Сглаживающий фильтр

 

Илобретение может использоваться в устройствах адаптивной фильтрации сигналов. Цель изобретения - повышение точности выделения информационного сигоала. Устройство содержит три канала фильтрации (КФ) 2, 3, 4, два Сумматора 1,25, три компаратора 12, 13, 14, три источника постоянного напряжения (1ШН) 18, 19, 20, шесть ключей 15, 16, 17, 21, 22, 23, блок определения наименьшего зна чеиия сигнала (БОНЗС) 24, блок экстраполяции 26 и амплитудный дискриминатор (ЛД) 27. Входной сигнал x(t) преобразуется в КФ 2, 3, 4, выходные сигналы x(t), (t), Xj(t) ко i (Л 00 ел 00.

союз советских

СОЦИАЛИСтИЧЕСНИХ

РеспуБлин (192 (И! (Я)4 H 03 И 21/00,(21) 3668498/24-09 (22) 02.12,83 (46) 15.02.86. Бюл. М- 6 (71) Сибирский ордена Трудового

Красного Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе (72) В.П,Авдеев, А.А.Берлин, Л.П.Иышляев, А.Д.Сыромятников, A.А.Белостоцкий, А.А.Мртаев и Г,П.Руденков (53) 621 396.766(088.8) (56) Осмол вский П.Ф. Комбинированные измерительные следящие системы.—

Теория инвариантности в системах автоматического регулирования. — M.

Наука, 1964, с. 238,рис. l.

Авторское свидетельство СССР

Ф l003302, кл. Н 03 Н 21/00, 1981. (54) СГЛЛЖИБАК)ЩИЙ ФИ.Щ,Т1 (57} Изобретение может использоваться в устройствах адаптивной фильтрации сигналов. Цель иэобретенияпоэьш епие точности выделения информационного сигнала. Устройство содержит три капала фильтрации (КФ)

2, 3, 4, два сумматора 1,25, три компаратора 12, 13, 14, три источника постоянного напряжения (ИПН) 18, 19, 20, шесть ключей 15, 16, 17, 21, 22, 23, блок определения наименьшего значения сигнала (БОПЗС) 24, блок экстраполяции 26 и амплитудный дискриминатор (АД) 27. Входной сигнал x(t) преобразуется в КФ 2, 3, 4, выход ° лье сигналы х г) х (t) 1 х 3(t) ко

12 торых через ключи 21, 22, 23, управляемые таким образом, что в каждый момент времени только один из них замкнут, а два других разомкнуты, поступают на входы сумматора I, где алгебраически суммируются, Поскольку с выходов разомкнутых ключей поступают сигналы, равные нулю, то сигнал на выходе сумматора I равен одному из сигналов х,(t), х (t), х (t) в зависимости от того, какой из ключей 21, 22, 23 замкнут в данный момент времени. ИПН 18, 19 20, ком" параторы 12, 13, 14, ключи 15, 16, 17, БОНЗС 24,. сумматор 25, блок экстраполяцчи 26 и AJI 27 служат для yv равления ключами 21. 22, 23, чтобы при скачкообразном изменении структурных и статических ".âîéñòâ полезного сигнала и помехи подключить тот ЕФ 2, 3, 4, который обеспечивает наилучшую точность выделения полезного сигнала. Управление. ключами 2I> 22> 23 производится в за висимости от свойств отклонений входного сигнала х(), от его сглаженных значений и свойств самих сглаженных си налов в каждом КФ 2,3,4 ÏðnBeäeí пример выполнения ЛД 27.1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радио" технике и может быть использовано в устройствах адаптивной фильтрации сигналов.

Цель изобретения - повышение точ= ности выделения информационного сигнала.

На фиг.l приведена структурная" электрическая схема сглаживающего фильтра, на фиг.? - структурная электрическая схема блока определения скорости изменения сигнала, ; на фиг.3 - структурная электрическая схема блока анализа отклонения сигнала от значения; на фиг.4 - струк" турная электрическая схема .амплитудного дискриминатора.

