Адаптивный цифровой фильтр

 

Изобретение относится к радио технике. Цель изобретения - повьшение точности фильтрации путем увеличения цодавления коррелированных помех.. Фильтр содержит ключ 1,6лок 4 вычисления весовых ко эф., четыре блока 6 задерж ки,три умножителя 7 ,сумматор 8 и блок 9 синхронизации. Введены ключ 2, блок 3 оценки коэф.корреляции, блок 5 определения параметра аппроксимации. По п.2 ф-лы блок 4 содержит два квадратора , три сумматора, три умножителя, два инвертора, два весовых блоков, блок вычитания, регистр, два функциональных преобразователя. По п.З блок 5 содержит три блока вычисления логарифма, регитр,- два блока деления . В данном фильтре с прямыми связями , синтезированном в соответствии с адаптивным байесовским подходом по критерию макс. коэф. подавления помехи , используется для вычисления весового вектора алгоритм Q,G D, где Q - Q-ii-j; J оценка макс .правдоподобия корреляционной матрицы помехи; D оценка макс.правдоподобия корреляционного вектора помехи; /i-j) -е оценка козф. корреляции помех; i,o l(N-l); N фильтра; G (q ...qц) тор фильтра; I 1, j. 10 ил. -порядок -весовой век- 2 3.п.ф-лы, (/ С

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИ11

А1 (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К Д BTOPCHOMY (:ВИДЕТЕПЬСТВУ г а i М

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4150738/24-09 (22) 24.11.86. (46 ) 15.04.88. Бюл. 11 !4 (71 ) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72} В.Я,Плекин и М.М.Леднев (53) 621.372,543.3(088.8) (56) Патент США У 4349889, кл. G Об I 15/34,.1982. (54 ) АДАПТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения — повышение точности фильтрации путем увеличения подавления коррелированных помех.

Фильтр содержит ключ 1,блок 4 вычисления весовых коэф.,четыре блока 6 задержки, три умножителя 7,сумматор 8 и блок 9 синхронизации. Введены ключ 2, блок 3 оценки коэф.корреляции, блок 5 определения параметра аппроксимации. По п.2 ф-лы блок 4 содержит два квадрато(gf) 1 G 06 1< 15/347, Н 03 Н 21/00 ра, три сумматора, три умножителя, два инвертора, два весовых блоков, блок вычитания, регистр, два функциональных преобразователя ° По п.3 ф-лы блок 5 содержит три блока вычисления логарифма, регитр, два блока деления. В данном фильтре с прямыми связями, синтезированном в соответствии с адаптивным байесовским подходом по критерию макс. коэф. подавления помехи, используется для вычисления весол л вого вектора алгоритм QG = D, где = jq f 1f — оценка макс.правдоподо.бия корреляционной матрицы помехи; л

D =(q11f оценка макс.правдоподобия корреляционного вектора помехи; л Л

q< — оценка коэф. корреляции помех; i j = 1(N 1); N — порядок фильтра; О = (q о,„) — весовой вектор фильтра; 1 = 1, Л. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

1388896

1!зобретение Относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах для подавления корреляционных помех,, например, в связных радиолиниях.

Цель изобретения -- повышение точности фильтрации путем увеличения подавления корреляционных помех.

ila фиг.l изображена структурная 10 электрическая схеме адаптивного цифрового фильтра; на фиг.2 — структурная схема блока. вычисления весовых коэффициентов; на фиг.3 -- структурная схема блока определения параметра аппрок-15 симации," на фиг.4 — схема первого функционального преобразователя, на фиг.5 — схема второго функционального преобразователя, на фиг.6 — схема блока вычисления логарифма; на фиг.7 — 20 схема блока вычисления экспоненты; на фиг.8 — схема блока оценки коэффициентов корреляции; на фиг.9 — схема накопителя; на фиг.10 — эпюры напряжений на выходах блока синхронизации, 25 поясняющие работу адаптивного цифрового фильтра.

Адаптивный цифровой фильтр содержит первый 1 и второй 2 ключи, блок 3 оценки коэффициентов корреляции, ЗО ,блок 4 вычисления весовых коэффициентов, блок 5 определения параметра аппроксимации, с первого по четвертый блоки 6 задержки, с первого по третий умножители 7, сумматор 8 и блок 9 35 синхронизации, Блок 4 вычисления весовых коэффициентов образуют первый 10 и второй 11 квадраторы,пер:вый сумматор 12, первый умножитель 13, второй сумма- 40 тор 14, второй умножитель 15, первый инвертор 16, перный весовой блок 17, блок 18 вычитания, регистр 19, второй иннертор 20,третий умножитель 21, третий сумматор 22,, второй весовой блок 23, а также первый 24 и второй 25 функциональные преобразователи, Блок 5 определения параметра аппроксимации включает первый 26 и второй 27 блоки вычисления логарифма, регистр 28, первый блок 29 деления,, третий блок 30 вычисления логарифма и второй блок 31 деления.

