Цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 040381 (21) 3253916/18-24 51 М. КП.З с присоединением заявки Нов Н 03 Н 17/06 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(23), Приоритет Опубликовано 071082, Бюллетень Йо 37 Дата опубликования описания 07.10. 82(71) Заявите ПУЛЬСНЬ ФРОВОЙ СОГЛАСОВАННЬЙ ФИЛЬТЭХО-СИГНАЛОВ чемледодогодом 0 Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в вычислительных устройствах статистической обработки геоакустических или радиолокационных сигналов.Известен цифровой Фильтр, реализующий алгоритм цифровой Фильтрации на основе решения линейных разностных уравнений с постоянными коэффициентами и содержащий дискретнзатор, аналого-цифровой преобразователь, умножнтели, элементы задержки и сумматор Г 13.Выбор временной (импульсной ) или частотной характеристики для построения такого фильтра предполагает априорные сведения о временных или частотных параметрах импульсных эхосигналов, а это, в свою очередь, требует предварительного статистического анализа фильтруемых сигналов и шумов, действующих на входе фильтра.Наиболее близок к предложенному цифровой фильтр, содержащий элементы задержки, умножители, сумматор, приэлементы задержки соединены посвательно, кроме того, выход кажэлемента задержки соединен с вхосоответствующего умножителя,на вторые входы которого подаются весовые коэффициенты, выходы умножителей соединены с соответствующими входатя сумматора, Выход сумматора является выходом цифрового фильтра 12).Недостатком такого Фильтра является то, что для каждой реализации импульсных эхо-сигналов необходимо подбирать весовые коэффициенты временной характеристики фильтра, что приводит к увеличению времени обработки эхо-сигналов.Цель изобретения - увеличение точности фильтрации.Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фильтр для импульсных эхо-сигналов, содержащий умножитель, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является выходом фильтра, аналого-цифровойпреобразователь, вход которого является входом фильтра, введены блок управления, блок записи, блок анализа знаков, первый и второй блоки памяти, коммутатор и блок управления фильтрацией, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго блоков памяти и первым управляющим входом сумматора, выход которого подключен к первому входу второго блокапамяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора и первым входом блока анализа знаков, выход которого подключен к второму входу. второго блока памяти, второму управляющемувходу сумматора и управляющему входу 5 умножителя, выход первого блока памяти соединен с вторым входом блока анализа знаков, первым входом умножителя и первым входом коммутатора, первый,выход которого соединен с входом пер-.1 О вого блока памяти и первым входом бло- ка записи, выход которого соединен спервым входом блока управления, выходкоторого подключен к второму входублока записи, управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, первому входу блока управления Фильт-. рацией и управляющему входу коммутатора, второй выход которого .соединен с третьим входом блока анализа знаков, вторым входом умножителя и вторым входом блока управления фильтрацией, при этом выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко второму входу коммутатора, а второй вход блока управления является управляющим входом фильтра.Блок управления содержит генератор импульсов, генератор одиночных импульсов, делитель частоты, триггер элемент И и Я 5-триггер, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого Зэ также соединен с первым входом генератора одиночных импульсов, выход которого подключен к Я-входу Я 5-триггера и входу триггера, 5-вход Я 5- триггера является первым входом бло ка управления, а второй вход генератора одиночных импульсов является вторым входом блока управления, причем выход генератора импульсов, выход элемента И, выход триггера и выход генератора одиночных импульсов образуют выход блока управления.