RU2365980C1 - Device for picking up useful signal against background of noise with minimisation of end effects through piecewise multiplication of estimations - Google Patents
Device for picking up useful signal against background of noise with minimisation of end effects through piecewise multiplication of estimations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365980C1 RU2365980C1 RU2007146655/09A RU2007146655A RU2365980C1 RU 2365980 C1 RU2365980 C1 RU 2365980C1 RU 2007146655/09 A RU2007146655/09 A RU 2007146655/09A RU 2007146655 A RU2007146655 A RU 2007146655A RU 2365980 C1 RU2365980 C1 RU 2365980C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- implementation
- unit
- output
- measurement results
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в системах управления и обработки сигналов.The present invention relates to the field of computer technology and can be used in control systems and signal processing.
Входная реализация результатов измерений представляет собой единственную дискретную последовательность y1, y2, …, yn, где yk=y(tk), .The input implementation of the measurement results is the only discrete sequence y 1 , y 2 , ..., y n , where y k = y (t k ), .
Математическая модель результатов измерений может быть представлена в виде:The mathematical model of the measurement results can be represented as:
где Sk - полезная составляющая; uk - аддитивная шумовая составляющая.where S k is a useful component; u k is the additive noise component.
Относительно случайной шумовой составляющей предполагается, что Мuk=0, With respect to the random noise component, it is assumed that Mu k = 0,
Duk=σ2, а ее значения в разные моменты времени некоррелированы (т.е. cov(uk, us)=0, k≠s).Du k = σ 2 , and its values at different instants of time are uncorrelated (i.e., cov (u k , u s ) = 0, k ≠ s).
Основная решаемая задача - выделение полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов, в условиях недостаточной априорной информации о статистических характеристиках аддитивного шума и функции полезного сигнала при наличии единственной реализации измеряемого процесса. Априорно предполагается известным, что исходная полезная составляющая является гладкой по Андерсону, т.е. на некоторых интервалах может быть достаточно точно аппроксимирована полиномом не выше второй степени. Подобная задача может возникать: 1) в работе приемопередающих устройств дальней или космической связи; 2) в радиотехнике при оценке помехоустойчивости схем (алгоритмов) обработки сигналов; 3) в метеорологии при изменении различных характеристик состояния атмосферы и т.д. В тех случаях, когда полезная составляющая Sk, принадлежит известному классу функций и определяется конечным числом параметров, используются параметрические методы оценивания (сюда входят методы регрессионного анализа, основу которых составляет классическая теория наименьших квадратов). В случаях, когда отсутствует априорная информация о функции полезной составляющей, для ее оценивания используются непараметрические методы, такие как сглаживание. Известно, что наилучший способ сглаживания - усреднение по ансамблю реализации yi,k, исходного процесса.The main problem to be solved is the selection of a useful signal against a background of noise with minimization of end effects, in conditions of insufficient a priori information about the statistical characteristics of additive noise and the function of a useful signal in the presence of a single implementation of the measured process. It is a priori assumed that the initial useful component is Anderson-smooth, i.e. at some intervals, it can be fairly accurately approximated by a polynomial not higher than the second degree. A similar problem may arise: 1) in the operation of transceiver devices for long-distance or space communications; 2) in radio engineering when evaluating the noise immunity of signal processing circuits (algorithms); 3) in meteorology when changing various characteristics of the state of the atmosphere, etc. In cases where the useful component S k , belongs to a well-known class of functions and is determined by a finite number of parameters, parametric estimation methods are used (this includes methods of regression analysis, which are based on the classical theory of least squares). In cases where there is no a priori information about the function of the useful component, non-parametric methods such as smoothing are used to evaluate it. It is known that the best smoothing method is averaging over the ensemble of the implementation of y i, k , source process.
Однако на практике, как правило, предполагается наличие единственной реализации измеряемого процесса. В этом случае целесообразно пользоваться способами сглаживания.However, in practice, as a rule, it is assumed that there is a single implementation of the measured process. In this case, it is advisable to use smoothing methods.
