Прогнозирующий фильтр

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть испольчовано для идентификации динамических объектов, допускающих моделирование 2 их состояния в виде несмещенных нестационарных гауссовских авторегресснонных процессов, загрязненных аномальными выбросJMH. Цель изобретения - повышение точности идентификации риторегрессионной модели динамичес or о объекта. Прогнозирующий фильтр сот; ржит блок 6 синхронизации, сумматор 4, р узлор прогнозирования (р - число шагов предсказания), каждый из которых содержит три блока задержки 7, 10 и II, блок 14 вычисления коэффициент частной корреляции, два блока умножения 12 и 13, два сумматора 15 и 16, два блока вычитания 17 и 18, дра адаптивных ограничителя 19 и 20. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. СО

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 06 F !5/36 15/353

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4421482/24 (22) 07.05.8." (46) 15.02.91. Вюл. !! 6 (71) !!осковский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (7?) И.В.Еотов (53) 621. 3(088.8) (56) Коротаен Г.А. Методы линейного предсказания — Зарубежная радиоэлектроника, 1980, N 1О, с,54, рис.4.

Авторское свидетельство СССР

Р 1539793, кл. G 06 F 15/36, 1988. (54) ПРО! 1!ОЗИРУ!0Ц!!!1 ф!!ЛЬТР (57) Иэобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для идентификации динамических объектов, допускаюгяих моделирование

„„SU„„1628068 А их состояния в виде несмецгенных нестационарных гауссовских авторегрессионных процессов, загрязненных аномальными выбросами. 1!ель изобретения — поиьииеигге точности идентификации анторегрессиг иной модели динамичес,:ого объекта. 1!рогнозируюлнй фильтр соц:ржит блок 6 синхронизации, сумматор 4, р узлов прогнозирования (р число шагов предсказания), каждый из которых содержит три блока задержки 7, l0 и 11, блок 14 вычисления коэффициента частной корреляции, два блока умножения 12 и 13, два сумматора 15 и 16, два блока вычитания !7 и 18, два адаптивных ограничителя 19 и 20.

l з.п.ф-ль, 3 ил.

1628068

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для идентификации динамических объектов например, речевых сигналов, 1

5 допускающих моделирование их состояния в виде несмещенных нестационарных гауссовских авторегресс<(<онных процессов, "загрязненных аномальными выбросами.

Цель изобретения — повышение точности идентификации авторегрессионной модели динамического объекта.

На фиг.l изображена структурная схема прогнозирующего фильтра; на фиг ° 2 — структурная схема блока вычисления коэффициента частной корреляции; на фиг.3 -- структурная схема адаптивногс ограничителя, IIpoГнозиру)(чции фильтр (фиге 1) со держит первый 1 узел прогнозирования, j-й 2 узел прогнозирования, последний 3 узел прогнозирования, сумматор 4, вход 5 задания нулевого сигнала фильтра, блок 6 синхронизации, пер-g5 вый 7 блок задержки, первый 8 и второй 9 буферные регистры, второй 10 и третий ll блоки задержки, первый 12 и второй 13 блоки умножения, блок 14 вычисления коэффициента частной корреляции, первый 15 и второй 16 сумматоры, первый 17 и второй 18 блоки вычитания, ) ервый 19 и второй 20 адаптивные органичители.

Блок 14 вычисления коэффициента

35 частной корреляции (фиг. 2) содержит первый элемент 21 умножения, первый элемент 22 экспоненциального сглаживания, второй элемент 23 умножения, регистр 24, первый 25 и второй 26 . 40 квадраторы, сумматор 27, второй элемент 28 экспоненциального сглаживания, функциональный преобразователь 29.

Адаптивный ограничитель (фиг.3) содержит первый 30 и второй 31 элемен-4 ты умножения, квадратор 32, первый 33 и второй 34 функциональные преобразователи, элемент 35 вычитания, формирователь 36 знака, элемент 37 экспоненциальнога сглаживания, буферный регистр 38.

Прогнозирующий фильтр работает следующим образом (фиг.1).

Входной анализируее<ь<й сигнал представляет собой дискретизированную по времени и квантованную по уровню по55 следовательность измерений состояния динамического объекта. Отсчеты анализируемого сигнала поступают на входную шину в виде 1с-разрядных параллельных кодов, которые обновляются с периодом Т. Вычисления в фильтре производятся в соответствии с рекуррентным алгоритмом л л

К j „= -2(F1-<,h /Р,„) при 3 1,2,...,р, п- 1,2...; л А Л

Fj <,h = Date> << bj-<, << < +(1 -0() х л х 1 < <1 < при 0 0(c О,1;

21

В)-,h =g L(ej-<,h ) + (Ь -< h< ) 1+

+ (1 М)01-<,„1 е и (11 „(Z 81, ) () „(„);

" экМ п (j,h-1 ) „ э<()-<, и-1 1, n-« -1, h (3,h(У<) ) = < jh(Ю„) Ю„1

„(„) = (1+а)-р(-8„ i()!

