Цифровой адаптивный фильтр

(9) 1837322 я)ю 6 0 353, Н 03 Н 21/00 Е ПАТЕНТНО ЕДОМСТВО СС%32 нтрал ский ное конструктор- адиотехнический узнец во ССС 3, 1977 ВНЫЙ Ф ся к спе ислител овано в алов, Ц ИЛЬТР циализиной техистемах ель иэо) В.В. Витязев, А,И. К лдин и В.А, Широков ) Авторское свидетельс 674033, кл. 6 05 Р 15/3 ) ЦИ Ф РО В ОЙ АДАПТИ ) Изобретение относит ванным средствам выч ки и может быть исполь фровой обработки сиг Изобретение относится к специализир ванным средствам вычислительной техн ки и может быть использовано в системах о работки радиолокационных, акустичес их и гидроакустических сигналов.Цель предлагаемого изобретения - по- в щение точности фильтрации в условиях а риорной неопределенности и при динам ческом характере частотных свойств сигн ла.На фиг. 1 представлена структурная схем цифрового полосового фильтра; на фиг. 2 - блок адаптации по частоте; на фиг. 3 - в риант построения устройства управления б оком адаптации по частоте (а) и временн 1 е диаграммы, поясняющие его работу(б); н фиг, 4 - блок быстрого преобразования рье; на фиг. 5 - блок синхронизации. Цифровой адаптивный фильтр содерблок 1 цифрового полосового фильтра Ф), блок 2 аналого-цифрового преобра 2бретения - повышение точности фильтрации в условиях априорной неопределенности и при динамическом характере частотных свойств входного сигнала за счет обеспечения возможности непрерывнсго слежения за изменением положения "центра тяжести" его спектра и автоматической настройки фильтра по центральной частоте полосы пропускания, С атой целью в устройство, содержащее блок цифровой полосавой фильтрации и блок синхронизации., дополнительно введены блок адаптации п частоте, блок быстрого преобразования Фурье и аналого-циФровой преобразовав тель. 5 ил,зования (АЦП), блок 3 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 4 адаптации ичастоте (БАЧ) и блок 5 синхронизации,Первый вход блока 2 АЦП является входом устройства 6, а первый выход соединен с первыми входами блока 1 ЦПФ и блока 3 БПФ. Первый и второй выходы блока 3 БПФ соединены с первым и вторым входами блока 4 БАЧ, первый и второй выходы которого соединены со вторым и третьим входами блока 1 ЦПФ, выход которого является выходом устройства 7. Первый С 1, второй С 2, третий СЗ и четвертый С 4 выходы блока 5 синхронизации соединены соответственно со вторым входом блока 2 АЦП, вторым входом блока 3 БПФ, третьим входом блока 3 БПФ, который в свою очередь соединен с четвертым входом блока 1 ЦПФ, и третьим входом блока 4 БАЧ. Первый С 5 и второй С 6 входы блока 5 синхронизации соединенысоответственно со вторым выходом блока 2 АЦП и третьим выходом блока 3 БПФ.Блок адаптации по частоте содержит постоянные запоминающие устройства 1-4, регистры 5 - 13, сумматоры 14, 15, вычитающие устройства 16, 17, счетчик 18, логические элементы И 19, 20, мультиплексоры 21, 22 и устройсво управления 23,Первые входы мультиплексоров 21, 22 являются соответственно первым 24 и вторым 25 входами блока, а вторые входы - входами логического нуля. Выходы мультиплексоров соединены со входами соответственно регистров 5 и 6, выходы которых соединены со входами постоянных запоминающих устройств 1 и 2 соответственно, Выходы последних соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 13, выход которого соединен со входом постоянного запоминающего устройства 3, выход которого соединен со входом регистра 7, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства 16 и первым входом регистра 8. Выход регистра 8 соединен со вторым входом вычитающего устройства 15 и первым входом вычитающего устройства 17, второй вход которого является входом задания констант 24. Выход вычитающего устройства 15 соединен со входом логического элемента И 18, выход которого соединен со вторыми входами регистров 8 и 9, Первый вход регистра 9 соединен с выходом счетчика 18, а выод - с первым ходо регистра 10, второй вход когооого соединен с выходом логического элемента И 20, вход которого соединен с выходом вычитающего устройства 17. Выход регистра 10 соединен с первым входом сумматора 14, второй вход которого соединен с выходом регистра 12, а выход - со входом регистра 13, выход которого соединен со входами регистра 12 и постоянного запоминающего устройства 4, вход и выход которого являются выходами устройства 26 и 27 соответственно, Выходы У 1-У 7 устройства управления соединены с соответствующими управляющими входами регистров 5-7, 12, 13, счетчика 18, логических элементов И 19, 20 и постоянного запоминающего устройства 4, а вход С 4 соединен с управляющими входами мультиплексоров 21, 22 и является третьим входом блока.