Прогнозирующий фильтр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19 11 806 353 1)5 С 06 Г 15/3 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ДЕТЕЛЬСТ ВТОРСНОМ пый инстит и линей ая радиоого рис.4. с. тво СС536,ЬТР вь числибыть ис вано для идентификац объектов, допускаи динамически оделиро а ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(57) Иэобретение относительной технике и может их состояния в виде несмеценньх нестационарных гауссовских авторегрессиопных процессов, загрязненныханомальными выбросами. 1 ель изобретения - поьцеие точности идентификации авторегресси иной модели динамичес,ого объекта. 1 рогнозруюй фильтрсов ржит блок 6 синхронизации, сумматор 4, р уз.о прогнозирования (рчисло шагов предсказания), каждый изкоторых содержит три блока задержки 7,10 и 11, блок 14 вычисления коэффициента частной корреляции, два блокаумножения 12 и 13, два сумматора 15и 16, два блока вычитания 7 и 18,дра адаптивных ограничителя 19 и 20.1 зф-ль 3 ил.Изобретение относится к вычислительной технике ц может быть использовано для идентификации динамическимобъектов например, речевых сигналов,15допускающих моделирование их состояния в виде цесмещецных нестациоцарцыхгауссовских авторегрессыоцных процессов, "загрязненных аномаиьными выбросами.10Цель изобретения - повышение точности идентификации авторегрессионной модели динамического объекта.На фцг,1 изображена структурнаясхема прогнозирующего фильтра; цафиг.2 - структурная схема блока вычисления коэффициента частной корреляции; на фиг.3 в . структурная схемаадаптивцогс ограничителя,Прогнозиру)ший фильтр (фиг,1) содержит первый 1 узел прогнозирования,)-й 2 узел прогнозирования, последний 3 узел прогнозирования, сумматор 4, вход 5 задания нулевого сигнала фильтра, блок 6 синхронизации, пер-)5вый 7 блок задержки, первый 8 и второй 9 буферные регистры, второй 10 итретий 11 блоки задержки, первый 12и второй 13 блоки умножения, блок 14вычисления коэффициента частной корреляции, первый 15 и второй 16 сумматоры, первый 17 и второй 18 блоки вычитания, ;ервый 19 и второй 20 адаптивные оргаццчители.Блок 14 вычисления коэффициента35частной корреляции (фиг.2) содержитпервый элемент 21 умножения, первыйэлемент 22 экспоненциального сглаживания, второй элемент 23 умножения,регистр 24, первый 25 и второй 26 . 40квадраторы, сумматор 27, второй элемент 28 экспоненциального сглаживания,функцональный преобразователь 29.Адаптивный ограничитель (фиг.З)содержит первый 30 и второй 31 элементы умножения, квадратор 32, первый 33и второй 34 функциональные преобразователи, элемент 35 вычитания, формирователь 36 знака, элемент 37 экспоцецциальнога сглаживания, буферныйрегистр 38.50Прогнозирующий фильтр работает следующим образом (фиг.1).Входной ацализируеьй сигнал представляет собои дискретизированцую повремени и квантоваццую по уровню по 55следовательность измерений состояния динамического объекта, Отсчетыанализируемого сигнала поступают на входную шину в виде 1 с-разрядныхпараллельных кодов, которые обновляются с периодом Т, Вычисленияв фильтре производятся в соответствии с рекуррентцьм алгоритмомл л2( ,и Ф.я) при 1 1,2 р,и ее 12ел А Л1-,я =фе 1- Ь 1. я+(1-1) хх Г 1, при 0(0 О,1;г 101-,1, =11(е-,п, )(Ь 1- п- где К - коэффициент частной корреляции;номер оцениваемого коэффи-,циента в упорядоченноммножестве параметров, определяющих идентифицируемуюавторегрессионную модель,совпадает с номером узла вкаскадном соединении, образущем прогнозирующийфильтр, в приводимьх ниже.