Цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii)964979

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 040381 (21) 3253916/18-24 (51) М. Кп.з с присоединением заявки М—

Н 03 Н 17/06

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23), Приоритет

Опубликовано 0710.82, Бюллетень Йо 37

Дата опубликования описания 07.10. 82

{33) УДК 681--2 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Н.М.Шагиев, Е.С. Иванов и В.N. Разбитной

Ленинградское научно-производственное объед

"Геофизика" (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ

ЭХО-СИГНАЛОВ

Ъ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в вычислительных устройствах статистической обработки геоакустических или радиолокационных сигналов.

Известен цифровой фильтр, реализующий алгоритм цифровой фильтрации на основе решения линейных разностных уравнений с постоянными коэффициентами и содержащий дискретнзатор, аналого-цифровой преобразователь, умножнтели, элементы задержки и сумматор Г12.

Выбор временной (импульсной ) или частотной характеристики для построения такого фильтра предполагает априорные сведения о временных или частотных параметрах импульсных эхосигналов, а это, в свою очередь, требует предварительного статистического анализа фильтруемых сигналов и шумов, действующих на входе фильтра.

Наиболее близок к предложенному цифровой фильтр, содержащий элементы задержки, умножители, сумматор, причем элементы задержки соединены последовательно, кроме того, выход каждого элемента задержки соединен с входом соответствующего умножителя,на вторые входы которого подаются весовые коэффициенты, выходы умножителей соединены с соответствующими входатвт сумматора. Выход сумматора является выходом цифрового фильтра (2 J.

Недостатком такого фильтра является то, что для каждой реализации импульсных эхо-сигналов необходимо подбирать весовые коэффициенты временной характеристики фильтра, что приводит к увеличению времени обработки эхо-сигналов.

Цель изобретения — увеличение точности фильтрации.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фильтр для импульсных эхо-сигналов, содержащий умножитель, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является выходом фильтра, аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом фильтра, введены блок управления, блок записи, блок анализа знаков, первый и второй блоки памяти, коммутатор и блок управления фильтрацией, выход которого соддинен с управляющими входами первого .и второго блоков памяти и первым управляющим входом сумматора, выход которого подключен к первому входу второго блока

964979 памяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора и первым входом блока анализа знаков, выход которого подключен к второму входу. втброго блока памяти, второму управляющему входу сумматора и управляющему входу умножителя, выход первого блока памяти соединен с вторым входом блока анализа знаков, первым входом умножителя и первым входом коммутатора, первый, выход которого соединен с входом пер-.)p вого блока памяти и первым входом бло- ка записи, выход которого соединен с первым входом блока управления, выход которого подключен к второму входу блока записи, управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, первому входу блока управления фильт-. рацией и управляющему входу коммутатора, второй выход которого соединен с третьим входом блока анализа знаков, вторым входом умножителя и вторым входом блока управления фильтрацией, при этом выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко второму входу коммутатора, а второй вход блока управления является управляющим входом фильтра.

Блок управления содержит генератор импульсов, генератор одиночных импульсов, делитель частоты, триггер элемент И и RS-триггер, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого 35 также соединен с первым входом генератора одиночных импульсов, выход которого подключен к R-входу RS-триггера и входу триггера, 5-вход RSтриггера является первым входом бло- 40 ка управления, а второй вход генератора одиночных импульсов является вторым входом блока управления, причем выход генератора импульсов, выход элемента И, выход триггера и выход генератора одиночных импульсов образуют выход блока управления.

Блок записи содержит первый и второй элементы И, RS-триггер, триггер счетчик, дешифратор, регистр и узел сравнения, выход которого соединен с первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с входом счетчика, выход которо- го подключен к входу дешифратора, вы- ход которого является выходом блока записи и подключен к второму входу триггера, выход RS-триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым вхо- 60 дом узла сравнения и входом регистра, выход которого подключен к второму входу узла сравнения, выход которого подклвчен к Б-axogly RS-òðèã"гера, R-вход которого является первым вхо- 65 дом блока записи, вторые входы первого и второго элемЕнтов И объединены и являются вторым входом блока записи.

