Гибридный фильтр

 

Гибридный фильтр относится к области электросвязи и предназначен для использования в устройствах цифровой фильтрации сигнала. Целью изобретения является снижение дисперсии шумовой составляющей выходного сигнала. Другой целью изобретения является улучшение формы выходного сигнала путем исключения из него импульсов малой длительности. Указанная цель достигается тем, что при фильтрации сигнала, заключающемся в формировании последовательности сигналов, представляющих собой входной сигнал, задержанный на определенное для каждого сигнала последовательности число тактов задержки, умножении каждого сигнала последовательности на коэффициент предсказания полезной составляющей входного сигнала, их последующем суммировании и ранжировании полученных сигналов оценок полезной составляющей входного сигнала по их величине, сигналы оценок полезной составляющей входного сигнала умножают на коэффициенты, соответствующие положению величин уточненной оценки полезной составляющей входной величины, являющегося результатом гибридной фильтрации входного сигнала . Кроме того, после суммирования сигнал уточненной оценки полезной составляющей входного сигнала дополнительно подвергают рекурсивной медианной фильтрации с пеертурой, не менее чем в два раза превышающей длительность импульсов, искажаю-. щих форму сигнала. Гибридный фильтр содержит N элементов задержки 1.1-1.N, К регистров масштабных коэффициентов 3.0- З.К, К умножителей 2.0-2.К, М сумматоров 4.1-4.М, блок ранжировки по величине 5, М перемножителей 6.1-6.М, М блоков памяти коэффициентов 7.1-7.М. сумматор 8.L элементов задержки 9.1-9.L, L элементов задержки и 10.1-10.L, блок выбора медианы 11.1 з.п. ф-лы, 2 ил. ел С 00 о VJ ел СП vj

сОюз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИК (5!)5 Н 03 Н 17/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4800527/09 (22) 26.12.89 (46) 07,04.93. Бюл, М 13 (71) Научно-производственное объединение

"Дальняя связь" (72) Н, Ю.Секунов (56) Gallagher N.Ñ. and Wise G,L,А theoretical

analysis of the properties of median filters.

IEEE trans., vol, ASSP — 29, N 6, рр, 11361141, December. 1981, Nodes Т,А, and Gallagher N,Ñ. Median

filters: зове modification and their

properties. IEEE trans., Vol ASSP-30, М5, рр, 739 — 746, October, 1982.

HeInonen P, and Neuvo V, FIR — median

hybrid filters with predicative FIR—

Substructures. IEEE trans., voi, ASSP 36, М

6, рр. 892-899; June, 1988, (54) ГИБРИДНЫЙ ФИЛЬТР (57) Гибридный фильтр относится к области электросвязи и предназначен для использования в устройствах цифровой фильтрации сигнала, Целью изобретения является снижение дисперсии шумовой составляющей выходного сигнала, Другой целью изобретения является улучшение формы выходного сигнала путем исключения из него импульсов малой длительности. Указанная цель достигается тем, что при фильтрации сигнала, заключающемся в формировании последовательности сигналов, представляющих соИзобретение относится к области электросвязи, а именно .для использования в устройствах цифровой фильтрации сигнала.

Целью предлагаемого изобретения является искажение дисперсии шумовой соЫ2 1807557 Al бой входной сигнал, задержанный на определенное для каждого сигнала последовательности число тактов задержки, умножении каждого сигнала последовательности на коэффициент предсказания полезной составляющей входного сигнала, их последующем суммировании и ранжировании полученных сигналов оценок полезной составляющей входного сигнала по их величине, сигналы оценок полезной составляющей входного сигнала умножают на коэффициенты, соответствующие положению величин уточненной оценки полезной составляющей входной величины, являющегося результатом гибридной фильтрации входного сигнала. Кроме того, после суммирования сигнал уточненной оценки полезной составляющей входного сигнала дополнительно подверга- ) ют рекурсивной медианной фильтрации с пеертурой, не менее чем в два раза превышающей длительность импульсов, искажаю-, щих форму сигнала. Гибридный фильтр содержит N элементов задержки 1.1 — I.N, К регистров масштабных коэффициентов 3.0—

З.К, К умножителей 2.0-2.К, М сумматоров

4.1 — 4.М, блок ранжировки по величине 5, М в М перемножителей 6.1 — 6.М. М блоков памяти 00 коэффициентов 7.1 — 7.М. сумматор 8 L эле- С3 ментов задержки 9,1 — 9.L, L элементов задержки и 10.1 — 10.L, блок выбора медианы (Л

11, 1 з,п. ф-лы, 2 ил. (Я ставпяющей выходного сигнала и, тем самым. повышение качества фильтрации по критерию минимума среднеквадратической ошибки, а также улучшение формы выходного сигнала путем исключения из него 1мпульсов малой длительности.