обозначениях служит индексом, указывающим порядокфильтра, формирующего данную оценку;и - номер текущего периода дис"кретизации;Е и - анализируемый сигнал, представляющий собой оцифрованную последовательность эна 16280 ЧЯ( я ( 0,2) ацомдльньми выбросами;оценка ацзлзируемого сигцдла,не загрязненного аномальными ныбросамц, получаемая как результат очистки исходной последовательности иэ" мереций;разность между наблюденным значением анализируемого процесса и его экстрдполяциопной оценкой;оценка (скорректированное значение) Ошибки предсказания текущего отсчета дцдш 10 15 получаемая нд выход. 1-О узла (Оецкд ибк пре;) ск -здния цдздц);весовой коэффипис т.)прс - деляк)гий скорое)ь адаптации фильтра к изме)Опю стдт- ческих хардкт р:с 1 ик 1 Гследуем,)го сигдл,эффективную дли тел ),) ц) с т 1 11 ц т р 1 д ч а УСРЕДЦЦИЯ ОЦЕЦКИ ВЫ;СЛЯЕИГ) ГО пдР 1 стР 1 эируемо го Гиг, злд , .полу е -мая Фд тыхоле - го улд(и)-го Отсчета ацдлизцруЕМОГО СИГЦДа)ЦО Д РЯ. ПС Цного дцомдльць .1 выбрс сдм 1) Функция корреки Ошибк 1 предокия;параметр, Орс)целях)и ширину ицтс)рвалд зцачеиаргумента Функции (,(8 в),) ца котором оцд прбл 1;зительно лицей)д;экстраполяциогцая оценка текущего отсчета анализируемого сигнала, Ф)ормируемая Фильтром порядкас использованием предшествующих очищенных эначений 1экстраполяционная оценка (иго узла отсчета анализируемого сигнала, получаемая на выходе )-го узла, использующего 1 последующих значений сигнала для предсказания, проводимо)л срдт,м ,рс ь -1"(цдэа,лО ) - робдстцая оцепкд дислерспи ошбкц пред.). "з дця:5+1 1)Ог)г,) 9 )в 11 я зч)срки суммироМвашя;время задержки умцожешя;Ъхвремя задержки вычтаия;время задержки с 11)ывд 31ния ПЗувремя устдцоки нходцой32кодовй ком: цв дци Ид ныхоле буфр.Ого регистра;нремя з:.)ержкц коррекцш;ЪК1 - вр, мя задержки гцерро 5 Ъ20 вация:цдковой Функции,ОГоб ццость рсдлэовдццого в Фильтр .Лгоритмд состои; в том, что длявычс;, ция идсчтиф цируеых пдр мст 1) в ; Лолзуютс скорректир )ваццГ25 здццяшцбок пре)Гкдздция вперед ицд ), ). Ес)р 1)с.кция прс:изводится цд ОГИГ)О:швейного ввешивдция разнос.е:)у цдч 1 О и : куще О Отсчета ацд)цп)ум ) О 1 ремецц)го рядд . ео ус"30 то 1)1 ИОЙ зкГтРдцол)11 цоццой 01 енкои,3 д счет к)ррекции Ошибок предскдзап 1 в :ци)дсся вклд;) аномальных нбросов в ре ул,тате 11)Глсци и с беечивдется "очсткд" сслдуемого нрем )цпо О ряд,), т. е. Фльтр преобрдэу 35ет входцои сигцдл в пи 1,)вои Форме 2,в 1)ОГ)с довдльцст,",це з,грязно ццую дцэм;11 ц) выброс дми. Отсчеты О ч 1 1 це ц 1 О )) Г ) 1 Г 11 д,1 Г л уж д т г Я ФО рмирнация устойч)вых экстрдполяпион 40цых оценок.1 сджд,й отсчет очщеццсго процессапредстдвляс.т собой сумму экстраполя" эциоцной оценки этого отсчета Б , иРИ4511,оправки е получас.Ой в результаРИт нелицеицсй Обрабоки ошибкис помощью Ф;цкции коррекции ошибкипредсказания (1) ( Р ). Хардктс.р функ 50 1ции 11) () имеет большое значениедля обеспечения устойчивости, В облдстях малых значений аргумента функция (/ ( ) ) должна нести себя кдк1т.е. как линейная Функция, онддолжна быть ограничена, чтобы ника 55кой выброс, сколь бы велик оц це был,не оказал значительного влияния нарезультаты очистки сигнала, и непрерывна, поскольку это свойство позно 1628068ляет ослабить влияние на конечный результат ошибок квантования и округления, Важно, чтобы функция (1 ( ) вобласти больших значений аргументастремилась к нулю, тогда если текущий отсчет 2сильно отличается отрезультата предсказания по предшествующим очищенным значениям процесса,Фто Яопределяется в основном значением Я р и . С другой стороны, нежелаЛЛзк+тельно, чтобы функция коррекции ошибки предсказания обращалась в нуль запределами некоторого интервала значенийа,Ь 1, меньшего диапазона представления чисел, обеспечиваемого используемой разрядностью двоичного кода, так как это может привести к потере фильтром способности следитьза сигналом на длительном промежуткевремени, тем большем, чем сильнеекорреляция соседних отсчетов процесса 2. Наконец, желательно, чтобы ипроизводная функция ( ( 3 ) была непрерывной (имеется в виду неквантованное аналитическое представление),так как наличие "изломов" в функциикоррекции ошибки предсказания можетпривести к значительному искажению(спектральных свойств процесса,Обработка входных данных в течение и-го периода Т осуществляетсяз 11следующим образом.