Блок БПФ (фиг,4) выполнен по авт, св. ЬЬ 1233163 и содержит регистры 1 - 6, сумматоры 7-9, регистры 10 и 11 сумм, коммутаторы 12-15, умножитель 16, регистры произведений 17 и 18, буферные регистры 19-21, блоки памяти 22 и 23, формирователь 24 адреса и блок 25 сравнения. Входы 26 и 27 (комплексной) весовой функции, информационные входы 28 и 29 устройства, контрольный выход 30 и информационные выходы 31 и 32 устройства.Блок синхронизации содержит форми рователь 1 временных интервалов, счетчики2 и 3, дешифраторы 4 и 5, триггер 6, логические элементы И 7-9, логический элемент НЕ 10, синхронизирующие выходы С 1-С 4 и синхронизирующие входы С 5 и С 6.10 Первый вход логического элемента И 7является первым синхронизирующим входом С 5 блока, а второй вход соединен с первым выходом формирователя 1 временных интервалов, второй выход которого яв ляется первым синхронизирующимвыходом С 1 блока, а третий выход соединен с первым входом логического элемента И 8, выходы логических элементов И 7 и 8 соединены с первыми входами соответственно 20 первого 2 и второго 3 счетчиков, причемвыход логического элемента И 7 является третьим синхронизирующим выходом СЗ блока. В ыходы счетчиков 2 и 3 соединены со входами соответственно первого 4 и второ го 5 дешифраторов, выходы которых соединены соответственно со вторым входом счетчика 2, первым входом триггера 6 и вторым входом счетчика 3, вторым входом триггера 6. Выход триггера 6 соединен со 30 входом логического элемента И 8 и являетсявторым синхронизирующим выходом С 2 блока. Выход логического элемента НЕ 10 соединен с первым входом логического элемента И 9, второй вход которого является 35 вторым синхронизирующим входом С 5, авыход - четвертым синхронизирующим выходом С 4 блока.Устройство одновременно работает вдвух режимах: непрерывное слежение за из менением спектральной структуры входного сигнала с автоматической настройкой центральной частоты полосы пропускания фильтра посредством блока 3 БПФ и блока 4 БАЧ и цифровая полосовая фильтрация 45 посредством блока 1 ЦПФ. Блок 2 АЦП преобразует аналоговый входной сигнал в последовательность цифровых данных, Блок 5 синхронизации обеспечивает синхронную работу всех блоков, входящих в устройство.50 Период дискретизации Т сигнала х(1) навходе 6 устройства определяется периодом поступления на управляющий вход блока 2АЦП импульсов "Запуск АЦП" по синхронизирующему выходу С 1, Каждый очередной импульс "Запуск АЦП" инициализирует аналого-цифровое преобразование, по завершении которого на синхронизирующем входе С 5 формируется управляющий импульс "Готовность АЦП". Последний в блоке 5 синхронизации преобразуется в сигналсо ка ю ц А ет к (и м о ж к ле д П Б н Ак - Ве (Х(к), Вкв(Х(с, 3 с=О, И, 25 определяется по совпадению результапреобраэования на контрольном выхо блока 3 БПФ, на синхронизирующем де С 6 появляется управляющий сигнал зрешение приема БАЧ", который разре ет выдачу управляющего сигнала "Прием" по синхронизирующему выходу С 4 ка 5 синхронизации. Появление сигнала хронизации С 4 с выхода блока синхроации 5 на соответствующем входе блока 35 авления 23 обеспечивает его синхрон-. й запуск на один цикл рабаты блока адапии по частоте 4 (см. фиг. 3). При этом редная пара коэффициентов Фурье (Рк, вводится с выходов 31 и 32 блока 3 БПФ 40 лок 4 БАЧ по входам 24 и 25. В случае правильного вычисления пары коэффициов Фурье(Ак, Вк) прохождение их в блок АЧ блокируется и по нулевому уровню авляющего сигнала "Прием БАЧ" через 45 дные мультиплексоры 21 и 22 блока 4 Ч вводятся нулевые значения пары коэфциентов Фурье. По окончании приема йрной последовательности коэффициенФурье (Ак, Вк), К=О, И, используя пол енную информацию о спектральной уктуре сигнала, блок 4 БАЧ настраивает утренний генератор центральной частоты лосы пропускания блока 1 ЦПФ на "центр ести" полосы частот. Процесс самонаст йки устройства повторяется с периодом, вным МТ. чт то д вх Б Ч о .