Первый функциональный преобразователь 24 содерх;ит блок 32 вычисления логарифма, умножитель 33 и блок 34 вычисления экспоненты.

Второй функциональный преобразователь образуют умножитель 35, регистр 36 и блок 37 вычисления экспоненты.

Блоки 26, 27, 30 и 32 вычисления логарифма содержат регистр 38, сумматор 39, блок 40 вычитания, блок 41 деления, k блоков 42 возведения н степень, k весовых блоков 43 и выходной сумматор 44.

Блоки 34 и 37 вычисления экспоненты содержат k блоков 45 возведения н степень, k весовых блоков 46, сумматор 47 и регистр 48.

Блок 3 оценки коэффициентов корреляции включает первый 49 и второй 50 блоки задержки, первый 51 и второй 52 умножители, квадратор 53, с перво го по третий накопители 54-56, а также первый 57 и второй 58 блоки деления °

Накопители 54-56 содержат многоотводный блок 59 задержки, сумматор 60, блок 61 сравнения, регистр 62, счетчик 63 и блок 64 совпадения °

Адаптивный цифровой фильтр работает следующим образом, В адаптивном режекторном фильтре с прямыми связями, синтезированном, в соответствии с адалтивным байесовским подходом по критерию максимального коэффициента подавления помехи, используется для вычисления весового вектора следующий алгоритм

QG = D (1) где Q. = р . 1- оценка максимально(1-!!1

ro правдоподобия корреляционной матрицы помехи; гл

В = (ц ) — оценка максимального правдоподобия корреляционного л л вектора помехи;

q 1,, э q i — Оценки кОэффициентов корреляции помехи;

i,j = 1(М-1), Н вЂ” порядок фильтра;

G = (q,,...q„) — весовой вектор фильтра; !

Однако процесс измерения корреляционных характерис гик сопровождая тся ошибками поэтому полученные зна re.—

A ния Q u D отличаются от своих истинных значений „ и D coo IB!т<:тв !rrr(и;l матрицу и вектор Ошибок

При этом несоной вектор, Ои!

1388896 ный из системы (1), отличается от своего оптимального значения G

-< г

= Q D на величину 3 G. Относительно по норме возмущение весового вектора

1

hG = condQ(h Q + е D)(1- ь QcondQ), (2) где ьQ = JI(Q/! / ll й!!, hD = (I8DlI / 1!В II — относитель- 1(1 ные возмущения матрицы и вектора; сопс1Я,= «< «<,,„ — число обусловленности кор- 1g реляционной матрицы помехи; — максимальное р мсюкс Р мин и минимальное 2(1 собственные значения матрицы;

JI.(J обозначает норму вектора и согласованную с ней норму матрицы.

Из (2) следует, что в случае сильно коррелированных помех, характеризующихся плохо обусловленной корреляционной матрицей (cond Ц» <- ), вычисленное значение 6 может сильно отличаться от своего оптимального значения G, что приводит к существенному снижению эффективности подавления коррелированных помех.

Рассмотрим следующую систему линейных уравнений:

ZG. = Р.: (3)

Решая систему уравнений (3), весовые коэффициенты фильтра ; i = 1N можно выразить как отношение двух полиномиальных функций: я; = ; (q., ° ° ° q«) ф (< ° ° ° Яг<} ° (4)

Для помех, корреляционные матрицы которых являются теплицевыми, справедливо соотношение 45

q; = q1I"<, (5) где f (i)=j 1е < < 2 — параметр, зависящий от модели рассматриваемой помехи.

