Цифровой трансверсальный фильтр

Цифровой трансверсальный фильтр относится к области радиотехники и может быть использован в устройствах фильтрации и генерирования сигналов, в том числе в устройствах фильтрации с ограниченной длительностью переходного процесса. Цифровой трансверсальный фильтр сокращает дополнительные аппаратурные затраты и повышает точность траекторией фильтрации, при этом он содержит линию задержки, на которую подается входной сигнал, преобразователи кодов, накопительные сумматоры, умножители, формирователь весовых коэффициентов, сумматор-формирователь выходного сигнала, связанные между собой так, что выходы линии задержки соединены с входами преобразователей кодов, выход каждого преобразователя кодов соединен с соответствующим входом накопительного сумматора, выход каждого накопительного сумматора соединен с первым входом соответствующего умножителя и соответствующим входом формирователя весовых коэффициентов, при этом первый вход формирователя весовых коэффициентов соединен с входом трансверсального фильтра, вторые входы умножителей соединены с соответствующими выходами формирователя весовых коэффициентов, выходы умножителей соединены с входами сумматора-формирователя выходного сигнала.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в устройствах фильтрации и генерирования сигналов, в том числе в устройствах фильтрации с ограниченной длительностью переходного процесса.

При решении многих прикладных задач возникает проблема фильтрации сигналов с ограниченной длительностью переходного процесса. Наилучшим решением этой задачи являются трансверсальные фильтры (ТФ). Наиболее просто ТФ реализуются цифровым способом. Фильтрация цифрового ТФ традиционно обеспечивается вычислением дискретной свертки:

где U_вх(n-i) - входное возмущение на входе ТФ,

U_вых(n) - выходное возмущение на выходе ТФ,

h(i) - импульсная характеристика фильтра,

n - отсчеты времени,

N - количество отсчетов импульсной характеристики.

Таким образом, традиционная фильтрация сигналов с ограниченной длительностью переходного процесса достигается в результате N операций умножения на дробные весовые коэффициенты h(i) и N операций сложения, что вызывает необходимость проведения большого количества вычислений и, следовательно, дополнительные аппаратурные затраты, а также дополнительную проблему адаптации сигнала к изменяющемуся входному возмущению.

Известен трансверсальный фильтр по патенту РФ №2119242, МКИ 6 Н 03 Н 15/00, пр. 13.12.95 г., который позволяет решить первую проблему, т.е. сократить количество вычислений, при этом он является наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков и

принят за прототип. Такой фильтр содержит линию задержки, не менее двух преобразователей кодов, не менее двух накопительных сумматоров, формирователь весовых коэффициентов, не менее двух одинаковых умножителей и сумматор-формирователь выходного сигнала. Элементы известного фильтра связаны между собой следующим образом: выходы линии задержки соединены с входами преобразователей кодов, входами умножителей, входом сумматора-формирователя выходного сигнала и входом формирователя весовых коэффициентов, а выход каждого преобразователя кодов подключен к входу соответствующего накопительного сумматора, выходы преобразователей кодов подключены к первым входам соответствующих умножителей, вторые входы которых соединены с выходом формирователя весовых коэффициентов, а выходы - с соответствующим входом сумматора-формирователя выходного сигнала. Такое решение позволяет уменьшить количество операций умножения на дробные коэффициенты до N/3 раз, что соответственно сокращает аппаратурные затраты на их проведение за счет представления сложной формы импульсной характеристики суммой простых импульсных характеристик, реализуемых в виде нескольких отдельных каналов параллельных фильтров.

Недостатком прототипа является отсутствие адаптации к изменяющемуся внешнему возмущению, что в несколько раз может увеличивать суммарную флюктуационную и динамическую ошибки фильтрации.

Техническая задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в повышении точности траекторией фильтрации за счет адаптации фильтра к изменяющемуся входному возмущению.

Техническое решение, на которое направлена заявляемая полезная модель, заключается в использовании трансверсального фильтра, содержащего линию задержки, на которую подается входной сигнал, преобразователи кодов, накопительные сумматоры, умножители, формирователь весовых коэффициентов, сумматор-формирователь выходного сигнала, связанные

между собой так, что выходы линии задержки соединены с входами преобразователей кодов, выход каждого преобразователя кодов соединен с соответствующим входом накопительного сумматора, выход каждого накопительного сумматора соединен с первым входом соответствующего умножителя, а вторые входы умножителей соединены с соответствующими выходами формирователя весовых коэффициентов, выходы умножителей соединены с входами сумматора-формирователя выходного сигнала.