Поступающий на входную шину отсчет 2 п попадает на первые входыпервых блоков 17 вычитания всех рузлов, одновременно с первого выходаблока 6 синхронизации на входы считывания блоков задержки подается импульс, который отпирает на время,равное длительности импульсов400 ( Ь 1), вторые буферные регистры первого, второго и третьего блоков задержки каждого узла. При этомна выходах блоков задержки воспроизводятся кодовые комбинации, сформированные первыми буферными регистрамии соответствующие результатам вычислений, которые установились на входахблоков задержки в конце предыдущегопериода Т. Все р узлов фильтра работают одинаково,Вычисления в 1-м узле 2 фильтрапроизводятся следующим образом. Воспроизведенная на выходе перво 55 го блока 7 задержки кодовая комбинация, соответствующая оценке ошибки предсказания назад Ь , и , поступает на второй вход второго блока 13 умножения, на первый вход которого с выхода блока 14 вычисления коэффициента частной корреляции подано вычисленное в предыдущем периоде значение К,, Результат ,перемножения посту 1пает на вход первого сумматора5Процедура умножения соответствующих ошибок на оценочные значения идентифицируемых параметров, сформированных блоками 14, производится во всех узлах фильтра одновременно, Через время Т+ + Ц - 1)з; на втором входе первого сумматора 15 устанавливается оценка 6 1,1 ,экстрапо ЭК+"1-млированная с помощью фильтра порядка 1-1, состоящего из предшествующих узлов, На выходе первого сумматора 15Кформируется оценка Я и, котораяпсравнивается с текущими значением 2 анализируемого сигнала в первом блоке 17 вычитания, Вычисленная разЛф 4 ЗК+ность (1, = 2- Япоступает на1,ивход первого адаптивного органичителя 19. Через время Т = Т + СК+ Р х х (Т+ С) соответствующие ошибкипФ0 , , где= 1,2р, устанавливаются на входах всех первых адаптивных ограничителей фильтра, В них производится коррекция поступивших на вход ошибок и формируются оценки А Ь+= (1 я ( 01 ) ошибок предсказания вперед, которые подаются на пятые выходы узлов. С выхода адаптивного ограничителя последнего р-го узла Э значение оценки скорректированной ошибки предсказания вперед е р 11 по" ступает на второй вход сумматора 4, на первый вход которого подана сформированная ранее экстраполяционная" зк+оценка Я р и . Полученное на выходерюсумматора 4 очищенное значение текул Д эк+Ь+щего отсчета Яя = Я р,п + (р,(0 ) через шину обратной связи поступает на входы первого блока 12 умножения и блока 14 вычисления коэффициента частной корреляции, а также вход первого блока 7 задержки первого узла. На первые входы первых блоков умножения остальных узлов фильтра с номерами 1; 1 при этом уже поступили полученные ранее эначеннскорректированных ошибок предскаэа"ния вперед.Результат перемножения оценки16230685 10 5 О 25 30 35 4045 50 55ле , на значение коэффициента К нполученный на въпсоде первого блока 12умножения 1-го узла 2, поступает напервый вход второго сумматора 16,на второй вход которого с ныхоца второго блока 10 задержки подано зцачеАние оценки Ь 1 ,и . Второй сумматор 16 формирует уточненную оценкуЬ отсчета Е ианализируемого сигнала, которая сравнинается с этим отсчетом во вторсм блоке 18 вычитания,Полученная разностьл з. , -..-Б,поступает на вход второгоадаптйвного ограничителя 20, По истечении времени Т = Т+ с-. с л + сз++ й с начала текущего перона Т,значения о яуспевают уст цон 1 ть .