1807557

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемoro гибридного фильтра, где: 1,1, 1.2,.„, 1.N--элементы задержки; 2.0, 2,1, „„2,К вЂ” умножители; 3.0, 3,1, Ä Ç.К-регистры масштабных коэффициентов; 4.1, 4,2, 4.М-сумматоры; 5 — блок ранжировки по величине; 6,1, 6.2, ..., 6,М-перемножители, 7.1, 7,2, ..., 7,М вЂ” блоки памяти коэффициентов; 8 —; 9,1, 9.2, ... 9Л вЂ” первая группа элементов задержки; 10,1, 10.2, ..., 10.L — вторая группа элементов задержки;

11 — блок выбора медианы; на фиг. 2 — блоксхема блока ранжировки по величине, где:

12,1.1, 12,1.2.....; 12.I,J, ..., 12,M.Н вЂ” блоки сравнения; 13.1.1, 13.1.2, ..., 13.I.J,.„, 13.М.П вЂ” коммутаторы;

Предлагаемый гибридный фильтр для снижения величины дисперсии шумовой составляющей выходного .сигнала содержит последовательно соеДиненных элементов задержки 1.1, ..., 1.N, вход первого из которых 1.1 является входом данного фильтра, причем, вход первого 1.1 и выход каждого

1.1, ..., 1.N элемента задержки подключены к первому входу соответствующего ему I-ro (где I = О,...,К) .умножителя 2Л, второй вход которого подключен к выходу i-ro регистра масштабных коэффициентов ЗЛ, а также М сумматоров 4.1...„4,М, входы которых подключены к выходам соответствующих умножителей 2.0,...,2,К, а выходы к входам блока ранжировки по величине 5, Одним из возможных способов реализации блока ранжировки по величине 5 является следующий; блок ранжировки по величине 5 содержит блоки сравнения 12.1,1...„12.М,Н и коммутаторы, 13,1.1„.,1ЗМ.Н, где первый индекс определяет уровень, а второй — позицию в уровне, причем первый и второй входы блоков сравнения 12,1,1,.,12,М.Н соединены соответственно с первым и вторым информационными входами соответствующих по уровню и позиции коммутаторов

13.1.1,...,13.М.Н, а выходы блоков сравне. ния 12.1,1,...,12.M.Í соединены с управляющими входами соответствующих по уровню и позиции коммутаторов13.1.1,...,13,M.Н, Первый вход блоков сравнения 12.2.1„,.12.M,Н всех уровн"A, кроме первого, соединен с выходом максимума предыдущего по позиции коммутатора предыдущего уровня

13.1,1„...13,M--1.Н, а второй их вход соедиll8H с выходом минимума соответствующего по позиции коммута-:ора предыдущего уровня 13.1.1,;. Ä13.M-1, Н, причем считается, что первая позиция уровня следует за . последней. В случае нечетного числа уровней M первый вход блока сравнения

12.3,Н„.„12 М,Н соединен с выходом максимума коммутатора 13.1.1... „,13. М-2,1 пе рвой позиции не предыдущего, а предшествующего предыдущему уровню, то есть уровня с номером меньшим на два по отношению к текущему, а второй вход блока сравнения 12,2.Н соединен с последним входом, имеющим номер М, блока ранжировки по величине 5, Первые входы блоков сравнения первого уровня 12,1.1,...,12.1.Н соединены со входами блока ранжировки по

"0 величине 5 соответствующим удвоенному номеру позиции без единицы, а их вторые входы соединены с входами блока ранжировки по величине 5 соответствующими удвоенному номеру позиции. Выходы