/ (е еемр(- е„ /O .е )) л2 Г < 1 +с1<)- 2 - 2 (() ° ) = 2 егГс (------- --)

1,п 2-2 г 2 йм = е(ее е — )j е (! -(()d„, 2 "2

3„= ./а,,,-,, причем рекурсию замыкают условия:

"эк< " кр, Бб — 0; л е „= Ьор= 8„;

4 <э<(л рп 8рe + epn >

- .где R j „— коэффициент частной корреляции; номер оцениваемого коэффи-. циента в упорядоченном множестве параметров, определяющих идентифицируемую авторегрессионную модель, совпадает с номером узла в каскадном соединении, образующем прогнозирующий фильтр, в приводимых ниже. обозначениях служит индексом, указывающим порядок фильтра, формирующего данную оценку;

n — номер текущего периода дис" кретизации;

Z д — анализируемый сигнал, представляющий собой оцифрованную последовательность энаi!

"..>

И

b

)>11

Q) (2)

4 ЭК}

16"8063 чеьий гл)>ссовскэ го коррелчрованного процесса, загряэненногс с вероятностью ()- (0,2) аномальными выбросами; оценка анзл)"зируемого сигнлла,не загрязненного аномальными выбросамп, получаемая как резу

15 получаемая н;«>эыхoll(. . J I î узла (о)»енкл о»))ибк!1 предск;;— злния плзлц);

ВЕСОВОЙ КОЭ(»><Р!»!111(IIT .>ПРС— деляк>»гий скорое ь лдлптлции фильтра к изме) еп)»ю стлт,»sec! f»x xaf-.aкт(р):с1ик 1!сследуе м) го с) . г)(asi,» i. эффе к ти вI.IУЮ ДЛИТ С. Л 1,)I(> СТЬ 111!Т(Р 1)Л Ч(1

УСРЕДНЕНИЯ ОЦЕН)(!i ВЫ:1»СЛЯЕМО Го Il Л Р l 1(Т P 1; эируемого сиг .з "л, .полу"лемая Фл r«I!xo.едсклзлия вперед); оценка ощиб)(и Ilp(л. ° (з;ш »я (n-j)-го отсчета апллизнруЕМОГО СИГНЛ)»а) ПЕ «ЛI РЯ" ПС II ного лномлльнь .Ià; экс траполяциокн! ля оценка текущего от.-.чета анализируемого сигнала, формируемая филь-.ром порядка

j с использованием предшествующих очищенных эначений1 экстраполяционная оценка (n-j)-ro узла отсчета анализируемого сигнала, rioлучаемая на выходе j-го узла, использующе -о j последующих значений сигнала для предсказания, проводимо> (Л ol paò«< м 1 рс ь -1 " (н«>э»> <) л

СЭ вЂ” робастная o»i(пкл дискер) <)! сни ош!»бки»ip(Ji<-!. з;ш )я:

5 с ьО

r igr.! g ) (I«P t: «» ß З Л > 1 Е (> «(I(II С >s I f)»1» P Î валия; время задержки умножения; 3 х время задержки выч!!тания;

) время задержки сч)(тывл31 ни я П 3 .> ; время устано» ки входной

32 кодовой Yo M. Ifn лци)! па холе буф(»pi oro регистра; время з:-. ержкн корре кц!ш; 1 К

1.. — вр. мя задержки г пер», о 5 Ъ

20 вания знаково!1 функции, Особ(пность p(лп)»эо» лпного в фил тр(-.лгоритмл состои; в том, что для выч!)с;. пия идечтиф »цируе)сых пар 1мс T р(>в попользуются скорректир1ванн»»с

25 з Ia< < Ill!)1 (шибок предсказания вперед il

1»л >,< 1. »>(>1)1>(кция и Рс:113»>D>цlтГ Я )l л ОГно««пе:ш ейного в вещивлния р.«эпос !)>

>1(ж«у .)нлч(! i!(и 1 куще: о отсчета лнлJill «»п>уем . о времеппс го p)!дл .1 е о ус30 то») >1 вой з Kc1 1) лполв(1)lоп ной oil< I»I(OH .

