Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к обработке информации, и может быть использовано в устройствах приема информации, проходящей по каналу связи, в котором существует возможность искажения, т.е. имеют место шумы, помехи. С целью повышения точности фильтрации и достоверности анализа динамической ошибки в устройство для цифровой фильтрации, содержащее преобразователь последовательного кода в параллельный, вычитатель, квадратор, счетчик, четыре умножителя, два блока элементов И, блок вычисления обратной величины, блок элементов ИЛИ, блок сравнения, сумматор, регистр, вводятся четыре регистра, счетчик, три умножителя, два блока сравнения, три триггера, два блока элементов И, блок элементов ИЛИ, блок вычисления обратной величины, четыре элемента И, элемент ИЛИ. Введение этих элементов позволяет организовать адаптивную фильтрацию с коррекцией отклонения от режима оптимальной фильтрации путем согласования фактического и рассчитываемого в фильтре значений дисперсии невязки измерения. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2055396
Класс(ы) патента: G06F17/17
Номер заявки: 93019085/09
Дата подачи заявки: 31.03.1993
Дата публикации: 27.02.1996
Заявитель(и): Семушкин И.В.; Сковиков А.Г.
Автор(ы): Семушкин И.В.; Сковиков А.Г.
Патентообладатель(и): Филиал МГУ им.М.В.Ломоносова в г.Ульяновске
Описание изобретения: Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к обработке информации, и может быть использовано в устройствах приема информации, проходящей по каналу связи, в котором существует возможность искажения, т.е. имеют место шумы, помехи.
Известны способы цифровой фильтрации, предназначенные для обработки измерений, содержащих аномальные выбросы, вызванные непредвиденным возрастанием дисперсии шума измерений. В этих условиях одним из наиболее простых и надежных средств обеспечения стабильной работы алгоритмов является прямое воздействие на коэффициент сглаживания фильтра. В ранних разработках измерения, признанные аномальными, исключались из обработки (Черногуз Н.Г. Отбраковка аномальных ошибок с помощью стохастических моделей. Автометрия. 1983, N 3; Коротаев В.П. Отбраковка недостоверных результатов телеизмерений. Метрология. 1973, N 2). В более поздних преобладает тенденция использовать недостоверные данные с меньшими весовыми коэффициентами (Ершов А.А. Робастный фильтр Калмана в дискретном времени. Автоматика и телемеханика. 1978, N 3). Последний метод обладает потенциально более высокой точностью, однако практическое его использование ограничено частным видом используемой модели сенсора (дисперсия шума измерения может принимать только два фиксированных значения: нормальное и аномальное, причем обе величины должны быть известны априорно). Наиболее близким к изобретению является устройство для цифровой фильтрации (авт. св. СССР N 1259477, кл. Н 03 Н 21/00, G 06 F 15/353, 1986), в котором в целях повышения точности цифровой фильтрации в условиях повышенного содержания помех блок анализа динамической ошибки по результатам сравнения нормированного квадрата невязки со скользящим порогом аномальности выбирает одно из трех возможным значений коэффициента сглаживания. В случае принятия гипотезы о повышении дисперсии шума изменения выбирается коэффициент сглаживания, равный нормированному квадрату невязки (т.е. равный частному расчетного коэффициента сглаживания и результата деления квадрата невязки на расчетную дисперсию невязки), а также запоминается величина расчетного коэффициента сглаживания, которая использована в дальнейшем в момент принятия решения об уменьшении дисперсии шума.
Расчетный коэффициент сглаживания используется при выборе гипотезы, согласно которой дисперсия не изменилась. Такой подход не может обеспечить высокой точности при обработке как нормальных, полезных измерений, так и аномальных, которые могут быть недостоверными, т.е. характеризующимися непредвиденно возрастающим дисперсией шума измерения, или наоборот высокоточными, характеризующимися непредвиденно убывающей дисперсией шума измерения. Последние желательно обрабатывать с максимально возможным коэффициентом сглаживания, однако в известном фильтре его величина ограничена расчетным значением. Недостаточно точно отрабатывается ситуация, когда увеличение дисперсии шума происходит в течение нескольких периодов. Например, если дисперсия шума скачкообразно увеличивается на i-м и (i + 1)-м шагах, то пересчитается как аномальный только i-й коэффициент сглаживания. Другим недостатком этого устройства является невысокая достоверность анализа динамической ошибки при появлении аномальных измерений. Это объясняется тем, что для принятия решения об изменении дисперсии шума i-го измерения блок анализа динамической ошибки использует результаты сравнений нормированного квадрата невязки со значениями скользящего порога аномальности на текущем i-ом и предыдущем (i 1)-ом шагах. Подобный метод, учитывая изменение параметров фильтра, используемых для вычисления расчетной дисперсии невязки и скользящего порога аномальности, может приводить к дополнительным ошибкам в выборе гипотезы о состоянии помехо-сигнальной обстановки. Кроме этого, область применения данного метода ограничивается необходимостью априорного знания величины дисперсии ошибки измерения.