От прототипа заявляемый трансверсальный фильтр отличается тем, что формирователь весовых коэффициентов имеет количество входов соответствующее количеству каналов фильтрации, а также вход для входного сигнала трансверсального фильтра, при этом первый вход формирователя весовых коэффициентов соединен с входом трансверсального фильтра, а остальные входы формирователя весовых коэффициентов соединены с соответствующими выходами накопительных сумматоров каждого из каналов.

В результате повышается адаптация фильтра к количеству учитываемых каналов (v), заключающаяся в том, что количество членов полиномиального ряда k(n), соответствующее количеству каналов (v), выбирают по критерию минимума оценки дисперсии фильтрации D_j(n)

j

где

U_вых(n-i) - сигнал на выходе канала.

Сущность данного технического решения поясняется следующими схемами.

На фиг.1 представлена структурная схема прототипа трансверсального фильтра.

На фиг.2 представлена структурная схема заявляемого трансверсального фильтра.

Трансверсальный фильтр (фиг.1 и фиг.2) содержит линию задержки 1, преобразователи кодов 2 и 3, накопительные сумматоры 4 и 5, формирователь весовых коэффициентов 6, умножители 7 и 8, а также сумматор-формирователь выходного сигнала 9.

ТФ (фиг.2) работает следующим образом. На линию задержки 1 подается входной сигнал U_вх(n). Сигнал с линии задержки 1 поступает, например, по двум каналам (v=2) на преобразователи кодов 2 и 3, которые осуществляют формирование приращения сигнала первого канала и второго канала. Эти приращения поступают на накопительные сумматоры 4 и 5, с выхода которых сигналы поступают на первый вход умножителя 7 и второй вход умножителя 8 соответственно, с выходов умножителей 7 и 8 сигналы поступают на вход сумматора-формирователя 9. Причем, второй вход умножителя 7 подключен к входу формирователя весовых коэффициентов 6. В отличие от прототипа формирователь весовых коэффициентов 6 имеет количество входов соответствующее количеству каналов фильтрации (v), a также вход для входного сигнала. Наличие этих сигналов позволяет сформировать оценку дисперсии ошибки. В результате сравнения дисперсии на сумматор-формирователь 9 поступает тот канал, который обеспечивает наименьшую дисперсию.

Например, если входное возмущение имеет только постоянную составляющую, то дисперсия D₂(n)>D ₁(n), так как динамические ошибки равны нулю, а дисперсия флюктуационной ошибки D₁(n) на выходе фильтра, учитывающего только постоянную составляющую, меньше дисперсии D₂(n) на выходе фильтра, учитывающего и ту, и другую составляющие, при этом

Если входное возмущение будет содержать и постоянную, и линейную составляющие, то тогда D₁(n)>D ₂(n), и

Соотношение (7) означает, что с выхода формирователя весовых коэффициентов 6 и на первый, и на второй канал будут подаваться ненулевые весовые коэффициенты. Такой трансверсальный фильтр является экономичным и оптимальным по критерию минимума дисперсии ошибки фильтрации.

Таким образом, существенным отличием предлагаемой полезной модели является то, что в формирователе весовых коэффициентов 6 (фиг.2) оценивается дисперсия ошибки фильтрации в каждом канале и на основе этой оценки адаптивно формируются весовые коэффициенты для каждого канала.

Цифровой трансверсальный фильтр, включающий линию задержки, на которую подается входной сигнал преобразователей кодов, накопительные сумматоры, умножители, формирователь весовых коэффициентов, сумматор-формирователь выходного сигнала, связанные между собой так, что выходы линии задержки соединены с входами преобразователей кодов, выход каждого преобразователя кодов соединен с соответствующим входом накопительного сумматора, выход каждого накопительного сумматора соединен с первым входом соответствующего умножителя, а вторые входы умножителей соединены с соответствующими выходами формирователя весовых коэффициентов, выходы умножителей соединены с входами сумматора-формирователя выходного сигнала, отличающийся тем, что формирователь весовых коэффициентов имеет количество входов, соответствующее количеству каналов фильтрации, а также вход для входного сигнала, при этом первый вход формирователя весовых коэффициентов соединен с входом трансверсального фильтра, а остальные входы формирователя весовых коэффициентов соединены с соответствующими выходами накопительных сумматоров каждого из каналов.