Субоптимальный нелинейный фильтр

(5)5 8 06 53 САНИЕ ЕН нышев во СССР32, Н 03 Н 17/Оа,во СССР28, 1989.НЕЛИНЕЙНЫЙ я к цифровой Выжет быть испольфь 0 с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Изобретение относитсчислительной технике и мо Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки радиотехнических сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации скалярных марковских процессов.Известно оптическое устройство для фильтрации сигналов, содержащее первый и второй источники монохроматического света, десять полупрсзрачнЬх зеркал, генератор тактовых импульсов, два динамических транспаранта;, четыре канала оптической обработки информации, генератор функций и оптический интегратор, причем первый и второй каналы оптической обработки информации идентичны и состоят из двух транспарантов комплексного пропускания, двух фурье-преобразующих элементов и комплексного пространственно-частотного фильтра каждый, третий канал оптической обработки информации состоит из мозаичного оптоэлектронного модулятора. каждый электрический вход ко-., зовано в системах цифровой обработки радиотехнических сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации скалярных марковских процессов, Фильтр содержит блок регистров, блок управления, пять блоков умножения, два блока быстрого преобразования Фурье, два блока умножения комплексных чисел, сумматор комплексных чисел, блок обратного преобразования Фурье, регистр, группу элементов ИЛИ, накапливающий сумматор и сумматор, Фильтр позволяет моделировать основное уравнение оптимальной нелинейной фильтрации Стратоновича. 3 ил. торого через квадратор и сумматор подключен к выходу генератора функций, четвертый канал оптической обработкиинформации состоит из оптоэлектронного модулятора, фотодетектора и интегрирующей линзы. Оптическая связь между элементами устройства осуществляется при помощи полупрозрачных зеркал. Донное устройство моделирует уравнение Стратоно вича, описывающее эволюцию апостериорной плотности вероятности скалярного марковского процесса и являющееся основой оптимальной обработки входной смеси сигнала и шума,Однако данное устройство технически трудно реализуемо, так как применяемые оптические элементы - динамические транспаранты, фурье-преобразующие элементы, процессоры пространственно-частотной фильтрации и другие устройства громоздкие, дорогостоящие, энергоемкие. большие сложности возникают при их юстировке. Кроме того. известно, что погрешноФурье, выходы которых подключены соот ветственно к первым информационным входам первого и второго блоков умножения комплекснь 1 х чисел, выходы которых подключены соответственно к информационным входам сумматора комплексных чи- О сел, выходкоторого подключен к входублока обратного преобразования Фурье, третий, четвертый и пятый выходы блока регистров подключены соответственно к вторым информационным входам первого и 5 второго блока умножения комплексных чисел и к первому информационному входу третьего блока умножения, выход которого подключен к первому информационному входу сумматора, выход которого подключен к первому информационному входу четсти вычислений, вносимые оптическими процессорами пространственно-частотной Фильтрации, достигают единиц и даже десятка процентов.Известно устройство для цифровой 5 Фильтрации, содержащее М умножителей, Й сумматоров, две группы по Й регистров каждая, генератор тактовых импульсов, счетчик, дешифратор, блок элементов И. причем первые входы умножителей обьединены и 10 являются информационными входами устройства, вторые входы умножителей являются входами задания коэффициентов устройства.Недостатком устройства является огра ниченность функциональных возможностей вследствие Решения ими только задач линейной Фильтрации.