Сглаживающий фильтр содержит первый сумматор 1, первый, второй и третий каналы 2, 3 и 4 фильтрации, каждый из которых состоит иэ первого блока 5 вычитания, первого и вто". рого блоков .6 и 7 анализа отклонения сигнала от среднего значения, блока

8 определения скорости изменения сиг, нала, второго сумматора 9 и фильтра 10 нижних частот, а второй и третий каналы 3 и 4 фильтрации содержат кроме того по одному допол." нительному сумматору ll, первый, второй и третий компараторы 12, 13 и 14 первый, второй и третий ключи 15, 16 и 17 первый, второй и третий источники 18, 19 и 20 постоянного напряжения, четвертый, пятый и шестой ключи 21„ 22 и 23, блок 24 определения наименьше. го значения сигнала, третий сумматор

25,блок 26 экстраполяции и амплитуд" ный дискриминатор 27, который состоит из четвертого и пятого источников 28 и 29 постоянного напряжения, четвертого и пятого компараторов ЗО и 31 и элемента 32 антисовпацений, первый и второй блоки 6 и 7 анализа отклонений сигнала от среднего значения состоят каждый иэ детектора 33 знака сигнала, первого элемента 34 задержки, перемножителя

35, второго блока 36 вычитания, интегрирующего усилителя 37, третьего блока 38 вычитания, масштабирующего усилителя 39 и шестого источника 40 гостоянного напряжения, блок 8 определения скорости изменения сигна/ ла состоит иэ второго элемента 41 задержки и четвертого блока 42 вычитания.

Сглаживающий фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал фильтра x(t) поступает на вход первого канала 2 фильтрации, а именно на вход фильтра 10 нижних частот, в котором выделяется низкочастотная составляющая

/\ сигнала х< (t), являющаяся выходом первого канала 2 фильтрации.

Сигнал х, (t) вычитается в первом блоке 5 вычитания из входного сигнала x(t) и полученная разность

35 ь х,(t) = x(t) - õx, (t) l21I853 поступает на вход фильтра 10 нижних частот второго канала 3 фильтрации фильтра !0 нижних частот, в дополнительном сумматоре II алгебраически суммируется с ньгходным сигналом х,(t) фильтра 10 нижних частот первого канала 2 фильтрации. На выходе дополнительного сумматора li второго канала 3. фильтрации получается сигнал х (t) = х,(t) + 4х, (t), являющийся выходом второго 3 канала фильтрации. Сигнал х (т.) содер» жит более высокочастотные состанляющие, чем сигнал х,(t) с выхода первого канала 2 фильтрации.

Аналогично определяется сглаженный сигнал х (1), янляющийся выходом третьего канала 4 фильтрации. Для этого в первом блоке 5 вычитания второго канала 3 фильтрации из нывходного сигнала x(t) вычитается сигнал х (ь) с выхода дополнительного сумматора 11 ° Сигнал о полученной разности

4хг(е) = x(t) — Х2(t) сглаживается в фильтре 1О нижних частот третьего канала 4 фильтрации.

Сигнал а х (т.) с выхода фильтра 10 нижних частот в дополнительном сумматоре 11 третьего канала 4 фильтрации алгебраически суммируется с

I сигналом х (t), поступившим с выхода дополнительного сумматора I! второго канала 3 фильтрации. Выходной сигнал дополнительного сумматора Il третьего канала 4 фильтрации х (t)=x (t)+ Ьх (t)=x (t)+ лх (t) содержит .еще более высокочастотные составляющие, чем сигнал х () . Сигнал х (t),ïîñòóïàÿ далее на вход первого блока 5 вычитания, третьего канала 4 фильтрации, вычитается нем иэ входного сигнала x(t):

3(")-"() 3()

Сигналы x, (t), х,(t) и x,(t) по1 ступают на входы соответственно четвертого, пятого и шестого ключей 21, 22 и 23, которые управляются таким образом, что каждый момент времени только один пз них замкнут, а два других разомкнуты. Сигналы с выходов указанных ключей подаются на вход первого сумматора 1, в кото+1, если л х; (t) > 0„

sign ьх;(t}) =

-l если дх (t) О.

С выхода детектора 33 знака сигнал поступает на вход первого эле" мента 34 задержки, и котором осу50 ществляется задержка на интервал времени 8 выбираемый.в каждом. конкретном случае ло статистическим свойствам полезного сигнала и помехи. Вадержанный сигнал sign I д x (t)55 ° 6 )j умножается н перемножителе

25 на выходной сигнал детектора 33 знака, в результате чего получается

5 !

l5

40 ром сни алгебраически суммируются.

Поскольку г. выходов разомкнутых клю" чей поступают сигналы равные нулю, то сигнал на выходе первого сумматора 1 равен одному из сигналов

x.,(t), х (t), х (С) в зависнмостй от того, какой иэ ключей 21, 22 или

23 замкнут н данный момент времени.

