Адаптивный аналого-цифровой фильтр

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

G 06 F 15/34 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет— (53) УДК 681.. 325 (088. 8) Опубликовано 0502,80. Бюллетень №

Дата опубликования описания 10. 02. 80 (72) Авторы изобретения Ю. Ф. Мухопад и Е. М. Кучина (71) Заявитель (54) АДАПТИВНЬ1Й AHAJII 0-ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для выделения сигнала на фоне шумов в условиях ограниченного временн усреднения (или существования сигнала) информационно-измерительных си, стемах, в блоках сопряжения датчиков с ЭВМ, в телеметрии, в системах обработки медико-биологической информации, в задачах обработки радиолокационных сигналов, регистраторах кратковременно существующих процессов, в системах автоматического регулировайия.

Йэвестны устройства фильтрации ста45 ционарных и нестационарных сигналов, содержащие аналого-цифровые преобразователи, запоминающие и вычислительные устройства, блоки адаптации, которые устанавливают автоматически посО рядок астатизма на основе анализа в ходи о ro си гн ал а л иб о ме няют о бьем памяти по анализу входного сигнала и шума (1).

Недостатком устройства является т025 что при адаптации по принципу изменения порядка астатиэма фильтр имеет большие затраты оборудования,а при ав. томатической оптимизации объема памяти требуется .проведение предвари- ЗО тельного подбора оптимальных условий регулирования объема памяти, что значительно снижает оперативность схемы в работе.

Наиболее близким по технической сущности к данному является фильтр, состоящий из блбков памяти, содержащих схемы выборки, преобразователей аналог-код и код-аналог, блоков вероятностного округления, блоков матричного умножения, сумматоров, блока динамической памяти и блока уп- равления; входной сигнал поступает через преобразователь аналог-код или непосредственно на один иэ входов первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого блока матричного умножения, одним из входов через первый блок вероятностного округления соединенного с блоком памяти, другим входом через второй блок вероятностногО округления— с выходОМ блока динамической памяти, а непосредственно — с одним из входов второго блока матричного умножения, другие входы блоков матричного умножения через третий блок вероятностного округления соединены с выходом блока памяти и непосредственно с выходом первого сумматора, ко.3 71440 торий подключен к входу блока- дийамической памяти, выход второго блока матричного умножения соединен с преобразователем код-аналог через ,второй сумматор (2), Недбстатком данного Фильтра явля-.

" ется узкое функциональное назначение, связайное с применимостью для фильтрации стационарных сигналов и невозможность его использования в условиях фильтрации нестационарних сигналов или кратковременно существующих сигналов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за сче" обесйечения ФЫльтрации нестацио- i5 . нарных сигналов и кратковременно существующих сигналов.Это достигается тем, что в аналого-цифровой фильтр, содержащий первый аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого является входом фильтра, два сумматора, вход первого иэ которых соединен с выходом"первого аналого-цифрового преобразователя, постоянное и оперативное запоминающие устройства, генератор тактовых 25 импульсов и устройство управления, введены два регистра сдвига, регистр программной настройки, последователь"но соединенные цифровое устройство вычитания, аналого-цифровой делитель, щ второй аналого-цифровой преобразователь, дешифратор и делитель частоты, узел усреднения, аналоговое устройст во,вычитания, блок регистров сдвига и буферный регистр, причем входы циф- 3$ рового устройства вычитания и первого регистра сдвига соединены с выходом первого сумматора, выход первого

".регистра сдвига через последователь" йо соедйненные оперативное эапомийающее устройство, блок регистров сдвига, буферный регистр, второй сумматор и второй регистр сдвига подключен к выхбду фильтра,=уСтройство уйравле= ния соединено двухсторонними связями с постоянным запоминающим устройст- 45 вом и с регистром программной настройки, выход генератора"тактдвых импульсов подключен ко входам регистра про-. граммной настройки и -делителя частоты, выход которого соединен со вторьм 50 входом первого аналого-цифрового преобразователя, вход узла усреднения соедйнен со входом фильтра, а выход— через аналоговое устройство вычитания подключен ко входу аналого- цифро- д

-рого делителя, управпяющие входй аналого-цифровых преобразователей, региСтров сдвига, сумматоров, буферного . регистра, цифрового устройства вычитания, аналого-цифрового делителя, дешифратора, делителя частоты, блока регйстров сдвига -и оперативного запоминающего устройства соединены,с сбответствующими выходами устройства стправления .

