Полигармонический предсказывающий фильтр

 

Использование: в радиотехнике для экстраполяции случайного процесса, содержащего периодическую компоненту с неизвестным периодом повторения. Сущность изобретения: устройство содержит сумматоры, элемент задержки, блок разложения на компоненты, вычислители дисперсий компонент, делитель, блок вычитания, пороговый блок, усилитель, дифференцирующий блок, вычислитель дисперсии, счетчик, дешифратор, блоки постоянной памяти, элементы И,цифроаналоговые преобразователи, фильтры, экстраполяторы. 1 з.п. ф лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для экстраполяции случайного процесса, содержащего периодическую компоненту с неизвестным периодом повторения.

На фиг. 1 изображена структурная схема полигармонического предсказывающего фильтра; на фиг.2 структурная схема блока разложения на компоненты; на фиг.3 временные диаграммы работы устройства.

Полигармонический предсказывающий фильтр (фиг.1) содержит второй сумматор 1, элемент 2 задержки, блок 3 разложения на компоненты, вычислители 4-1, 4-К дисперсий компонент, третий сумматор 5, делитель 6, блок 7 вычисления, пороговый блок 8, усилитель 9, дифференцирующий блок 10, вычислитель 11 дисперсии, первый счетчик 12, первый дешифратор 13, первый блок 14 постоянной памяти, первый элемент И 15, второй элемент И 16, вторые блоки 17-1,17-N постоянной памяти, цифроаналоговые преобразователи 18-1,18-N, фильтры 19-1, 19-N, экстраполяторы 20-1,20-N, третий сумматор 21.

Блок 3 разложения на компоненты (фиг.2) содержит генератор 22 тактовых импульсов, второй счетчик 23, второй дешифратор 24, третьи элементы И 25-1, 25-К, переключатель 26, аналого-цифровой преобразователь 27.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы элементы устройства устанавливаются в исходное состояние: в счетчик 12 записывается число р=4, счетчик 23 устанавливается в нулевое состояние. На вход устройства, являющегося первым входом первого сумматора 1, поступает сигнал х(t) (фиг.3а), представляющий собой реализацию аддитивной смеси периодической составляющей, которую удобно представить в виде суммы N гармоник и случайной составляющей: X(t)A_mcos m ωt + ζ(t) Xⁿ(t)+ζ(t) (1) где А_m амплитуда m-й гармонической составляющей; Т, ω период и опорная частота периодической составляющей, величина которой заранее неизвестна (ω=2 π/Т); Xⁿ(t) периодическая составляющая; ζ(t) случайная составляющая; Т_р= q ˙ T длина реализации; q число периодов в реализации.

Для того, чтобы прогнозировать (экстраполировать) на произвольное время упреждения Δ t_э, т.е. найти величину х*(t+ Δ t_э), необходимо знание амплитуд гармонических составляющих А_m и величины опорной частоты ω.

Величина опорной частоты ω находится следующим образом. С выхода сумматора 1 реализации случайного процесса х(t) через усилитель 9 и элемент 2 задержки, время задержки которого равно длине реализации Т_рсигнала х(t), поступает на первый вход блока 3 разложения на компоненты. При этом первый вход блока 3 разложения на компоненты является одновременно первым входом аналого-цифрового преобразователя 27, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с периодом Δt_э с второго входа генератора 22 тактовых импульсов. В аналого-цифровом преобразователе 27 происходит дискретизация исходной реализации и преобразование ее в цифровую форму (фиг.2а).

В качестве аналого-цифрового преобразователя 27 блока 3 разложения на компоненты применяется стандартный АЦП, на выходе которого синхронно с каждым тактовым импульсом формируется многоразрядный цифровой код, соответствующий значению входного аналогового сигнала в данный такт (фиг.3б, в, г). Этот цифровой код поступает одновременно на первые входы всех систем элементов И 25-1,25-К. Каждый элемент И 25-1,25-К представляет собой блок и n элементов И, где n разрядность выходного сигнала АЦП 27.

На управляющие входы элементов И 25-1,25-К поступают сигналы с выходов дешифратора 24. Причем в каждый такт дискретизации только на одном выходе дешифратора 24 появляется сигнал, открывающий в данный момент времени только один из элементов И 25-1,25-К, через который код отсчета амплитуды сигнала Х_t/i, где i=4,p, с выхода АЦП 27 поступает только на один из К выходов блока разложения на компоненты.