я1,-1на входах вторых адаптивных ограычителей всех р узлов. серез нреТ=Т+ 1завершается этап карре сции оценок ошибок предсказания назадЬ 1 и и на входы записи всех узлов по 1ступает импульс с втогого ныхоца ;л,г.ка 6 управления, который отпираетпервые буферные регистры первого,второго и третьего блоков задержки,при этом осуществляется запись н первые буферные регистры устионцииихсяна их входах реэультатон нычислс.ций,одновременно этот импульс инициализирует процедуру обновления царамегров блоков 14 и адаптивных ограцичителей всех узлов фильтра. По окончании этапа обновления параметров, продолжительность которого определяетсявременем в числений, производимых нблоках 14, обработка текущего отсч -та анализируемого сигнала занершается, и устройство готово к новому циклу вычислений,Блок вычисления коэффициента частной корреляции (фг.2) работает следующим образом,После прихода на вход считыванияпервого блока задержки импуьса спервого выхода блока синхронизациивоспроизведенная вторым буФерным регистром кодовая комбинация, соответствуюЧя оценке ошибки предсказанияназад Ь ,1,поступает ца первыйвход блока вычисления коэффициентачастной корреляции и попадает навторой вход первого элемента 21 умножения и вход второго квадратора 26.Сформированная вторым квадратором 26величина ,Ьи ) поступает на вто"рой вход сумматора 27. По прошествиц с начала текущвго :ериопа н, емл - ни, не цренышаюг его Т 4, опр,.,лс.ляекого максимальной э адгрж,.о.Форми;,он- ция скорректироанной оценки ошибки ПРЕЦСКаэаинц ВПЕРЕД, ЪОтОРаЯ Соетнетстну т иитерзалу времени от начав ла текущего периода до мемета уе 1 ацонк ца первом входе первого узла 1 каца очищенного значения л л + л8 = 8 + е . ца второ. хсдспблока 14 устанавливается величина еи поступает соответственно, цаИпеный вход первого элемента 21 умножения и вход первого кнадратора 25. Результат преобразования сценки екнадретором 25 поступает ца первьнд иход сумматоон 2", где производи ся сложс;цо кнадрагон скорректированых оценок ошибок предсказания вперед и цаад. Полученная на выходе сум тс а 27 величина се 1- 11 ) + "-,й-)3. l1Иь"ц:;стен ца вход второго элемсцта кс оцецциальцого сглаживания 28. Сфс рмирона ное первым элементе м 1 умцожс.ция произнеценисиос"уиа 1 ца вход первого злемента 22 эксцоиеи, а.цогс слажинанцл ко, тотый Функи оцлрус 1 т н соответствии е :Горитмом ф, х 1ь)хс;-1 (х - сиена: ии нходе элемента экспоцоицальцо го с лаживация СФ рмцронаццая первым элементом 22 э к споцецциальцо го с глажи наия оценка К, 1 иостуиаег на первый вход вто 1- грого элемента 23 умножения. Полученная ца ныходе второго элемента 28 экспоненциального сглаживания оценка л0,подается ца вход Фуцкционального преобразователя 29, в котором происходит преобразование входной оценки н величину -2/Э, и . Результат преобразования поступает на вторсй вход второго элемента 23 умножения ца выходе которого формируется оценка К, частного коэффициента корреляции, и годается на вход регистра 24. По истечеи и времени 1 = Т -+ С з+ сна тактовый вход буФерного регистра 24 приходит импульс с четвертого выхода блока 6 синхронизации. Он отпирает регистр 24 своим передним Фронтом на время длительности импульса с , так что на выходе блока вычисленкя коэффициента корреляцки воспроизводится обцовлец 1628068 12цое значение 1 вычисленное в тезкушем такте.