С учетом (5) выражение (4) приводят к виду

>,=й(,,-<,ll и (<.,- I, (6) где q и q, — корни полиномов 1; и Si, 55

При этом среди множества корней и q, найдутся такие, что е

< е (q — q,(O и Iq — qJ O при q, = 1, а формула (6) переходит в отношение двух бесконечно малых величин. Так как норма весово о вектора является ограниченной II G II, то подмно- . жества кор;;ей полиномов числителя и знаменателя (4 ), дающих неустойчивость алгоритма, при условии (5 ) совпадают, а следовательно, при конкретном значении 1 «

q; =П (q, -q)/é (1,-q, )= е= III=

=q(ы;) (7) где с — размерность подмножества неустойчивых корней, Таким образом, на множестве ог. можно получить устойчивые значения весового вектора G (<г,J ), j=l,P (P — число точек аппроксимации), с использование метода наименьших квадратов весовой вектор G аппроксимируется по всему множеству ог.)по каждой координате q; . Для этого решают систему уравнений

Х = (A A) A Y, (8) где ; = Х,e4 + Х - аппроксимированный весовой коэффициент;

Х = (Х<,X ) — вектор аппроксимирующих коэффициентов;

А — матрица размерности рх2, J-я строка которой есть (l с„);

Y — - вектор размерности р, Y == (a;(<, )1, = >, г.

С использованием описанной процедуры был синтезирован адаптивный цифровой фильтр четвертого порядка, весовые коэффициенты которого определяются соотношениями: яо = я = 1 Кт= 2 (E q +Ч. )> л 1 (г) к, = -к,= -q, 5(2q, + q „)" х (< -1) + 1 . (9)

При этом в качестве параметрами можно испольэовать оценку максимального правдоподобия, которая следует из (5) при i= 2:

1п (in q, glnq,)

1п2

В начале работы адаптивного цифрового фильтра с второго выхода блока 9 на управляющий вход второго ключа 2 начинают поступать импульсы T оценки (фиг. 10а ), в результате чего от1388896

1пх =,> (х+1 "" ? и+1 (12) счеты входной помехи в параллельной г-разрядной форме поступают в блок 3 (фиг.8), который производит оценку коэффициентов корреляции входной по5 мехи в соответствии с алгоритмом л л< м

q; = + иЯ U (n-i)/ QU (nJ ()1)

n-< n=< где Ugn) — отсчеты входного сигнала;

М вЂ” объем вь)борки оценивания 10

Дня этого задержанные выборки сигналов с выходов первого 49 и второ- го 50 блоков 4 задержки поступают в первый 51 и второй 52 умножители, в которых умножаются на текущие отсчеты помехи. Полученные таким образом, произведения, а также значения квад2 ратов выходного процесса U (nj поступают в первый-третий накопители 54-56 (фиг.9). Р>мпульсы Т, значения U fnJ, U fn) U j(n-i )1 передвигаются в многоотводном блоке 59 задержки накопителей 54-56. Одновременно счетчик 63 производит подсчет импульсов Т, а затем его выходной код Осч сРавниваетсЯ 25 с цифровым кодом И, хранящимся в регистре 62, в блоке 61 сравнения. В момент равенства кодов U = М на выходе блока 61 формируется единичный уровень, поступающий на стробирующий вход блока 64 совпадения.

Причем с второго вьвсода блока 9 поступает только М импульсов Т, оценки, поэтому накопленные значения сигналов через блоки 64 накопителей 54-56 подаются в блоки 57 и 58 деления. Через с g (где <. д — время деления кодов ).на выходах этих блоков устанав-. л ие . ливаются цифровые коды оценок q) q

Блок 5 определения параметра ап"- 40 проксимации в соответствии с алгоритмом (.)О) вычисляет оценку cc., для чел

ro значения q, и q поступают в бх(оки 26 и 27 вычисления алгоритма. Затем с помощью блока 29 деления форми- 45

А А руется величина lnq,,/lnq (,которая через третий блок 30 вычисления логарифма поступает во второй блок 31 деления. В этом блоке она нормируется относительно значения ln2, цифровой код которого хранится в регистре 28.

Блоки 26, 27, 30 и 32 работают следующим образом„ Для вычисления

lпх используется стандартное разлс>жение этой функции в ряд Тейлора при 55 х>0:

На выходе блока 41 деления формируется величина (х-) ) (x+1 ), которая затем в соответствии с (12) возводится в нужную степень в блоках 42, а после этого через соответствующий весовой блок 43 (реализующий операцию взвешенного умножения и состоящий из умножителя и регистра чисел, в которых хранится весовой коэффициент) поступает в выходной сумматор 44.

Обычно для достижения удовлетворительной точности используют не более 4-5 членов ряда (12).

Блок 4 вычисления весовых коэффил циентов по поступившим оценкам л и Ы вычисляет в соответствии с алгоритмом (9) значения q< и q, Для форл (х) мирование величины с11 используют первый 24 и второй 25 функциональные преобразователи (фиг.4 и 5). Для вычисления | (2)=2 применяют второй функциональный преобразователь 25, При этом величину ((.) можно определить как

ln г (2) = « .1п2 g (et) = ехр(Е„), Z, = <)(, 1n2. {13)

В соответствии с (13) на выходе умножителя 35 формируется значение л м.1п2, которое затем поступает в блок 37 вычисления экспоненты (фиг ° 7)

Для вычисления е применяют станх дартное разложение этой функции в ряд Тейлора:, 1" = 1+ С--., (14)

3..