"5 максимума коммутаторов последнего уровня 13.M.1,...,13,M.Н соединены с выходами, блока ранжировки по величине 5, соответствующими удвоенному номеру позиции, а выходы минимума коммутаторов последнего уровня 13.М.1„„,13.М,Н, соединены с выходами блока ранжировки по величине 5, предшествующими по номеру выходам с которыми соединены их выходы максимума, В случае нечетного числа уровней М с по-. следним выходом блока ран>кировки по величине 5 соединен выход максимума коммутатора последней позиции предпоследнего уровня

13,М-1,Н. Предлагаемый гибридный фильтр содер>кит также M перемножителей

30 6.1,.„,6.M,М блоков памяти коэффициентов

7.1,...,7.M и сумматор 8, выход которого является выходом гибридного фильтра, а входы подключены к выходам соответствующих перемножителей 6.1„...6,М, первые входы кото35. рых соединены с соответствующими выходами блока ранжировки по величине 5, а вторые входы — с выходами соответствующих блоков памяти коэффициентов 7.1...„7,М;

Предлагаемый гибридный фильтр для

40 yëó÷øåíèÿ формы выходного сигнала путем . исключения из него импульсов малой длительности содержит дополнительно две группы элементов задержки 9.1„,9,(и

10,1,...,10Л, в каждой из которых 1 элемен45 тов задержки соединены последовательно, и блок выбора медианы 11. Выход сумматора 8 подключен к входу первого элемента задержки первой группы 9.1 и к первому входу блока выбора медианы 11, выходы

50 всех элементов задержки 9,1,...,9,Р и

10.1 „...10Л подкл ючен ы к соответствующим входам блока выбора медианы 11, выход которого соединен со входом первого элемента задержки второй группы 10.1 и является выходом гибридного фильтра. Одна из возможных реализаций блока выбора медианы 11 полностью идентична реализации блока ранжирования по величине 5, если, число его входов положить равным 2L+ 1 с соответствующим изменением числа упг s1807557

15

30

55 ней и позиций. Выходом блока выбора медианы 11 в этом случае является. выход с номером + 1 в примененной в блоке ранжирования по величине 5 нумерации, Элементы задержки 1.1„„,1.N, 9,1,...9.! и 10,1,.„,10,L, регистры масштабных коэффициентов 3.0„„,3,К и блоки памяти коэффициентов 7,1,.„,7.М могут быть реализованы на интегральных микросхемах К155 ИР13, умножители 2,0„,2,К и перемножители

6,1„„,6,М могут быть реализованы на интегральных микросхемах КР1802 ВР2, сумматоры 4.1,...,4,М и сумматор 8 могут быть реализованы на интегральных микросхемах

К155 ИМЗ, коммутаторы 13.1.1,...,13,M.1! могут быть реализованы на интегральных микросхемах К555 КП12, блоки сравнения

12,1,1, J2.M,Н могут быть реализованы на микросхемах К555 СП1.

Предлагаемый гибридный фильтр для снижения величины дисперсии шумовой саставляющей выходного сигнала работает следующим образом, Входной сигнал, представленный своей двоичной величиной поступает на вход первого элемента задержки

1.1. С входа первого 1.1 и выхода каждого

1,1„...1.N элемента задержки сигнал поступает на первый вход соответствующего ему

I-ro (где I = О...„К) умножителя 2,i, второй вход которого поступает масштабный коэффициент с выхода I-го регистра масштабных коэффициентов 3.!. Промасштабированный сигнал с выходов умножителей 2.0„...2,К поступает на входы сумматоров 4,1„...4.М, обеспечивая тем самым линейную фильтрацию входного сигнала устройства М линейными фильтрами, коэффициенты которых записаны в регистрах масштабных коэффициентов 3,0,...,3.К, а элементы задержки

1,1„...1 N обеспечивают необходиМую для этого задержку входного сигнала, С выходов сумматоров 4.1„...4.M отфильтрованные сигналы, обычно, представляющие оценку одного и того же значения полезного сигнала на основе анализа различных участков входного сигнала, поступают на входы блока ранжировки по величине 5, Рассмотрим работу элементов внутренней структуры блока ранжировки по величине 5, Сигнал, поступающий на первый и второй входы блоков сравнения 12,1,1„.,12.M, Н поступает одновременно на первый и второй информационные входы соответствующих по уровню и позиции коммутаторов

