RU1807557C - Гибридный фильтр - Google Patents

Abstract

Гибридный фильтр относитс  к области электросв зи и предназначен дл  использовани  в устройствах цифровой фильтрации сигнала. Целью изобретени   вл етс  снижение дисперсии шумовой составл ющей выходного сигнала. Другой целью изобретени   вл етс  улучшение формы выходного сигнала путем исключени  из него импульсов малой длительности. Указанна  цель достигаетс  тем, что при фильтрации сигнала, заключающемс  в формировании последовательности сигналов, представл ющих собой входной сигнал, задержанный на определенное дл  каждого сигнала последовательности число тактов задержки, умножении каждого сигнала последовательности на коэффициент предсказани  полезной составл ющей входного сигнала, их последующем суммировании и ранжировании полученных сигналов оценок полезной составл ющей входного сигнала по их величине, сигналы оценок полезной составл ющей входного сигнала умножают на коэффициенты, соответствующие положению величин уточненной оценки полезной составл ющей входной величины,  вл ющегос  результатом гибридной фильтрации входного сигнала . Кроме того, после суммировани  сигнал уточненной оценки полезной составл ющей входного сигнала дополнительно подвергают рекурсивной медианной фильтрации с пеертурой, не менее чем в два раза превышающей длительность импульсов, искажаю-. щих форму сигнала. Гибридный фильтр содержит N элементов задержки 1.1-1.N, К регистров масштабных коэффициентов 3.0- З.К, К умножителей 2.0-2.К, М сумматоров 4.1-4.М, блок ранжировки по величине 5, М перемножителей 6.1-6.М, М блоков пам ти коэффициентов 7.1-7.М. сумматор 8.L элементов задержки 9.1-9.L, L элементов задержки и 10.1-10.L, блок выбора медианы 11.1 з.п. ф-лы, 2 ил. ел С 00 о VJ ел СП vj

Description

Изобретение относитс  к области электросв зи , а именно дл  использовани  в устройствах цифровой фильтрации сигнала .

Целью предлагаемого изобретени   вл етс  искажение дисперсии шумовой составл ющей выходного сигнала и, тем самым , повышение качества фильтрации по критерию минимума среднеквадратмческой ошибки, а также улучшение формы выходного сигнала путем исключени  из него импульсов малой длительности.

На Фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого гибридного фильтра, где: 1.1,1.2,..., 1.М элементы задержки; 2.0, 2,1, ..,, 2.К-ум- ножители; 3.0, 3.1, ..., З.К-регистры масштабных коэффициентов; 4.1, 4.2, .... 4.М сумматоры; 5 - блок ранжировки по величине; 6.1, 6.2, ..., б.М-перёмножители; 7.1, 7.2, .... 7.М-блоки пам ти коэффициентов; 8 - сумматор; 9.1, 9.2, ... 9.L - перва  группа элементов задержки; 10,1, 10.2, ,.., 10.L - втора  группа элементов задержки; 11-блок выбора медианы; на фиг. 2 - блок-, схема блока ранжировки по величине, где; 12.1.1, 12,1,2., ...; 12.1.J, .,., 12.М.Н - блоки сравнени ; 13.1.1,13.1.2,..., 13.1.J,.,.. 13.М.П - коммутаторы;

Предлагаемый гибридный фильтр дл  снижени  величины дисперсии шумовой составл ющей выходного .сигнала содержит последовательно соединенных элементов задержки 1.1, ..., 1.М,.вход первого из которых 1.1  вл етс  входом данного фильтра, причем, вход первого 1.1 и выход каждого 1.1,...., 1.N элемента задержки подключены к первому входу соответствующего ему 1-го (где I О,...,К) умножител  2.1, второй вход которого подключен к выходу 1-го регистра масштабных коэффициентов 3.1, а также М сумматоров 4.1,..., 4.М, входы которых подключены к выходам соответствующих умножителей 2.0,...,2.К, а выходы к входам блока ранжировки по величине 5, Одним из возможных способов реализации блока ранжировки по величине 5  вл етс  следующий; блок ранжировки по величине 5 содержит блоки сравнени  12.1.1,...,12.М.Н и коммутаторы , 13.1.1,...,13.М.Н, где первый индекс определ ет уровень, а второй - позицию в уровне, причем первый и второй входы блоков сравнени  12.1.1,.,.,12.М.Н соединены соответственно с первым и вторым информационными входами соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 13.1.1,...,13.М.Н, а выходы блоков сравнени  12.1.1,...,12.М.Н соединены с управл ющими входами соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 13.1.1,.,.,13.М.И. Первый вход блоков сравнени  12.2.1....12.М.Н всех уровней, кроме первого, соединен с выходом максимума предыдущего по позиции коммутатора предыдущего уровн  13.1.1,,,.,13,М1-1.Н, а второй их вход соединен с выходом минимума соответствующего по позиции коммутатора предыдущего уровн  13.1.1,...,13.М-1.Н, причем считаетс , что перва  позици  уровн  следует за последней. В случае нечетного числа уровней М первый вход блока сравнени  12.3.Н,,.,,12.М,Н соединен с выходом максимума коммутатора 13.1.1.....,13.М-2.1 первой позиции не предыдущего, а предшест вующего предыдущему уровню, то есть уровн  с номером меньшим на два по отношению к текущему, а второй вход блока

