Адаптивный фильтр

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1233100 (д 4 G 05 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К Д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3806320/24-24 (22) 23,10.84 (46) 23.05.86. Бюл. № 19 (72) О.Н. Галченков (53) 62 — 50 (088.8) (56) Патент США ¹ 4238746, кл. G 11 G 27/00, 1980..

Нараян С.ltI., Питерсон А.M. Алгоритм наименьшего среднего квадрата ошибки в частотной области, М.:

ТИИЭР, т.69, 1981, № 1, с, .142-143. (54) АПАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к области автоматики и радиотехники и может быть использовано в системах обнаружения, связи и управления для фильтрации сигналов, имеющих малое соотношение сигнал/шум. Целью изобретения является повышение быстродействия настройки фильтра за счет адаптации. Адаптивньп фильтр содер— жит блок фильтров, множительные устройства, сумматор, вычитатель, два усилителя, блок формирования весовых коэффициентов, блок деления, блок нормируюших коэффициентов, датчик помех, датчик входного сигнала, квадратор, три фильтра, два блока задержки, делитель, три ограничителя, два нелинейных усилителя, два дополнительных множительных звена.

С датчика входного сигнала поступает аддитивная смесь полезного сигнала и .сигцала шума. С датчика помехи поступает сигнал, коррелированньп с шумом. Б группе блоков

А формируется сигнал оценки скорости настройки, которьп поступает на блок Б управления шагом адаптации.

С выхода вычитателя снимается отфильтрованньп1 полезньп сигнал. 5 ил.

1 12

Изобретение относится к автоматике и радиотехнике и может быть ис пользовано в системах для фильтраФ ции сигналов, имеющих малое соотношение сигнал/шум.

Цель изобретения — повышение быстродействия настройки фильтра за счет адаптации.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг.. 2 — структурная схема блока формирования весовых коэффициентов; на фиг. 3— структурная схема блока нормируюших коэффициентов; на фиг. 4 — функциональная схема второго фильтра; на фиг. 5 - структурная схема второго нелинейного усилителя.

Лдаптивный фильтр содержит блок

1 фильтров, множительные звенья 2, сумматор 3, вычитатель 4, первый 5 и второй 6 усилители, блок 7 форми— рования весовых коэффициентов, блок

8 делепия, блок 9 нормирующих коэффициентов, датчик 10 помех, датчик .11 входного сигнала, квадратор 12, первый фильтр 13, первый блок 14 задержки, делитель 15, первый ограничитель 16, первый нелинейный усилитель 17, в горой фильтр 18, второй нелинейный усилитель 19, первое дополнительное множительное звено 20, второй блок 21 задержки, второй ограничитель 22, третий фильтр 23, третий ограничитель 24 и второе, дополнительное множительное звено 25.

В цифровом варианте реализации адаптивного фильтра все блоки строятся на основе стандартных умножителей, суМматоров, делителей и элементов памяти.

Блок 1 фильтров состоит из элементов памяти и блока дискретного

"быстрого" преобразования Фурье и реализует "гребенку фильтров".

Структурная схема блока 7 формирования весовых коэффициентов содержит М блоков ?6 комплексного сопряжения, Н умножителей 27, N сумматоров ?8, Н элементов 29 памяти.

Входные сигналы поступают через блоки 26 комплексного сопряжения на первые входы умножителей 27. На вторые входы последних поступает сигнал (0+1}-го входа блока 7 форми— рования BpcoBbIx коэффициентов. Выходы этих умножителей 27 соединены с первыми входами сумматоров 28, на вторые входы которых подаются теку35

Р„! nj = Р. (и--1j (1 h(njj+ Р

Структурная схема второго нелинейного усилителя 19 состоит из вычитателя 40, второго формирователя

41 мультиплексора 42 и первого формнрсвателя 43. На первый вход вычитателя 40 поступает сигнал порога б

1,п, на в орои скорости., настройки Р (nI.

Лдаптивный фильтр работает следующим образом.