Таким образом, управление элементами И 25-1,25-К, где К=Т_р/ Δ t_э, осуществляется сигналами с выходов дешифратора 24, вход которого подключен к выходу счетчика 23. Счетчик 23 подсчитывает число импульсов с выхода генератора 22 тактовых импульсов. На выходах элементов И 25-1,25-К, а, следовательно, и 1.К-м выходах блока 3 разложения на компоненты формируются компоненты случайного процесса Х_t/i=X_i+ ζ_t/i(фиг.3,б.к). Количество выделяемых компонент на различных тактах вычислений (в зависимости от значения р) различное и определяется содержимым счетчика 12.

Как было отмечено выше, на первом шаге вычислений в счетчике 12 записано число р=4 и на выходе дешифратора 13 формируется управляющий сигнал, поступающий на второй вход блока 3 разложения на компоненты, являющийся одновременно К+1 входом переключателя 26. В соответствии с управляющим сигналом (в данном случае пропорциональным 4) переключатель 26 подключает свой четвертый вход (четвертый выход дешифратора 24) к своему выходу (к второму входу счетчика 23). Поэтому как только счетчик 23 сосчитает четыре тактовых импульса с выхода генератора 22 тактовых импульсов, на четвертом выходе дешифратора 24 появляется импульс, пропускающий на выход элемента И 25-4 отсчет амплитуды с выхода аналого-цифрового преобразователя 27 (фиг.3д), и этот же импульс через переключатель 26 коммутируется на второй вход счетчика 23 и сбрасывает его в нулевое состояние. Таким образом, на первом шаге на выходах 1-4 блока 3 разложения на компоненты появляются четыре последовательности (фиг. 3н, ж, з, и) отсчетов амплитуды входного сигнала: на первом выходе отсчеты с номерами 1,5,9, на втором выходе отсчеты с номерами 2,6,10, на третьем выходе отсчеты с номерами 3,7,11, на четвертом выходе отсчеты с номерами 4,8,12, Далее каждая из четырех компонент случайного процесса Х_t/i, где i=1.4, поступает на соответствующий вычислитель 4-1,4-К, с выхода которых значения дисперсии i-й компоненты S_x/i² подаются на сумматор 5. С выхода сумматора 5 величина суммы дисперсий компонент подается на делитель 6, на управляющий вход которого подается сигнал с выхода дешифратора 13. На выходе делителя 6 получаем среднее значение дисперсии всех р=4 компонент, т.е.

= S²_x/i.

С выхода делителя 6 измеренное среднее значение дисперсии всех р компонент поступает на вход блока 7 вычитания, на второй вход которого поступает вычисленное значение дисперсии процесса S_x². Значение дисперсии процесса S_x² измеряется с помощью вычислителя 11 дисперсии, на вход которого поступает случайный процесс х(t) c K+1 выхода блока разложения на компоненты. На выходе блока 7 вычитания формируется разность дисперсий D S²_x- .

Случайная величина дисперсии D подчиняется f² распределению, является мощностью и по ней можно судить о наличии периодической составляющей. Величина разности дисперсий D в пороговом блоке 8 сравнивается с порогом, величина которого поступает с выхода блока 14 постоянной памяти. В блок постоянной памяти предварительно записываются все возможные значения порогов для задаваемых вероятностей ошибочных принятий решения 1-го и 2-го рода, которые для χ² распределения являются табулированными. Выбор заданного значения порога осуществляется управляющим сигналом, поступающим с выхода дешифратора 13. В этом случае степень свободы для χ² распределения νр-1, где р содержимое счетчика 12.

В случае, когда превышение порога не произошло и на выходе порогового блока 8 не формируется импульсное напряжение, задержанный в элементе 2 задержки сигнал снова поступает на вход сумматора 1. С выхода сумматора 1 задержанная реализация х(t) через усилитель 9 поступает на дифференцирующий блок 10. На выходе дифференцирующего блока 10 формируется импульс, поступающий на счетный вход счетчика 12, увеличивая содержимое счетчика на 1 (р=4+1=5).

Таким образом, в счетчике записывается число р=5. На выходе дешифратора 13 формируется управляющий сигнал, соответствующий числу р=5, записанному в счетчике 12. Теперь уже в соответствии с управляющим сигналом (в данном случае пропорциональным пяти) переключатель 26 подключает пятый выход дешифратора 24 к второму входу счетчика 23. Поэтому на втором шаге вычислений на выходах 1-5 блока 3 разложения на компоненты появляются пять последовательностей отсчетов амплитуды входного сигнала: на первом выходе отсчеты с номерами 1,6,11. на втором выходе отсчеты с номерами 2,7,12. на третьем выходе отсчеты с номерами 4,9,14. на пятом выходе отсчеты с номерами 5,10,16. Далее работа устройства аналогична описанной ранее.