сравнени  12,2.Н соединен с последним входом, имеющим номер М, блока ранжировки по величине 5. Первые входы блоков сравнени  первого уровн  12.1.1,...,12.1.Н соединены со входами блока ранжировки по

величине 5 соответствующим удвоенному номеру позиции без единицы, а их вторые входы соединены с входами блока ранжировки по величине 5 соответствующими удвоенному номеру позиции. Выходы

5 максимума коммутаторов последнего уровн  13.М.1,...,1.3.М.Н соединены с выходами, блока ранжировки по.величине 5, соответствующими удвоенному номеру позиции, а выходы минимума коммутаторов последнего

0 уровн  13.М.1,.,.,13.М,Н, соединены с выходами блока ранжировки по величине 5, предшествующими по номеру выходам с которыми соединены их выходы максимума. В случае нечетного числа уровней М с по-5 следнйм выходом блока ранжировки по величине 5 соединен выход максимума коммутатора последней позиции предпоследнего уровн  13.М-1.Н. Предлагаемый гибридный фильтр содержит также М перемножителей

0 6.1,...,б.М,-М блоков пам ти коэффициентов 7.1,...,7.М и сумматор 8, выход которого  вл етс  выходом гибридного фильтра, а входы подключены к выходам соответствующих перемножителей 6.1,,..ДМ, первые входы кото5 . рых соединены, с соответствующими

выходами блока ранжировки по величине 5, а

вторые входы - с выходами соответствующих

блоков пам ти коэффициентов 7.1,..., 7.М.

Предлагаемый гибридный фильтр дл 

0 улучшени  формы выходного сигнала путем исключени  из него импульсов малой длительности содержит дополнительно две группы элементов задержки 9.1,...,9.1 и 10.1,...,10.1, в каждой из которых L элемен5 тов задержки соединены последовательно, и блок выбора медианы 11. Выход сумматора 8 подключен к входу первого элемента задержки первой группы 9.1 и к первому входу блока выбора медианы 11, выходы

0 всех элементов задержки 9.1,...,9,1 и . 10.1,,..,10.L подключены к соответствующим входам блока выбора медианы 11, выход которого соединен со входом первого элемента задержки второй группы 10.1 и  вл 5 етс  выходом гибридного фильтра. Одна из возможных реализаций блока выбора меди- ань 11 полностью идентична реализации блока ранжировани  по величине 5, если. число его входов положить равным 2L + 1 с соответствующим изменением числа уппоней и позиций. Выходом блока выбора медианы 11 в этом случае  вл етс , выход с номером L + 1 в примененной в блоке ранжировани  по величине 5 нумерации.

Элементы задержки 1.1,...,1.N, 9,1,...9.L и 10.1,....10.L, регистры масштабных коэффициентов 3.0,...,3.К и блоки пам ти коэффициентов 7,1,.,.,7.М могут быть реализованы на интегральных микросхемах К155 ИР13, умножители 2.0,...,2.К и перемножители 6.1,...,6.М могут быть реализованы на интегральных микросхемах КР1802 ВР2, сумматоры 4.1,...,4.М и сумматор 8 могут быть реализованы на интегральных микросхемах К155 ИМЗ, коммутаторы 13.1.1,...,13,М.Н могут быть реализованы на интегральных микросхемах К555 КП12, блоки сравнени  12.1.1,..1-2.М.Н могут быть реализованы на микросхемах К555 СП 1.