Полученное таким образом значение (2) поступает в первый функциональный преобразователь 24, определяющий л 1 () величину q, которую можно представить как л 1("1

1nq = 1 (2) 1пс),= с1, = ехр, Z = ()"(2)1гщ,. (15)

В соответствии с (15) на выходе умножителя 33 формируется значение л ((2 ) lnq поступающее затем в блок 34, на выходе которого устанавливается л F(2) с1 °

Через Т " + 6 (< — время вычись g z ления второго весового коэффициента

g ) на выходах блока 4 формируются значения координат весового вектора, которые поступают на вторые входы умножителей 7. После этого с первого выхода блока 9 на управляющий вход первого ключа 1 и тактовые входы блоков 6 задержки начинают поступать импульсы Т,) обработки (фиг.10б).

1388896

В результате этого цифровые отсчеты входного сигнала проходят в настроенный адаптивный цифровой фильтр, а на выходе сумматора 8 суммирования формируется выходной сигнал в виде суммы взвешенных задержанных отсчетов.

Формула изобретения

2, Фильтр по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что блок вычисления

Адаптивный цифровой фильтр, содержащий последовательно соединенные первый ключ, вход которого является входом адаптивного цифрового фильтра, 5 первый, второй, третий, четвертый блоки задержки и сумматор, выход которого является выходом адаптивного цифрового фильтра, первый, второй и тре-.. тий умножители, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего блоков задержки, а выходы подключены к второму, третьему и четвертому входам сумматора соответственно, пятый вход которого соединен с выходом первого ключа, блок вычисления весовых коэффициентов, первый, второй и третий выходы которого соединены с вторыми входами первого, второго и третьего умножителей соответственно, и блок синхронизации, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа и тактовыми входами первого, второго, третьего и четвертого блоков saдержки,отличающийся тем, что, с целью повышения точности фильтрации, путем увеличения подавления коррелированных помех, введены последовательно соединенные второй ключ, вход которого соединен с входом первого ключа, блок оценки коэффициентов корреляции и блок определения параметра аппроксимации, второй вход которого соединен с вторым выходом .блока оцен ки коэффициентов корреляции, причем

45 первый и второй входы блока вычисления весовых коэффициентов соединены с первым выходом блока оценки коэффициентов корреляции и с выходом блока определения параметра аппроксимации соответственно, а управляющий вход второго ключа и тактовый вход блока оценки коэффициентов корреляции соединены с вторым выходом блока синхронизации, 55 весовых коэффициентов содержит последовательно соединенные первый квадратор, второй квадратор первый сумматор, первый умножитель, второй сумматор,второй умножитель и первый инвертор,первый весовой блок, входи выход которого соединены соответственно с выходом первого квадратора и вторым входом первого сумматора, блок вычи-. тания, выход которого соединен с вторым входом первого умножителя, регистр, выход которого соединен с первым входом блока вычитания и BTopbM входом второго сумматора, второй инвертор, выход которого соединен с вторым входом второго умножителя, последовательно соединенные третий умножитель, первый вход которого соединен с выходом второго умножителя,третий сумматор и второй весовой блок, первый функциональный преобразова-. тель, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, и второй функциональный преобразователь, выход которого соединен с первым входом первого функционального преобразо" вателя, причем выходы второго умножителя, второго весового блока и первого инвертора являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока вычисления весовых коэффициентов, первым и вторым входом которого являются соответственно объединенные между собой входы первого квадратора, второго инвертора, вторые входы третьего умножителя, первого функционального преобразователя и объединенные между собой второй вход блока вычитания и вход второго функционального преобразователя.

3, Фильтр по п.l, о т л и ч а ю— шийся тем, что блок определения параметра аппроксимации содержит первый и второй блоки вычисления логарифма, регистр и последовательно сое- . диненные первый блок деления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков вычисления логарифма, третий блок вычисления. логарифма и второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом регистра, а выход является выходом блока определения параметра аппроксимации, первым и вторым входами которого являются входы первого и второго блоков вычисления логарифма соответственно.

1388896

1388896

Составитель С.Музычук

Техред M.)(оданич Корректор М.Максимишинец

Редактор А.0rap

Тираж 704

Заказ 1582/51

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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