3л счс т к(>ррекпии ошибок предсклза1»llя (нижлется вклад лн()млльных ныбро сов 11 ре «у:.I,-ràòn !«ы li>cлсний и с бе(-.1(ечивлется "o<: сткл" ))сследуемого времен!»о! о ряд,i, т. о. ф!»льтр преобрлзу35 ет входной сигнал F ill»(1 »>(вои форме 2, в 1(ос)»с довл)«пьн сть . -,„не з,»грязH(IIII> (1?Iэм;).»ь»11)м)1 ьч)< Рос(ми. Отсчеты oчl!Iце пи о 1 (> Г)»г11л. 1 Г)1ужлт J «я фор мировлния устойч)!вых экстрлполяпион40 ных оценок.

1с(»жд),!й отсчет оч!»щепнс го процесса предстлв)!яс. т собои сумму экстраполя"зэ ционной оценки этого отсчета S „, и

Р<п

Ф

ll .оправки е получас.»ой в результар,п

1. т» нелинеинсй обрабо(ки ошибки () и с помощью ф;нкции коррекции ошибки предсказания {1? ((1 ). Характер функ50 ции Q () ) имеет большое значение для обеспечения устойчивости. В областях малых значений аргумента функция g ((% ) должна нести себя как

l т.е. как линейная функция, онл должна быть ограничена, чтобы ника55 кой выброс, коль бы велик он не бып, не оказал значительного влияния на р зультаты очистки сигнала, и непрерывна, поскольку это свойство позво1628068 ляет ослабить влияние на конечный результат ошибок квантования и округления, Важно, чтобы функция (11 () в области больших значений аргумента стремилась к нулю, тогда если текущий отсчет Z сильно отличается от результата предсказания по предшествующим очищенным значениям процесса, I то Sn определяется в основном значением Б . С другой стороны, нежелаялэк+

I тельно, чтобы функция коррекции ошибки предсказания обращалась в нуль за пределами некоторого интервала значений а,Ь 1, меньшего диапазона представления чисел, обеспечиваемого используемой разрядностью двоичного кода, так как это может привести к потере фильтром способности следить за сигналом на длительном промежутке времени, тем большем, чем сильнее корреляция соседних отсчетов процесса Zn. Наконец, желательно, чтобы и производная функция Q (о ) была непрерывной (имеется в виду некванто- 25 ванное аналитическое представление), так- как наличие "изломов" в функции коррекции ошибки предсказания может привести к значительному искажению ( спектральных свойств процесса.

Обработка входных данных в течение и-го периода Т осуществляется

1 A следующим образом.

Поступающий на входную шину отсчет Zn попадает на первые входы первых блоков 17 вычитания всех р узлов, одновременно с первого выхода блока 6 синхронизации на входы считывания блоков задержки подается импульс, который отпирает на время, равное длительности импульсов

40 о (ь = э ), вторые буферные регистры первого, второго и третьего блоков задержки каждого узла. При этом на выходах блоков задержки воспроизводятся кодовые комбинации, сформированные первыми буферными регистрами и соответствующие результатам вычислений, которые установились на вхолах блоков задержки в конце предыдущего периода Т . Все р узлов фильтра рабо- 50 тают одинаково, Вычисления в j ì узле 2 фильтра производятся следующим образом.

Воспроизведенная на выходе перво55 го блока 7 задержки кодовая комбинация, соответствующая оценке ошибки предсказания назад Ь, n-i поступает на второй вход второго блока 13 умножения, на первый вход которого с выхода блока 14 вычисления коэффициента частной корреляции подано вычисленное в предыдущем периоде значение

К, . Результат .перемножения посту41 пает на вход первого сумматора 5.

Процедура умножения соответствующих ошибок на оценочные значения идентифицируемых параметров, сформированных блоками 14, производится во всех узлах фильтра одновременно. Через времЯ ТЛ t <+ Эк+ (j 1) э; ром входе первого сумматора 15 устанавливается оценка И, >,экстрапоg К+ 1-,Ь лированная с помощью фильтра порядка

j-1, состоящего из предшествующих узлов, На выходе первого сумматора 15

) к+ формируется оценка 1 д, которая п сравнивается с текущими значением Z анализируемого сигнала в первом блоке 17 вычитания. Вычисленная разлл л зк+ ность (1, = Z „— S ° поступает на

010 — 6 1,и вход первого адаптивного органичителя 19 Через время Тд = э2+ сЭх+ р х х (t <+ t ) соответствующие ошибки

° ° пФ где j = 1,2,...,р, устанав0 1,Н ливаются на входах всех первых адаптивных ограничителей фильтра ° В них производится коррекция поступивших на вход ошибок и формируются оценки