С датчика 11 входного сигнала noc",«ïàFò аддитивная смесь полезного сиг-лала и сигнала, шума. С датчика 10 пол!ех поступает сигнал, коррелированный с шумом. В группе блоков Л формируется сигнал оценки скорости настройки, который сравнивается с пороговым уровнем, Выходной сигнал бло;;а Л, поступающий на блок Б управпения шагом адаптации, может принимать топько два уровня". больше единичного — соответствующий переходному режиму, и меньше единичного — со" ответствующий установившемуся режиму. В блоке Б форжлруется величина шага адаптации м Гп1, который поступает на вход второго дополнительного множительного звена 25. На вто33100 щие значения весовых коэАфициентов фильтра в частотной области -) jn5,..., и) (пJ, После суммирования весовые

N Q коэффициенты для следующего шага

d (n+1) ° ° °, «3 (n+ll запоминаются

Э в соответствующих элементах 29 памяти, входы которых соединены с выходами сумматоров 28, и появляются на выходах элементов 29 памяти на следующем шаге.

Блок 8 деления предназначен для реализации процедуры деления каждого сигнала с выхода блока 1 фильтра на. каждьпл выходной сигнал блока 9 нормирующих коэффициентов.

Структурная схема блока 9 нормирующих коэффициентов содержит И каналов, каждьм из которых состоит из блока 30 комплексного сопряжения, умножителей 31, сумматора 32, элемента 33 памяти, перемножителя 34.

Структурная схема второго фильтра

18 состоит из вычитателя 35, первого

36 и второго 37 умножителей, сумматора 38, элемента 39 памяти. Работа второго фильтра 18 поясняется уравнением:

33!00 4 стройки с максимальным шагом адаптации происходит значительное уменьшение мощности ошибки, При этом в сигнале ошибки значительно возрастаеа доля составляющей, некоррелировапной с сигналом опорного входа, Поскольку адаптивньпi фильтр настраивается по минимуму мощности состав— ляющей сигнала ошибки, коррелироО ванной с сигналом опорного входа, то

12 рой вход поступает с выхода вычитателя 4 сигнал ошибки Е (и 1. В блоке А производится грубый анализ скорости настройки — определяется какой режим (переходной или установившийся) име— ет место в данный момент при текущем шаге адаптации. Для этого в блоке А находится оценка скорости настройки, которая сравнивается с пороговым значением. Если оценка ско- l рости настройки ниже порогового уровня, то это означает, что с данны;: шагом адаптации настройка окончена, поскольку дальнейшей настройке мешают шумы адаптации. Для дальнейшей, более точной настройки, необходимо уменьшить шаг адаптации, При этом уменьшится шум адаптации, но уменьшится и скорость настройки. Для компенсации влияния из- рд менения шага на скорость настройки необходимо соответствующее изменение величины порога. Чтобы реализовать линейную зависимость порога во втором нелинейном усилителе 19 25 от шага адаптации в схему блока А оценивания скорости настройки вве ден первый нелинейный (логарифмический) усилитель 17. При этом для получения опенки скорости настройки выходной сигнал ошибки адаптивного фильтра с выхода вычитателя 4 поступает на квадратор 12, выходной сигнал которого (мгновенная оценка мощности выходного сигнала) сглаживается в первом (сглаживающем) фильтре

13 и поступает на первый вход делителя 15. Выходной сигнал последнего представляющий собой отношение текущего и задержанного сигналов с выхода первого фильтра 13, является пер. вичной оценкой скорости настройки и поступает через первый ограничитель 16, первый нелинейный усилитель 17 и второй фильтр 18 на первый вход второго нелинейного усилителя )9. Ограничение сигнала в первом ограничителе 16, эквивалетное замене заведомо больших значений оценки скорости настройки на значение порога ограничения, облегчает построение последующих блоков, сокращает время переходных процессов в посг едующих сглаживающих фильтрах.

Введение второго фильтра 18 для сгла- живания выходного сигнала первого нелинейного усили" åëÿ 17 обосновывается тем, что при окончании надля определения оценки скорости настройки по скорости уменьнения мощности выходного сигнала требуется более- сильное сглаживание.

Коэффициент передачи первого усилителя 5 выбирается таким, что при максимальном шаге адаптации коэффициент сгла>;ивания второго фильтра

18 минималеи. управляемый второй фильтр 18 строится так, что коэффициент сглдживания увеличивается пропорционален.но уменьшению нага адапта1т 11, Коэффициент передачи второго уси— лителл б выбирается таким, что при максимальном шаге адаптации на его вьгходе. имеетсл сигнал порога, соот— ветствующий ожидаемой минимально возможной скорости настройки при максимальном шаге адаптации.