Ксмпараторы .12, 13 и 14, ключи 15, IÜ ь I У,,источники 18, 19.и 20 посто- янного напряжения, блок 24,"оумматор

25, блок 2б,и амплитудный дискриминатор 2У служат для упранления четвертым, пятым и шестым ключами 21, 22 и 23 с той целью, чтобы при скачкообразном изменении структурчых и статистических свойств полезно о сигнала и помехи подключить тот канал 2, 3 или 4 фильтрации из числа имеющихся, который обеспечивает наилучшую точность выделения полезного сигнала.

Управление четвертым, пятым и шестым ключами 21, 22 и 23 производится н зависимости от свойств отклонений входного сигнала x(t) от его сглаженных значений и свойств самих сглаженных сигналов н каждом канале 2, 3 и ч фильтрации следующим образом.

Сигналы об отклонениях Ь х,(t), Лх (t}, h х „(1:) поступают на входЬ! первых блоков 6 анализа отклонения сигнала ст среднего значения первого, второго и третьего каналов 2, 3 и 4, B:.,îòîðûõ оцениваются показатели, характеривующие свойства этих отклонений (фиг.3) °

Сигнал к х, .(t} (где i - номер канала фильтрации)подается на вход детектора 33 знак- с законом функционирования

1211853

3 р, (t)=sign((xI (t)) sign(д х (t" — в)1

Величина pg (t) принимает значение

5 одного знака, и -1, если указанные сигналы разных знаков.

С выхода перемножителя 35 сигнал .:p,(t) поступает на вход второго бло- ка 36 вычитания и интегрирующего уси- 1л лителя 37. Сглаженный (усредненньй1 сигнал 11(t) на выходе интегрирующего усилителя 37 представляет собой аналог автокорреляционного момента и обладает следующими свойствами: IS его величина стремится к +1, если отклонения 4х.(t) на интервале усреднения имеют одинаковые знаки; его величина меньше нуля, если отклонения d x; (t) знакопеременные на то1 20 же интервале времени.

В третьем блоке 38 вычитания из сигнала а, (t) вычитается сигнал с

1 выхода источника 40 постоянного напряжения о желаемом (заданном) зна- 25 чении явтокорреляционного момента, в частном случае, равном -1. Полученная разность в масштабирующем усилителе 39 умножается на заданный весовой коэффициент. ЗО

В результате описанных преобразований сигналов об отклонениях дх, (t), д x (t), д х (t) соответств енно в а первом, втором и третьем каналах 2, 3 и 4 фильтрации, в блоках 6 форми- руются сигналы о текущих значениях показателей, характеризующих свойства отклонений.

Для определения показателей, характеризующих свойства самих сглаженных щ

СИГНЯЛОВ Х (С) 1 Х (Й) 1 Х (1) 1 СНЯЧЯ г ла в блоках 8 определения скорости изменения сигнала находятся оценки скоростей изменения этих сигналов.

Сигнал x;(t) с выхода-1 -го канала

1сглаживающего фильтра (i 1,2,3) по ступает иа вход соответствующего блока 8 определения скорости изменения сигнала (фиг.2), где задерживается во втором элементе 41 задержки на pe заданный интервал времени . Оценка скорости изменения низкочастотной составляющей.х;(t), входного сигнала

x(t) находится в четвертом блоке 42 вычитания как разность значений входного х;(t) и выходного x ° (t-1 ) сигналов второго элемента 41 задержRN ;(t)=x„(t) — x. (t — 1 ), Сигналы об оценках скорости f, (t), Г,.(t)» (t) в каждом канале 2, 3 и 4 фильтрации поступают на входы вторых блоков 7 анализа отклонений сигнала от среднего значения, в кото рьгх производятся преобразования, аналогичные описанным. С помощью детектора 33, элемента 34 и перемножителя 35 определяется произведение

y, (t) sign (Е;()) sign fg. (t-8 )) в блоке 36 и интегрирующем усилите" ле 37 сигнал ; (t) сглаживается (усредняется1. Аналог автокорреляционного момента ; (t) на выходе интегрирующего усилителя 37 имеет следующее свойство. его величина стремится к +1, если оценки ско« рости с; (t) на интервале усреднения имеют одинаковые знаки, т.е. выделенная i каналом фильтрации низкочастотная составляющая х (t)

1 входного сигнала x(t) монотонно возрас- ает и убывает, поэтому в данном случае желаемым (заданным) значением автокорреляционного момента является +1. Соответствующий сигнал с выхода источника 40 в третьем блоке

38 вычитания вычитается иэ сигнала ;(t), полученная разность в масштабирующем усилителе 39 умножается. на заданный весовой коэффициент.