Известное устройство для цифровой фильтрации содержит преобразователь последовательного кода в параллельный, вычитатель, квадратор, четыре умножителя, сумматор, блок сравнения, три блока элементов И, дешифратор, блок элементов ИЛИ, четыре регистра, блок вычисления обратной величины, счетчик, блок сравнения по модулю два, триггер, элемент И, элемент ИЛИ, сдвиговый регистр, синхронизатор.
С целью повышения точности фильтрации и достоверности анализа динамической ошибки в устройство для цифровой фильтрации, содержащее преобразователь последовательного кода в параллельный, вычитатель, квадратор, счетчик, четыре умножителя, два блока элементов И, блок вычисления обратной величины, блок элементов ИЛИ, блок сравнения, сумматор, регистр, вводятся четыре регистра, счетчик, три умножителя, два блока сравнения, три триггера, два блока элементов И, блок элементов ИЛИ, блок вычисления обратной величины, четыре элемента И, элемент ИЛИ. Введение этих элементов позволяет организовать адаптивную фильтрацию с коррекцией отклонения от режима оптимальной фильтрации путем согласования фактического и рассчитываемого в фильтре значений дисперсии невязки измерения. В результате этого повышается точность обработки и нормальных и аномальных измерений. Кроме этого, фактически сократилось количество альтернатив при выборе гипотезы о состоянии помехо-сигнальной обстановки, а следовательно, и при выборе значения коэффициента сглаживания. Величина каждого коэффициента сглаживания определяется качеством очередного измерения и не зависит от качества предыдущего. Такая стратегия выбора является логически более выдержанной. Для любого аномального измерения рассчитывается свой, не зависимый от других коэффициент сглаживания, равный нормированному квадрату невязки на текущем шаге. Это позволяет с максимальной эффективностью использовать как высокоточные измерения, обрабатывая их с повышенным коэффициентом сглаживания, так и измерения, характеризующиеся скачкообразным повышением дисперсии шума измерения в течение нескольких периодов. Повышение точности обработки нормальных измерений объяснятся тем, что для расчета коэффициента сглаживания используется "согласованное" значение дисперсии ошибки измерения, которое пересчитывается при принятии решения об его изменении. Результирующая точность предлагаемого фильтра повышается также в результате использования более эффективного алгоритма распознавания гипотез, характеризующих помехо-сигнальную обстановку. Для различения двух гипотез: дисперсия шума изменилась и дисперсия шума не изменилась; используется сравнение нормированного квадрата невязки с двумя скользящими порогами аномальности, причем анализируется только одно текущее измерение, качество предыдущего не учитывается. Кроме этого, адаптивный способ фильтрации позволяет использовать изобретение в условиях апприорной неопределенности дисперсии шума измерения, так как предлагаемый алгоритм позволяет рассчитать эту величину. Тем самым расширяется область применения изобретения по сравнению с прототипом.
Изобретение реализует алгоритм, основанный на прямом воздействии на величину коэффициента сглаживания в целях оптимальной обработки аномальных измерений. Кратко алгоритм обработки i-го измерения ( i > 1) описывается следующим образом. На первом этапе оценивается "качество" очередного скалярного измерения:
Zi X + Vi, (1) где Х оцениваемый параметр;
Vi шум измерения, имеющий нормальное распределение с нулевым средним и дисперсией Ri.
В качестве статистики gi, достаточной для принятия решения в любой момент времени i, используется отношение квадрата невязки νi2 к расчетному значению ее дисперсии Сip:
gi νi2/Cip, (2) где Сip Ri-1˙ (Ki-1 + 1);
Cip расчетная дисперсия невязки;
Кi коэффициент сглаживания.