Блок управления фильтрацией содержит первый и второй RS-триггеры, первый и второй элементы И, первый и второй счетчики, первый второй и третий дешифраторы, выход первого

RS-триггера подключен к первому входу первого элемента И,. выход которого соединен с первым входом первого счетчика и входом второго счетчика, выход которого соединен с входами второго и третьего дешифраторов, выходы которого подключены к S-входам соответственно первого и второго

RS-триггеров, R-входы которых объединены и являются вторым входом блока управления фильтрацией,,выход первого счетчика соединен с входом первого дешифратора, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, вторые входы первого и второго элементов И объединены и являются первым входом. блока управления фильтрацией, а выходы первого и второго элементов

И и выход дешйфратора являются выходом блока управления фильтрацией.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового согласованного фильтра для импульсных эхо-сигналов; на фиг. 2 — структурная схема блока управления; на фиг. 3 — структурная схема блока записи; на фиг. 4 — структурная схема блока управления фильтрацией.

Устройство (см. фиг. 1) содержит блок управления 1, аналого-цифровой преобразователь 2, коммутатор 3 зондирующего и эхо-сигналов, блок запи-. си 4, первый блок памяти 5 (зондирующего сигнала, блок анализа знаков

6, умножитель 7, второй блок памяти

8 промежуточных результатов, сумматор 9 и блок управления фильтраци ей 10.

Блок управления 1 (см. фиг. 2 ) содержит генератор (тактовых) импульсов 11, делитель частоты 12, генератор одиночных импульсов 13, элемент И 14, RS-триггер 15 и триггер 16.

Блок записи 4 (см. фиг. 3) содержит RS-триггер 17, первый элемент И 18, регистр 19, узел сравнения 20, триггер 21, второй элемент И

22, счетчик 23 и дешифратор 24.

Блок управления фильтрацией. 10 (см. фиг. 4) содержит два RS-триггера 25 и 26, два элемента И 27, и 28, два счетчика 29 и 30 и три дешифратора 31, 32 и 33, Устройство работает следующим образом.

Первый командный импульс с внешнего устройства, совпадающий по времени с созданием зондирующего сигнала в среде, через управляющий вход ус1ройства поступает на блок уп9б 4979 равления 1, где по его переднему фронту генератор одиночных импульсов 13 формирует импульс, который устанавливает в единичное состояние триггеры 15 и 16. Команда управления с триггера 16 поступает на коммутатор

3 и переключает его таким образом, что выход аналого-цифрового преобразоват ля 2 оказывается подключенным к входам блока записи 4 и блока памяти 5. По команде запуска с тригге- lO ра 15 тактовые импульсы, вырабатываемые генератором тактовых импульсов

11, через делитель частоты 12 и элемент И 14 поступают на аналого-цифровой преобразователь 2. Одиночный им- 15 пульс с генератора 13 поступает также на блок записи 4.

Аналоговый сигнал с внеш его устройства подается на вход аналогоцифрового преобразователя 2, в кото- 20 ром по каждому импульсу запуска производится выборка и преобразование текущего значения амплитуды входного сигнала в цифровой код. С выхода аналого-цифрового преобРазователя 2 цифровые коды, сопровождаемые синхроимпульсами, через коммутатор 3 подаются на блок записи 4 и блок памяти 5.

B последнем производится последовательная запись цифровых кодов выборок.

Блок памяти 5 построен по принци.пу сдвиговых регистров и имеет ограниченное число ячеек определяемое длительностью временной характеристики фильтра. А так как s предло-женном устройстве в качестве временной характеристики фильтра используется зондирукнщий сигнал, то число ячеек блока памяти 5 определяется количеством выборок зондирукицего сиг- "© нала п íåoáõoäèüûõ для фильтрации эхо-сигналов.

Условие согласованной (оптималь- . ной) фильтрации заключается в том, что импульсная (временная) харак- 45 теристика фильтра должна быть зеркальным отображением зондирующего сигнала, т.е.

n() с5эо (Тс- ), где То — длительность зондирующего сигнала; с — масштабный коэффициент.