В результате описанных преобразо-: ваний сигналов о6 оценках скорости с,(t), E,(t), E,(t) в соответствующих блоках анализа отклонения сигнала от среднего значения формируются сигналы о текущих значениях показателей, характеризующих свойства сглаженных сигналов.

Показатели, найденные в первом и втором 6 и 7 блоках анализа отклоненная сигнала от среднего значения в первом канале 2 Фильтрации суммируются во втором сумматоре 9, на выходе которого получается сигнал об обобщенном показателе работы первого канала 2 фильтрации, учитывающем как свойства отклонений дх (t) сгла-, IIV

1 женнОГО сигнала х 1 (с) oT вхОднОгО сигнала x(t), так и свойства самого сглаженного сигнала x, (t) .

Сигналы об обобщенных показателях работы второго и третьего каналов 3 и 4 фильтрации формируются яналогичi 21185-!

55 ным образом в соответствующих вторых сумматорах 9 °

Сигналы об обобщенных показателях с выходов вторых сумматоров 9 всех каналов 2, 3 и 4 фильтрации поступают на входы блока 24 определения наименьшего значения сигнала, а также на первые входы первого, второго и третьего компараторов 12, 13 и 14.

В блоке 24 иэ значений трех поступивших на его входы сигналов выбирается наименьшее, которое подается далее на вторые входы первого, второго и третьего компараторов

l2, L3 и 14. В любой момент времени на входах одного иэ укаэанных компараторов значения сигналов совпадают, и этот блок формирует ynpasляющий сигнал на вход управления соответствующего первого, второго или третьего ключа 15, 16 или 17.

По этому сигналу соответствующий ключ замыкается, и на вход третьего сумматора 25 поступает сигнал от соответствующего первого, второго или третьего источника 18, 19 или 20 постоянного напряжения. IIaпряжения источников 18, 19 и 20 постоянного напряжения пропорциональны номерам каналов 2, 3 и 4 фильтрации относительно величины

2, 3. Таким образом, сигнал на выходе третьего сумматора 25 в каждый момент времени пропорционален номеру наилучшего канала фильтрации в соответствии с выбранным критерием качества.

Показатели качества работы каналов 2, 3 и 4 фильтрации формируются по значениям входного сигнала

x(t) и его низкочастотных составщих x,(t) х z(t) x э(- зящем интервале предыстории и характеризуют их .работу на этом интервале предыстории, т.е. с запаэдыва" нием. Сигнал с выхода третьего сумматора 25 поступает на вход блока экстраполяции 26, в котором он экстраполируется на интервал этого запаздывания, Сигнал р (t) с выхода блока 26 экстраполяции поступает далее на вход амплитудного дискриминатора 27, в котором определяется номер канала фильтрации, ближайший к теКущему значению экстраполированного сигнала (фиг .4). Для этого с помощью четвертого и пятого компара5

10 i 5

35 торов 30 н 31 величина экстраполированного сигнала сравнивается с напряжениями четвертого и пятого источников 28 и 29 постоянного напряжения, пропорциональными относительным величинам 1,5 и 2,5 соответственно. Если сигнал P (t) меньше 1,5, то четвертый компаратор вырабат*,-.чает управляющий сигнал, эамыка.::,HA четвертый ключ 21, вследствие чего на выход сглаживающего фильтра поступает сигнал х,(t) с выхода первого канала 2 фильтрации.

Если сигнал p (t) больше 2,5, то пятый компаратор 31 вырабатывает управляющий сигнал, замыкающий шестой ключ 23, вследствие чего на выход сглаживающего фильтра поступает сигнал x (t) с выхода третьего канала 4 фильтрации.

Сигналы с выходов четвертого и пятого компараторав 30 и 31 поступают также на вход элемента 32 антисовпадения. Если сигнал P (t) больше 1,5, но меньше 2,5 срабатывает элемент 32 антисовпадения и замыкает пятый ключ 22, вследствие чего на выход сглаживающего фильтра поступае сигнал x„(t) с выхода второго канала 3 фарп.трации. В описанном сглаживающем фильтре предусмотрены три канала сглаживания. Ио аналогии можно простроить фильтр с произвольным числом каналов, и, следовательно, расширить- его возможности. формулаиэобретения