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению 2 О является устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных, содержащее й-канальные где й - размер аппроксимирующей сетки по пространственной координате) блоки (группы): 25 коммутатор, блок регистров, первый, второй и третий блоки умножителей, первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье, первый и второй блоки умножителей комплексных чисел, блок сумматоров комп- ЗО лексных чисел, блок обратного быстрого преобразоваиия Фурье, блок накапливающих сумматоров, блок элементов И, а также блок памяти и блок ущивления, причем первые информационные входы коммутато рв и блока элементов И являются информационным входом устройства, выход коммутатора подключен к входу блока регистров, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блока умножите лей, вторъе входы которых подсоединены соответственна к первому и второму выходам блока памяти, выходы первого и второго блоков умножителей соединены соответственно с входами первого и второ го блоков быстрого преобразования Фурье, выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго блоков умножения комплексных чисел, вторые входы которых соединены соответственно с 5 третьим и четвертым выходами блока памяти, выходы первого и второго блоков умножителей комплексных чисел соединены соответственно с первым и вторым входами блока сумматора комплексных чисел, выход 5 которого соединен с входом блока обратного быстрого преобразования Фурье, выход которого подключен к первому входу третьего блока умножителей, второй вход третьего блока умножителей соединен.с пятым выходом блока памяти, выход третьего блока умножителей соединен с первым входом блока сумматоров-накопителей,.второй вход которого подключен к выходу блока элементов И, выход блока сумматоров-накопителей соединен с вторым входом коммутатора и является также выходом устройства, первый управляющий выход блока управления подключен к управляющему входу коммутатора и второму входу блока элементов И, второй, третий и четвертый управляющие выходы блока управления соединены соответственно. с первым, вторым и третьим управляющими входами блока памяти,Недостатком устройства является ограниченность Функциональных возможностей, так как данное устройство не позволяет решать задачи оптимальной нелинейной фильтрации скалярных марковских процессов.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей Эа счет оптимальной нелинейной фильтрации скалярных марковских процессов.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее регистр, блок регистров, коммутатор, с первого по третий блоки умножения, первый и второй блоки умножения комплексных чисел, первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье, сумматор комплексных чисел, блок обратного преобразования Фурье, накапливающий сумматор и блок управления, введены четвертый и пятый блоки умножения, М элементов ИЛИ, где К - число отсчетов по пространственной координате, и сумматор, причем первый и второй выходы блока регистров подключены соответственно к первым информационным входам первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго блоков быстрого преобразования0 ( К Да определяются парой взаимно- БУЫК 13 и 14 предназначены для перемнообратных преобразований жения результатов ДПФ, поступающих соответственно с выходов БПФ 11 и 12, сой- (6) значениями К Дви (Дв)/2( =о, й)дяю 1 и)Х пЧе 9 и кп 1 тч поступающими из Бп 1 по команде О оИас блока управления БУ 18. СКЧ 15 служит для/, ш," и 1 1 суммирования полученных на выходе БУМКпу ф М1М13 и 14 комплексныхчисел. БОПФ 16 предназначен для выполнения обратного ДПФ"0 над полученным на выходе СКЧ 15 наборомгде М- номер отсчета спектрального аналога й отсчетов комплексных чисел. На Вьходефункции 9(иЬ); БОПФ 16 получается выражение, котороеда- шаг дискретизации по простран- после умножения в БуМ 17 на постояннуюственной частоте. величину - , поступающую из БР 1 поНа фиг.1 пРедставлена стРУктУРнаЯ схе команде 0 7, дает второе слагаемое (5).