Согласованный фильтр

 

tut995279

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТИЗЬСТВУ

Сеееэ Севетекнх

Сецналнстическнх

Республик (6т)Дополнительное к авт. свнд ву (22) Заявлено 140481 (21) 3275495/18-09 снрнсоединениемзаявки Й9

pq s

Н.03 Н 15/02

ГесударствевныЯ кенитет

СССР- яе делан «зебретений.н еткрмтяя (23) Приоритет (Щ УДК 621 ° 394. . 44 (088 . 8) Опубликовано 0702.83. Ькалетень N9 5

Дата опубликования описания 070283.(54) СОГЛАСОВАННЫЯ ФИЛЬТР

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к передаче сигналов, и может быть использовано в устройствах связи для обнаружения полезных сигналов на фоне как слабых, так и сильных помех, для .анализа выходуаис сигналов дефектоскопов в устройствах железнодорожной автоматики, а также для обработки сигналов при глубинном электромагнитном зондировании земной коры.

Известен согласованный фильтр,содержащий последовательно включенные линию. задержки, сумматор, блок дискретизации и квантования, регистр сдвига и весовую матрицу, а также перемножитель, первый вход которогоподключен к выходу. генератора напряжения смещения, второй вход через из меритель мощности помехи объединен с входом линии задержки и является входом устройства,.а выход соединен с другим входом сумматора (13.

Однако указанный согласованный фильтр не обеспечивает.достаточной помехоустойчивости в области сильных помех.

Известен согласованный фильтр .дпя сигналов произвольной формы, в котором осуществляется -предварительная З0 нелинейная обработка сигнала, перево» дящая алгоритм обработки в простран- ство частота — время путем перехода: к текущему комплексному апектуу сиг нала, содержащий анализатор текущего спектра сигнала и блок свертыва-. ния амплитудно-фазового спектра сиз нала, содержащий по амплитудным выхо дам анализатора взвешивающий сумматор, а по фазовым выходам .- симметрирующий блок, взвешивающий сумматор и блок установки коэффициента переда" чи f23.

Известное устройство также ие обеспечивает достаточной помехоустойчивости в.области сильных помех.

Цель изобретения " повьыение номе хоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в согласованный фильтр, содержащий анализатор текущего спектра сигнала, амплитудные выходы которого соединены с входами первого взвеаювающего сумматора, дополнительный вход которого подключен к выходу бло" ка установки коэффициента передачи, а фазовые выходы - c входами симмет» рирующего блока, а также второй взвешивающий сумматор, введены линия задержки, блоки определения мощности

95279

9 входного сигнала и помехи, определитель знака, пороговый элемент, переключатели, дополнительный симметрирующий блок и дополнительный блок установки коэффициента передачи,причем выход линии задержки соединен с первым информационным входом первого переключателя и через определитель . знака с вторым его информационным . входом, отводы линии задержки через .последовательно включенные блоки определения мощности входного сигнала и помехи соединены с управляющим входом блока установки коэффициента пе-. редачи, информационный вход которого подключен к выходу симметрирующего . блока, и с управляющим входом дополнительного блока установки коэффициента передачи, информационный вход которого подключен к выходу дополнительного симметрирующего блока, а выход — к дополнительному входу вто-. рого взвешивающего сумматора, при этом выход блока определения мощности входного сигнала через пороговый элемент соединен с управляющими входами переключателей, выход первого из которых подключен к входу анализатора текущего спектра сигнала, первый информационный вход второго переключателя — к выходу первого взвешивающего сумматора, а второй информационный вход второго переключателя — к выходу второго взвешивающего сумматора, входы которого соединены с амплитудными выходами анализатора текущего спектра сигнала, фазовые выходы которого подключены к входам дополни-тельного симметрирующего блока.

На чертеже представлена структурная электрическая схема согласован-.. ного фильтра.

Согласованный фильтр содержит последовательно соединенные линию

1 задержки, блок 2 определения мощнос.ти входного сигнала, пороговый элемент 3, переключатеиь 4, на один вход которого сигнал с линии задержки подается непосредственно, а на другой вход — через определитель 5 знака. Переключатель 4 соединен с анализатором б текущего спектра сиг-. нала, имеющего две группы выходов: амйлйтудные и фазовые, к амплитудным выходам анализатора 6 подключены взвешивающие сумматоры 7 и 8, к до..полнительным входам которых подключены соответственно выходы блоков 9 и

10 установки коэффициентов передачи, управляющие входы которых подключены к выходу блока 11 определения мощности помехи, а к фазовым выходам анализатора 6 подключены входы симметрирующих блоков 12 и 13, выходы которых соединены с входами соответствующих блоков 9 и 10, выходы взвешивающих сумматоров 7 и 8 подключены к информационным входам переклю5

t0

30 чателя 14, управляющий вход которого объединен с управляющим входом переключателя 4 и подключен к выходу порогового элемента 3.

