CN111903059A - 脉冲噪声的自适应数字滤波方法和实施该方法的滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算和测量技术，并涉及用于处理测量信号的自适应数字滤波方法和自适应数字滤波器，可以用于在计算机和微控制器(微型计算机)中过滤信号，还可用于创建计算机软件以在脉冲噪声的背景下处理信号，尤其是测量信号。所要求保护的方法的本质在于，在单个滤波操作中，使用计算出的输入信号的变化率的绝对值的缩放值来使一阶递归滤波器自适应。所要求保护的设备的本质在于使用输入信号变化率绝对值的检测器和缩放单元，以根据所要求保护的自适应滤波方法使一阶递归滤波器的至少一个系数自适应。技术结果是在尽可能保留信号中的实际阶跃的边缘陡度的同时抑制脉冲噪声。同时，过滤器使用最少的计算资源，可应用于具有超低功耗的系统和仪器。

Description

脉冲噪声的自适应数字滤波方法和实施该方法的滤波器

技术领域

用于处理测量信号的自适应滤波器与计算有关，并且可以用于在计算机、微控制器(微型计算机)中过滤信号，以及用于创建计算机软件，并且可以在需要处理测量信号的系统中使用。

背景技术

已知一种自适应滤波器，其包含串联连接的离散傅立叶变换(DFT)单元(其输入是自适应滤波器的第一输入)、乘法单元、求和器、减法器(其第二输入是自适应滤波器的第二输入)和用于产生权重系数的单元(其输出连接至乘法模块的另一组输入)，以及除法模块，该除法模块的第一组输入与归一化系数模块的相应输入相结合，并且连接至DFT模块的相应输出，第二组输入连接至归一化系数模块的相应输出。1984年9月30日的前苏联发明人证书SU 1116537、IPCH03H21/00。

已知一种用于自适应估计集中干扰的设备，其包括第一和第二自适应滤波器、求和器、用于计算相关函数的计数的单元、用于计算自适应滤波器的控制系数的单元、第一和第二求和器、用于计算累积值的第一和第二单元。2010年2月10日的俄罗斯联邦专利RU2381620、IPCH04B1/10。

已知一种用于评估非平稳过程的自适应滤波器，其可以用于在专用计算机和混合计算机中过滤信号，以及用于创建计算机软件。为了提高非平稳过程的滤波的准确性和稳定性，已将其他元件和连接装置引入著名的卡尔曼滤波器的结构中，它们根据Krasovsky均方根判据实现最佳的滤波器校正，并且包括校正滤波器——“偏差”评估过滤器，该校正滤波器用于使用非终端管理的算法来配置主过滤器和校正过滤器。1998年5月10日的俄罗斯联邦专利RU 2110883、IPCH03H21/00。

上述设备的缺点是：结构相对复杂，计算操作量大，这导致需要使用更高效的计算资源，限制了它们在具有超低功耗的设备和装置中使用的可能性。

已知一种自适应数字滤波方法和用于实施该方法的滤波器。该方法的特征在于，其包括根据接收到的数据样本进行滤波系数自适应的第一操作和通过将自适应的滤波系数应用于接收到的数据样本的第二滤波操作，第一和第二操作是同步的，使得交替地确定自适应滤波系数和调制数据样本。包括滤波装置和自适应装置的滤波器的特征在于，自适应装置使滤波系数自适应，以获得自适应系数，并且滤波装置将自适应滤波系数应用于接收到的数据样本，滤波装置和自适应装置的操作是同步的，使得交替地确定自适应滤波系数和调制数据样本。1999年4月20日的专利申请RU97105757、IPCH03H21/00。该技术解决方案被认为是最接近的现有技术原型。

该方法和用于实施该方法的滤波器的缺点在于，交替执行自适应滤波系数的第一操作和将自适应滤波系数应用于接收到的数据样本的第二操作，这导致输出信号相对于输入信号的变化延迟，该输出信号由输出数据样本序列表示，该输入信号由接收到的数据样本序列表示。此外，实施该方法需要至少八个数据样本和相当大量的数学运算，这增加了输出信号的设置时间，并且使得难以在计算资源有限的应用中(特别是在具有超低功耗的设备中)使用该方法。