Решающее правило записывается в виде
ωi= <</SUP> gi<</SUP> (3) где ωi сигнальная функция;
Δ12 пороги аномальности, причем Δ12.
Оптимальные значения порогов выбираются из условия минимума вероятности полной ошибки, равной сумме вероятностей ложной тревоги и пропуска цели. Коэффициент сглаживания рассчитывается согласно выражению
Ki (4) где Kip 1/(1 + 1/Ki-1);
Kip расчетный коэффициент сглаживания.
Таким образом в случае увеличения дисперсии шума (gi > Δ1) коэффициент сглаживания уменьшается. Аналогично при появлении высокоточного измерения, т. е. при уменьшении дисперсии шума (gi < Δ2), его обработки проводится с повышенным коэффициентом сглаживания. Соответственно обновляется и расчетное значение дисперсии шума:
Ri Ri-1 ˙Ki-1˙ (Ki-1 1). (5)
При этом обеспечивается адаптивный режим фильтрации по принципу согласования фактического и расчетного значений дисперсии невязки. Оценка параметра на i-ом шаге имеет вид
= +Ki·νi (6)
Для завязки фильтрации необходимо, чтобы по крайней мере первые два измерения обрабатывались без принятия решения о скачке дисперсии. Это обеспечивается следующей инициализацией параметров фильтра:
K1 1; R1 ΔZmax2/(2˙Δ12), (7) где Δ Zmax максимально возможная разность между измерениями.
Кроме этого, в алгоритме необходимо обеспечить выполнение условия
Кi < 1; i > 1. (8)
С целью уменьшения числа операций деления и повышения экономичности алгоритм преобразован с переходом к обратным величинам. Вводят следующие обозначения:
A 1/Ri-1; N 1/Ki-1; M 1/Kip;
L 1/Ki; B1 Δ12/Kip; B2 Δ22/Kip;
H νi2/(Ri-1 ˙ Ki-1) gi/Kip;
D 1/(Ki-1 ˙ (Ki-1 1)).
Величина получила название нормированного квадрата невязки. С учетом введенных обозначений алгоритм (1)-(8) преобразуется в вид:
инициализация
N 1; A 2 ˙Δ12/Δ Zmax2;
цикл обработки i-го измерения
ν Z X;
H: ν2 A ˙ N;
H N + 1;
B1 Δ12˙M;B222˙ M;
L
L Lmin
D N/(L 1); A A ˙ D;
N L; X X + ν/L, где Lmin обратная величина максимально возможного значения коэффициента сглаживания;
В1, В2 скользящие пороги аномальности.
На фиг. 1 и 3 изображены упрощенная и конкретная структурные схемы устройства; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.
Устройство для цифровой фильтрации (фиг. 1) состоит из блока 1 сглаживания, блока 2 определения коэффициента сглаживания и согласования дисперсии невязки измерения, блока 3 анализа динамической ошибки, синхронизатора 4, схемы 5 управления синхронизацией.
Устройство для цифровой фильтрации (фиг. 3) содержит преобразователь 6 последовательного кода в параллельный, вычитатель 7, умножитель 8, квадратор 9, сумматор 10, умножитель 11, блок 12 элементов И, блок 13 элементов ИЛИ, блок 14 элементов ИЛИ, блок 15 вычисления обратной величины, счетчик 16, блок 17 элементов И, регистр 18, счетчик 19, блок 20 вычисления обратной величины, умножители 21, 22 регистр 23, умножитель 24, блок 25 ограничения, состоящий из блока 26 элементов И, регистра 27, блока 28 элементов И, триггера 29 и блока 30 сравнения, блок 31 двухпорогового сравнения, состоящий из блока 32 сравнения, элемента ИЛИ 33 и блока 34 сравнения, регистр 35, умножитель 36, регистр 37, умножитель 38, триггеры 39, 40, элементы И 41-44.
Устройство работает следующим образом.
До начала процесса фильтрации с синхронизатора 4 поступает одиночный импульс начальной установки. При этом преобразователь 6, сумматор 10, триггеры 29, 39, 40 устанавливаются в нулевом состояние, счетчики 16 и 19, регистр 18 в единичное. В регистр 23 записывается величина, равна 2 ˙Δ12/Δ Zmax2. Все остальные элементы устройства не требуют начальной установки.
