Прогнозирующий фильтр

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для идентификации динамических объектов, например речевых сигна лов, допускающих моделирование их состояния или ошибок аппроксимации динамики поведения детерминирования функциями времени в виде несмещенных нестационарных гауссовских авторе" грессионных процессов, загрязненных аномальными выбросами.Целью изобретения является повышение точности.На фиг. 1 представлена структур-. 15 ная схема прогнозирующего фильтра; на фиг. 2 - структурная схема блока вычисления коэффициента частной корреляции; на фиг. 3 - структурная . схема блока управления ограничением. 20Прогнозирующий фильтр (фиг. 1) содержит информационный вход 1, вход 2 задания нулевого сигнала, блок 3 синхронизации, первый узел 4 прогнозирования, 1-ый узел 5 прогнозирова ния, последний узел 6.прогнозирования, блок 7 вычитания, управляемый ограничитель 8, сумматор 9, блок 10 вычисления порога ограничения, буферный регистр 11, второй 12 и первый 13, блоки умножения, блок 14 вычислений коэффициента частной корреляции, блок 15 задержки, первый 16 и второй 17 буферные регистры, второй 18 и первый 19 блоки вычитания, сум 35 матор 20, блок 21 вычисления порога ограничения, первый управляемый ограничитель 22, первый элемент 23 умножения, функциональный преобразователь 24, второй элемент 25 умножения и 40 второй управляемый ограничитель 26.Блок вычисления коэффициента частной корреляции (фиг. 2) содержит первый элемент 27 умножения, первыйэлемент 28 скользящего усреднения, второй элемент 29 умножения, регистр 30, первый 31 и второй 32 квадраторы, сумматор ЗЗ, второй элемент 34 скользящего усреднения и функциональный преобразователь 35.50 Блок вычисления порога ограничения (фиг. 3) содержит первый 36, второй 37 и третий 38 функциональные преобразователи, сумматор 39, знакогенератор 40, элемент 41 скользящего55 усреднения и регистр 42.Прогнозирующий фильтр работает следующим образом. Входной анализируемый сигнал представляет собой дискретизированную по времени и квантованную по уровнюпоследовательность измерений состояния ,динамического объекта. Отсчеты анализируемого сигнала поступают на информационный вход 1 в виде К-разрядных параллельных кодов, которые обновляются с периодом Т.Вычисления в предлагаемом устройстве производятся в соответствии с рекуррентным алгоритмом:л л лК 2(Р /01 ,)1 1 р 2арф п=1,2,уВ;., =гКЗ;, )+(Ь;.,) +(1-.г)Э., ,е 3,. - 93,.(е 1,.-КЗЬ 3.,)- У.(г,.)Ь, щу (Ь;, -1 К 1 ,е;., ) Ч У, ) 1=8 р +е 81,=8.,+К 1 Ь;,При описании работы устройства использованы следующие обозначения;лК - коэффициент частной корреля 1,11ции;- номер оцениваемого коэффициента в упорядоченном множестве параметров, определяющих идентифицируемую авторегрессионную модель, совпадает с номером узла прогнозированияв каскадноМ соединении, в приводимыхниже обозначениях служит индексом,указывающим порядок фильтра, формирующего данную оценку,п - номер текущего периода дискретизации;Е. - анализируемый сигнал, представляющий собой оцифрованную последовательность значений гауссовскогокоррелированного процесса, загрязненного с вероятностью Я аномальными выбросами;ле- оценка (скорректированноезначение) ошибки предсказаниятекущего отсчета анализируемого сигнала, получаемая в 3-м узле прогнозирующего фильтра (оценка ошибкипредсказания вперед);6- оценка ошибки предсказаниятит-го отсчета аиаииаируемого сигнала, не загрязненного аномальнымивыбросами, получаемая. на выходе 3-гоузла фильтра (оценка ошибки предсказания назад);Ы - весовой коэффициент, опреде, ляющий скорость адаптации фильтра к изменению статических характеристикисследуемого сигнала и эффективнуюдлительность интервала усредненияоценки вычисляемого параметра;Ю (У) - функция коррекции ошибки предсказания;а - параметр, определяющий ширинуинтервала значений аргумента функции чУ), на котором она ведет сепбя приблизительно линейно;" ЭКаЯ 1- экстраполяционная оценкатекущего отсчета анализируемого сигнала, формируемая фильтром порядкас использованием 3 предшествующихочищенных значений;ла- робастная оценка дисперсии+1 х 0Зр Хеи -1 х (0 й, - время задержки умножения;й - время задержки вычитания;время задержки суммирования;С, - время задержки считывания;С - время установки входной кодоЗавой комбинации на выходе буферного регистра;С- время задержки коррекции ошибки предсказания;С - время задержки генерирования знаковой функции;ь - длительность тактового импульса.