Блок записи содержит первый и второй элементы И, Я 5-триггер, триггер счетчик, дешифратор, регистр и узел сравнения, выход которого соединен с первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с входом счетчика, выход которо- го подключен к входу дешифратора, вы-ход которого является выходом блока записи и подключен к второму входу триггера, выход Я 5-триггера соединен с первым входом первого элемента И,выход. которого соединен с первым вхо дом узла сравнения и входом регистра, выход которого подключен к второму входу узла сравнения, выход которого подключен к 5-входу Я 5-триггера, Я-вход которого является первым вхо дом блока записи, вторые входы первого и второго элемЕнтов И объединеныи являются вторым входом блока записи,Блок управления Фильтрацией содержит первый и второй Я 5-триггеры,первый и второй элементы И, первыйи второй счетчики, первый второй итретий дешифраторы, выход первогоЯ 5-триггера подключен к первому входу первого элемента И,. выход которого соединен с первым входом первогосчетчика и входом второго счетчика,выход которого соединен с входамивторого и третьего дешифраторов, выходы которого подключены к 5-входамсоответственно первого и второгоЯ 5-триггеров, Я-входы которых объединены и являются вторым входом блокауправления Фильтрациейвыход первогосчетчика соединен с входом первогодешифратора, выход которого подключенк второму входу первого счетчика,вторые входы первого и второго элементов И объединены и являются первымвходом. блока управления фильтрацией,а выходы первого и второго элементовИ и выход дешйфратора являются выходом блока управления фильтрацией.На Фиг. 1 изображена структурнаясхема цифрового согласованного фильтра для импульсных эхо-сигналов; наФиг. 2 - структурная схема блока управления; на фиг. 3 - структурнаясхема блока записи; на Фиг. 4 - струк"турная схема блока управления фильтрацией,Устройство (см. Фиг. 1) содержитблок управления 1, аналого-цифровойпреобразователь 2, коммутатор 3 зондирующего и эхо-сигналов, блок запи-.си 4, первый блок памяти 5 (зондирующего сигнала, блок анализа знаков6, умножитель 7, второй блок памяти8 промежуточных результатов, сумматор 9 и блок управления фильтрацией 10,Блок управления 1 (см. Фиг. 2 ) содержит генератор (тактовых) импульсов 11, делитель частоты 12, генератор одиночных импульсов 13, элемент И 14, Я 5-триггер 35 и триггер 16.Блок записи 4 (см, фиг. 3) содержит Р 5-триггер 17, первый элемент И 18, регистр 19, узел сравнения 20, триггер 21, второй элемент И22, счетчик 23 и дешифратор 24.Блок управления фильтрацией. 10(см. Фиг. 4) содержит два й 5-триггера 25 и 26, два элемента И 27, и 28,два счетчика 29 и 30 и три дешифратора 31, 32 и 33,Устройство работает следующимобразом,Первый командный импульс с внешнего устройства, совпадающий по времени с созданием зондирующего сигнала в среде, через управляющий входус 1 ройства поступает на блок управления 1, где по его переднему Фронту генератор одиночных импульсов 13формирует импульс, который устанавливает в единичное состояние триггеры 15 и 16. Команда управления стриггера 16 поступает на коммутатор3 и переключает его таким образом,что выход аналого-цифрового преобразователя 2 оказывается подключеннымк входам блока записи 4 и блока памяти 5. По команде запуска с триггера 15 тактовые импульсы, вырабатываемые генератором тактовых импульсов11, через делитель частоты 12 и элемент И 14 поступают на аналого-цифровой преобразователь 2. Одиночный импульс с генератора 13 поступает также на блок записи 4.Аналоговый сигнал с внеш его устройства подается на вход аналогоцифрового преобразователя 2, в котором по каждому импульсу запуска производится выборка и преобразованиетекущего значения амплитуды входногосигнала в цифровой код. С выходааналого-цифрового преобразователя 2цифровые коды, сопровождаемые синхроимпульсами, через коммутатор 3 подаются на блок записи 4 и блок памяти 5.В последнем производится последовательная запись цифровых кодов выборок.Блок памяти 5 построен по принци.пу сдвиговых регистров и имеет ограниченное число ячеек определяемое длительностью временной характеристики фильтра. А так как в предложенном устройстве в качестве временной характеристики фильтра используется зондирующий сигнал, то числоячеек блока памяти 5 определяется количеством выборок зондируквего сиг- фнала и необходимых для Фильтрацииэхо-сигналов.Условие согласованной (оптимальной) Фильтрации заключается в том,что импульсная (временная) характеристика Фильтра должна быть зеркальным отображением зондирующегосигнала, т.е.Ьс 5 зо(Тс- с),где То - длительность зондирующегосигнала;с - масштабный коэффициент.