В мтоУств тя Блок адаптации по частоте (фиг, 2) реаэует следующие функции: рием входных данных", поступающий на тветствующие управляющие входы бло ЦПФ и блока 3 БПФ по синхронизируему выходу СЗ, и обеспечивает ввод фровых данных х(пТ) с выхода блока 2 5 П. Блок 3 БПФ последовательно реалиэудва режима: режим одновременного напления по двум входным каналам формационные входы 28 и 29) й-мерного ссива данных х(пТ) с последующим пре разованием его по алгоритму БПФ и рем разделения каналов с непрерывным тролем правильности вычисления компсных коэффициентов Фурье Х(к) по кажму к-му частотному каналу. 15 реключение режимов работы блока 3 Ф выполняется управляющим сигналом жим работы БПФ", поступающим в устйство управления блока 3 БПФ по синхнизирующему выходу С 2 блока 5 20 и хронизации, В случае, правильного выления пары коэффициентов Фурье М-го тотного канала вычисление модуля коэф и и нт в Фурье (Ак, Вк) по алгоритму Гк- Ак + Вк с использованием постоянных запоминающих устройств 1-3, регистров 5, 6 и сумматора 13;определение положения "центра тяжести" Ко полосы частот по алгоритму поиска максимума модуля коэффициентов Фурье Гк на множестве частот 1-0, й;Гко=вах Гк,М=О, М где 10 - значение частоты, нз которой достигается максимум дискретной функции Гк, с использованием регистров 7-9, вычитаю- щего устройства 15, счетчика 17 и логического элемента И 18;принятие решения о необходимости перестройки центральной частоты полосы пропускания ЦПФ по алгоритму сравнения значений максимума коэффициентов Фурье Гко и априорно задэнного порога на входе задания констант 23, вычитающего устройства 16 и логического элемента И 19;непрерывная генерация синусно-коси. нусной модулирующей функции (эи ко и, сов Мо и), с использованием постоянного запоминающего устройства 4, регистров 10 - 12 и сумматора 14,Управление работой блока БАЧ реалн. зуется устройством управления 22, варианг построения которого представлен нв .ы. За. Устройство управления 22 содержит генератор 1 тактовых импульсов, счетчик 2, дещифраторы 3, 4, триггер 5, логические алементы И 6, 7, логические элементы НЕ 9, 10 и генерирует последовательность управляющих сигнзлов У 1 - У 7 (фиг. З,б). При этом управляющие сигналы Уб, У 7 с выхода генератора тактовых импульсов формируются непрерывно, а последовательность управляющих сигналов У 1-У только на интервале приема данных по информационным входам 24 и 25. Начало интервала приема определяется положительным перепадом управляющего сигнала на синхронизирующем входе С 4, а конец - управляющим импульсом У 5, появляющимся на выходе дешифратора 3 по окончании приема последней И-й пары коэффициентов Фурье. В течение всего указанного интервала времени на выходе триггера 5 поддерживается единичное состояние,. которое разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 1 на схему формирования управляющих импульсов У 1-У 4 через логический элемент И 6.В момент начала приема последовательности данных (А, В), к"О, 8-1, по информационным входам 24 и 25 на выходедешифратора 4 устройства управления 22 формируется управляющий импульс УЗ, устанавливающий регистрц 7, 8 и 12 и счетчик 17 в исходное нулевое состояние. Первым управляющим импульсом У 1 выполняется ввод первой пары коэффициентов Фурье (А 1, В 1) в регистры 5 и 6, выходы которых подключены к адресным входам постоянных запоминающих устройств 1 и 3, содержащих в своих ячейках памяти значения квадратов данных на адресных входах, Пара чисел (А 1, В 1 ), считываемых на информационных выходах постоянных запоминающих устройств 1 и 2, проходя через сумматор 13, преобразуется в сумму (А 1 +В 1), поступающую на адресный вход постоянного запоминающего устройства 3, содержащего в своих ячейках памяти значения квадратных корней данных на адресном входе. Ввод модуля первой па ы коэффициентов Фурье Р 1=А 1 + В в регистр 7 выполняется передним фронтом первого управляющего импульса У 2, Одновременно содержимое счетчика 17 увелиЧивается на единицу к:= =1+1(при нулевом исходном состоянии счетчика 17 на первом шаге обработки М:=1). Далее содержимое регистра 7 (значение числа Р) вычитается из содержимого регистра 8,(исходное нулевое значение) и при отрицательном результате операции на знаковом выходе вычитающего устройства 17 формируется единичный уровень, разрешающий прохождение управляющего импульса У 4 через логический элемент И 18 на управляющие входы регистров 8 и 9, При этом содержимое регистра 7 (значение числа Р 1) и счетчика 18 (значение частоты 1=1) записывается в регистры 8 и 9 соответственно. На всех последующих шагах: к=2, Чпроцесс приема и преобразования