Л б+ е 1 < = (1 1< (0) <) ошибок предсказания вперед, которые подаются на пятые выходы узлов. С выхода адаптивного ограничителя последнего р-го узла 3 значение оценки скорректированной л ошибки предсказания вперед е и 11 по" ступает на второй вход сумматора 4, на первый вход которого подана сформированная ранее экстраполяционная

"эк+ оценка S д . Полученное на выходе

rin сумматора 4 очищенное значение текул л эк+ 1 + его отсчета Вя S Р,и + (11,„(0> ) через шину обратной связи поступает на входы первого блока 12 умножения и блока 14 вычисления коэффициента частной корреляции, а также вход первого блока 7 задержки первого узла. На первые входы первых блоков умножения остальных узлов фильтра с номерами j ð 1 при этом уже поступили полученные ранее эначенн» скорректированных ошибок предскаэа" ния вперед.

Результат перемножения оценки о

1628068.5

?0

i l е < П на зна .ение коэффициента Kj <,<, 1 полученный на выходе первого блока 12 умножения j-го узла 2, поступает на первый вход второго сумматора 16, на второй вход которого с выхоца второго блока 10 задержки подано значеА ние оценки Ь < <, и..< . Второй сумматор 16 формирует уточненную оценку

Ь< « отсчета Z п анализируемого сигнала, которая сравнивается с этим отсчетом во вторсм блоке 18 вычитания.

Полученная разность л з«- 1„«-.j «-1

-S; <, поступает на вход второго 1" 1 адаптйвного ограничителя 20. По истечении времени Тл = Тр+ t-»„.<- t>>+ сз,,+

+ t с начала текущего пер»оп) Т<, значения <1 z успевают уст.-»он< ть.я

11«-1 на входах вторых адаптивных огра<<ичителей всех р узлов. Через вре <я Т =

Т + t << завершается этап карре сции оценок ошибок предсказания »азад л

Ь < 5 и на входы записи всех узлов по<

СтУПаЕт НМПУЛЬС С ВтОГОГО ВЫХОЦа С;ла-ка 6 управления, который отпирает первые буферные регистры»ервого, второго и третьего блоков !»а; ерж<си. при этом осуществляется запись в»срвые буферные рег»стры уста»ов>»<шихся на их входах результатов аычислс.»ий, одновременно этот импульс и»»ц»ализирует процедуру обновления»араме гров блоков 14 и адаптивных огра»ичителей всех узлов фильтра. По око»чании этапа обновления параметров, продолжительность которого определяется временем в< числений, гроизводимык в блоках 14, обработка текущего отсче— та анализируемого сигнала завершается, и устройство готово к новому циклу вычислений.

Блок вычисления коэффициента частной корреляции (фиг.2) работает следующим образом.

После прихода на вход считывания первого блока задержки им»у"ьcà с первого выхода блока синхронизации воспроизведенная вторым буферным регистром кодовая комбинация, соответствую<Чя оценке ошибки предсказания назад Ь < <,1, „поступает на первый вход блока вычисления коэффициента частной корреляции и попадает на второй вход первого элемента 21 умножения и вход второго квадратора 26.

Сформированная вторым квадратором 26 величина (Ь1 « <) поступает на вто2 рой вход сумматора 27. По прошествин с начала 1 екущ .ro 1:ериоп D, емл— нн, не 1<ре

Я = Б + е .. а второ.< вхсде « pn p

А <7 пеflllbl

Результат преобразования сценки е < квадретором 25 поступает на перв<,<и н);од c) Mìflò<»)fl 2", где п<)оизводи .ся сложа;<ио квадра CGI< скорректирован

»а)ад. Получе»ная на гь<ходе суMI <тс—

< а ? 7 во.11! 1чl!»а (P < ) +,,; 1 1 )

2. /1

1 )И

1."ц:. "тся»а вход второ<-о элемснта !

-1 С,.ОНЕНци11ЛЬН<) О СГЛажИВаи»я 28.

С<1)с;<,мирова»ое первым элема»тс м 1 л ум»ожс.»ия произведен <с

;.oc" >»fle1»а I.xf)ä первого злеме

<с»ц»11<11,!<ого cl »ажива»»я,, Сф)рм<<ро<)а<»<ая первым элемантом 22

Д экспо»енциаль»ог0 сглажива<<пя )ценка

F °, <»осту»ае г на первь)й вх<;д вто1- <1 рого элеме»та 23 умножения. Полученная на выходе второго элемента 28 экспоненциального сглаживания оценка г<

D 1 <) подается на вход функциональI ного преобразователя 29, в котором происходит преобразование входной оценки и величину -2/D 1 <, и . Ре )ультат преобразования поступает на второй вход второго элемента 23 умноже<<ия< па выходе которого форми» руется оценка К 1 <, частного коэффициента корреляции, и годается на вход регистра 24. По истече» .1 времени I.<, .= Т + с з<+ с << на тактовый вход буферного регистра 24 приходит импульс с четвертого выхода блока 6 синхронизации. Он отпирает регистр 24 своим передним фронтом на время длительности импульса с, так что на выходе блока вычисленкя коэффициента корреляцки воспроизводится обновлен1628068

12 ное значение Ii вычисленное в те )

3 кущем такте.