тОсобенность реализованного в устройстве алгоритма состоит в том, что для вычисления идентифицируемых параметров используются скорректированные значения ошибок предсказания вперед и назад. Коррекция производится на основе адаптивного огра" ничения ошибок линейного предсказа 39793 10 5 20 25 30 35 40 45 50 55 6ния. За счет адаптивного ограничения ошибок предсказания снижается вклад аномальных выбросов в результате вычислений и обеспечивается очистка исследуемого временного ряда, т,е, прогнозирующий фильтр преобразует входной сигнал в последовательность 1, не загрязненную аномальными выбросами. Отсчеты очищенного сигнала Я служат для формирования ус- тойчивых экстраполяционных оценок.Каждый отсчет очищенного процесса представляет собой сумму экстраполяционной оценки этого отсчета Я рилпоправки е , получаемой в результате нелинейной обработки ошибки Ффта с помощью функции коррекции ошибки предсказания М ,У). Характер функции ю (К) имеет большое значение для обеспечения устойчивости. В области малых значений аргумента функция(Р) должна вести себя как Р, т.е. как линейная функция, она должна быть ограничена, чтобы никакой выброс, сколь бы велик он не бып, не оказал значительного влияния на результаты очистки сигнала, и непрерывна, поскольку это свойство позволяет ослабить влияние на конечный результат ошибок квантования и округления. Важно, чтобы функцияР) в области больших значений стреьмлась к нулю, тогда, если текущий отсчет сильно отличается от результата предсказания по предшествующим очищенным значениям процесса, Я будет определяться в основном значением Я . Кроме того, нежелателъно, что эк+бы функция коррекции ошибки предсказания обращалась в нуль за пределами .некоторого интервала значений а,Ъ 1, меньшего диапазона представления чисел, обеспечиваемого используемой разрядностью двоичного кода, так как это можетпривести к потере фильтром способности следить за сигналом на длительном промежутке времени, тем большем, чем сильнее корреляция соседних отсчетов процесса 2. Наконец желательно, чтобы и производная функции , У) была непре 1,ьрывной, так как наличие изломов в функции коррекции ошибки предсказания может привести к значительному искажению спектральных свойств процесса.Обработка данных в течении и-го периода Т осуществляется следующим образом.Поступающий на входную шину отсчет попадает на вход уменьшаемого блока 7 вычитания, одновременно с первого выхода блока 3 синхронизации на первые тактовые входы всех узлов прогнозирования подается импульс. Все р узлов прогнозирующего фильтра работают одинаково. Поступивший по первому тактовому входу 3"го узла 5 импульс попадает на вход считывания блока 15 задержки и отпирает второй буферный регистр 17, при этом на выходе блока воспроизводится оценЛ ка ошибки предсказания назад Ъ-1, ьф которая установилась на его входе в конце предыдущего периода Т . Соответствующая оценке Ъ кодовая комбинация подается на второй вход второго блока 13 умножения, на пер, вый вход которого с выхода блока 14 вычисления коэффициента частной корреляции подано вычисленное в предыЛ дущем (и)-м периоде значение К Результат перемножения поступает на 25 второй вход сумматора 20. Процедура умножения соответствующих оценок ошибок предсказания назад на оценочныее значения идентифицируемых.параметров, сформированных блоком 14, производится во всех р узлах фильтра одновременно. Через время Т,=з+ + +(1-1)ез, от начала текущего периода Т на первом входе сумматораЛ 9 Къ 20 устанавливается оценка Я 1, , экстраполированная с помощью фильтра35 порядка 1-1, состоящего из предшествующих узлов. На выходе сумматора 20 формируется уточненная экстраполяЛ 9 К+ционная оценка Б которая поступазЬфет на третий вход следующей Ц+1)-й секции. По истечении времени Т=21 з+ + +рй с начала текущего такта,Зхравного длительности 4 управляющего импульса, поступающего на первые тактовые входы всех узлов прогнозирования,экстраполяционная оценка 8 , устанавливается на входах блока 7 вычитания и сумматора 9. По окончании первого тактового импульса буферный регистр 11 и вторые буферные регистры 17 всех р узлов запираются, поддерживая на выходах информацию, которая установилась к моменту окон 1 чания тактового импульса, Результат сравнения текущего отсчета Е анали 55 зируемого сигнала с экстраполяционЛ 9 К+ной оценкой Б, сформированный бло)П фком 7 вычитания, корректируется управляемым ограничителем 8 и поступает на первый вход сумматора 9, гделскладывается с оценкой е . Полученное очищенное значение текущего отсчета подается на первый и второй входы первого узла прогнозирования Фильтра. Кодовая комбинация, соответствующая оценке ошибки предсказания вперед е поступившая на1первый вход 1-го узла 5, подается на входы