последовательности пар коэффициентов Фурье(А, В) повторяется аналогично. В результате обработки М-мерной последовательности входных данных в регистре 8 устанавливается значение максимума модулей коэффициентов Фурье РгГ, на множестве частот 1=0, Ч, а в регистре 9 - соответствующее значение частоты =1,. По окончании выполнения последовательности указанных выше преобразований значение максимума Г 0 сравнивается с пороговым значением на входе задания констант, и в случае превышения порога на знаковом выходе вычитающего устройства 16 формируется сигнал разрешения передачи через логический элемент И 19 управляющего импульса У 5 на управляощий вход регистра 10. При этом содержимое Ь регистра 9 перезаписывается в регистр 10 и этим самым, как будетпоказано ниже; осуществляется перестройка фильтра на новое значение центральной частоты полосы пропускания.Для генерации синусно-косинусной мо дулирующей функции произвольной К-й частоты (к=1, Ч) используется простое свойство дискретных тригонометрических функций, заключающееся в том, что все значения к-й частоты могут быть получены из 10 значений 1-й частоты путем "прореживания" отсчетов последней с коэффициентом 1 и "сжатием" временной оси в 1 раз. С этой целью в состав генератора включено постоянное запоминающее устройство 4, содер 15 20ЗО35405055 жащее в своих ячейках памяти значения отсчетов первой частоты синусно-косинусной моделирующей функции на полном ее периоде. При единичном значении содержимого регистра 10 (10=1) на каждом такте вычисления посредством управляющих импульсов Уб и У 7 содержимое регистра 12увеличивается на единицу, и с выхода 27 блока БАЧ считывается значение очередного отсчета первой частоты синусно-косинусной модулирующей функции. Переключение с синусного на косинусный канал выполняется управляющим импульсом У 6 на старШем разряде адресного входа постоянногозапоминающего устройства 4. При произвольном значении содержимого регистра 10(1=10) содержимое регистра 12 с каждым тактом вычисления увеличивается на К 0, реализуя тем самым эффект "прореживания" отсчетов первой частоты с коэффициентом прореживания 10 В этом случае с выхода 27 блока БАЧ последовательно считываютсязначения отсчетов 10-й частоты синусно-косинусной модулирующей функции. Одновременно по выходу 26. блока БАЧ выводится адрес отсчетов К 0-й частоты дляуправления записью в память коэффициентов блока ЦПФ. Блок синхронизации (фиг, 5) формируетсовокупность сигналов синхронизации С 1- С 4 в следующей последовательности. Формирователь 1 временных интервалов по первому выходу, являющемуся синхронизи-. рующим выходом С 1 блока, периодически с периодом, равным интервалу дискретизации Т, генерирует последовательность импульсов "Запуск АЦП", а по второму выходу с тем же периодом Т, ЙЬ с временной задержкой, определяемой временем аналогоцифрового преобразования, - последовательность импульсов "Прием входных данных", Сигнал Тотовность АЦП" на синхронизирующем входе С 5 разрешает прохождение последовательности импульсов "Прием входных данных" на синхронизирующей выход СЗ через логический10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 элемент И 7. Счетчик 2 и дешифратор 4 задают длительность интервала реализации режима "БПФ-преобразование" й-мерной последовательности входных данных, а счетчик 3 и дешифратор 5 - длительность интервала реализации режима "Разделение спектров и контроль". Фактическая длительность реализации каждого из указанных режимов работы блока БПФ определяется как "настройкой" дешифраторов 4 и 5 на соответствующее "конечное" ,состояние счетчиков 2 и 3, так и периодом следования импульсов счета с выходов логических элементов И 7 и 8, Триггер 6, изменяя свое состояние на противоположное при достижении "конечного" состояния четчиков 2 и 3, формирует на синхронизиующем выходе С 2 блока сигнал "Режим аботы БПФ". Если на синхронизирующем ыходе С 2 устанавливается единичное сотояние, то выполняется БПФ-преобразоание, в противном случае - разделение пектров и контроль каналов. В случае праильного результата преобразований на инхронизирующем входе С 6 блока устаавливается единичное состояние и на синхонизирующем выходе С 4 блока формируется правляющий сигнал "Прием БАЧ",Таким образом, введение дополнительых блоков и связей позволяет обеспечить озможность непрерывного слежения за изенением положения "центра тяжести" пектра входного сигнала и автоматическую астройку цифрового полосового фильтра о центральной частоте полосы пропускаия, что в конечном счете повышает точость фильтрации в условиях априорной еопределенности и динамическом харакере частотных свойств сигналов.