Известен такой способ выделения полезной составляющей, как усреднения по ансамблю реализации (Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир, 1989. - 540 с.). Для его реализации необходимо иметь N реализации исходного процесса. Каждая реализация представляет собой временной ряд результатов измерений процесса y(t), полученных в n равноотстоящих моментов времени t1, t2, …, tn. Эти результаты наблюдений можно представить в виде матрицы реализации:There is such a method of isolating a useful component, such as averaging over the ensemble of implementation (Bendat J., Pirsol A. Applied analysis of random data. - M .: Mir, 1989. - 540 p.). For its implementation, it is necessary to have N implementations of the original process. Each implementation is a time series. the measurement results of the process y (t) obtained at n equally spaced points in time t 1 , t 2 , ..., t n . These observation results can be represented in the form of a realization matrix:
где yj1, yj2, …, yjn - j-я реализация исходного процесса, представляющая собой сумму функции полезного сигнала Sk и шумовой составляющей uk.where y j1 , y j2 , ..., y jn is the jth implementation of the original process, which is the sum of the useful signal function S k and the noise component u k .
Способ усреднения по ансамблю реализации предполагает запоминание N входных реализации yj1, yj2, …, yjn (j=1, 2,…, N), вычисление среднего арифметического значения этих реализаций в каждый момент времени, замену значений исходных реализаций случайного процесса полученной усредненной оценкой.The method of averaging over the implementation ensemble involves storing N input implementations y j1 , y j2 , ..., y jn (j = 1, 2, ..., N), calculating the arithmetic mean of these implementations at each moment in time, replacing the values of the original implementations of the random process with average rating.
При применении данного способа вычисляются средние арифметические по столбцам матрицы реализаций (2), в результате получаем сглаженный временной ряд When applying this method, the arithmetic mean columns of the implementation matrix (2) are calculated, as a result we obtain a smoothed time series
Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: запоминание цифрового сигнала, нахождение среднего арифметического, замена исходного временного ряда сглаженным.The features of the analog device, which coincide with the features of the claimed technical solution, are as follows: storing a digital signal, finding the arithmetic mean, replacing the original time series with a smoothed one.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- для применения устройства-аналога необходимо иметь несколько реализации.- to use an analog device, you must have several implementations.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:The reasons that impede the achievement of the required technical result are as follows:
- особенности устройства-аналога не позволяют обрабатывать единственную реализацию исходного процесса, а также не позволяют применить его к уже сглаженным значениям (в отличие от способов, «работающих» с единственной реализацией);- the features of the analog device do not allow to process a single implementation of the original process, and also do not allow it to be applied to already smoothed values (in contrast to methods that "work" with a single implementation);
- результат обработки нескольких реализаций существенно зависит от количества реализации, статистических характеристик шумовой составляющей, от отношения сигнал/шум.- the result of processing several implementations substantially depends on the number of sales, the statistical characteristics of the noise component, and the signal-to-noise ratio.
Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный способ, содержит для N реализаций N буферных блоков, входы которых являются информационными входами устройства, а выходы подключены через коммутаторы ко входам блоков хранения результатов измерений, выходы которых подсоединены ко входам арифметического устройства также через коммутаторы, чей выход подключен ко входу регистра хранения тренда, а выход регистра является информационным выходом устройства.The block diagram of a device that implements the considered method contains, for N implementations, N buffer blocks, the inputs of which are information inputs of the device, and the outputs are connected through switches to the inputs of the storage blocks of measurement results, the outputs of which are connected to the inputs of the arithmetic device also through switches, whose output is connected to the input of the trend storage register, and the output of the register is the information output of the device.
В патенте №2207622, МПК 7 G06F 17/18 был предложен метод размножения оценок при ограниченном объеме априорных данных и единственной реализации исходного процесса.In patent No. 2207622, IPC 7
Рассматриваемое устройство-аналог предполагает: 1) запоминание входной реализации y1, y2, …, уn; 2) разбиение входной реализации на интервалы случайными числами, имеющими равномерный закон распределения; 3) проверка условия, что интервалы включают не менее L-значений исходной реализации, если условие не выполняется, то заново генерируются случайные числа разбиения; 4) нахождение на каждом интервале входной реализации оценок коэффициентов аппроксимирующего полинома a+bt+ct2 с помощью метода наименьших квадратов; 5) повторение процедур, описанных в пунктах 2-4 К, раз; 6) нахождение сглаживающей функции как среднего арифметического "кусочно-квадратичных" аппроксимирующих функций в каждый момент времени.The considered analog device assumes: 1) storing the input implementation y 1 , y 2 , ..., y n ; 2) dividing the input implementation into intervals by random numbers having a uniform distribution law; 3) checking the condition that the intervals include at least L-values of the original implementation; if the condition is not met, random partition numbers are regenerated; 4) finding on each interval of the input implementation estimates of the coefficients of the approximating polynomial a + bt + ct 2 using the least squares method; 5) repetition of the procedures described in paragraphs 2-4 K, times; 6) finding the smoothing function as the arithmetic mean of “piecewise quadratic” approximating functions at each moment in time.
Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: запоминание цифрового сигнала, нахождение среднего арифметического, замена исходного временного ряда сглаженным.The features of the analog device, which coincide with the features of the claimed technical solution, are as follows: storing a digital signal, finding the arithmetic mean, replacing the original time series with a smoothed one.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- для обработки реализации необходимо запоминать всю выборку;- to process the implementation, it is necessary to remember the entire sample;
- невозможно реализовать обработку исходной реализации в реальном масштабе времени;- it is impossible to implement the processing of the original implementation in real time;
- рост ошибки выделения полезного сигнала с ограниченным увеличением размножения исходной реализации.- the growth of the error of the selection of the useful signal with a limited increase in the reproduction of the original implementation.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:The reasons that impede the achievement of the required technical result are as follows:
- для обработки исходной реализации необходимо иметь в наличии всю выборку, возможности использования метода размножения оценок в реальном масштабе времени крайне ограничены;- for processing the initial implementation, it is necessary to have the whole sample available, the possibilities of using the method of multiplying estimates in real time are extremely limited;
- предположение о том, что на каждом интервале разбиения исходной реализации полезный сигнал можно описать полиномом второй степени, приводит к росту ошибки выделения полезного сигнала с уменьшением длины интервала разбиения и увеличением дисперсии аддитивной шумовой составляющей.- the assumption that on each partition interval of the initial implementation the useful signal can be described by a polynomial of the second degree leads to an increase in the error of the selection of the useful signal with a decrease in the length of the partition interval and an increase in the dispersion of the additive noise component.
Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный способ, содержит буферный блок, вход которого является информационным входом устройства, а выход подключен к информационным входам блоков хранения результатов измерений, к управляющим входам которых через коммутаторы подключены выходы блока разбиения исходной реализации, который содержит генератор случайных чисел, распределенных по равномерному закону, выход которого подключен ко входу блока устранения связанных значений, выход которого подсоединен ко входу блока ранжирования, к выходу которого подключен регистр хранения выборки случайных чисел, чей выход является информационным выходом блока разбиения; к выходам блоков хранения подключены входы блоков аппроксимации, выходы которых подключены ко входам регистров хранения оценок исходной функции, выходы которых подключены ко входам арифметического суммирующего устройства, выход которого подключен ко входу регистра хранения тренда, чей выход является информационным выходом устройства. Синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов.The block diagram of a device that implements the considered method contains a buffer block, the input of which is the information input of the device, and the output is connected to the information inputs of the storage blocks of the measurement results, to the control inputs of which the outputs of the splitting block of the original implementation are connected via switches, which contains a random number generator distributed according to uniform law, the output of which is connected to the input of the unit for eliminating related values, the output of which is connected to the input of the unit is ranked oi, the output of which is connected to a register for storing a sample of random numbers, whose output is the information output of the partition block; the outputs of the storage blocks are connected to the inputs of the approximation blocks, the outputs of which are connected to the inputs of the storage registers of estimates of the initial function, the outputs of which are connected to the inputs of the arithmetic summing device, the output of which is connected to the input of the trend storage register, whose output is the information output of the device. The synchronization of the device is provided by the clock generator.
Известен способ экспоненциального сглаживания [Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир, 1989. - 540 с]. Его особенность заключается в том, что в процедуре нахождения оценки полезной составляющей используются только предшествующие значения входной реализации результатов измерений, взятые с определенным «весом», причем значение «весов» убывает к началу реализации. Для применения этого способа достаточно одной реализации y1, y2, …, yn исходного процесса.A known method of exponential smoothing [Bendat J., Piersol A. Applied analysis of random data. - M .: Mir, 1989. - 540 s]. Its peculiarity lies in the fact that in the procedure for finding the estimate of the useful component, only the previous values of the input implementation of the measurement results taken with a certain "weight" are used, and the value of the "weights" decreases to the beginning of the implementation. To apply this method, one implementation y 1 , y 2 , ..., y n of the original process is sufficient.