13,1.1,...,13.М.Н, с выходов блоков сравнения

12.1.1„.„12.M,Н сигнал поступает на управляющие входы соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 13,1.1,...,13,M.Н. Таким образом, соответствующие по уровню и позиции блоки сравнения 12,1.1...„12.M.H u коммутаторы 13.1.1„.,13,М. Н образуют элементарный блок поиска максимального и минимального элемента на два входа, поскольку в зависимости от выходного сигнала блока сравнения 12.1,1,...,12,М.Н соответствующий коммутатор 13.1,1,.„,13.М.Н произ- водит. коммутацию своих входных сигналов таким образом, что на его выход максимума поступает входной сигнал имеющий большую величину, а на его выход минимума — входной сигнал с меньшей величиной. На первый входблоковсравнения

12,2,1,...,12.M.Н всех уровней. кроме, первого, поступает сигнал с выхода максимума предыдущего по позиции коммутатора предыдущего уровня 13.1.1...„13.M-1.Н, а на второй их вход поступает сигнал с выхода минимума соответствующего по позиции коммутатора предыдущего уровня

13.1.1,....13,M-1.Н, причем считается что первая позиция уровня следует за последней. В случае нечетного числа уровней М на первый вход блока сравнения

12.3.Н,...,12.M.Н поступает сигнал с выхода максимума коммутатора 13.1.1,, 13.M-2.1 первой позиции не предыдущего, а предшествующего предыдущему уровня, го есть уровня с номером меньшим на два ro отношению к текущему, а на второй вход блока сравнения 12 2.Н поступает сигнал с последнего входа, имеющего номер М, блока ран>кировки по величине 5, На первые входы блоков сравнения первого уровня

12.1.1,...,12,1.Н поступают сигналы со входов блока ранжировки по величине 5 соответствующих удвоенному номеру позиции без единицы, а на их вторые входы поступают сигналы со входов блока ранжировки по величине 5 соответствующих удвоенному номеру позиции. С выходов максимума коммутаторов последнего уровня

13.М.1,...,13,M.Н сигналы поступают на выходы блока ранжировки по величине 5, соответствующие удвоенному номеру позиции, а с выходов минимума коммутаторов последнего уровня 13,М.1„...13.М.Н, сигналы поступают на выходь блока ранжировки по величине 5, предшествующие по номеру выходам с которыми соединены их выходы максимума. В случае нечетного числа уровней М на последний выход блока ранжировки по величине 5 сигнал поступает с выхода максимума коммутатора последней позиции предпоследнего уровня 13,М-1.H. В блоке ран>кировки по величине 5 при такой его организации на каждом уровне производится сравнение и коммутацию пар величин из входной последовательности, межуровневая коммутация и число уровней позволяют произвести на основании произ1807557

40

50

55 веденных сравнений упорядочение входных величин блока ранжировки Ilo величине

5 по возрастанию, причем минимальный элемент снимается с первого выхода блока ранжировки по величине 5, а максимальный — с последнего. С каждого выхода блока ранжировки по величине 5 сигнал поступает на первый вход соответствующего перемножителя 6.1,...,6,М, на второй вход которого поступает величина коэффициента с выхода соответствующего блока памяти коэффициентов 7.1,...,7,М. Сигналы с выходов перемножителей 6.1,.„,6,M суммируются на сумматоре 8, с выхода которого снимается выходной сигнал устройства в случае, когда не ставится задача выделения в входном сигнале ступенчатой составляющей, Комбинация перемножителей 6.1,...,6.М, блоков памяти коэффициентов 7.1„.„7,М и сумматора 8 формируют характеристику рангового фильтра. Если при нечетном числе ранжируемых величин M во всех блоках памяти коэффициентов 7,1,„„7.М, кроме 7.(М1)/2+1, запАсана нулевая величина, à в 7. (M-1)/2+1 — единичная, и при четном числе ранжируемых величин M во всех блоках памяти коэффициентов 7.1„...7.М, кроме