Такой процесс происходит до тех пор, пока не произойдет превышение порога и на выходе порогового блока 8 не сформируется импульсное напряжение. Превышение порога говорит о том, что в случайной последовательности х(t) с заданными ошибками обнаружена периодическая составляющая с периодом р ˙ Δ t_э. Далее импульсный сигнал (его задний фронт) порогового блока 8 подается на приведение счетчика 12 в исходное состояние и на разрешение элементов И 15 и 16. На вход элемента И 16 поступает код счетчика 12, соответствующий значению периода выявленной периодической составляющей, и через элемент И 16 код поступает на адресные входы блоков 17.1,17.N, в которых каждому выходу элемента И 16 соответствуют свои формирователи цифровых значений частот К/p, соответствующие кратным периодам периодической составляющей случайного процесса х(t).

Блоки 17.1.17.N постоянной памяти выполнены так, что при входном коде, например, равном 4N, на их выходах будут присутствовать кратные значения входного кода. На выходе блока 17.1 постоянной памяти выходной код будет равен 4N Δ t_э; на входе блока 17.2 выходной код будет равен 2N Δ t_э и т.д. а на выходе блока 17. N выходной код будет равен 4. Δ t_э. C выхода блока 17 постоянной памяти цифровые значения частот поступают на входы ЦАП 18, в которых происходит преобразование цифровых значений частот в управляющее аналоговое напряжение, поступающее на управляющие входы перестраиваемых резонансных фильтров 19. На вторые входы перестраиваемых резонансных фильтров 19 через элемент И 15 поступает реализация случайного процесса х(t) с выхода сумматора 1 через усилитель 9. С выхода перестраиваемых резонансных фильтров 19 на входы экстраполяторов 20 поступают амплитуды m-х гармонических составляющих А_mсигнала х(t). Каждая гармоническая составляющая при известных A_m и ω_mможет быть экстраполирована на произвольное время упреждения Δ t_э. С выходов экстраполяторов 20 экстраполированные на произвольное время упреждения Δ t_э гармонические составляющие поступают на сумматор 21, на выходе которого можно получить предсказанное значение случайного процесса х(t) на произвольное время упреждения.

Формула изобретения

1. ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИЙ ПРЕДСКАЗЫВАЮЩИЙ ФИЛЬТР, содержащий первый сумматор и N каналов из последовательно соединенных фильтра и экстраполятора, выходы которых соединены с N соответствующими входами первого сумматора, выходом соединенного с выходом фильтра, отличающийся тем, что в него введены соединенные с входом, последовательно соединенные второй сумматор, усилитель, дифференцирующий блок, счетчик, дешифратор и блок разложения на компоненты, N вычислителей дисперсии компонент, последовательно соединенные третий сумматор, делитель, блок вычитания и пороговый блок, а также элемент задержки, два элемента И, N последовательно соединенных цепей из блоков постоянной памяти и цифроаналоговых преобразователей, включенных между вторым элементом И и соответствующими фильтрами, а также N + 1 блоков постоянной памяти, включенных между дешифратором и вторым входом порогового блока, выходом соединенного с первыми входами элементов И и вторым входом счетчика, при этом вторые входы элементов И подключены соответственно к выходам усилителя и дешифратора, выход первого элемента И к входу N фильтров, выход элемента задержки к входам второго сумматора и второму входу разложения на компоненты через N соотвествующих вычислителей дисперсии компонент, соединенного с входами третьего сумматора, вход элемента задержки к выходу усилителя, а второй вход делителя подключен к выходу дешифратора.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что блок разложения на компаненты выполнен в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, второго счетчика и второго дешифратора, а также аналого-цифрового преобразователя, переключателя и K элементов И, первые входы которых соединены с выходами второго дешифратора и с K входами переключателя, вторые входы элементов И подключены к выходу через аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого соединен с первым входом блока, второй вход с первым входом второго счетчика, второй вход которого подключен к выходу переключателя, (K + 1)-й вход которого соединен с вторым входом блока, K выходов которого подключены к выходам элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3