Способ экспоненциального сглаживания предполагает запоминание исходной дискретной реализации результатов измерений y1, y2, …, yn случайного процесса, выбор параметра сглаживания α (0<α<1), значения Q0, вычисление оценки полезной составляющей по рекуррентной формуле:The method of exponential smoothing involves storing the initial discrete implementation of the measurement results y 1 , y 2 , ..., y n of a random process, choosing the smoothing parameter α (0 <α <1), the value of Q 0 , calculating the estimate of the useful component using the recurrence formula:
k=1, 2, …, n k = 1, 2, ..., n
замену исходных значений результатов измерений y1, у2, …, уn сглаженными значениями Q1, Q2, …, Qn.replacing the initial values of the measurement results y 1 , y 2 , ..., y n with the smoothed values of Q 1 , Q 2 , ..., Q n .
Для использования экспоненциального сглаживания результатов измерений определяется начальное значение Q0 оценки полезной составляющей и параметр сглаживания α. Неверный выбор начальных условий может оказать существенное влияние на результат обработки исходной дискретной реализации результатов измерений. В практических рекомендациях по применению экспоненциального сглаживания [Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. - М.: Мир, 1989. - 540 с.] предлагается выбирать в качестве начального значения Q0 либо первое значение результатов измерений, либо среднее арифметическое нескольких первых членов результатов измерений, например Q0=(y1+y2+y3)/3. С другой стороны, влияние начальных условий уменьшается с увеличением количества результатов измерений и становится несущественным при большом числе измерений.To use exponential smoothing of the measurement results, the initial value Q 0 of the estimate of the useful component and the smoothing parameter α are determined. Wrong choice of initial conditions can have a significant impact on the result of processing the initial discrete implementation of the measurement results. In practical recommendations on the use of exponential smoothing [Bendat J., Pirsol A. Applied analysis of random data. - M .: Mir, 1989. - 540 p.] It is proposed to choose as the initial value of Q 0 either the first value of the measurement results or the arithmetic average of several first members of the measurement results, for example Q 0 = (y 1 + y 2 + y 3 ) / 3. On the other hand, the influence of the initial conditions decreases with an increase in the number of measurement results and becomes insignificant with a large number of measurements.
Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: запоминание цифрового сигнала, представление значений оценки полезной составляющей в виде многочлена от значений исходной дискретной реализации результатов измерений, замена значений исходной реализации результатов измерений сглаженными значениями.The features of the analog device that coincide with the features of the claimed technical solution are as follows: storing a digital signal, presenting the evaluation values of the useful component in the form of a polynomial from the values of the initial discrete implementation of the measurement results, replacing the values of the initial implementation of the measurement results with smoothed values.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- неопределенность выбора параметра сглаживания α, в отдельных случаях предлагается (необоснованно) определять величину α исходя из объема сглаживаемой реализации: α=2/(n+1);- the uncertainty of the choice of the smoothing parameter α, in some cases it is proposed (unreasonably) to determine the value of α based on the volume of the smoothed implementation: α = 2 / (n + 1);
- неопределенность выбора параметра Q0, что приводит к необоснованности многократного повторного применения способа экспоненциального сглаживания при других значениях α и Q0.- the uncertainty of the choice of the parameter Q 0 , which leads to the groundlessness of repeated re-application of the method of exponential smoothing for other values of α and Q 0 .
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем: способ экспоненциального сглаживания не является «самонастраивающимся» способом, поскольку выбор параметров α и Q0 осуществляется субъективно и зависит от опыта и практических навыков исследователя, значения α и Q0 есть функции формы сигнала, шума, объема выборки.The reasons that impede the achievement of the required technical result are as follows: the method of exponential smoothing is not a "self-adjusting" method, since the choice of parameters α and Q 0 is carried out subjectively and depends on the experience and practical skills of the researcher, the values of α and Q 0 are functions of the waveform, noise, sample size.
Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный способ, содержит генератор таковых импульсов, коммутатор, блок управления, регистр хранения, сумматор, блок умножения, выходной регистр хранения оценки полезной составляющей.The structural diagram of a device that implements the considered method comprises a pulse generator, a switch, a control unit, a storage register, an adder, a multiplication unit, an output register for storing the useful component estimate.