Формула изобретения Цифровой адаптивный фильтр, содер ащий блок цифровой полосовой фильтраии и блок синхронизации, первый актовый вход которого подключен к тактоому входу блока цифровой полосовой ильтрации, выход которого является инормационным . выходом фильтра, о т л. и- а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения очности, в него введены блок адаптации по астоте, блок быстрого преобразования урье и аналого-цифровой преобразоваель, выход которого подключен к информаионному входу блока цифровой паласовой ильтрации и информационному входу блоа быстрого преобразования Фурье, выхоы реальной и мнимой частей результата оторого подключены соответственно к перому и второму информационным входам дока адаптации по частоте, первый и втоой выходы которого подключены к входам соответственно реальной и мнимой частей коэффициентов блока цифровой полосовой фильтрации, первый - четвертый тактовые выходы блока синхронизации подключены соответственно к входу синхронизации приема и входу выбора режима блока быстрого преобразования Фурье, к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя и тактовому входу блока адаптации по частоте, выход окончания вычислений блока быстрого преобразования Фурье подключен к первому синхронизирующему входу блока синхронизации, второй синхронизирующий вход которого подключен к выходу окончания преобразования аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом фильтра, причем блок адаптации по частоте содержит четыре узла постоянной памяти, восемь регистров, два сумматора, два вычитателя, два элемента И, счетчик, узел управления и два мультиплексора, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго регистров, выходы которых подключены к адресным входам соответственно первого и второгоузлов постоянной памяти, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого суь " матора, выход которого подключен адресному входу третьего узла постоянно . памяти, выход которого подключен к индормационному входу третьего регистра, выход которого подключен к первому входу вычитателя и информационному входу четвертого регистра, выход которого подключен к первому входу второго вычитателя и второму входу первого вычитателя, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к тактовым входам четвертого регистра и пя-, того регистра, выход которого подключен к информационному входу шестого регистра, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу седьмого регистра, выход которого является первым выходом блока и подключен к первому адресному входу четвертого узла постоянной памяти и информационному входу восьмого регистра, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, входом задания константы блока является второй вход второго вычитателя, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к тактовому входу шестого регистра, управляющие входы первого и второго мультиплексоров подключены к тактовому входу блока, первым и вторым информационными входами которо 1837322 12го являются первые информационные входы соответственно первого и второго мультиплексоров, вторые информационные входы которых подключены к входу логического нуля блока, вторым выходом которого является выход четвертого узла постоянной памяти, первый выход узла управления подключен к тактовым входам первого и второго регистров, второй выход узла управления подключен к тактовому входу третьего регистра и к четвертому входу счетчика, третий выход узла управления подключен к входам обнуления счетчика, третьего, четвертого и седьмого регистров, четвертый и пятый выходы узла управления подключены к вторым входам соответственно первого и второго 5 элементов И, шестой выходузлауправления подключен к тактовому входу седьмого регистра и второму адресному входу четвертого узла постоянной памяти, седьмой выход узла управления подключен к тактовому 10 входу восьмого регистра, а вход запуска узла управления подключен к тактовому входу блока,1837322 оставитель В.Витязехред М.Моргентал Орлова рректор П.Гереш едакт нат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 оиэводственно-издательский к аказ 2867 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5