Импульсная характеристика оптимального цифрового Фильтра может бытьзаписана в видеЬ(1 с м )=с 5 (и т,-1 ) с 53 с по 1 сгде М - текущий номер выборки и зондирующего сигнала,с - интервал дискретизациив= Тс,оРазность (оо- к) можно рассматривать как адрес ячейки, в которой записывается 1 "ая выборка,зондирующего 1 сигнала, поэтому соответствующим расположением выборок в блоке памяти 5 можно реализовать временную характеристику цифрового согласованного Фильтра, т.е. обеспечить зеркальное отображение зондирующего сигнала.В общем случае время прихода эондирующ го сигнала неизвестно, поэтомузапись входного сигнала в блок памяти 5 производится по командному импульсу с внешнего устройства, но ввиду ограниченности числа ячеек необходимо коды выборок зондирующего сигнала записать в блок памяти 5 таким обраэом, чтобы, например, код выборки максимальной амплитуды зондирующего сигнала находился в определенной ячейке блока памяти 5. Для этого узел сравнения 20 в блоке записи 4 производит сравнение кодов выборок входного сигнала, поступающих в данный момент5 с(щ Т ) с элемента И 18, и в предыдущий момент 5 с в)т, которыйхранится в регистре 19. При выборемаксимального кода входного сигналат.е. при условии5 ЗС(щ) 15 Ьс(ф -)узел сравнения 20 формирует команду,которая устанавливает триггер 17 внулевое состояние, прекращая поступ 1 ление кодов, и устанавливает триггер .121 в единичное состояние, разрешаяпрохождение синхронмпульсов, сопровождающих коды, через элемент И 22на счетчик 23. Подсчет синхроимпульсов производится до тех пор, покаих количество не достигает заранеевыбранного числа М выборок зондирующего сигнала, расположенных послемаксимума, например М = -о . Дешифооратор 24 выделяет необходимое состояние счетчика 23 и вырабатывает импульс конца записи зондирующего сигнала, который устанавливает триггер17 в нулевое состояние и поступаетна блок управления 1, где устанавливает триггер 15 в нулевое состояние,запрещая прохождение импульсов запус-ка через элемент И 14 на аналого-цифровой преобразователь 2,сТаким образом, в устройстве зафиксированы цифровые коды выборок зондирующего сигнала, причем максимум зондирующего сигнала расположен в определенной ячейке блока памяти 5, темсамым достигается единообразие фиксации временной характеристики прн каждом зондировании.По второму командному импульсу свнешнего устройства, который по времени упреждает эхо-сигнал, блок управления .1. вновь формирует командыуправления и запуска. По команде управления коммутатор 3 подключает выход блока памяти 5 к своему входу,образуя кольцо иэ ячеек памяти дляциркуляции по ним кодов выборок зондирующего сигнала, и выход аналогоцифрового преобразователя 2 - к входам блока анализа знаков б, умножителя 7 и блока управления фильтрацией10. по команде запуска в блоке управления 1 формируются импульсы запуска аналого-циФрового преобразователя 2 с прежней частотой следования Гэ,Аналоговый сигнал с внешнего устройства подается на аналого-цифровойпреобразователь 2, в котором по каждо-)му импульсу запуска производится выборка и преобразование текущего значения амплитуды входного сигнала в 5цифровой код. С выхода аналого-цифрового преобразователя 2 через коммутатор 3 цифровые коды подаются напервый вход умножителя 7, знак кодавыборки входного сигнала поступаетна блок анализа знаков 6, а синхроимпульсы, сопровождающие цифровойкод- на блок управления фильтрацией10, По каждому синхроимпульсу триггеры 25 и 26 устанавливаются в единичное состояние, разрешая прохождение через элемент И 27 последовательности иэ (по+ 1) тактовых импуль.сов, частота следования которых Гдолжна быть больше в (по+ 1) раэ, чем .частота импульсов запуска Гэ, т,е,Г ) (и + 1)Г э . Последовательность иэ(ио+ 1) тактовых импульсов с элемента И 27 подается на счетчик 29 и блокпамяти 5, где она используется дляобеспечения циркуляции кодой выборокзондирующего сигнала. Но так какблок памяти 5 имеет ирячеек, а тактовых импульсов (по+ 1), то в нем производится один дополнительный сдвигкодов выборок зондирующего сигнала в 40каждом цикле запуска аналого-цифрового преобразователя 2. Такой режимциркуляции необходим для реализацииалгоритма цифровой согласованной фильтрации. В блоке управления фильтрацией 10 вырабатывается также "скользящий" импульс, которнй подается на сумматор 9 для вывода результата фильтрации, который в каждом цикле запускаобразуется в разные такты (" скользит у)по тактам ), т.