Согласованный фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал S(t), представляющий собой смесь сйгнала и помехи, поступает через линию 1 задержки на блок 2 определения мощности входного сигнала ф + 6 2). Величина, равная суммарной мощности сигнала и помехи (полагаем сйгнал и помехастатистически независимы), сравнивается в поро говом элементе 3 с некоторым порогом

П. Выходной сигнал порогового элемента 3 управляет работой переключателя 4 на два положения.

При сильных помехах мощность принятого входного сигнала больше порога П и пороговый элемент 3 управляет переключателем 4 таким образом, что сигнал с выхода линии 1 задержки через определитель 5 знака и переключатель 4 подается на вход анализатора 6. Одновременно пороговый элемент

3, управляя работой переключателя

14, подключает к выходу устройства выход взвешивающего сумматора 8, ко-торый совместно с блоком 10 и симметрирующим блоком 13 образуют блок свертывания спектра сигнатуры сигнала.

Йри слабых помехах мощность входного сигнала меньше порога П, поэтому сигнал S(t) с линии 1 задержки через переключатель 4 подается на вход анализатора 6. Далее осуществляется согласованная фильтрация полного спектра сигнала.

Оптимальный коэффициент передачи по фазовому выходу Кеп, при котором получается максимальное отношение сигнал/помеха,в блоках 9 и 10 устанавливается в зависимости от мощности помехи, которая определяется в блоке 11 путем вычитания из мощности смеси (6 + 6 „j мощности сигнала ю с, 2 г -г которая предполагается известной для каждого конкретного случая. Характеристики блоков 9 и. 10 К Оп = f(6 n) нелинейные.

Рассмотрим подробнее способ согласованной фильтрации полного спектра сигнатуры сигнала. Предварительная нелинейная обработка — переход к амплитудному и фаэовому спектру применяется не к принятому сигналу

S(t) +H((t), а к сигнатуре его, .т.е.

Sign (5 (1+ н (М), где S(t) и )(t) — сигнал и помеха,приведенные к одной мощности

Н вЂ” отношение помеха/ сигнал по напряжению.

995279

Для этого входной сигнал пропускается через определитель 5 знака, на-пример компаратор, и для принятой смеси шумоподобного сигнала 5(tp и аддитивной помехи F(t) подсчитывается снгнатура следующим образом: 4,8c/iu S(t)+H((t)yo

9>>Р f5(t)w Hi(t)l = (1)

- >-, если 5(t)+ H) (t)(o

Далее осуществляется нелинейная обработка.в реальном масштабе времени путем перехода к спектру амплитуд Ь(ы) и спектру фаэ ii>() в дискретных точках на оси частот д 2+82 (2)

> = (МГ ttf — >

М;

2 где А,= — >> > (>д>п(>„ и>„)сов(п-K>>>);

S,. = — Tat — з "Р> Рк+Н))к)зМ (п-К) И), (з)

2 где к = 0,1,2,3,...2FT - отсчетные точки на оси времени;

= 0,1,2,3,...FT-n - -отсчетные точки на оси частот;

2FT — число степеней свободы сигналар л(. — шаг квантования оси времени по Котельникову.

10 где 5; и 5„- —

20 Y. и И1

25 подсчитанные

40 к сигнатуре имеет существенный выигрыш перед линейной фильтрацией и перед нелинейной фильтрацией, осуществляемой в прототипе.

Этот выигрыш нарастает с уменьше45 нием отношения с/и на входе, начиная со значений (ф} „= 3.

Для реализации этих возможностей в согласованном фильтре осуществляется автоматическое слежение за отношением сигнал/помеха на входе, и при пересечении заданного отношения происходит изменение схемы обработки сигнала с нелинейной фильтрацией сигнала на нелинейную фильтрацию сигнатуры сигнала.

Для оценки мощности помех имеется блок 2, пороговый элемент 3 и ,блок 11, который изменяет схему и управляет характеристикой (выбирает

Копт) блоков 9 и 10 по фазовым .60 выходам анализатора 6.

Вид обработки принятого сигнала задается переключателями 4 и 14, которыми управляет пороговый элемент 3.

Оптимальные значения коэффициен65 тов К, при которых отношение сигздесь —. символ, означающий операцию усреднения по реализации помех.

По аналогичной форм)уле подсчитывается отношение (†" > сигнал/помеха по мощности йрй согласованной нелинейной фильтрации полного спектра сигнала .без перехода к сигнатуре.