ма предлагаемого фильтра, на фиг.2 - вре- БУМ 8 служит для перемножения поступаюменная диаграмма выдачи управляющих щего на входустройства у( г) со значениямисигналов блоком управления; на фиг 3 - 2 тЯ(и Ь,г)lйвыводимыми из БР 1 пофункциональная схема блока управления команде 03 от БУ 18, Сумматор 9 предназСубоптимальный нелинейный фильтР 20 начен для суммирования полученного ресодержит блок 1 регистров(БР), коммутатор зульт 1 та со значениями - гЯ (и,Ь,Т)(йо22, регистр 3, й элементов ИЛИ 4, накапли поступающими из БР 1 по команде 04 от БУвающий сумматор 5 (НС), первый 6, второй 18 БУМ 10 предназначен для умножения7, третий 8, четвертый 10 и пятый 17 блоки полученного нэ выходе сумматора 9 резульумножения (БУМ), сумматор 9, пеРвый 11 и 25 тата со значениями О (и Ь, с т), поступаювторой 12 блоки быстрого преобразования щими из регистра 3 по команде 05 от Бу 18,Фурье (БПФ), первый 13 и второй 14 блоки НС 5 служит для суммирования начальногоумножения комплексных чисел (БУМК); сум значения 0(иЬ,о г), поступающего через йматор 15 комплексных чисел (СКЧ), блок "6 элементов ИДИ 4 по команде 01, с вторымобратного преобразования Фурье (БОПФ), 30 слагаемым (5), поступающим от БУМ 17, иблок 18 управления (БУ), третьим слатаемым (5), поступающим черезБР 1 пРедназначен длЯ ХРанениЯ и вы- й элементов ИЛИ 4 от БУМ 10,дачи постоЯнных О (и,Н о т) К 1( и Ь,Ч, . Фильтр работает следующим образом,В исходном состоянии все триггеры и-у Я (, Ь, т)l йо, где и=О, й,К=О, 35 счетчикиблоковнаходятсяв,нулевомсостой,= 0,1,2, Выдача их производится янии, во всех разрядах регистров записаныпараллельно по й каналам,в последователь- нули, в БР 1 записаны начальные значенияном коде по командам 01, 03-07 из блока и постоянные О ( и Ь,о т), К 1(и Ь, г)управления. Коммутатор 2 предназначен К ( Ь,) кД (, Д)222.г (иЬдля переключения входов регсра 3 ота) уй . 32 (иЬг)/йо, где и = О, й,=восьмого выхода БР 1 к выходу накапливающего сумматора 5 после записи в регистр3 начальных значений 0 (и Ь, о г) . Регистродновременно три управляющих сигнала:3 предназначендляхраненияотсчетоефу. З О 2 и нз (ф т и 2) П подаче О 1 нак ии и, т 1, и=О, йна каждом времен" щО( правляющии вход коммутатора 2 Рдится подключение восьмого выхода БР 1 попоследовательном двоичном коде по кон Входу регистра 3, Одновремен о 01 пос увейерному типу производится передача пает на первый управляющий вход БРоперандов между й канальными блошками Оп а ий по аз обеспечиваЯ вьдачУ (и,о 4 с ВосьмогоУстроиства иВыполнение оерц пораз выхода БР 1 для записи в НС 5, котор й поя ного множения и сложения над числап авляющему сигналу 02 переводится вми па аллельно во всех й каналах), БУМ 6 и упр Влярежим "Суммирование с накоплением", а7 предназначены д Р также в регистр 3, который по сигналу 037 п е назначены для перемножения отсчетов О(иЬ, т), поступающих из Регистра 3 п реводится в режим м 3 апись". Кроме того, управляющий сигнал 03 поступает наК 2(иЬ, г), поступающими из БР по команде второй управляющий вход БР 1 и разреща0 5 БУ 18. БПФ 11 и 12 служа для Вы полне ет выдачу с седьмого выхода БР 1 значения операций ДПФ над полученным соот- нии 2 г (иЬ,о г)/й на первый вход БУМветственно в БУМ 6 и 7 произведениями,8 для перемножения с поступающими на второй его вход значениями входного сигнала у(о т). После снятия управляющего сигнала 01 коммутатор 2 возвращается в исходное состояние, соответствующее соединению входа регистра 3 с выходом НС. Длительность управляющих сигналов соответствует времени выдачи операндов в последовательном или последовательно- , параллельном (за,один такт - два разряда) коде и задается разрядностью соответствующих счетчиков ЬУ 18.Так как фильтр построен по конвейерному типу, то результат, выполнения операции появляется на .