При превышешш порогового уровня сигналом оцешгп скорости настрой— ки, поступающиь> на первый вход вто— рого нелинейного усилителя 19, на выходе последнего появляется почожительный сигнал, больший единичного уровня (1+ М,, г, противном случае меньший единичнога уровня (1 â d ), где 0 < с . -. 1.

Особенностью изменения шага адаптации (1 л1 в блоке Б управления шагом адаптации является использоваш|е сигнала вспомогательного шага адаптации л (п11, который меняется в более широких пределах, че» шаг адаптации. р (п1. Это позволяет с помощью второго фильтра и третьего (двусторонпего) ограничителя 24, которыми преобразуется сигнал вспомогательного шага адаптации 1 L п 1, получить более плавный характер изменения сигнала шага адаптации р Г nl и избежать, так называемого отражения от границ (реализован в третьем огран1гчителе 24), обу-словленного стохастическим характером сигналов в блоке Б управления шагом адаптации. Верхний порог ограниче1233100 ния третьего ограничителя 24 определяется границей области устойчивости цели настройки весовых коэффициентов, нижний — допустимым уровнем шумов адаптации на выходе адаптивного фильтра в установившемся режиме. Сигнал вспомогательного шага адаптации (n), поступающий с выхода второго ограничителя 22 на второй вход первого дополнительного положительного звена 20, домножается на выходной сигнал второго нелинейного усилителя 19 на (1+ с() или (1-g) и через второй блок 21 задержки на время тактового периода поступает на второй ограничитель 22, вьгходной сигнал которого является сигналом вспомогательного шага адаптации Р (n). Величина верхнего по- 2О рога второго ограничителя 22 выбирается в два раза выше верхнего порога третьего ограничителя 24, à величина нижнего порога — в два раза меньше нижнего порога третьего or- 2g раничителя 24, исходя из того, чтобы ускорить окончание переходных процессов в третьем фильтре 23 и чтобы при этом эффекты отражения от границ во втором ограничителе 22 не сильно сказывались на сигнале шага адапта" ции P t nl. Величина коэффициентов сглаживания первого 13 и третьего

23 фильтров, а также минимальный коэффициент сглаживания второго фильтра 18 выбираются таким образом, чтобы эффектная длина их импульсных характеристик была на порядок меньше ожидаемого минимально возможного времени настройки адаптивного фильт- 4О ра. Время задержки первого блока 14 задержки должно быть на порядок меньше эффективной длины импульсной характеристики первого фильтра 13.

Формула изо бретения

Лдаптивный фильтр, содержащий датчик помех и блок фильтров, каждый выход которого через множительное звено соединен с соответствующим входом сумматора,,выход которого соединен с входом вычитателя, второй вход которого соединен с датчиком входного сигнала, а выход является выходом фильтра, а также последовательно включенные блок нормирующих коэффициентов, блок деления, блок формирования весовых коэффициентов, каждый вьгход которого соединен с вторым входом соответствующего множительного звена, каждый выход блока фильтров соединен с соответствующими дополнительными входами блока нормирующих коэффициентов и блока деления, î " л,и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия настройки, в него дополнительно введены первый блок задержки, первый и второй усилители, а также последовательно соединенные квадратор, первый фильтр, делитель, первый ограничитель, первый нелинейный усилитель, второй фильтр, второй нелинейный усилитель, первое дополнительное множительное звено, второй блок задержки, второй ограничитель, третий фильтр, третий ограничитель и второе дополнительное множительное звено, выход которого соецинен с дополнительным входом. блока формирования весовых коэффициентов, а второй вход соединен с вьгходом вычитателя и входом квадратора, первый вход делителя через первый блок задержки соединен с его вторым входом, выход третьего ограничителя соединен соответственно через первый и второй усилители с вторыми входами второго фильтра и вторсго нелинейного усилителя, а выход второго ограничителя соединен с вторым входом первого дополнительного множительного звеJ 233)00

1233100

Со ст ави тель Б.,Кир сано в

Техред Л.Сердюкова

Редактор Н. Бобкова

Заказ 2768/48

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 836

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Корректор И. Муска

Подписное