Импульсная характеристика оптимального цифрового фильтра может быть записана в виде

Ь(k )=сЯ (nof 1с " ) сброс ((по 1с) г3 где k — текущий номер выборки и зондирующего сигнала, - интервал дискретизации; в т = Тс. о

Разность (hg- k) NO%Ho рассматривать как адрес ячейки, в которой записывается 1 -ая выборка,зондирующего1 сигнала, поэтому соответствующим расположением выборок в блоке памяти

5 можно реализовать временную характеристику цифрового согласованного фильтра, т.е. обеспечить зеркальное отображение зондирующего сигнала.

В общем случае время прихода эондирующ го сигнала неизвестно, поэтому запись входного сигнала в блок памяти

5 производится по командному импульсу с внешнего устройства, но ввиду ограниченности числа ячеек необходимо коды выборок зондирующего сигнала записать в блок памяти 5. таким обраэом, чтобы, например, код выборки максимальной амплитуды зондирующего сигнала находился в определенной ячейке блока памяти 5. Для этого узел сравнения 20 в блоке записи 4 производит сравнение кодов выборок входного сигнала, поступающих в данный момент

S c (m 7 ) с элемента И 18, и в предыдущий момент S с ((m-1)т), который хранится в регистре 19. При выборе максимального кода входного сигнала т.е. при условии

Sg@((m-1) i) ) Sgq (m -. ) узел сравнения 20 формирует команду, которая устанавливает триггер 17 в нулевое состояние, прекращая поступ1ление кодов, и устанавливает триггер .

121 в единичное состояние, разрешая прохождение синхронмпульсов, сопровождающих коды, через элемент И 22 на счетчик 23. Подсчет синхроимпульсов производится до тех пор, пока их количество не достигает заранее выбранного числа N выборок зондирующего сигнала, расположенных после максимума, например N = 0 . Дешифtlî ратор 24 выделяет необходимое состояние счетчика 23 и вырабатывает импульс конца записи .зондирующего сигнала, который устанавливает триггер

17 в нулевое состояние и поступает на блок управления 1, где устанавливает триггер 15 в нулевое состояние, запрещая прохождение импульсов запус- ка через элемент И 14 на аналого-цифровой преобразователь 2.

Таким образом, в устройстве зафиксированы цифровые коды выборок зондирующего сигнала, причем максимум зондирующего сигнала расположен в определенной ячейке блока памяти 5, тем самым достигается единообразие фиксации временной характеристики прн каждом зондировании.

По второму командному импульсу с внешнего устройства, который по времени упреждает эхо-сигнал, блок управления .1. вновь формирует команды управления и запуска. По команде управления коммутатор 3 подключает выход блока памяти 5 к своему входу, образуя кольцо иэ ячеек памяти для

964979 циркуляции по ним кодов выборок зондирующего сигнала, и выход аналогоцифрового преобразователя 2 - к входам блока анализа знаков б, умножителя 7 и блока управления Фильтрацией

10. по команде запуска в блоке управления 1 Формируются импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 2 с прежней частотой следования Кэ °

Аналоговый сигнал с внешнего уст- i(0 ройства подается на аналого-цифровой

° преобраэОватель 2, в котором по каждо-) му импульсу запуска производится выборка и преобразование текущего значения амплитуды входного сигнала в f5 цифровой код. С выхода аналого-цифрового преобразователя 2 через коммутатор 3 цифровые коды подаются на первый вход умножителя 7, знак кода выборки входного сигнала поступает на блок анализа знаков 6, а синхро« импульсы, сопровождающие цифровой код - на блок управления фильтрацией

10. По каждому синхроимпульсу триггеры 25 и 26 устанавливаются в единичное состояние, разрешая прохождение через элемент И 27 последовательности иэ (по+ 1) тактовых импульсов, частота следования которых f< должна быть больше в (по+ 1) раэ, чемчастота импульсов запуска 1э, т.е.

fq ) (по+ 1)Г э . Последовательность иэ (по+ 1) тактовых импульсов с элемента И 27 подается на счетчик 29 и блок памяти 5, где она используется. для обеспечения циркуляции кодой выборок зондирующего сигнала. Но так как блок памяти 5 имеет прячеек, а такто(по+ 1 ), To B HBM производится один дополнительный сдвиг кодов выборок зондирующего сигнала в 40 каждом цикле запуска аналого-цифрового преобразователя 2.. Такой режим циркуляции необходим для реализации алгоритма цифровой согласованной фильтрации. В блоке управления фильтраци- 45 ей 10 вырабатывается также "скользящий" импульс, которнй подается на сумматор 9 для вывода результата фильтрации, который в каждом цикле запуска образуется в разные такты ("скользит у) но тактам ), т.е. в первом цикле он образуется в по-омтакте, во втором цикле — в (нр- 1)-ом такте н т.д., в и -ом цикле — в нервом такте, а в (n + 1)-ом цикле — снова в потакте, у в,и + 2)-ом цикле — в (и - 1)-ом о о такте и т.д.