На фиг. 1 представлена функциональная схема фильтра; на фиг. 2 — одна; из возможных модификаций схемы.

Устройство содержит узел 1 усреднения, аналоговое устройство 2, вычитания, аналого-цифровой преобразователь 3, цифровое устройство 4 вычитания, аналого-цифровой делитель 5, аналого-цифровой преобразователь 6, дешифратор 7, делитель 8 частоты, сумматор 9, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 11, блок

l2 регистров сдвига, сумматор 13, устройство 14 управления, регистр 15 программной настройки, вход 16 фильтра, регистр 17 сдвига, буферный регистр

18, регистр 19 сдвига,, генератор, 20 тактовых импульсов, выход 21 фильтра, микропроцессор 22.

Адаптивный аналого-цифровой фильтр (фиг. 1) работает в следующей последовательности.

Аналоговый входной сигнал U(t) ус- редняется RC-цепью узла 1 в течение интервала С и одновременно преобразуется в код в первом аналого-цифровом преобразоватеЛе 3 с подачей кода в . первый сумматор 9 для накопления в нем кодов У, пропорциональных входному сигналу в интервале времени 2t.

В устройстве 2 формируется аналоговое значение разности 0(t + T )-0(t), а в устройстве 4 дискретная величина

N(t + 2 ;)-N(t), которые подаются на вход аналого-цифрового делителя 5 для формирования сигнала

Ч(1) =

/Q(4+a)- G (t)J

/М(1+2 )-К(+,)/ величина которого кодируется преобразователем 6 с малой разрядностью (например 2 + 3 бита) и дешифрируется.

Выходы дешифратора 7 производят выбор соответствующего выхода делителя

8 частоты, сигнал которого как управляющий импульс запуска . преобразования подается на преобразователь 3. Таким образом, частота кодирования входного сигнала оказывается пропорциональной Ч(), т. е. время снятия замера адаптивно выбирается в фильтре, Поэтому в первом сумматоре 9 при одном и том же числе накоплений М (найример М вЂ” 8) окажутся замеры, произведенные через разные промежутки времени, характеризующие одним и тем же значением V(t) .

1 .После накопления заданного количества замеров (величина м задается кратной цеЛой степени с условием

М Ъ 2) с помощью регистра 15 программной настройки производится их арифметическое усреднение .(деление на 21 ) за счет сдвига íà r разрядов (где r определяется из условия М вЂ” 2,) на реи гистре 17 сдвига и передачи F (t)

714408

Формула изобретения

Адаптивный аналого-цифровой фильтр, О содержащий первый аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого является входом фильтра, два сумматора, вход первого из которых соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, постоянное и оперативное запоминающие устройства, генератор тактовых импульсов и устройство управления, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспе-чения фильтрации нестационарных сигналов и кратковременно существующих сигналов, в него введены два регистра сдвига, регистр программной настройки, последовательно соединенные цифровое устройство вычисления, аналого-цифровой делитель, второй аналого-цифровой преобразователь, дешифра-тор и делитель частоты, узел усреднения, аналоговое устройство вычитаний, блок регистров сдвига и буферный регистр, причем входы цифрового устройства вычитания и первого регистра сдвига соединены с выходом первого сумматора, выход первого регистра сдвига через последовательно сое2 иненные оперативное запоминающее устройство, блок регистров сдвига, буферный регистр, второй сумматор и второй регистр сдвига подключен к выходу фильтра, устройство управления соединено двухсторонними связями с постоянным запоминающим устройством и с регистром программной настройки, выход генератора тактовых, импульсов подключен ко входам регистра программной на4 д 4 /4 м

= р N N(t; ) в ОЗУ 11, где N(t )— ,(- Ф кодированные значения входного сигнала.

