Адаптивный фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и автоматике и может быть использовано для выделения полезной низкочастотной составляющей измеряемых сигналов. Цель изобретения - повышение точности фильтрации адаптивного фильтра. В фильтр введены блок 4 определения модуля, инерционное звено 5, блок 6 ограничения, ключ 10, блок 14 формирования импульса, блок 15 деления, блок 16 извлечения квадратного корня. При уменьшении энергетического уровня помехи Р и, следовательно, величин подстраиваемых параметров К<SB POS="POST">1</SB> и К<SB POS="POST">2</SB> амплитудно-частотная характеристика фильтра стремится к единице, а фазовый сдвиг, вносимый при этом фильтром, стремится к нулю. Амплитудно-фазовые искажения полезного сигнала, вносимые фильтром, уменьшаются, что приводит к повышению точности фильтрации. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (51) 4 Н 03 Н 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

Г)РИ НТ СССР

1 (21) 4370326/24-09 (22) 22.01.88 (46) 15.11.89. Бюл. K - 42 (71) Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта им.С.И.Кирова (72) П.В. Гусев, Г.И. ЗаГарий, Б.С.Левочка, А.В. 1;аманов, 10.В. Саввутин, Б.Т. Сытник и А.H. Шебладзе (53) 621.396.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

)1 - 1226610, кл. Н 03 Н 21/00, 1984. (54) АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к радиотехнике и автоматике и может быть использовано для выделения полезной низкочастотной составляющей измеряемых

2 сигналов . Цель изобретения — повьш ение точности фильтрации адаптивного фильтра. В фильтр введены блок 4 определения модуля, инерционное звено 5, блок 6 ограничения, ключ 10 блок 14 формирования импульса, блок 15 деления, блок 16 извлечения квадратного карня. При уменьшении энергетического уровня помехи P и, следовательно, величин поцстраиваемых параметров К 1 и К 2 амплитудно — частотная характеристика фильтра стремится к единице, а фазовый сдвиг, вносимый при этом фильтром, стремится к нулю.

Амплитудно-фазовые искажения полезного сигнала, вносимые фильтром, уменьшаются, что приводит к повышению точности фильтрации. 1 ил.

1522382

Изобретение относится к радиотехнике и автоматике может быть использовано для выделения полезной низкочастотной составляющей измеряемых сигналов.

Цель изобретения — повышение точности фильтрации адаптивного фильтра, На чертеже приведена структурная электрическая схема адаптивного фильт-1О ра.

Адаптивный фильтр содержит третий блок 1 вычитания, второй усилитель 2 с ограничением, четвертый интегратор 3, блок .4 определения модуля, инерционное звено, 5, блок 6 ограничения, четвертый блок 7 вычитания, второй блок 8 вычитания, первый усилитель 9 с ограничением, ключ 10, третий интегратор 11, блок 12 формирова- 20 ния управляющих напряжений, компаратор 13, блок 14 формирования импуль.са, блок 15 деления, блок 16 извлечения квадратного корня, первый блок 17 вычитания, второй блок 18 ум- 25 ножения, первый интегратор 19, первый блок умножения 20, и второй интегратор 21.

ll г

Ы„... - = Р " РЯ) П (. +

R 3=1

-М

5 Ма i йл

+ 2i03 cos(- j) +

Г. N

15 1

W (Р)

K(р К2р

30 (Z(t ) +К„(-t ) при у ) О

1 () = шах jZ(t)I при у, с О, у >О (3) ! t-ht, t (Z(t )! -Кf)ff (t-t — ht) при у >О, 35 где у((t) = IZ(t)l — JZ(t ) + К (t- t+)(to t+ у () = iZ(t -И) — JZ(t )— — K,,„„(t-Е -ЬЕ), t > +At;

40 Z(t) — является суммой полезного( сигнала и аддитивной помехи, К, К8 — коэффициенты, которые определяются скоростью изменения полезного сигнала и Йыбираются таким образом, чтобы с вероятностью близкой к единице выполнялось:

Квв Кбр msxtx(t)I 1

4 т — момент времени, в который выполняется соотношение

g(t+) = max Z(t),."

t е (t -.6t,t); — интервал времени наблюдения, который выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение при ш п — 1

m — q)О;

50 описывается формулой:

Xf

2 ю Ä, (iè) = П ((ica) +

1-о

Я Q п 11 11(0

+ 2з.Я вЂ” cos -- + — j) ч- g Р 2N N I R 55 (N — нечетное) Передаточная функция квазиоптимального фильтра, выделяющего полезный сигнал из смеси полезного сигнала и аддиативной помехи, спектральные плотности мощности которых описываются соответственно дробно-рациональными выражениями вида:

ffl- ф .П (ca +й ) (Q0) =Q и (1 +Ь; ) при1: 1-2

un + k + q - тп - 1 = !! > О, (N — нечетное), где Q u R — - величины, пропорциональные среднеквадратическим значениям полезного сигнала и помехи, Передаточная функция предлагаемого адаптивного фильтра соответствует случаю !)! = 2 где К (и К вЂ” являются подстраиваемыми параметрами и определяются по формулам:

Л

R (2)

Q где Q и Р являются оценками истинных значений Q и Г.