второго блока 12 умножения второго блока 18 вычитания и блока 14 вычисления коэффициента частной корреляции. Блок 18 вычитания формирует ошибку предсказания д", которая3 о корректируется управляемым ограничителем 22. Полученная таким образом оценка ошибки предсказания вперед ле;поступает на первый вход следующего Я+1)-го узла. Результат переЛмножения оценки е , на значение иден. тифицируемого параметра К 1сформированное блоком 14 в койце предыдущего периода Т, , подается на входКЬфблока 19 вычитания, который Формирует ошибку ЮПолученное значениео ошибки Р . корректируется вторым1 и управляемым ограничителем 26 и поступает на второй вход следующего (1+ +1)-го узла. По прошествии времени ТЗ=Т,+Е,+р(Е з +З 9 ) с нал текущего периода вычисленные значения оценок ошибок предсказания назад ЛЪ ), 1=1,2р успевают установиться на входах всех блоков 15 задержки. В этот момент с второго выхода блока 3 синхронизации на вторые тактовые входы всех узлов приходит импульс, который отпирает на время длительности импульса 0 первые буферные регистры 16, поступая на их входы записи, и инициализирует обновление параметров блоков 14 и 21, поступая на их первые тактовые входы. По окончании этапа обновления параметров работа фильтра в текущем периоде Тзавершается и устройство готово к обработке нового отсчета анализируемого сигнала.Управляемый ограничитель 22 (Фиг, 1) работает следующим образом.Поступающая на вход управляемого ограничителя ошибка дподается одновременно на первый вход первого элемента 23 умножения и на второй вход. второго элемента 25 умножения. На второй вход первого элемента 23 подается значение нормировочного ко1539793 эффициента 1/6, сформированного блоком вычисления порога ограничения в конце предыдущего п-го периода Т. Результат перемножения д / й;,поступает на вход функционального преобразователя 24, реализованного на ПЗУ, постоянно находящегося в режиме считывания. Сформированное функциональным преобразователем 24 значение функции ы 1 соответствующее аргументу о пере) оф множается во втором элементе 25 с текущим значением ошибки Р . Таким,лф образом на выходе управляемого ограничителя устанавливается кодовая комбинация, соответствующая значению 1.скорректированной оценки ошибки предсказания.Блок 14 вычисления коэффициента частной корреляции (фиг2) работает следующим образом.После прихода на первый тактовый вход управляющего импульса воспроизведенная вторым буферным регистром 17 кодовая комбинация, соответствующая оценке ошибки предсказания налзад Ъ ., поступает на второй вход-,и-блока 14 и подается на второй вход первого элемента 27 умножения и вход второго квадратора 32, Первый 31 и второй 32 квадраторы и функциональный преобразователь 35 реализованы на ПЗУ и постоянно находятся в режиме считывания. Сформированная вто" рым квадратором 32 величина () поступает на второй вход сумматора 33. По прошествии (с начала текущего периода). времени, не превьппающего Т=Тр(й, + + з), определяемого максимальной задержкой формирования скорректированной оценки ошибки предсказания вперед, которая соответствует интервалу времени от начала текущего периода до момента установки на первом выходе предпоследнего (р)-го узла кодовой комбинации, соответствующей величине ле, на первом входе описываемогоф, Ьл блока устанавливается величина е1-1,ю которая поступает соответственно на первый вход первого элемента 27 умЙожения и вход первого квадратора 31.л Результат преобразования оценки е)л 1)-1, о квадратором 31 (е, ) поступает йа первый вход сумматора 33, где произ водится сложение квадратов скорректированных оценок ошибки предсказания вперед и назад. Полученная на 10выходе сумматора ЗЗ величина Пг,й=(е, ) +(Ъ) подается на входТвторого элемейта 34 скользящего усреднения. Сформированное первым элементом 27 произведение Ц=Ь , ;е,поступает на вход первого элемейта28 скользящего усреднения, Полученная на выходе первого элемента 28лскользящего усреднения оценка Г,1-1, кпоступает на первый вход второгоэлемента 29 умноженияПолученнаяна выходе второго элемента 34 скользящего усреднения оценка Э пода-т, ьется на вход функционального преобразователя 35, в котором происходитпреобразование входной оценки в велличину 2/Р 1, . Результат преобразования поступает на второй вход вто рого элемента 28, на выходе которрго формируется оценка К, частного1,пкоэффициента корреляции, поступающаяна вход регистра 30. По истечениивремени Тз=Т +2( +Т +й ) от на чала текущего периода на тактовыйвход регистра 30 приходит импульсс четвертого выхода блока 3. Он от,пирает регистр 30 своим переднимфронтом на время длительности импульса с, так что на выходе вычисления коэффициента частной корреляциивоспроизводится обновленное значениеК 1, вычисленное в текущем периоде.