"Скольз>иций" импульс вырабатывается с помощью счетчика 29 с дешнфраторап -го имнульса 31. На вход счет,о чика 29 подается последовательность иэ (по+ 1) импульсов через элемент

И 27. При выделении .Дещифратора 31

-го импульса он подается на сумма" о тор 9 для вывода результата фильтрации, и задним Фронтом этого ймпульса сбрасывается счетчик 29. После сброса на счетчик поступает еще один импульс с элемента И 27. В следующем цикле запуска счетчик 29 начинает считать уже .с первого импульса, а сбрасывается (по - 1)-м импульсом,после чего в него записываются уже два импульса и т.д.

Последовательности из пои (и,+ 1) тактовых импульсов вырабатйваются в блоке управления Фильтрацией с помощью счетчика 30 и дешифраторов 32 и 33.

Дешифратор 33 выделяет состояние счетчика 30 после прихода по -го импульса и вырабатывает импульс, которым устанавливает триггер 26 s нулевое состояние и запрещает прохождение импульсов. через элемент И 28. Таким образом, с элемента И 28 выходит последовательность иэ по тактовых импульсов. Дешифратор 32 выделяет сос тояние счетчика 30 после прихода (по+ 1)-го импУльса и выРабатывает импульс, которым устанавливает триггер

25 в нулевое состояние и.запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент И 27 на счетчик 30 и на выход блока управления фильтрацией. С блока управления фильтрацией 10 тактовые импульсы через элемент И 28 подаются на блок памяти 8, где они используются для записи цифровых кодов, поступаю щих с сумматора 9, и считывания кодов промежуточных результатов на сумматор 9 и знака указанных кодов на блок .анализа знаков 6. В зависимости от знаков кодов выборок входного(5!дп-5 ) и зондирующего (В1gn S> )сигналов,а также знака кода промежуточного ре" : эультата (Sign Snp) блок анали.за знаков 6 вырабатывает команду Я на считывание прямого или обратного кода с умножителя 7 на сумматор 9, команду q на считывание прямого или Обратного кода с сумматора 9 на блок памяти 8 и команду + блока памя ти 8 на сумматор 9 согласно следующим логическим выраяениям:

Cm = Sign 5Э„,Ф 5!9п 53С

6 Cm Sign 5Р

f = Cm Sign Snp

g =(Св 5! gn Sn>+C.m 5 I gn Sn> ) Р где Се - знак произведения S SЗ >

Р— сигнал переноса сумматора.

При каждом цикле запуска код выборки входного сигнала 5>„(!ь ) поступает на один из входов умножителя 7 и сохраняется на нем до прихода кода следующего цикла излучения S э,(((i + 1)t) .

На второй вход умножителя 7 при каждом цикле запуска. подаются кодов выборок зондирующего сигнала.

В умножителе 7 производится последо1

964979

10 вательное умножение кода выборки входного сигнала S „(i i ) на все по кодов выборки зондирующего сигнала

S ((.no 1)т1. Парные произведения с выхода умножителя 7 подаются на один из входов сумматора 9, на второй вход i,оторого поступают коды промежуточных результатов из блока памяти 8. Промежуточные (частичные) суммы парных произведений с выхода сумматора 9 записываются в блок па- 10 мяти 8. В один из тактов,: соответ° ствуюций скользящему" импульсу, код промежуточной суммы выводится с сумматора 9 на выход устройства, а в этот момент в блок памяти 8 запи- 15 сывается нулевой код, т.е. происходит сброс одной из ячеек блока памяти 8 °

В процессе работы устройства реализуется следующий алгоритм цифро- . вой согласованной фильтрации

3 (n0 () " е ((в ) 3

ЕЬв л Зс где n — текущий номер выборки вход-. ного сигнала.

