст-ва, выходы которого подключены квторой группе входов второго блокавычитания и к второй группе входовпервого блока умножения, делителя,вход которого является третьим входом решающего блока, а выход подключен к другому входу первого блокавычитания, а также первого блокакомплексного сопряжения, входы ко-.1,торого являются вторым входом решающего блока, а выходы подключены16537 50 55 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 к другой группе входов второгоблока умножения, и второго блокакомплексного сопряжения, вход которого подключен к выходу сумматора,а выход является выходом решающегоблошка.На чертеже представлена структурная электрическая схема адаптивногофильтра,адаптивный фильтр содержит блок1 дискретного преобразования Фурье(ДПФ) 1, блок 2 перемножения, блок 3деления, блок 4 нормирующих коэффициентов, блок 5 формирования весового коэффициента, сумматор 6, вычитатель 7, распределители 8 и 9,решающие блоки (10-1)-(10-М).Каждый решающий блок 10- 1 состоит из первого блока 11- 1 умноже-ния, запоминающего устройства 12-1сумматора 13- 1, умножителя 14- 1,первого блока 15- 1 комплексногосопряжения, второго блока 16-умножения, первого блока 17-вычитания, второго блока 18- 1 вычитания, делителя 19- 1 второго блока 20-комплексного сопряжения.Адаптивный фильтр работает следующим образом.Входной сигнал Х . 113 поступаетна вход блока 1 дискретного преобразования Фурье (ДПФ), который осуществляет преобразование в частотнуюнобласть. Сигналы Х , с й1выходов блока 1 ДПФ поступают наблок 2 перемножения, блок 3 деления, блок 4 нормирующих коэффициентов. На вторую группу из Й входовблока 2 перемножения поступает с йвыходов блока 5 формирования весовогокоэффициента значения весовых коэффициентов фильтра в частотной обласнти ф 0 -,М ,М выходных сигналовблока 2 перемножения, каждый-й(1 = 1,М) из которых равен произведению-го выходного сигнала блока 1 ДПФ и л -го выходного сигналаблока 5 формирования весового коэффициента, поступают на Й входов сумматора 6, на выходе которого получается их сумма.п 1 -выходной сигнал адаптивного фильтра. Вычитатель 7 формирует на своем выходе сигнал ошибки с 1.п .1, равный разности желаемого отклика д11 и выходного сигналаП 1, которые поступают на первый и второй его входы соответственно, Блок 4 нормирующих1116537 8Работу решающцх блоков (10-1)- (10-Ч) можно пояснить следующим образом. Посредством первого блока15-комплексного сопряжения, второго блока 16- 1 умножения, первогоблока 17-вычитания, второго блока 18- 1 вычитания, запоминающегоустройства 12-делителя 19-и умножителя 14-в каждом решаю- О щем блоке 10-.для адаптивного обновления весовых коэффициентов 6 1 од решающего блока 10- 1 реализуетсяитерационное решение системы линейных алгебраических уравнений 5 л Тй 1 Чс; 1=Ргде Г 1 иЗ - текущая оценка корреляционной матрицы выходных сигналовблока 1 ДПФ с номерами от-3 до20 4+3 (для= 4-. (Й-З), от 1 до +3,4(7 " .ф4/Ъ ,4(Л + Оьа 4=4,1,Ъ55 Фи- . 4(7 из =Я- ь 1-4 й 7устройства 12-. Взвешенные сигналы с выходов первого блока 11-умножения поступают н (, входов сумматора 13-, выходной сигнал которого поступает на вход второго " блока 14- 1 комплексного сопряжения, выходной сигнал которого является выходным сигналом решающего блока 10- и поступает на-й вход блока 5 формирования весового коэффициента, Кроме того, выходной сигнал сумматора 13- 1 поступает на вх , умножителя 14- 1 который осуществля ет умножение на постоянный коэффициентНавходов первого блока 15-комплексного сопряжения поступают сигналы-й группы выходов второго распределителя 9, комплексно-сопряженные входные сиг налы с выходов блока 15-комплекс ного сопряжения поступают на твходов второго блока 16-умножения, в котором происходит перемножение каждого входного сигнала на выходной сигнал умножителя 14-.(1 сигналов с выходов второго блока 16-умножения поступают на входы первого блока 17-вычитания. В первом блоке 17-вычитания производится вычитание из четвертого (для 44) или из-го (для= 1, 2,3) входного сигнала выходного сигнала делителя 19- . Делитель 19-осуществляет деление постоянного коэффициентана-й нормирующий коэффициент Л; который поступает на его вход с-го выхо-. да блока 4 нормирующих коэффициентов.выходных сигналов первого блока 17-вычитания поступают на первую группу входов второго блока 18- вычитания, на вторую группу из ( входов которого поступают текущие значения весовых коэффициентов с выходов запоминающего устройства 12- , Во втором блоке 18-вычитания из текущих значений.