Адаптивный ограничитель (ф»»г.3) работает следующим образом.

Подаваемая на вход описываемого блока неличина 11 поступает на перН вый вход первого элемента 30 умножения и вход квадратора 32. Сформированное кнадратарам 32 значение (») )

1 подается на первый вход второго элемента 31 умножения, на нторой вход которого подано эиачение нормиравоч1 ного коэффициента (5 ), вычита†г ленное в предыдущем периоде ° Результат нормировки с выхода второго элемента 31 умножения поступает на первый вход элемента 35 вычитания и вход первого фу»»кц»»о»»альна га преабр аэователя 33. Последний вырабатывает соответствующий текущему значению в весовой коэффициент 1! (7 ) (1+а)е " Уfa+e " (при

-1 — 1,388-10 и 0 выполняется условие 35

arg max (P ° (1 ) — erg min Q Ä(3 ) !,11 )i»»

О), который имеет смысл каэф»!»»и»»ента доверия к текущему значению ошибки ») . Полученное с помощью первого 30 функ »иа»»алц »а ro к»реобразанателя значе-! ние W „(p ) поступает на второй

)»»! вход первого элемента 30 умножения, на выходе которого формируется скорректированное значение текущей ашиб- 35 ки, и падается на выход описываемого блока.

Процедура обновления нормировочного коэффициента (() ) основана на

1,> вычислении величины обратной диспер- 4О сии гауссовского процесса па средней разности между числом отсчетов, по\ падающих в интервал I -1, +1), и числом

1 отсчетов, находяшихся за пределами этого интервала. Получаемая таким об- 45

Аг -1 разом оценка (П ) слаба зависит

),»! от наличия аномальных выбросов в анализируемом сигнале. При выборе рас1 p ма» c четного значения P = ------ сшиб- 5(2 ка оценивания не превышает величину

1ООХ.

Поступающее на первый нход элемента 35 вычитания значение (» )

j»и сравнивается с единицей, которая падается на его второй вход. Результат сравнения поступает на формирователь 36 знака. Текущее значение

sign (3 <- 1 J подается на вход элемента 37 экспоненциального сглаживания, который формирует текущее значение d, »» поступающее на вход нтараго функционально го преобразователя 34. Последний используется для вычисления текущего э»»ачения нормировочного коэффициента (Q,„ ) 1, которое лопается

1 на буферный регистр 38. С приходом управляющего импульса с четвертого выхода блока 6 синхронизации на выходе буферного регистра 38 воспроизводится обновленное значение нормиравочно га ко эффи»!ие»»та.

Формула

v. ç о 6 ð å т е н и я

1 . Про» паз ируюший фильтр, содержащий сумматор, блок синхронизапии и р узла« прогнозирования (р — число шага« предсказа»»ия), каждый из которых содержит блок вычисления коэффициента частной карреляш»и, первый блок задержки, два блока умножения, д«» 6 »ака вычитания, два ограничитеs»»» и первый сумматор, в каждом узле прогнозирования выход . блока вычисления коэффициента ч 1с1 нс и корреляции соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, выход пер«nro блока задержки подключен к первому информационному входу блока вычисления коэффициента частной корреляпии »» к второму входу второго блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выходы первого и второго блоков вычитания соединены с информационными входами соответственно первого и второго ограничителей, выход первого огранняигаля »-го узла орогиозироаания (j = 1,р-1) < уединен с первым входом первого блока умножения и вторым информационным входом блока вычисления коэффициента частной корреляции (j+1)-го узла прогнозирования, выход первого сумматора j-го узла прогнозирования соединен с вторым входом первого сумматора (j+1)-го узла прогнозирования, выход второго ограничителя j го узла прогнозирования подключен к информационному входу первого блока задержки (j+1) -го узла прогнозирования, первый выход блока синхронизации подключен к входам считывания первых блоков задержки всех узлов прогнозирования, второй выход блока синхронизации соединен с

1628068

Фиг. 2

Составитель Е.Куртин

Техред Л.Олийнык Корректор Н. Король

Редактор М.Келемеш

Заказ 342 Тираж 406 Подписное

ВН1ПП1И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101