Оценку истинных значений Р. и Q можно получить, формируя специальный еигнал

qi(t) согласно формуле:

1522382

2((f S„(Q,ß)ñ1ß

«У (4) х(()d о 5

Формируемый согласно формуле (2) сигнал (() является оценкой суммы величин Q u R. Этот сигнал, формируемый на выходе интегратора, используется для осуществления квазиоптималь- 10 ной непрерывной настройки полосы пропускания фильтра, путем изменения величин коэффициентов К и К в соответствии с выражением (2).

В,соответствии с формулой (1) ком- !S плексный коэффициент передачи пред-, лагаемого фильтра, определяется выражением

W (1зИ) — -- — — -у- — — —. — — (5)

"Р K,,(j С4 +Kã(j,а+1)

Запишем амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики предлагаемого фильтра.

20! 1

Wq(Р (1- 7((1) ((! К 2) Кт 7 1 (6)

Arg!W (i,Û7! = -Arctg — — - (77

К2 (gi а(!7

) -К,Я

Как следует из приведенных выраже- . ний, при уменьшении энергетического уровня помехи E- и, следовательно, величин К! и К амплитудно-частотная характеристика предлагаемого филь— тра стремится к единице, а фазовый сдвиг, вносимый при этом фильтром, 35 стремится к нулю. Следовательно, амплитудно-фазовые искажения полезного сигнала, вносимые заявляемым устройством, уменьшаются, что приводит к повышению точности фильтрации. 40

В предлагаемом адаптивном фильтре во втором, третьем и четвертом блоках 8, 1., 7 вычитания формируются сигналы, равные алгебраической разности сигналов, поступающих на их вто- 45 рые и первые входы соответственно.

Первый и второй усилители 9, 2 с ог-, раничением усиливают поступающий на их входы сигнал в К раз и ограничивают усиленный сигнал в диапазоне -А, +А. Первый, второй, третий и четвертый интеграторы 19, 21, 11, 3 предназначены для интегрирования их входных сигналов с постоянными времени

Т1 — 21; T -- Т 6 K T = Og5..55

Блок 4 определения модуля предназначен для формирования сигнала, равного модулю его входного сигнала.

Инерционное звено 5 имеет, например, передаточную функцию

11

T P+1 иь где ҄— параме r »17e » 17HTeIib»oui »астройки °

Блок 6 ограничения предназ»ачен для ограничения снизу сигнала, поступающего на его вход, на уровне Я.> О, где

Я вЂ” параметр предварительнок настройки. Ключ 10 замкнут в случае отсутствия на его управляющем входе импульса управления и разомкнут в противном случае. Блок 12 формирования управляющих напряжений предназначен для формирования управляющих напряжений (7(7(7 и (7 „, которые используютСя в блоках 13 и 14 соответственно. Компаратор 13 срабатывает в случае, если сигнал, поступающий на его второй вход, становится меньше Б „ = О, поступающего на его первый вход. Блок !4 формирования импульса формирует импульс управления после срабатывания компаратора длительностью, пропорциональной напряжению, поступающему на его второй вход. Блок 15 д ления предназначен для деления сигнала, поступающего на его второй вход, на сигнал, поступающий на его первый вход.

Блок 16 извлечения квадратного корня предназначен для формирования сигнала, равного корню квадратному его входного сигнала. Первый блок 17 вычитания предназначен для вычитания из сигнала, поступающего на его второй вход, суммы сигналов, поступающих на его первый и третий входы. Первый и второй блоки 18 и 20 умножения перемножают сигналы, поступающие на кх первый и второй входы.

Ацаптивный фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал

Z(t) = Х(с) +.! (t), где Х(с) — полезнык сигнал; 4(t) — аддитивная помеха, более высокочастот( ная, чем полезный сигнал, поступает на второй вход третьего блока 1 вычитания. На его первый вход поступает сигнал с выхода четвертого интегратора 3, который является грубой оценкой полезного сигнала X(t) ° На выходе третьего блока 1 вычитания формируется сигнал оценки помехи 1(t), который поступает на вход блока 4 определения модуля и далее для сгла1522382 живания на инерционное звено 5. В результате на выходе инерционного звена 5 формируется сигнал, пропорцио— нальный ореднеквадратическому значел нию помехи К, который подается на блок 6 ограничения и второй вход четвертого блока 7 вычитания. Кроме того, входной сигнал поступает на второй вход второго блока 8 вычитания.