发明内容

本发明的技术结果是：通过最小化执行自适应滤波所需的数学运算，减少在实施自适应滤波方法时对计算资源的需求；减少输出信号设置时间；在保持信号阶跃变化的前部的陡度的同时抑制高振幅脉冲噪声，其中，脉冲噪声的抑制程度与其振幅成比例地增加。

通过以下事实来获得该技术结果：使用一阶递归低通滤波作为脉冲噪声的自适应数字滤波的基础，该一阶递归低通滤波需要最少的计算资源来进行滤波，并且具有确保稳定性的简单性，通过确定输入信号的变化率的绝对值来使至少一个滤波器系数自适应。另外，进行与非递归滤波同阶的递归滤波提供了更高的效率。在这种情况下，使用一阶高频递归滤波方法或者计算信号的离散导数的数学运算来检测信号变化率，该离散导数是两个相邻的离散样本之差。在这种情况下，对当前的数据样本进行自适应系数的计算和将该自适应系数应用于一阶递归低通滤波器。

使用自适应滤波方法的设备的本质是使用输入信号的变化率的绝对值的检测器和缩放链路，以根据自适应滤波方法使一阶递归滤波器的至少一个系数自适应。

附图说明

通过附图说明本发明。

图1示出了结构图，其中，1是输入信号的变化率的绝对值的检测器；2是一阶可调低通滤波器；3是缩放链路。

图2示出了初始信号及其通过自适应滤波器的处理结果。

具体实施方式

当实施该方法时，由离散样本x[n]表示的信号同时是用于至少一个滤波器系数的自适应操作的输入和用于滤波器操作的输入。

在自适应操作中，通过以下方式计算输入信号的变化率的绝对值：计算该输入信号相对于当前信号样本x[n]和前一个信号样本x[n-1]的导数的绝对值：

|x'[n]＝|x[n]-x[n-1]| (1)

或者基于一阶(微分链路)高频递归滤波方法计算该输入信号的微分的绝对值：

|x'[n]|＝|1-a*x[n]+b*x'[n-1]| (2)

其中：

x[n]是当前离散时刻的信号输入样本；

x'[n-l]'是前一个离散时刻的递归高通滤波器信号输出样本；

a、b是确定一阶递归高通滤波器参数的系数。

输入信号|x'[n]|的变化率的绝对值通过乘以至少一个缩放因子Ka来缩放，从而得到至少一个自适应滤波系数k[n]：

k[n]＝|x'[n]|*Ka (3)

在由一阶递归滤波器的表达式描述的滤波操作中使用至少一个自适应滤波系数k[n]：

y[n]＝(x[n]+y[n-1]*(k[n]-1))/k[n] (4)

其中：

x[n]是当前离散时刻的信号输入样本；

y[n]是当前离散时刻的信号输出样本；

y[n-1]是前一个离散时刻的信号输出样本；

k[n]是自适应滤波系数，它通过缩放操作成比例地取决于输入信号的变化率的绝对值的计算结果|x'[n]|。

随着脉冲噪声幅度的增加，在脉冲噪声对输入信号的影响下，由公式(1)或(2)计算出的输入信号的变化率的绝对值将增大，因此，由公式(3)计算出的自适应系数的值k[n]，将导致由公式(4)描述的一阶递归低通滤波器的截止频率降低，从而导致对所述脉冲噪声的抑制。因此，通过应用计算信号变化率的绝对值以使滤波器系数自适应的操作，可以使对脉冲噪声的抑制程度与脉冲噪声幅度的增加成比例地增大。同时，当信号逐步地从一个稳态阶跃到另一个稳态时，在第二个稳态中，信号变化率的绝对值|x'[n]|将趋于零，这将不会导致一阶递归低通滤波器的截止频率降低。结果，在信号阶跃期间，滤波器的输出信号的延迟不超过一个离散时间间隔。