Таким образом процедура повторяется определенное число раз. После заполнения ОЗУ происходит параллельное 5 считывание значения F„. (t) в регистры блока 12. Одновременно из ПЗУ про» исходит считывание констант сдвига в устройство 24 управления по адресу, соответствующему номеру i. В ПЗУ хра- )(» нятся константы, представляющие собой не сами коэффициенты нестационарности, а информацию о том, на сколько разрядов необходимо сдвинуть величину Г„ () в каждом из регистров блока

12 (структура каждой константы ПЗУ состоит из последовательности знаков и величин четырех коэффициентов., т.е., +

Cl, . С2, С3, С4) для того, чтобы р сумматоре 13 после сложения получить величину

+с +с +с

Y„(t) = F.(t) х (2 " + 2 + 2 т

+ 2 . 4 ) пропорциональную величине

F„(t)/ К., где К1 — коэффициент нестацйонарности. Такая организация умножения на.коэффициент нестационарности

1(К„ позволяет сократить объем оборудования ПЗУ (так как хранятся не сами коэффициенты 1 К, а величины сдвигов в регистрах блока 12) и повысить быстро-З действие умножения. Для упрощения устройства 14 управления ОЗУ 11 целесо,образно выполнять по схеме стековой памяти со считыванием результата че рез буферный регистр 18 из вершины стека и записью входных значений

F (t) иэ регистра 17 сдвига во вход( ной регистр стека.

После накопления значений в сумматоре 13 происходит передача суммы в регистр 19 сдвига для их усреднения 4 и выцача результата. Сигнал на выхо-., де определяется выражением

5 где R, M — параметры внешней настрой-. ки и К (i) — коэффициенты нестационарности закладываются разработчиком, применяющим данный фильтр, а величина t — адаптивный параметр настройки, выбираемый в самом фильтре при— усреднении нестационарных сигналов в процессе работы.

Адаптивный аналого-.цифровой фильтр 55 может выполняться в другом варианте реализации (фиг. 2), в котором функции составных частей обозначенных цифрами 4, 9, 11-15, 18, 19 возложены на микропроцессор 22, реализующий тот же ц» алгоритм работы программным путем, Этот вариант имеет меньшие аппаратурные затраты в микроэлектронном исполнении, второй вариант реализации применим в более медленных процессах, так как переход к программной реализации функции составных частей 4, 9, 11-15, 18, 19 приведет к снижению бы стродействия в 20 + 50 раз в зависимости от типа применяемого микропроцессора.

В изобретении заложено четыре величины адайтации: — интервал времени усреднения изменяемый автоматически адаптивно по крутизне изменения входного сигнала; — величина предварительного усред- нения — Y.; — количество накоплений в ОЗУ вЂ” R;. — С„(i), С 41), С (i), С (i), определяемые коэффициентами нестационарности К (i), где i 1, 2,... R, причем для стационарных сигйалов М=к, С = С вЂ” — С > — — C4 = 1, а для нестациойарных М ф к, а коэффициенты С закладываются в ПЗУ 10 фильтра на основании априорных знаний о природе сигI нала и шума или на основании анализа реального сигнала (или его модели) на универсальных ЭВМ, 714408

ЦНИИПИ Заказ 9290/47

Тираж 75 1 П одписи ое

Филиал ППП Патейт, г. Ужгород, ул..Проектная 4

I стройки и делителя частоты, выход .которого соединен со вторым входом первого аналого -цифрового преобразователя, вход узла усреднения соединен со входом фильтра, а выход — через аналоговое устройство вычитания подключен ко входу аналого-цифрового дели5 теля, управляющие входы аналого-цифровых преобразователей, регистров сдвига, сумматоров, буферного ре-,, гистра, цифрового устройства вычитания аналого-цифрового делителя, дешифратора, делителя частоты, блока регистров сдвига и оперативного запоминающего устройства соединены с соответствующими выходами устройства управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Коршунов I0. Х. Расчет и проектирование цифровых сглаживающих и преобразующих устройств. М., Энергия, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

9 465715, кл. Н 03 Н 7/10, 1973 (прототип).