Причем, при и с k Ье„ О.

Таким образом, перезапись зондирующего сигнала при каждом зондировании и использовании его кодов выборок в качестве импульсной (времен- ЗО

1 ной)характеристики фильтра создает в сравнении с прототипом оптимальный режим фильтрации для каждой реализации импульсных эхо-сигналов..Выбор максимального значения зондирую- 35 щего сигнала и запись его в определенную ячейку блока питания независимо от времени прихода обеспечивает стабильность импульсной харак- . теристики цифрового фильтра для каж- 49 дой реализации эхо-сигнала. Выработка "скользящего," импульса позволяет непосредственно в процессе фильтрации выводить результаты на внешнее устройство и не затрачивать время на 45 поиск результата фильтрации после окончания цикла обработки.

Формула изобретения

1. Цифровой согласованный фильтр для импульсных эхо-сигналов содержащий умножитель; выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является выходом фильтра,5 аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом фильтра

io т л и,ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности фильтрации, в него введены блок управления, блок записи, блок анализа знаков, первый и второй блоки памяти, коммутатор и блок управления фильтрацией, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго блоков памяти 65 и первым управляющим входом сумматора, выход которого подключен к первому входу второго блока памяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора и первым входом блока анализа знаков, выход которого под- . ключен к второму входу второго блока памяти, второму управляющему входу сумматора и управляющему входу умножителя, выход первого блока памяти соединен с вторым входом блока анали« за знаков, первым входом.умножителя и первым входом коммутатора, первый выход которого соединен с входом первого блока памяти и первым входом блока записи, выход которого соединен с первым входом блока управления, в ход которого подключен к второму входу блока записи, управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, первому входу блока управления фильтрацией и управляющему входу коммутатора второй выход которого соединен с третьим входом блока анализа знаков, вторым входом умножителя и .вторым входом блока управления фильтрацией, при этом выход аналога-цифрового преобразователя подключен к второму входу коммутатора, а второй вход блока управления является управляющим входом фильтра.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е .е с я тем, что блок управления содержит генератор импульсов, генератор одиночных импульсов, делитель частоты, триггер, элемент И и

RS-триггер, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого также соединен с первым входом генератора одиночных импульсов, выход которого подключен к

R-входу RS-триггера и входу триггера, S-вход RS-триггера является первым входом блока управления, а второй вход генератора одиночных импульсов является вторым входом блока управ-. ления, причем выход генератора импульсов, выход элемента И, выход триггера и выход генератора одиночных импульсов образуют выход блока управления.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок записи содержит первый и второй элементы

И, RS -триггер, триггер, счетчик, дешифратор, регистр и уэел сравнения, выход которого соединен .с .первым входом триггера, выход которого подключен к первому входу. второго элемента И, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подключен к входу дешифратора, выход которого является выходом блока записи и подключен к второму входу триггера, 964979 12 выход gg-триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом узла сравнения и входом регистра, выход которого подключен к второму входу узла сравнения, выход которого под- 5 ключен к S-входу RS-триггера,Р-вход которого является первым входом блока записи, вторые входы первого и второго элементов И объединены и являются вторым входом блока записи. 10

4. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления фильтрацией содержит первый и второй RS-триггеры., первый и второй элементы И, первый и второй счетчики, 5 первый, второн и третий дешифраторы, выход первого RS-триггера подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом первого счетчика и входом второго о счетчика, вы<од которого соединен с входами второго и третьего дешифраторов, выходы которого подключены к

S-входам соответственно первого и второго RS-триггеров, R-входы которых объединены и являются вторым входом блока управления фильтрацией, выход первого счетчика соединен с входом первого дешифратора, выход которого подключен к второму входу первого счетчика, вторые входы первого и второго элементов И объединены и являются первым входом блока управления фильтрацией, а выходы первого и второго элементов И и выход дешифратора являются выходом блока управления фильтрацией.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гольденберг Л.М. и др. Цифровые фильтры. И., "Связь". 1974.

2. Патент СШЛ У 3521041, кл. G 06 F 15/34, 1970 (прототип).

964979

Составитель A.Áàðàíîâ

Редактор Л.Веселовская Техред Л.Пекарь Корректор С.Швкмар

Заказ 7688/46 Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4