выходе блока с задержкой в несколько тактов (величина задержки зависит от разрядности используемых чисел и степени сложности операции) по отношению к моменту поступления на вход первых разрядов операндов, Интервал между определяющими сигналами определяется длительностью данной задержки, а также управляющего сигнала и задается БУ 18,Таким образом, через заданный. интервал БУ 18 генерирует сигнал 04, который поступает на третий управляющий вход БР 1 и разрешает выдачу с шестого выхода БР 1 на первый вход сумматора 9 значений - т 3 (пЬ, о т)Ю 0. В сумматоре 9 производится суммирование данных значений с операндами, поступающими с выхода БУМ 8 на второй Й канальный вход сумматора 9,По следующему управляющему сигналу 05, который подается из БУ 18 на второй. управляющий вход регистра 3, данный регистр переводится в режим вь 1 дачи записанной в нем информации. В результате значения 0(пй,о т) поступают на первые входы блоков БУМ,6 и 7, на вторые входы которых подаются значения К 1(пп,о т) и К 2(про г) соответственно вследствие подачи 05 на четвертый управляющий вход БР 1, Одновременно 0 (пЬ, о ф подается на второй вход БУМ 10 для перемножения с операндами, поступающими с выхода сумматора 9 на первый вход БУМ 10. Затем повторяется выдача управляющего сигнала 02, который подается из БУ 18 на первый управляющий вход НС 5 и переводит его в режим суммирования с накоплением. В результате ранее записанное в НС 5 значение 0(пй,о т) складывается с полученным после выполнения операции умножения на выходе БУМ 10 третьим слагаемым выражения, стоящего в правой части (5). Одновременно на входы БПФ 11 и 12 поступают результаты умножений Соответственно из БУМ 6 и 7, над кото- рыми выполняются операции ДПФ.10 15 При появлении управляющего сигнала06 на пятом входе БР 1 производится выдача постоянных М Ьм и (К Ьм)2/2 в блокиБУМК 13 и 14 соответственно для умножения с результатами ДПФ, поступающими на вторые входы БУМК 13 и 14 с блоков БПФ 11 и 12. Затем, результаты перемножения с выходов БУМК 13 и 14 поступают для суммирования в СКЧ 15. БОПФ 16 выполняет обратное ДПЭ полученных с выхода СКЧ 15 значений, Время, необходимое на выполнение этих операций также задается блоком БУМ 18 путем соответствующей задержки 07 относительно 06, Появление управляющего сигнала 07 на шестом управляющем входе БР 1 разрешает выдачу значений -т для перемножения с поступающим от БОПФ 16 результатом обратного ДПФ, Полученное на выходе БУМ 17 второе слагаемое20 (5) поступает на НС (одновременно с переключением его в режим "Суммирование снакоплением".по сигналу 02 из БУ 18) длясуммирования с находящимся там результа. том суммы первого и третьего слагаемых(5),На этом первый шаг вычислений заканчивается, Полученные в НС значения 0 пЬ,1 х),п = О, Миспользуются в качестве начальных для следующего шага. Второй и последующие шаги вычислений аналогичныпервому с той разницей, что в начале шагавместо подаваемых одновременно трех управляющих сигналов 01, 02 и 03.подаются. два сигнала. 03 и 08. Последний поступаетна второй управляющий вход НС 5 и переводит его в режим "Считывание", в результате чего запись 0 ( пМ г) в регистр 3производится не с восьмого выхода БР 1, ас выхода НС 5, Кроме того, на каждом шагерезультат вычислений с выхода НС 5 пода"0 ется на выходфильтра,БУ 18 содержит(фиг.3) генератор 19 тактовых импульсов (ГТИ), триггер 20, первый21 и второй 22 элементы ИЛИ, с первой пошестую ячейки Я 1-Я 6, каждая из которыхвключает первый 231 и второй 261 элементыИ, первый 241 и второй 271 счетчики, первый251 и второй 281 триггеры (1 - 1 - 6).Блок БУ 18 работает сведующим образом(фиг,2 и 3),По сигналу "Запуск" триггер 20 переводится в состояние "Г и генерирует управляющий сигнал 01. Одновременно через элементы ИЛИ 21 и 22 генерируются управляющие сигналы 03 и 02 соответственно.Логическая единица с выхода элемента ИЛИ 22 поступает на первый вход элемента И 23, .разрешая подачу через второй его вход тактовых импульсов с ГТИ 19 на счетчик 241, который определяет длительностьсигналов 01, 02 и 03. Импульсом переполнения счетчика 241 переводйтся в состояние "1" триггер 251, который сбрасывает в исходное состояние "0" триггер 20, прекращал генерацию сигналов 01, 02 и ОЗ, и запускает через элемент И 261 счетчик 271, который задает длительность паузы между управляющими сигналами 02, При поступлении на вход ячейки Я 2 логической единицы с началом генерации ОЗ включается счетчик 2 б 2, который задает длительность сигнала 03 (или 08, так как при появлении 08 через схему ИЛИ 21 генерируется 03), Импульсом переполнения счетчика 2 бг запускается счетчик 272, который задает длительность паузы между 03 и 04, а также сбрасывается триггер 28 в, предназначенный для генерации 08 (соответственно и ОЗ),Аналогично работают ячейки ЯЗ - Яб, последовательно формируя на своих выходах сигналы 05 - 08.