е. в первом цикле онобразуется в ио-омтакте, во втором цикле - в (нО)-ом такте н т.д., ви -ом цикле - в нервом такте, а в"Скользиций" импульс вырабатывается с помощью счетчика 29 с дешнфратораи -го импульса 31. На вход счеточика 29 подается последовательность иэ (ио+ 1) импульсов через элемент И 27. При выделении дешифратора 31-го импульса он подается на сумма" отор 9 для вывода результата фильт рации, и задним фронтом этого ййпульса сбрасывается счетчик 29. После сброса на счетчик поступает еще один импульс с элемента И 27 В следующем цикле запуска счетчик 29 начинает считать уже .с первого импульса, а сбрасывается (по - 1)-м импульсом,после чего в него записываются уже два импульса и т.д.Последовательности из пои (и,+ 1) тактовых импульсов вырабатйваются в блоке управления Фильтрацией с помощью счетчика 30 и дешифраторов 32 и 33. Дешифратор 33 выделяет состояние счетчика 30 после прихода по -го импульса и вырабатывает импульс, которым устанавливает триггер 26 в нулевое состояние и запрещает прохождение импульсов. через элемент И 28. Таким образом, с элемента И 28 выходит последовательность иэ по тактовых импульсов. Дешифратор 32 выделяет сос тонкие счетчика 30 после прихода (по+ 1)-го импульса и вырабатывает импульс, которым устанавливает триггер 25 в нулевое состояние. и.запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент И 27 на счетчик 30 и на выход блока управления фильтрацией, С блока управления фильтрацией 10 тактовые импульсы через элемент И 28 подаются на блок памяти 8, где они используются для записи цифровых кодов, поступающих с сумматора 9, и считывания кодов .промежуточных результатов на сумматор 9 и знака указанных кодов на блок .анализа знаков б, В зависимости от знаков кодов выборок входного(5 дп.5 Э) и зондирующего (В 1 дп 8 )сигналов,а также знака кода промежуточного ре"эультата (81 дп Япр) блок анали.за знаков б вырабатывает команду Я на считывание прямого или обратного кода с умножителя 7 на сумматор 9, командуна считывание пря- мого или Обратного кода с сумматора 9 на блок памяти 8 и команду + блока памя ти 8 на сумматор 9 согласно следующим логическим выраяениям:Св = 5 дп 5 Э,Ф 5 дп 5 ЗССв 5 дп 5 ррГ = Сщ 5)дп 5 прд =(Св 5 дп 5 п фСа 5(дп 5 пр ) Р где Се - знак произведения 5 э 5 зР - сигнал переноса сумматора. При каждом цикле запускакод выборки входного сигнала 5 з( ь ) поступает на один из входов умножителя 7 и сохраняется на нем до прихода кода следующего цикла излучения 5 э (+ 1)ь)На второй вход умножителя 7 при каждом цикле запуска, подаются по кодов выборок зондирующего сигнала. В умножителе 7 производится последо 1вательное умножение кода выборкивходного сигнала 5 З(г ) на все покодов выборки зондирующего сигнала5 Эс (по )т 7Парные произведенияс выхода умножителя 7 подаются наодин из входов сумматора 9, на второй вход которого поступают кодыпромежуточных результатов из блокапамяти 8. Промежуточные (частичные)суммы парных произведений с выходасумматора 9 записываются в блок памяти 8. В один из тактов,: соответствующий фскользящеиу" импульсу,код промежуточнойсуммы выводится ссумматора 9 на выход устройства, ав этот момент в блок памяти 8 записывается нулевой код, т.е, происходит сброс одной из ячеек блока памяти 8В процессе работы устройства реализуется следующий алгоритм цифро- .вой согласованной Фильтрации5 и= 5 5 (пс- К) ) 5 е(п "1 с)ь 7)еьвзсгде и - текущий номер выборки вход-.ного сигнала.25Причем, при и с 1 с 5 зО,Таким образом, перезапись зондирующего сигнала при каждом зондировании и использовании его кодов выборок в качестве импульсной (времен- ЗОной)характеристики Фильтра создаетв сравнении с прототипом оптимальный режим фильтрации для каждой реализации импульсных эхо-сигналовВыбор максимального значения зондирующего сигнала и запись его в определенную ячейку блока питания независимо от времени прихода обеспечивает стабильность импульсной харак- .теристики цифрового Фильтра для каждой реализации эхо-сигнала. Выработка скользящего," импульса позволяетнепосредственно в процессе фильтрациивыводить результаты на внешнее устройство и не затрачивать время на 45поиск результата фильтрации послеокончания цикла обработки.формула изобретения1. Цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналовсодержащий умножитель; выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является выходом .