如以上表达式(1)至(4)所示，一阶递归滤波操作不需要多于4个数学运算，因此，所提出的自适应滤波方法总体上需要不超过10个数学运算，包括得出信号变化率的绝对值(模)及其缩放。用于实施脉冲噪声的自适应滤波方法的数学运算数量如此之少(不超过10个)，使得可以用很少的时间来建立输出信号，并且将其用于计算资源有限的设备中，包括具有超低功耗的设备中。

设备操作如下。

将输入信号x[n]同时提供给输入信号的变化的绝对值的检测器1的输入和一阶可调低通滤波器2的第一输入。在检测器1中，根据表达式(1)或(2)计算输入信号的变化率的绝对值|x'[n]|。将计算出的输入信号的变化率的绝对值|x'[n]|提供给缩放链路3的输入，其中，根据表达式(3)计算至少一个自适应系数k[n]，将该自适应系数k[n]提供给由表达式(4)描述的一阶可调低通滤波器2的第二输入，在这种情况下，与输入信号的变化率的绝对值成比例地改变该一阶可调低通滤波器2的截止频率。

图2b示出了通过本发明的自适应滤波器对原始信号进行处理(图2a)的结果，该原始信号包含高振幅脉冲噪声(A)和信号的阶跃变化(B)。本发明的滤波器的作用结果是在保持信号的阶跃变化(B)的前部的陡度的同时几乎完全抑制了高振幅脉冲噪声(A)，并且抑制了低振幅噪声分量。

Claims (8)

1.自适应数字滤波方法，所述自适应数字滤波方法包括将输入信号同时提供给至少一个滤波系数的自适应操作和使用至少一个自适应滤波系数进行的递归滤波操作，所述自适应操作取决于接收到的数据样本，其中，所述至少一个滤波系数的自适应通过计算由一系列离散样本表示的所述输入信号的变化率的绝对值来执行，随后对所获得的至少一个自适应滤波系数进行缩放，将所获得的至少一个自适应滤波系数应用于所述滤波操作，通过改变所述滤波操作的频率特性来减小或消除输出信号中的脉冲噪声。

2.根据权利要求1所述的自适应数字滤波方法，其特征在于，针对当前数据样本，执行所述至少一个自适应滤波系数的计算和将至少一个自适应滤波系数应用于所述滤波操作。

3.根据权利要求1至2所述的自适应数字滤波方法，其特征在于，根据描述一阶递归滤波器的表达式来执行所述滤波：

y[n]＝(x[n]+y[n-1]*(k[n-1])/k[n]，

其中：

x[n]是当前离散时刻的输入信号样本；

y[n]是当前离散时刻瞬时的信号输出样本；

x[n-1]是前一个离散时刻的输入样本信号；

k[n]是自适应滤波系数，其通过缩放操作成比例地取决于所述输入信号的变化率的计算结果。

4.根据权利要求3所述的自适应数字滤波方法，其特征在于，所述自适应系数k[n]被计算为所述输入信号的变化率的绝对值|x'[n]|与缩放系数Ka的乘积。

5.根据权利要求3所述的自适应数字滤波方法，其特征在于，通过根据以下表达式计算的输入信号的离散导数来确定所述输入信号的变化率，所述离散导数是当前操作和前一个操作中的两个相邻样本之差：

x'[n]＝x[n]-x[n-1]。

6.根据权利要求3所述的自适应数字滤波方法，其特征在于，使用由一阶递归高通滤波器表示的微分元件来确定所述输入信号的变化率：

x'[n]＝1-a*x[n]+b*y[n-1]，

其中：

x[n]是当前离散时刻瞬时的信号输入样本；

x'[n]是所述输入信号的微分；

a、b是确定所述微分元件的参数的系数。

7.一种自适应滤波器，包括针对输入信号变化率的绝对值的检测器、可调一阶低通滤波器和缩放元件，其特征在于，来自输入信号变化率检测器的输出的信号借助于缩放元件通过改变低通滤波器的截止频率来重置所述低通滤波器。

8.根据权利要求7所述的自适应滤波器，其特征在于，在一次滤波操作中，所述可调滤波器使用从所述针对输入信号变化率的绝对值的检测器接收到并经所述缩放元件转换后的信号。

Images