Предлагаемое устройство можно реализовать на базе микропроцессорного комплекта БИС К 1815 для конвейерных систем цифровой обработки сигналов. Формула изобретения Субоптимальный нелинейный фильтр, содержащий регистр, блок регистров, коммутатор, с первого по третий блоки умножения, первый и второй блоки умножения комплексных чисел, первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье. сумматор комплексных чисел, блок обратного преобразования Фурье, накапливающий сумматор и блок упоавления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения оптимальной нелинейной фильтрации скалярных марковских процессов, оно содержит четвертый и пятый блоки умножения, Н элементов ИЛИ, где Н - число отсчетов по пространственной координате, и сумматор, причем первый и второй выходы блока регистров подключены соответственно к первым информационным входам первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго блоков быстрого преобразования Фурье, выходы которых подключены соответственно к первым информационным входам первого и второго блоков умножения комплексных чисел,выходы которых подключены соответственно к информационным входам сумматора комплексных чисел, выход которого подключен к2025 30 3540 входу блока обратного преобразования Фурье, третий - пятый выходы блока регистров подключены соответственно к вторым информационным входам первого и второго .блоков умножения комплексных чисел и к первому информационному входу третьего блока умножения, выход которого подключен к первому информационному входу сумматора, выход которого подключен кпервому информационному входу четвертого блока умножения, выходы которого подключены соответственно к первым входам элементов ИЛИ, выходы которых подключены соответственно к информационным входам первой группы накапливающегосумматора, выходы которого подключенысоответственно к выходам устройства и соответственно к информационным входампервой группы коммутатора, выход которого подключен к информационному входу регистра, выход которого подключен к вторым информационным входам первого, втйрого и четвертого блоков умножения, шестой иседьмой выходы блока регистров подключень 1 соответственно к второму информационному входу сумматора и к первому информационному входу пятого блока умножения, выход которого подключен к второму информационному входу накапливающего сумматора, выход блока обратного преобразования Фурье подключен к второму информационному входу пятого блока умножения, выходы группы блока регистров подключены соответственно к информационным входам второй группы коммутатора и к вторым входам элементов ИЛИ,информационный вход и вход запуска устройства подключены соответственно к второму информационному входу третьего блока умножения и к входу запуска блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и к первому входу записи-считывания блока регистров, второй выход блока управленияподключен к входу режима накапливающего сумматора, третий выход - к второму входу записи-считывания блока регистров и к входу записи регистра, четвертый выход - к третьему входу записи-считывания блока 50 регистров, пятый и шестой выходы - соответственно к четвертому и пятому входам записи-считывания блока регистров. седь мой выход - к шестому входу записи-считывания блока регистров и входу считывания 55 регистра, восьмой выход - к входу считывания накапливающего сумматора.1714618ФиГСоставитель С.Погонышев Редактор ИГорная Техред М.Моргентал Корректор М.Шев аказ 6 ЯЬ Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета до изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизаодстввнно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101