На его первый вход поступает сигнал .1О

q(t) с выхода третьего интегратора 11, который является оценкой суммы среднеквадратичных значений голезного

@ л сигнала и помехи (g(t) = Q + Г. Если 15 уровень среднеквадратического значения помехи мал, то абсолютная величина производной входного сигнала го времени ограничена (dz/dt) «< К = К вв вН и ключ 10 замкнут; нелинейный фильтр, состоящии"из блоков 8-11, остается 20 в линейном режиме работы (коэффициент усиления К первого усилителя 9 и.постоянная времени Т третьего интегра3 тора 11 выбирается таким образом что-2

25 бы выполнялось Т ((К, а уровень ограничения А первого усилителя 9 — таким образом, чтобы выполнялось А/Т = К в)

3- .) а на выходе третьего интегратора 11 формируется функция (у{С), практически совпадающая с входным сигналом Z(t).

Если уровень среднеквадратического значения помехи возрастает, то возрастает и сигнал ошибки, снимаемый с выходЫ второго блока 8 вычитания, первый усилитель 9 входит в режим ограни-35 чения, и с выхода третьего интегратора 11 снимается сигнал, равный: ак

y(t) = К Sd t при — ) К вь ь1 dt

40 (() = -К Sdt при — (-K

ВН „+ с! ВН

Кроме того, в моменты времени, когда входной сигнал Е(г) становится .меньше функции 1. (1), срабатывает компаратор 13 (С„д = О), который запуска- 45 . ет блок 14 формирования импульса. Длительность этого импульса ь .= Q.t оггределяется напряжением Бл, и является параметром предварительной настройки и выбирается иэ условия (u). Напряже- 50 ние U ä и напряжение U формируются в блоке !2. При поступлении с блока 14 импульса управления ключ 10 размыкается и в течение этого промежутка времени напряжение на выходе третьего, 55 интегратора 11 не изменяется. Таким образом, на его выходе формируется функция q(t) согласно формуле (3).

4

Функция y(t) = Q + Г, поступает на первый вход четвертого блока 7 вычитания, на второй вход которого поступает сигнал оценки уровня среднеквадратического значения помехи. На выходе четвертого блока 7 формируется сигнал оценки среднеквадратическоiL го значения полезного сигнала Q, который поступает на второй вход бло— ка 15 деления. На первый вход блока 15 деления поступает ограниченный снизу сигнал оценки среднеквадратического значения помехи P.. Ha выходе блока 15 деления формируется сигнал

Q/Ð., который поступает на вход блока -16 извлечения квадратного корня.

С ыхода блока 16 сигнал, равный

Q/P, поступает в качестве одного из сомножителей на первый и второй блоки 20 и 18 умножения. Первый блок 17 вычитания, второй блок 18 умножения, первый интегратор 19, первый блок 20 умножения и второй интегратор 21 образуют фильтр с передаточной функцией (1)., параметры которого самонастраиваются в соответствии с полученным значением.

Формула изобретения

Адаптивный фильтр, содержащий последовательно соединенные первый интегратор, первый блок умножения, второй интегратор, первый блок вычитания и второй блок умнох ения, последовательно соединенные третий интегратор и второй блок вычитания, последовательно соединенные четвертьп" интегратор и третий блок вычитания, а также четвертый блок вычитания и первый, и второй усилители, причем второй вход первого блока вычитания является входом адаптивного фильтра, выходом которого является выход второго интегратора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности фильтрации, введены ключ, последовательно соединенные блок определения модуля, инерционное звено, блок ограничения, блок,целения, блок извлечения квадратного корня и последовательно соединенные олок формирования управляющих напряжений, Йомпаратор и блок формирования импульса, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а первый и второй усилители выполнены усилителями с ограничением, причем вторые входы второ1522382

Составитель С. Музычук

Редактор М. Келемеш Техред М.Ходанич Корректор С. Черни

Заказ 6978/55 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ко изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 го и третьего блоков вычитания соедиI иены с вторым входом первого блока вычитания, выход второго блока вычитания соединен с вторым входом компаратора и через последовательно

5 соединенный первый усилитель с ограничением и ключ с входом третьего интегратора, выход третьего блока вычитания соединен с входом блока опре- 10 деления модуля и через второй усили/ тель с ограничением с входом четвер.того интегратора, второй выход блока формирования управляющих напряжений подключен к второму входу блока формирования импульса, а выход третьего интегратора соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу инерционного звена, а выход четвертого блока вычитания соединен с вторым входом блока деления, выход блока извлечения квадратного корня соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход последнего из которых соединен входом первого интегратора, выход которого подключен к третьему входу первого блока вычита ния.