Блок вычисления порога ограничения (фиг. 4) работает следующим образом.Значения 1 и Фпоступающиел ьп-соответственно на первый и второй входы блока, преобразуются с помощью 40 первого 36 и второго 37 функциональных преобразователей, реализованныхна НЗУ, постоянно находящихся в режиме считывания а значения (Р ) -1/29и, (д 1,4-1/2,которые подаются на 45 первьй и второй входы сумматора 39.Последний форярует на выходе величи-.ну (1) +(8; .) -2/2, которая поступает йа-входзнакогенератора 40.Текущее значение аоп, выработанное знакогенератором 40, подается.на вход элемента 41 скользящего усреднения, который формирует текущее зна,чение Й , поступающее на вход третьего функционального преобразователя38, используемого для вычисления текущего. значения нормировочного коэффициента (6 )-, которое подается нарегистр 42. С приходом тактового им"пульса с четвертого выхода блока 31539793 12 510 15 синхронизации на выходе регистра вос производится обновленное значение (8 ) нормировочного коэффициента Процедура обновления нормировочноголкоэффициента (4.) ", реализованная в блоке, основана на вычислении величины, обратной дисперсии гауссовского процесса, по средней разности между числом отсчетов, попадающих в интервал (-1,1), и числом отсчетов, находящихся вне этого интервала. Полую чаемая таким образом оценка 6слабо зависит от наличия аномальных выбросов, сколь бы велики они не были в анализируемом сигнале,Формула из о брет ения 1, Прогнозирующий фильтр, содержащий р узлов прогнозирования (рчисло шагов предсказания), каждый из которых содержит два блока умножения, два блока вычитания, блок задержки и блок вычисления коэффициента частной корреляции и блок синхронизации, выхбд блока задержки соединен с первым входом первого блока умножения, входом уменьшаемого первого блока вычитания и первым информационным входом блока вычисления коэффициента частной корреляции, выход которого подключен к второму входу первого и первому входу второго блоков умножения, выход второго блока умножения соединен с входом вычитаемого первого блока вычитания, выход первого блока умножения подключен к входу вы читаемого второго блока вычитания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок вычитания, управляемый ограничитель, блок вычисления порога ограничения, сумматор, буферный регистр и блок синхронизации, и в каждый узел прогнозирования введены два .управляемых ограничителя, блок вычисления порога ограничения и сумматор, причем вход уменьшаемого блока вычи" тания является информационным входом фильтра, выход блока вычитания соединен с информационным входом управляемого ограничителя и первым и вторым информационными входами блока вычисления порога ограничения, выход которого соединен с входом управления управляемого ограничителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с вторым информационным входом блокавычисления коэффициента частной корреляции, вторым входом второго блокаумножения, входом уменьшаемого второго блока вычитания и информационным входом блока задержки первогоузла прогнозирования, выход буферного регистра соединен с входом вычитаемого блока вычитания и вторым входом сумматора, в каждом узле прогнозирования выход второго блока вычитания подключен к информационному входу первого управляемого ограничителя и первому информационному входу блока вычисления порога ограничения,выход первого блока вычитания соединен с информационным входом второгоуправляемого ограничителя и вторым 20 информационным вхоДом блока вычисления порога ограничения, выход кото-рого соединен с входами задания порогов первого и второго управляемых ограничителей, выход первого блока 25 умножения соединен с первым входомсумматора, выход первого управляемого ограничителя 1-го Ц 1р) узла прогнозирования соединен с вторым информационным входом блока вычисления коэффициента частной корреляции, вторым входом второго блока умножения и входом уменьшаемого второго блока вычитания (+1)-го узла прогнозирования, выход второго управляемого ограничителя -го узла прогнозирования соединен с информационным входом блока задержки (+1)-го узла прогнозирования, выход сумматора -го узла прогнозирования соединен с вторым входом сумматора Ц+ +1)-го узла прогнозирования, второй вход сумматора первого узла прогнозирования является входом задания нулевого сигнала фильтра, выход суммато-.45 ра последнего узла прогнозированияподключен к информационному входу