Адаптивный ограничитель (Фцг.3)работает следующим образом,Подаваемая на вход описываемогоблока величина ( поступает на пер 1вый вход первого элемента 30 умножения и вход квадратора 32, СФормированное квадраторам 32 значение ( а )подается на первый вход второго элемента 31 умножения, на второй входкоторого подано эцачление нормиравочного коэффициента ( 5 ) , вычис -ленное в предыдущем периоде, Результат нормировки с выхода второго элемента 31 умножения поступает на первый вход элемента 35 вычитания ивход первого фуцкццоцлльнага преобразователя 33. Последний вырабатываетсоответствующий текущему значениюввесовой коэффициент( 7 )(1 +а) е " / а+е "(прц а- 1,388 1 О и Оа выполняется условие 35К а (1) ( 1 ) - 8)1 МО), который имеет смысл каэфр 1 цента доверия к текущему эцачеию ошибки ). Полученое с помощью первогофунк 1 иацалццаго преобразователя значецие ,) поступает ца второйвход первого элемента 30 умножения,на выходе которого Формируется скорректированное значение текущей ашибки, и падается на выход описываемогоблока.Процедура обновления нормировочного коэффициента ) ) основана ца1,ввычислении величины обратной дисперсии гауссовского процесса па среднейразности между числом отсчетов, попадающих в интервал 1-1 р +1, и числомотсчетов, находяшихся за пределамиэтого интервала, Получаемая таким обАг -разом оценка () слаба зависитот наличия аномальных выбросов в анализируемом сигнале. При выборе рас 1Р МааСчетного значения Й =сшиб(2ка оцеццвация не превышает величинуС 1 ООХ.Поступающее ца первый вход элемента 35 вычитания значение ()1 исравнивается с единицей, которая падается на его второй вход, Результатсравнения поступает на формирователь 36 знака. Текущее значениездцп 3 Пподается ца вход элемента 37 экспоненциального сглаживания, который формирует текущее значение д, поступающее на вход второго функциоцальцога преобразователя 34. Последний используется для вь.числеция текущего эцачция нормировочного коэффициента ( (1 , ) 1 которое лопается11на буферный регистр 38. С приходом управляющего импульса с четвертого выхода блока 6 синхронизации на выходе буферного регистра 38 воспроизводится обновленное значение нормировочного коэффициента.Формул а изобретения 1, Про цазируюший Фильтр, содержащий сумматор, блок синхронизации и р узлов прогнозирования (р - число шагав предсказания)р каждый из которых содержит блок вычисления коэффициента частной корреляции, первый Глох задержкиз два блока умножения, дв блока вычитания, два ограничителя ц первый сумматор, в каждом узле прагцазиравация выход . блока вычисления коэффициента частной корреляции соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, выход первого блока задержки подключен к первому информационному входу блока вычисления коэФФициента частной корреляии ц к второму входу второго блока умножения выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выходы первого и второго блоков вычитания соединены с информационными входами соответственно первого и второго ограничителей, вьход первого огранняигаля 1-го узла орогиозироаация (3 = 1 ,р) с.уединен с первым входом первого блока умножения и вторым информационным входом блока вычисления коэффициента частной корреляции (3+1)-го узла прогнозирования, выход первого сумматора 1-го узла прогнозирования соединен с вторым входом первого сумматора (3+1)-го узла прогнозирования, выход второго ограничителя 1-го узла прогнозирования подключен к информационному входу первого блока задержки (1+1)-го узла прогнозирования, первый выход блока синхронизации подключен к входам считывания первых блоков задержки всех узлов прогнозирования, второй выход блока синхронизации соединен с1 б 28068 10 15 25 30 35 40 45 50 55 входом записи первого блока задержкии с первым тактовым входом блока вычисления коэффициента часгцой корреляции каждого узла прогнозирования, третий и четвертый выходы блока синхронизации соединены соответственно свторым и третьим тактовыми нходдмцблока нычисления коэффициента частнойкорреляции каждого узла прогнозирования, о т и и ч а ю , и й с тем,что, с целью повышения точности, вкаждый узел прогнозирования введеныдва блока задержки ц второй сумматор,в каждом узле прогнозирования выходпервого блока умножения соединен спервым входом второго сумматора, гторой вход которого соединен с выходомвторого блока задержки, выходы первогои вгорого сумматоров подключены квходам нычцтаемого соответсггццоперво 1.