Каждый i-й шаг фильтрации начинается с приходом первого синхроимпульса. При этом последовательный код входного сигнала в преобразователе 6 преобразуется в параллельный и хранится в нем до начала очередного (i + 1)-го шага фильтрации. После преобразования входного сигнала в блоках 7, 9, 11 на выходе последнего устанавливается значение нормированного квадрата невязки. До прихода второго синхроимпульса в блоках устройства выполняются следующие операции.
В блоке 31 нормированный квадрат невязки сравнивается со скользящими порогами аномальности, значения которых снимаются с выходов умножителей 36, 38. При этом состояние логической "1", свидетельствующее об аномальности измерения, устанавливается на выходе блока 32, если Н > В1, и на инверсном выходе блока 34, если Н < В2. Сигнал с выхода блока 31 задает состояние триггера 39, определяющего одно из двух условий выбора коэффициента сглаживания в зависимости от качества очередного измерения. Если измерение нормальное, т. е. нормированный квадрат невязки находится в пределах отрезка, задаваемого порогами аномальности, то сигнал разрешения подается на блок 17, через который на вход блока 13 пропускается значение обратной величины i-го расчетного коэффициента сглаживания с выхода счетчика 16. В случае принятия решения об аномальности текущего измерения сигнал разрешения подается на блок 12, который пропускает на вход блока 13 значение нормированного квадрата невязки. С выхода блока 13 оценка обратной величины коэффициента сглаживания подается на вход блока 25.
С приходом второго синхроимпульса ограниченная при необходимости до минимального значения Lmin, хранящегося в регистре 27, обратная величина i-го коэффициента сглаживания через блок 14 загружается в счетчики 16 и 19 и преобразованная в блоке 15 умножается в умножителя 8 на невязку измерения с выхода вычитателя 7. Результат умножения поступает на первый вход сумматора 10, на втором входе которого уже находится значение отфильтрованного на (i 1)-ом шаге сигнала.
С приходом третьего синхроимпульса уменьшенное на единицу в счетчике 19 значение обратной величины коэффициента сглаживания обрабатывается в блоке 20. Полученное значение умножается в умножителе 21 на содержимое регистра 18, где хранится обратная величина (i 1)-го коэффициента сглаживания. Результат этой операции умножается в умножителе 22 на обратную величину дисперсии измерения на (i 1)-ом шаге, значение которой хранится в регистре 23. Кроме этого, увеличивается на единицу содержимое счетчика 16, формируя обратную величину расчетного коэффициента сглаживания (i + 1)-го шага.
С приходом четвертого синхроимпульса в сумматоре 10 складываются значения, стоящие на входах, и результат сглаживания на i-ом шаге поступает на выход всего устройства и на второй вход сумматора 10, где находится до соответствующего момента (i + 1)-го шага. Кроме этого, некоторые блоки устройства подготавливаются к следующему шагу фильтрации. В регистр 18 записывается обратная величина i-го коэффициента сглаживания, а в регистр 23 i-й дисперсии невязки. Результат умножения в умножителе 24 этих величин подается на вход умножителя 11. Содержимое счетчика 16 умножается в умножителях 36 и 38 на значения порогов, хранящихся в регистрах 35 и 37. Таким образом рассчитываются значения скользящих порогов аномальности (i + 1)-го шага. На этом i-й шаг фильтрации заканчивается и с приходом первого синхроимпульса все повторяется. После подачи импульса начальной установки триггер 40 сбрасывается в ноль, препятствуя тем самым прохождению синхроимпульсов на блоки 29, 39, 23 и 20 в течение первого шага фильтрации (на остальные блоки синхроимпульсы подаются непосредственно с синхронизатора, минуя схему 5 управления синхронизацией). По окончании четвертого синхроимпульса триггер 40 устанавливается в единицу.
Таким образом, в течение первого шага фильтрации с помощью схемы 5 управления синхронизацией запрещается изменение состояний триггеров 29, 39, регистра 23, а также вычисление обратной величины блоком 20. Это позволяет первые два измерения обработать как нормальные, обеспечив тем самым завязку фильтрации. При этом первое измерение обработано с единичным коэффициентом сглаживания. Таким образом, с помощью блоков 18, 19, 20, 21, 22, 23 замыкается цепь обратной связи в контуре адаптации по принципу согласования расчетной и фактической дисперсий невязки. Использование блока 31 двухпорогового сравнения позволяет, оперируя только текущими данными, принять решение об изменении дисперсии шума. При этом соответствующие величина и знак изменения коэффициента сглаживания учтены в величине нормированного квадрата невязки.