1 . Сглаживающий фильтр, содержащий первый сумматор и первый канал фильтрации, состоящий из последовательно соединенных первого блока вычитания, вход которого является входом первого канала фильтрации и входом сглаживающего фильтра, первого блока анализа отклонения сигнала от среднего значения и второго сумматора, выход которого является первым дополнительным выходом первого канала фильтрации, иэ последовательно соединечных блока определения скорости изменения сигнала и второго блока анализа отклонения сигнала от среднего значения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а также из фильтра нижних частот, вход которого яв1211853

55 ляется дополнительным Входом перВОГО КЯНЯЛЯ фИЛЬТРЯЦИИ, Я ВЫХОД СО% единен с вторым входом первого блока вычитания, с выходом блока определения скорости изменения сигнала и является выходом первого канала фильтрации. причем выход первого блока Вычитания является вторым дополнительным выходом перво1 О канала фильтрации, а каждый блок анализа отклонЕния сигнала от среднего значения содержит шестой источник постоянного напряжения и последовательно соединенные детектор знака сигнала, вход которого является Входом блока анализа отклонения сигнала от среднего значения, первый элемент задержки, иеремножитель, Второй Вход которого подключен к выходу детектора знака, второй блок вычитания, интегрирующий усилитель, выход которого подключен к второму входу второго блока Вычитания, третий бло вычитания, второй вход которого подключен к шестому источнику постоянного напряжения, и масштабируюп1ий усилитель, ВЫХОД,которого является выходом блока анализа отклонения сигнала от среднего значения, а блок определения скорости изменения сигнала содержит последовательно соединенныв второй элемент задержки и четнертый блок

Вычитяния аТороН вхОд KoTopol О подключен k входу нторого элемента задержки и является входом,.а выход четвертого блока вь1читания Выходом блока определения скорости изменения сигнала, о т л и ч а ю1 шийся тем,что,с цельк повышения точности выделения информационного сигнала, введены второй и третий каналь1 фильтрации,,в каждом из которых между выходом фильтра нижних частот и выходом каждого канале фильтрации включен дополнительньФ сумматор, йходы второго и "гретьего

Каналов фильтрации подключены к Входу сглаживяюшего фильтра„ первый, Второй и третий компараторы, блок определения наименьшего значения сиг.— нала, первый, второй и третий входы которого соединены с первыми допол". нительными выходами первого, второго и третьего его каналов фильтрации и первыми входами первого, второго и третьего компараторов соотнет5 е г1

1 О

ЗО

45 ственно, вторые Входь1 первого, Второго и третьего комияраторон подключены к выходу блока Определения наименьшего значения сигнала, последовательно соединенные третий су1В1атор, блок экстраполяции и амплитудный дискриминатор, первый, второй и третий источники пос.тоянного напряжения, первый, второй и третий ключи, включенные между Выходами первого, второго и третьего источников постоянного напряжения и первым, вторым и третьим входами третьего сумматора соответственно, входы управления первого, второго и третьего ключей соединены с выходами первого ° второго и третьего компараторон соответственно, четвертый, пятый и шесток ключи, Включенные между выходами первого, второго и третьего каналов фильтрации и Входами первого сумматора соответственно, входы управления четвертого, пятого и шестого ключей соединены с первым, втдрым и третьим выходами амплитуд" ного дискриминатора соответственно, вторые дополнительные выходы первого

1 и второго каналов фильтрации подключены к дополнительным входам второго и третьего каналов филь рации соотВетственно, выходы первого и второго каналов фильтрации соединены с нторымн дополнительными входами второго и третьего каналов фильтрации соответственно, а выход первого сумматора является ВыходОм сглаживающего фильтра, 2. Фильтр по и. 1, о т л и ч а юm и и с я тем, что амплитудный дискриминатор содержит последовательно соединенные четвертыи источник постоянного напряже™ия и четвертый компаратор, выход которого является первым выходом амплитудного дискрими11атора, последовательно соединенные пятый источник постоянного напряжения и пятый компаратор, выход которого является третьим Выходом амплитудного дискриминатора, элемент антисовпадений, входы которого подключены к выходам четвертого и пятого комиараторон соответственно, вторые входы четвертого и пятого компараторон объединены и являются входом, а выход блока аптнсонпадеBalll вторым Выходом ямилитудногo дискриминатора.

l21I853

Coci авитель A,Îñèïîaè÷

Редактор Л.Авраменко Техред О.Ващишнна Корректор Г. Решетник

Заказ б49/59 Тираж 818 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. - ./5

Филиал ППП "Патент", r.Óærîðîä, ул.Проектная,4