весовых коэффициентов решающего блока 10-вычитаются выходные сигналы первого блока 17- 1 вычитания, которые поступают на входы с одинаковыми номерами соответственно во второй и первой группе входов. Получающиеся 1 1 выходных сигналов являются значениями весовых коэффициентов решающего блока 10-для следующего шага и поступают на входы запоминающего устройства 12- 4 .,т; ;(1. 1 сиз. =4-:(йЯ 1 ;1 сра 4=1Ъ Т 1 -Ь 1" 141 й 1 Я=ЙЙ- Й 30 - вектор настраиваемых весовых коэффициентов решающего блока 10-- направляющий вектор - столбец (такой же размерности как и 51у которого четвертый (для4) лиЗ 5 Но 1 -й (для 1 = 1,2,3) элемент равен единице, остальные нули.При,этом используется свойство-й строки обратной матрицы при домножении на саму матрицу давать4 О вектор-строку с 1 на 1 -м месте ис нулями на остальных. Итерационное решение поясняется уравнениемС, П+4=С,Еп)Ги 1(Р-Х .Гп 3 к п 3 С 345где- постоянный коэффицИент(ос),Г, - диагональная матрица с эле.ментами на диагонали где Х, "Л - оценки мощности сигйаЖЮна выходах блока 1 ДПФ(йЙьссЮ-Ьй В-Ь 1 с о 3 ф Работа всего фильтра поясняетсяуравнениямиГ Ч =(. п 1Х ц С 18 п 3; дй-(п;М1 Мд п уЫпМЫп 3 (ЬЯ При этом блок 1 ДПФ состоит из (Й) элементов памяти, объединенных блоков, выполняющим непосредственно дискретное преобразование Фурье по любой из схем быстрого преобразования Фурье. Блок перемножения построен на основе Й умножителей комплексных чисел: на входы 1 -го ( = 1,Ю) умножителя поступают-е выходные сигналы блока 1 ДПФ и блока 5 40 формирования весового коэффициента. Блок 5 формирования весового коэффициента выполнен на Й умножителях, на первые входы которого подаются сигналы с выходов решающих 45 блоков (10-1)-(10-М), а на вторые входы сигнал с выхода (8+1)-го умножителя, который домножает сигнал ошибки Е Г о 3 на постоянный скалярный коэффициент адаптации. Выходы М 50 умножителей соединены со вкодами сумматоров, на вторые входы которых подаются текущие значения весовых коэффициентов фильтра в частотной области с выходов регистров, включен. 55 ных на выходах сумматоров. Выходные сигналы регистров образуют весовые коэффициенты фильтравектор весовых коэффициентов фильтрав частотчой области,-,вектор сигналов на выходах блока 1 ДПФ;Л - выходной сигнал сумматора 6, и - ошибка на выхбде блока 7 вычитания: 4 - постоянный коэффициент адаптации, С Г д 3 матричный коэффициент адаптации.,Блок 3 деления содержит Й держателей, на первые входы которых поступают выходные сигналы блока 1 ДПФ, а на вторые входы - сигналы с выходов блока 4 нормирующих коэффициентов. Делители осуществляют деление х (х :,)Блок 4 нормирующих коэффициентов состоит из М блоков оценки мощности,каждый из которых содержит блок комплексного сопряжения, перемножитель, на,входы которых поступает сигнал Х, С выхода блока комплексного сопряжения сигнал Кпоступает на второй вход перемножителя,сигнал " 0 1 = ), с выхода перемножителя поступает на вход первого умножителя, который осуществляет домножение на постоянный коэффициент (1-Р), где р - коэффициент сглаживания оценки мощности. Предьцущее значение оценки мощности Л с выхода регистра поступает на вход второго умножителя, который осуществляют12 входы - сигнал с выхода умножителя 14-1Второй блок 18- 1 вычитания содержит К; вычитающих устройств, 5 которые осуществляют вычитание извесовых коэффициентов решающегоблока 10-, поступающих на вторуюгруппу входов блока 18-вычитания с выходов запоминающего устройства 12- , соответствующих сигналовс выходов первого блока вычитания17- 1Таким образом, в адаптивномфильтре повышается точность фильтра"ции вследствие осуществления на.каждом шаге коррекции поправки к весовым коэффициентам в частной областис учетомкоррелированности соседнихвыходных. сигналов блока ДПФ. 1 1116537 домножение на Р Сигнал рХпоступает с выхода второго умножителя на вход сумматора, на выходе которого получается новое значение Ъ.; . В целом работа-го блока оценки мощности поясняется уравнением Эо 13=ЛТо 1 р+Н-Р)хоГп 2 х Си 2.Схема первого блока 11-умножения аналогична по выполнению схеме блока 2 перемножения, имеет две группы входов по К входов в каждой К выходов и содержит К; умножителей,Второй блок 16- 1 перемножителя также содержит К умножителей, на первые входы которого поступают сигналы с выходов первого блока 15- 1 комплексного сопряжения,а на вторые