о ц второго блоков вычтаил,выход третьего блока задержки подключен к входу умецьшдемо 1 О второгэблока вычитания, входы умецьшдсмоговерных блоков вычитания всех узловпрогнозирования соединены с информационным входом третьего блокд задержки первого узла прогнозирования и являются информационным входом чс 1 ро 11 ства, выход второго сумматора 1-гоузла прогнозирования подключен к информационному входу второго блока задержки (1+1) - го узла прогнозирования,выход третьего блока задержки 1-гоузла прогнозирования подключен к инФормационному входу третьего блоказадержки (1+1)-го узла прогнозирования, выход первого сумматора и ыходпервого ограничителя последнего уэпапрогнозирования соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого подключен квторому входу первого блока умноженияхвторому входу блока вычисления коэффициента частной корреляции и информационному входу первого блока задержки первого узла прогнозирования,второй вход первого сумматора и информационный вход второго блока задержки первого узла прогнозированияобъединены и являются входом заданиянулевого сигнала фильтра, первый вы.ход блока синхронизации соедине 1 свходами считывания второго и третьего блокон задержки всех узлов прогнозцрогдция, второй в 1 хоп блоха гцх О- ниэдццц соединен с входам запис второго и третьего блохэи 1 ерж и ц первыми тактовыми нходдм 11 первого и второго ограничителей всех узпоэ прогнозированиятретий ц четв рть 1 й выходы блока сццхроццэдц 11 подк 1 ю:ены соответственно к второму ц третьему тактовым входам первого и нторгго Ограничителей всех узлов прогнозирования.2. Фильтр по и,1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что Огрдцичцтель содержит квддра;Ор, двд эпемен 1 д умножения первый фуцкциондпьць 1 преобразователь типа у (1+а)е/(а++е ), где а - цдраь етр, определяющий уровень Огрдцичс цця, второй функциональный 11 реобрдзовдтель типа1 +х+2 ЕУ = 2 егГс ( 2где б - средняя вероятность появления аномальных выбросов, элемент в 11- ц 11 тция, Формирователь знака, элемент э ксцоцецц 1 дльцо го сглаживания и буферный регистр, причем вход квадратора сое 11 ицец с верн 1 м вход м первого 1 лемецтд умножец 1 я ц является ЯЦФОРМДЦЦОЦЦЬ 1 М ВХОДОМ ОГРДЦЦЧЦ 1 ЕПЯ выход квддрдторд подключен к первомунходу второго элемента уможенил,нь 1 ход которого соединен с ходо 11 первого Фу 1 кццоцдпьцого преобразователя и входом умецьшдемого элемента нь 1 чцтания вход вычитдемого которого является входом задания единичного сигнала ограничителя, д выход через Формирователь эцдкд соединен с информационным входом элемента экспоценц;1 альцого сглаживания, выход которогочерез второй функциональный преобразователь соединен с инФормационным входом буФерного регистра, выход которого подключен к второму входу второгоэлемента умножения, выход первогоФукциоцального преобразователя соединен с вторым входом первого элемента умножения, выход которого является выходом ограничителя, первый и второйтактовые входы элемента экспо 1 ецциального сглаживания являются соответственно первым и вторым тактовыми входами Ограничителя, тактовый вход буферного регистра является третьимтактовым входом. ограничителя,1628068 Фиг. 2 Составитель Е.КуртинТехред Л.Олийнык Корректор Н. Король4 Редактор М.Келемеш Заказ 342 Тираж 406 Подписное ВЮПП 1 И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101