Предлагаемый гибридный фильтр дл  снижени  величины дисперсии шумовой составл ющей выходного, сигнала работает следующим образом. Входной сигнал, представленный своей двоичной величиной поступает на вход первого элемента задержки 1.1. С входа первого 1.1 и.выхода каждого 1.1,...,1.N элемента задержки сигнал поступает на первый вход соответствующего ему 1-го (где I О,...,К) умножител  2,i, второй вход которого поступает масштабный коэф- фициент с выхода 1-го регистра масштабных коэффициентов 3.1. Промасштабированный сигнал с выходов умножителей 2.0,.,.,2,К поступает на входы сумматоров 4,1.,...,4.М, обеспечива  тем самым, линейную фильтра- цию входного сигнала устройства М линейными фильтрами, коэффициенты которых записаны в регистрах масштабных коэффициентов 3,0,...,З.К, а элементы задержки, 1.1,...,1.N обеспечивают необходимую дл  этого задержку входного сигнала. С выходов сумматоров 4.1,...,4.М отфильтрованные сигналы, обычно, представл ющие оценку одного и того же значени  полезного сигнала на основе анализа различных участков входного сигнала, поступают на входы блока ранжировки по величине 5. Рассмотрим работу элементов внутренней структуры блока ранжировки по величине 5. Сигнал, поступающий на первый и второй входы блоков сравнени  12.1.1,,..,12.М.Н поступает одновременно на первый и второй информационные входы соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 13.1.1,..., 13.М.Н, с выходов блоков сравнени  12.1.1,...,12.М,Н сигнал поступает на управл ющие входы соответствующих по уровню и позиции коммутаторов 13.1.1,...,13.М.Н.Таким образом, соответствующие по уровню и позиции блоки сравнени  12.1.1,.,.,12.М.Н и

коммутаторы 13.1.1,,..,13.М.Н образуют элементарный блок поиска максимального и минимального элемента на два входа, поскольку в зависимости от выходного сигнала блока сравнени  12.1.1,..., 12.М.Н соответствующий коммутатор 13.1.1,...,13.М.Н производит , коммутацию своих входных сигналов таким образом, что на его выход максимума поступает входной сигнал имеющий большую величину, а на его выход минимума - входной сигнал с меньшей величиной . На первый вход блоков сравнени  12.2.1,...,12.М.Н всех уровней, кроме, первого , поступает сигнал с выхода максимума предыдущего по позиции .коммутатора предыдущего уровн  13.1.1,...,13. М-1.Н, а на второй их вход поступает сигнал с выхода минимума соответствующего по позиции коммутатора предыдущего уровн  13.1.1 ,...,13.М-1 ,Н, причем считаетс  что перва  позици  уровн  следует за последней . В случае нечетного числа уровней М на первый вход блока сравнени  12.3:Н,...,12.М.Н поступает сигнал с выхода максимума коммутатора 13.1.1,....13.М-2.1 первой позиции не предыдущего, а предшествующего предыдущему уровн , го есть уровн  с номером меньшим на два по отношению к текущему, а на второй вход блока сравнени  12.2.Н поступает сигнал с последнего входа, имеющего номер М, блока ранжировки по величине 5. На первые входы блоков сравнени  первого уровн  12.1.1,..., 12.1.Н поступают сигналы со входов блока ранжировки по величине 5 соответствующих удвоенному номеру позиции без единицы, .а на их вторые входы поступают сигналы со входов блока ранжировки по величине 5 соответствующих удвоенному номеру позиции. С выходов максимума коммутаторов последнего уровн  13.М. 1 ,....13.М.Н сигналы поступают на выходы блока ранжировки по величине 5, соответствующие удвоенному номеру позиции , э с выходов минимума коммутаторов последнего уровн  13.М.1.....13.М.Н, сигналы поступают на выходы блока ранжировки по величине 5, предшествующие по номеру выходам с которыми соединены их выходы максимума. В случае нечетного числа.уровней М на последний выход блока ранжировки по величине 5 сигнал поступает с выхода максимума коммутатора последней позиции предпоследнего уровн  13.М-1.Н. В блоке ранжировки по величине 5 при такой его организации на каждом уровне производитс  сравнение и коммутацию пар величин из входной последовательности, меж- уровнева  коммутаци  и число уровней позвол ют произвести на основании произведенных сравнений упор дочение входных величин блока ранжировки по величине 5 по возрастанию, причем минимальный элемент снимаетс  с первого выхода блока ранжировки по величине 5, а максимальный - с последнего. С каждого выхода блока ранжировки по величине 5 сигнал поступает на первый вход соответствующего перемножител  6.1,...,6,М, на второй вход которого поступает величина коэффициента с выхода соответствующего блока пам ти коэффициентов 7.1,...,7.М. Сигналы с выходов перемножителей б.1,...,6.М суммируютс  на сумматоре 8, с выхода которого снимаетс  выходной сигнал устройства в случае, когда не ставитс  задача выделени  в входном сигнале ступенчатой составл ющей. Комбинаци  перемножителей б.1,„.,б.М, блоков пам ти коэффициентов 7.1,...,7.М и сумматора 8 формируют характеристику ранго.во- го фильтра. Если при нечетном числе ранжируемых величин М во всех блоках па- м тм коэффициентов 7.1,...,7.М, кроме 7.(М- 1)/2+1, записана нулева  величина, а в 7. (М-1}/2+1 - единична , и при четном числе ранжируемых величин М во всех блоках пам ти коэффициентов 7.1,...,7.М, кроме 7.М/2 и 7.М/2+1, записана нулева  величина , а з 7.М/2 и 7.М/2-И - величина 1/2, то комбинаци  перемножителей 6.1,...,б.М, блоков пам ти коэффициентов 7.1,...,7.Ми сумматора 8 образуют устройство формировани  медианы прототипа. В случае, когда во всех блоках пам ти коэффициентов 7,1,...,7.М записана одинакова  величина, комбинаци  блока ранжировани  по величине 5, перемножителей 6.1....6.М, блоков пам ти коэффициентов 7.1,...,7.М и сумматора 8 образуют простейший фильтр нижних частот. В остальных случа х подбор величин в блоках пам ти коэффициентов 7.1.....7.М позвол ет получать фильтры с характеристиками , промежуточными между указанными выше случа ми, и существенно снизить дисперсию остаточного шума выходного сигнала сумматора 8, тем самым .повысив качество фильтрации по критерию. минимума среднеквадратической ошибки. f В предлагаемом гибридном фильтре дл  улучшени  формы выходного сигнала путем исключени  из него импульсов малой длительности дополнительно сигнал с выхода сумматора 8 поступает на вход первого элемента задержки первой группы 9.1 и на первый вход блока выбора медианы 11, с выходов всех элементов задержки 9.1,...,9.1 и 10.1,...,10,сигналы поступают на соответствующие входы блока выбора медианы 11, работа которого полагаетс  аналогичной работе блока ранжировани  по величине 5. С