Формула изобретения: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, содержащее преобразователь последовательного кода в параллельный, вычитатель, квадратор, первый счетчик, первый, второй, третий и четвертый умножители, первый и второй блоки элементов И, первый блок вычисления обратной величины, первый блок элементов ИЛИ, первый блок сравнения, сумматор, первый регистр, причем выход вычитателя подключен к первому входу первого умножителя и входу квадратора, выход которого подключен к первому входу второго умножителя, выход которого подключен к первому входу первого блока сравнения и первому входу первого блока элементов И, выход которого подключен к первому входу первого блока элементов ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второго блока элементов И, информационный выход первого счетчика подключен к первому входу второго блока элементов И и первому входу третьего умножителя, выход которого подключен к второму входу первого блока сравнения, выход первого регистра подключен к второму входу третьего умножителя, выход первого блока вычисления обратной величины подключен к второму входу первого умножителя, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства и подключен к второму входу сумматора и первому входу вычитателя, второй вход которого подключен к выходу преобразователя последовательного кода в параллельный, информационный вход которого является входом устройства, выход четвертого умножителя подключен к второму входу второго умножителя, первый, второй и пятый выходы синхронизатора подключены соответственно к выходам начальной установки преобразователя последовательного кода в параллельный и сумматора, входу синхронизации преобразователя последовательного кода в параллельный, тактовому входу сумматора, отличающееся тем, что в него введены второй, третий, четвертый и пятый регистры, пятый, шестой и седьмой умножители, второй и третий блоки сравнения, третий и четвертый блоки элементов И, второй блок элементов ИЛИ, первый, второй, третий триггеры, второй счетчик, второй блок вычисления обратной величины, первый, второй, третий и четвертый элементы И, элемент ИЛИ, причем выход второго блока элементов ИЛИ подключен к информационному входу второго регистра, информационному входу первого счетчика, входу первого блока вычисления обратной величины и к информационному входу второго счетчика, выход которого подключен к входу второго блока вычисления обратной величины, выход которого подключен к первому входу пятого умножителя, выход которого подключен к первому входу шестого умножителя, выход которого подключен к информационному входу третьего регистра, выход которого подключен к второму входу шестого множителя и первому входу четвертого умножителя, выход второго регистра подключен к второму входу пятого умножителя и второму входу четвертого умножителя, выход первого счетчика подключен к первому входу седьмого умножителя, выход которого подключен к первому входу второго блока сравнения, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к D-входу первого триггера, прямой выход которого подключен к второму входу первого блока элементов И, инверсный выход первого триггера подключен к второму входу второго блока элементов И, второй вход элемента ИЛИ подключен к выходу первого блока сравнения, первый вход которого соединен с вторым входом второго блока сравнения, выход четвертого регистра подключен к второму входу седьмого умножителя, выход первого блока элементов ИЛИ подключен к первому входу третьего блока элементов И и первому входу третьего блока сравнения, выход которого подключен к D-входу второго триггера, прямой выход которого подключен к второму входу третьего блока элементов И, выход которого подключен к первому входу второго блока элементов ИЛИ, к второму входу которого подключен выход четвертого блока элементов И, к первому входу которого подключен инверсный выход второго триггера, выход пятого регистра подключен к второму входу четвертого блока элементов И и второму входу третьего блока сравнения, выход третьего триггера подключен к первым входам первого, второго, третьего и четвертого элементов И, первый выход синхронизатора подключен к входам начальной установки первого и второго счетчиков, второго и третьего регистров и входу установки в "0" третьего триггера, второй выход синхронизатора подключен к второму входу первого элемента И, выход которого подключен к тактовому входу первого триггера, третий выход синхронизатора подключен к входам разрешения параллельной нагрузки первого и второго счетчиков и второму входу второго элемента И, выход которого подключен к тактовому входу второго триггера, четвертый выход синхронизатора подключен к вычитающему входу второго счетчика, суммирующему входу первого счетчика и второму входу третьего элемента И, выход которого подключен к входу синхронизации второго блока вычисления обратной величины, пятый выход синхронизатора подключен к входам разрешения параллельной загрузки второго регистра, входу установки в "1" третьего триггера и второму входу четвертого элемента И, выход которого подключен к входу разрешения параллельной загрузки третьего регистра.