7,M/2 и 7.М/2+1..записана нулевая величина, а в 7.M/2 и 7.M/2+1 — величина 1/2, то комбинация перемножителей 6.1,;...6.М, блоков памяти коэффициентов 7,1,...,7.M u сумматора 8 образуют устройство формирования медианы прототипа. В случае, когда во всех блоках памяти коэффициентов

7,1,...,7.М записана одинаковая величина, комбинация блока ранжирования по величине 5, перемножителей 6.1„..6.М, блоков памяти коэффициентов 7.1,...,7.M и сумматора 8 образуют простейший фильтр ни>кних частот. В остальных случаях подбор величин в блоках памяти коэффициентов

7.1,...,7,М позволяет получать фильтры с характеристиками, промежуточными между указанными выше случаями, и существенно снизить дисперсию остаточного шума выходного сигнала сумматора 8, тем самым повысив качество фильтрации по критерию минимума среднеквадратической ошибки, В предлагаемом гибридном фильтре для улучшения формы выходного сигнала путем исключения из него импульсов малой длительности дополнительно сигнал с выхода сумматора 8 поступает на вход первого элемента задержки первой группы 9.1 и на первый вход блока выбора медианы 11, с выходов всех элементов задер>кки 9.1,...,9Л и 10.1,...,10,1 сигналы поступают на соответствующие входы блока выбора медианы 11, работа которого полагается аналогичной работе блока ранжирования по величине 5. С выхода блока выбора медианы 11 имеющего номер L + 1 в примененной в блоке ранжирования по величине 5 нумерации, снимается выходной .сигнал устройства поступающий также на вход первого элемента задержки второй группы 10.1, Использование на выходе предлагаемого устройства рекурсивного медианного фильтра позволяет повысить качество выделения ступенчатой составляющей из сигнала на выходе сумматора.8 за счет исключения из него импульсов с длиTeilbHocTblo менее L отсчетов, причем различные колебания сигнала относительно постоянного уровня могут рассматриваться как последовательность разнополярных импульсов.

Использование предлагаемого гибридного фильтра позволяет повысить качество фильтрации за счет снижения дисперсии шумовой составляющей выходного сигнала, причем предложенный фильтр позволяет достигать уровня качества не ниже чем способы оптимальной КИФ фильтрации, медианной фильтрации и прототипа, поскольку. эти способы включаются предлагаемым способом как частные случаи, и исключить искажения выходной величины импульсами длительностью менее половины апертуры рекурсивной медианы, что позволяет использовать предложенный способ для предварительной обработки сигналов в автоматических распознавателях

Формула изобретения

1, Гибридный фильтр, содержащий N последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых является входом гибридного фильтра, причем вход каждого элемента задержки подключен к первому входу i-го (где i = 1„.,К-1) умножителя, выход N-го элемента задержки — к первому входу К-го умножителя, второй вход каждого умножителя подключен к выходу соответствующего регистра масштабных коэффициентов, а также M сумматоров, входы которых подключены к выходам соответствующих умножителей, а выходы — K входам блока ранжировки по величине, о т л и ч а ющ и й. с я тем, что, с целью повышения точности фильтрации за счет снижения дисперсии шумовой составляющей выходного сигнала, в него введены М перемножителей, М блоков памяти коэффициентов и сумматор, выход которого является выходом гибридного фильтра, а входы подключены к выходам соответствующих перемножителей, первые входы которых соединены с соответствующими выходами блока ранжировки по величине, а вторые входы — с выходами cn: ответствующих блоков памяти коэффи,иентов.

10!

807557

Фиг. 1

2. Фильтр по и. 1, и т л и «ю шийся тем, что, с целью улучшения формы выходного сигнала путем исключения из него импульсов малой длительности, в него введены две группы элементов задержки, в 5 каждой из которых L элементов задержки соединены последовательно, и блок выбора медианы, при этом выход сумматора подключен к входу первого элемента задержки первой группы и к первому входу блока выбора медианы, выходы всек элементов задержки подключены к соответствующим входам блока выбора медианы, выход кото.рого соединен с входом первого элемента задержки второй группы и является выходом гибридного фильтра.

1807557

Фиг. 2

Составитель H,Ñåêóíîâ

Техред М.Моргентал Корректор Н.Король

Редактор

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

Заказ 1384 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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