Фильтра,5 аналого-циФровой преобразователь, вход которого является входом фильтра о т л и,ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности фильтрации, в него введены блок управления, блок 60 записи, блок анализа знаков, первый и второй блоки памяти, коммутатор и блок управления фильтрацией, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго блоков памяти 65 и первым управляющим входом сумматора, выход которого подключен к первому входу второго блока памяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора и первым входом блока анализа знаков, выход которого подключен к второму входу второго блока памяти, второму управляющему входу сумматора и управляющему входу умно- жителя, выход первого блока памяти соединен с вторым входом блока авали за знаков, первым входом умножителя и первым входом коммутатора, первый выход которого соединен с входом первого блока памяти и первым входом блока записи, выход которого соединен с первым входом блока управления, в.ход которого подключен к второму входу блока записи, управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, первому входу блока управления Фильтрацией и управляющему входу коммутатора второй выход которого соединен с третьим входом блока анализа знаков, вторым входом умножителя и вторым входом блока управления Фильтрацией, при этом выход аналога-цифрового преобразователя подключен к второму входу коммутатора, а второй вход блока управления является управляющим входом Фильтра.2, Устройство по п. 1, о т л и - ч а ю щ е .е с я тем; что блок управления содержит генератор импульсов, генератор одиночных импульсов, делитель частоты, триггер, элемент И и К 5-триггер, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого также соединен с пер-. вым входом генератора одиночных импульсов, выход которого подключен к К-входу к 5-триггера и входу триггера, 5-вход Й 5-триггера является первым входом блока управления, а второй вход генератора одиночных импульсов является вторым входом блока управ-. ления, причем выход генератора импульсов, выход элемента И, выход триггера и выход генератора одиночных импульсов образуют выход блока управления.3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок записи содержит первый и второй элементы И, к 5 -триггер, триггер, счетчик, дешифратор, регистр и уэел сравнения, выход которого соединен .с .первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу, второго элемента И, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подключен к входу дешифратора, выход которого является выходом блока записи и подключен к второму входу триггера,выход -триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом узла сравнения и входом регистра, выход которого подключен к второму входу узла сравнения, выход которого под ключен к 5-входу В 5-триггера,Р-вход которого является первым входом блока записи, вторые входы первого и второго элементов И объединены и являются вторым входом блока записи. 104, Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления фильтрацией содержит первый и второй В 5-триггеры, первый и второй элементы И, первый и второй счетчики, 5 первый, второн и третий дешифраторы, выход первого В 5-триггера подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом первого счетчика и входом второго 2 О счетчика, выод которого соединен с 3 входами второго и третьего дешифра"торов, выходы которого подключены к5-входам соответственно первого ивторого В 5-триггеров, В-входы которых объединены и являются вторым входом блока управления фильтрацией, выход первого счетчика соединен с входом первого дешифратора, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, вторые входы первогои второго элементов И объединены и являются первым входом блока управленияфильтрацией, а выходы первого и второго элементов И и выход дешифратора являются выходом блока управления Фильтрацией.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Гольденберг Л.М. и др. Цифровыефильтры. И., фСвязь", 1974.2. Патент СШЛ У 3521041,кл. С 06 Г 15/34, 1970 (прототип).964979 Составитель А.БарановРедакторЛ.Веселовская Техред Л.Пекарь Коррек Швкмар лиал ППП "Патент", г. ужгород, ул, Проектная, 4 аказ 7688/46 ВНИИ по 113035Тираж 95 арственнозобретени Ж, Р 1 Госуд делам и Москва Подписнкомитета СССРоткрытийская наб., д. 4/5