буферного регистра, первый выход блока синхронизации соединен с тактовым входом буферного регистра и в каждом узле прогнозирования с входом считывания блока задержки, второй выход блока синхронизации соединен с первым тактовым входом блока управления ограничением и в каждом узле прогнозирования с входом записи блока задержки и первыми тактовыми входами блокавычисления коэффициентов частной корреляции и блока вычисления порогаограничения, третий выход блока син13 15 хронизации соединен с вторым тактовым входом блока управления ограничением и в каждом узле прогнозирова- ния с вторыми тактовыми входами блока вычисления коэффициента частной корреляции и блока вычисления порога ограничения, четвертый выход блока синхронизации соединен с третьим тактовым входом блока вычисления порога ограничения и в каждом узле прогнозирования с третьими тактовыми входами блока вычисления коэффициента частной корреляции и блока вычисления порога ограничения.2, Фильтр по и. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что блок вычисле.ния коэффициента частной корреляции содержит два элемента умножения, два квадратора, сумматор, два элемента скользящего усреднения, функциональный преобразователь У=2/х и регистр, причем первый вход первого элемента умножения и информационный вход первого квадратора объединены и являются первым информационным входом блока, второй вход первого элемента умножения и информационный вход второго квадратора объединены и являются вторым информационным входом блока, выход первого элемента умножения соединен с информационным входом первого элемента скользящего усреднения, выход которого подключен к первому входу второго элемента умножения, выход которого соединен с информационным входом регистра, выход которого является выходом блока, выходы первого и второго квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с информационным входом второго элемента скользящего усреднения, выход которого подключен к информационному входу функционального преобразователя, выход которого сое" динен с вторым входом второго элемента умноженйя, первые тактовые входы элементов скользящего усреднения объединены и являются первым тактовым входом блока, вторые тактовые входы первого и второго элементов скользящего усреднения объединены и являются вторым тактовым входом блока вычисления коэффициента частной корреляции, тактовый вход регист 39793 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 14ра является третьим тактовым входомблока.3. Фильтр по и. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что управляемый ограничитель содержит два элемента умножения и функциональный преобразова-тель типа у=(1+а)ехр(-х )/Га+ехр(-х )2 й(а - параметр, определяющий уровеньограничения), причем первые входыпервого и второго элементов умножения объединены и являются информационным входом ограничителя, второйвход первого элемента умножения является входом задания порога ограничи теля, выход первого элемента умножения соединен с информационным входомфункционального преобразователя, выход которого подключен к второмувходу второго элемента умножениявыход которого является выходом ограничителя,4. Фильтр по пп. 1 и 3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что блок вычисления порога ограничения содержитпервый и второй функциональные преобразователи типа у=х -1/2, сумматор,2знакогенератор, элемент скользящегоусреднения, третий функциональныйпреобразователь типа у=Г 2 егйс(1+хс//2-2) ( Е - средняя вероятностьпоявления аномальных выбросов) и регистр, причем информационные входыпервого и второго функциональныхпреобразователей являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, выходы первого ивторого функциональных преобразователей подключены соответственно кпервому, и второму входам сумматора,выход которого через знакогенераторсоединен с информационным входом элемента скользящего усреднения, выходкоторого подключен к информационномувходу третьего функционального преобразователя, выход которого подключен к информационному входу регистра,выход которого является выходом блока, первый тактовый вход элементаскользящего усреднения является первым тактовым входом блока, второйтактовый вход элемента скользящегоусреднения является вторым тактовымвходом блока, тактовый вход регистраявляется третьим тактовым входом блока.,,2 Составитель Е.Хуртинежнина Техред М.Ходанич Корректор Л.Пат Редак Подпис ГКНТ ССС ия Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород Гагарина,ЗакаВНИИП 20 Тираж 560 осударственного комитета и 113035, Москва, Ж обретениям и откр Раушская йаб., д.