Отношение сигнал/помеха по мощнос ти при согласованной линейной фильтрации подсчитывается по формуле

С )(р) 5>>к

> (e2

» ГЬЬ>Х Л (g g }2f где Sii„= 5 к — значение свертки

2 сигнала S (t) в пиковой точке без помех;

Si,„= (5,+ )5 - то же при наличии к помех.

Во всех случаях усреднение производилось по 30 случайным реализациям помех с нормальным законом распределения.

Результаты расчетов показали,что при малых отношениях с/п на входе согласованная фильтрация с переходом

Сформированные анализатором б в дискретных точках текущие спектры амплитуд и фаз, состыкованные на оси частот, рассматриваются как отсчеты

5 преобразованного сигнала в пространстве частота — время. После взвешивания, суммирования и умножения на К д . имеем свертку в пиковой точке быкт= Si(5> "опт > ) > (4) значение модуля спект- ральной функции сигнатуры сигнала соответственно без помех (Н-О) и при наличии помех (Н g О) в дискретныхточ- ках оси частот в момент времени t T значение аргумента спектральной функции сигнатуры сигнала соответственно без помех и при наличии помех на оси частот в мо."ент времени t T, по формулам (2).

Отношение сигнал/помеха по мощ30 ности в пиковой точке, обеспечиваемое согласованной фильтрацией полно- го спектра сигнатуры сигнала, подсчитывается по формуле

995279

7, Формула изобретения нал/помеха максимально зависит от мощности помехи и .от закона ее распределения.

При известном заранее законе распределения помехи и неизменной мощности полезного сигнала можно рассчет тать заранее:зависимость коэффициен» та К от мощности К У (4, Эта зависимость (нелийейная) вос производится в виде характеристики блока 9 для случая нелинейной согла" сованной фильтрации сигнала и блока ,10 для случая нелинейной согласован ной фильтрации сигнатуры сигнала.

Б случае, когда уровень помех не меняется,.коэффициент K остается по-, стоянным и может устанавливаться заранее вручную.

При расчетах оптимальный коэффи-циент К для различных отношений с/н рассчитывался на вычислительной машине.

Предлагаемый согласованный фильтр позволяет обеспечить более высокую помехоустойчивость по сравнению с известным устройством в более широ-. ком диапазоне изменения уровня помех.

Кроме того, устройство устанавливает оптимальные значения коэффициентов передачи по фазовым выходам в соответстьии с уровнем помех на входе.

Согласованный Фильтр, содержащий анализатор текущего спектра сигнала, амплитудные выходы которого соединены с входами первого взвешивающего.. сумматора, дополнительный вход котороГо подключен к выходу блока установки коэффициента передачи, а фазовые выходы - к входам симметрирующего блока, а также второй взвешивающий сумматор, отличающийся тем; что, с целью повышения помехоустбйчивости, в него введены линия за- . дерзки, блоки определения мощности входного сигнала и помехи, определитель: знака, пороговый элемент, переключатели, дополнительный симметрируюций блок и дополнительный блок установки коэффициента передачи, причем выход линии задержки соединен с пер-вым информационным входом первого переключения- и через определитель знака с вторым его информационным входом, отводы линии задержки через последовательно включенные блоки определения мощности входного сигнала н помехи соединены с управляющим входом блока установки коэффициента переда15 чи, информационный вход которого подключен к выходу симметрирующего блока, и с управляющим входом дополнительного блока установки коэффициента передачи, информационный вход ко2О торого подключен к выходу дополнительного симметрирующего блока, а выход - к дополнительному входу второго взвешивающего сумматора, при этом выход блока определения мощности входного сигнала через пороговый элемент соединен с управляющими входами переключателей, выход первого из которых подключен к входу анализа- тора текущего спектра сигнала, первый информационный вход второго переЗО кпючателя - к выходу первого взвешивающего суъыатора,а второй информа-ционный вход второго переключателя— к выходу второго взвешивающего сумматора, входы которого соединены с амЗЗ плитудныьы выходами анализатора текущего спектра сигнала, фазовые выходы которого подключены к входам дополнительного симметрирующего блока.

Источники информации, 40 принятые во внимание при экспертизе

1. Тузов Г.И. Статистическая теория приема смежных сигналов. М., "Советское радио"," 1977, с. 139-140, рис. 3,17.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 2879168/09, кл. Н 03 Н 15/02, 1980 (прототип).

995279

Составитель Т.Афанасьева

Редактор А.Фролова Техред О. Неце КорректорВ.Прохненко

Заказ 668/43 Тираж 934 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