выхода блока выбора медианы 11 имеющего номер L + 1 в примененной в блоке ранжировани  по величине 5 нумерации, снимаетс  выходной сигнал устройства поступающий

также на вход первого элемента задержки второй группы 10.1. Использование на выходе предлагаемого устройства рекурсивного медианного фильтра позвол ет повысить качество выделени  ступенчатой составл 0 ющей из сигнала на выходе сумматора. 8 за счет исключени  из него импульсов с длительностью менее L отсчетов, причем различные колебани  сигнала относительно посто нного уровн  могут рассматриватьс 

5 как последовательность разнопол рных импульсов .

Использование предлагаемого гибридного фильтра позвол ет повысить качество фильтрации за счет снижени  дисперсии

0 шумовой составл ющей выходного сигнала, причем предложенный фильтр позвол ет достигать уровн  качества не ниже чем способы оптимальной КИФ фильтрации, медианной фильтрации и прототипа, поскольку.

Claims (2)

1. 5 эти способы включаютс  предлагаемым способом как частные случаи, и исключить искажени  выходной величины импульсами длительностью менее половины апертуры рекурсивной медианы, что позвол ет ис0 пользовать предложенный способ дл  предварительной обработки сигналов в автоматических распознавател х. Формула изобретени  1. Гибридный фильтр, содержащий N

   5 последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых  вл етс  входом гибридного фильтра, причем вход каждого элемента задержки подключен к первому входу 1-го (где i 1...,К-1)умножите0 . л , выход N-ro элемента задержки - к-пер- вому входу К-го умножител , второй вход каждого умножител  подключен к выходу соответствующего регистра масштабных коэффициентов , а также М сумматоров, входы

   5 которых подключены к выходам соответствующих умножителей, а выходы - к входам блока ранжировки по величине, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности фильтрации за счет снижени  дис0 персии шумовой составл ющей выходного сигнала, в него введены М перемножителей, М блоков пам ти коэффициентов и сумматор , выход которого  вл етс  выходом гибридного фильтра, а входы подключены к

   5 выходам соответствующих перемножителей, первые входы которых соединены с соответствующими выходами блока ранжировки по величине, а вторые входы - с выходами со- ответствующих блоков пам ти коэффичлен- тов.
2. 2. Фильтр по п. 1,отличающийс  тем, что, с целью улучшени  формы выходного сигнала путем исключени  из него импульсов малой длительности, в него введены две группы элементов задержки, в каждой из которых L элементов задержки соединены последовательно, и блок выбора медианы, при этом выход сумматора подключен к входу первого элемента задержки первой группы и к первому входу блока выбора медианы, выходы все элементов задержки подключены к соответствующим входам блока выбора медианы, выход которого соединен с входом первого элемента задержки второй группы и  вл етс  выходом гибридного фильтра.

   «- 6.1

   13.2.1

   13.2.2

   13.2.Н

   Фиг . 2