Известен способ медианного сглаживания [Колемаев В.А., Калинина В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: ИНФРА-М, 1997. - 302 с]. Для применения этого способа достаточно одной дискретной реализации результатов измерений y1, y2,…, yn. Основное достоинство медианного сглаживания - устойчивость к выбросам. В основе способа лежит вычисление скользящей медианы.A known method of median smoothing [Kolemaev V.A., Kalinina V.N. Theory of Probability and Mathematical Statistics. - M .: INFRA-M, 1997. - 302]. To apply this method, one discrete implementation of the measurement results y 1 , y 2 , ..., y n is sufficient. The main advantage of median smoothing is emission resistance. The basis of the method is the calculation of the moving median.
Способ медианного сглаживания предполагает запоминание исходной дискретной реализации результатов измерений y1, y2, …, yn, определение длины m интервала ряда y1, y2, …, Уn (или ширины «скользящего окна»), для которого будет производиться вычисление медианы, то есть ранжирование выбранного интервала входной реализации результатов измерений, определение медианы , замена центрального значения интервала y1, y2,…, ym медианой , сдвиг «скользящего окна» на одно значение вправо (т.е. выбор вместо интервала yk, yk+1, …, yk+m-1 реализации другого интервала yk+1, yk+2,…, yk+m), вычисление медианы на новом интервале входной реализации результатов измерений, и так до тех пор, пока не будет достигнуто правого конца исходной реализации результатов измерений.The method of median smoothing involves storing the initial discrete implementation of the measurement results y 1 , y 2 , ..., y n , determining the length m of the interval interval of the series y 1 , y 2 , ..., Y n (or the width of the "sliding window") for which the calculation will be performed medians, i.e. ranking the selected interval of the input implementation of the measurement results, determining the median , replacing the central value of the interval y 1 , y 2 , ..., y m by the median , shift of the "sliding window" by one value to the right (i.e., instead of choosing the interval y k , y k + 1 , ..., y k + m-1, the implementation of another interval y k + 1 , y k + 2 , ..., y k + m ), the calculation of the median on the new interval of the input implementation of the measurement results, and so on, until the right end of the original implementation of the measurement results is reached.
Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: запоминание входной реализации результатов измерений, выделение временных отрезков, сохранение реализации сглаженных значений.The features of the analog device, which coincide with the features of the claimed technical solution, are as follows: storing the input implementation of the measurement results, highlighting time periods, saving the implementation of smoothed values.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- первые p и последние p значений результатов измерений не сглаживаются;- the first p and last p values of the measurement results are not smoothed;
- вследствие нелинейности метода обработки нельзя строго разграничить влияние медианной фильтрации на сигнал и шум;- due to the nonlinearity of the processing method, it is impossible to strictly distinguish between the influence of median filtering on the signal and noise;
- медианное сглаживание можно рассматривать только как эффективный метод предварительной обработки входной реализации результатов измерений в случае импульсных помех.- median smoothing can only be considered as an effective method of pre-processing the input implementation of the measurement results in the case of pulsed interference.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:The reasons that impede the achievement of the required technical result are as follows:
- если ширина окна сглаживания равна 2р+1, то первые p и последние p значений исходной реализации результатов измерений не подвергаются обработке;- if the width of the smoothing window is 2p +1 , then the first p and last p values of the initial implementation of the measurement results are not processed;
- медианная фильтрация является нелинейным методом обработки;- median filtering is a non-linear processing method;
- зависимость эффективности сглаживания результатов измерений от формы полезной и шумовой составляющей.- the dependence of the smoothing efficiency of the measurement results on the shape of the useful and noise component.
Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный способ, содержит генератор таковых импульсов, коммутатор, блок управления, регистр хранения, блок ранжирования, блок выбора среднего значения, выходной регистр, где хранится оценка исходной дискретной реализации результатов измерений.The block diagram of a device that implements the considered method contains a pulse generator, a switch, a control unit, a storage register, a ranking unit, an average value selection unit, an output register, where an estimate of the initial discrete implementation of the measurement results is stored.
Из известных способов выделения полезной составляющей наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является способ выделения тренда методом скользящего размножения оценок тренда его единственной исходной реализации («КРОТ») и устройство для его осуществления (патент 2257610, МПК7 G06F 17/18). Рассмотрим данное устройство в качестве прототипа. Для применения данного метода достаточно одной реализации y1, y2,…, yn исходного процесса.Of the known methods for isolating a useful component, the closest in technical essence to the claimed device is a method for isolating a trend by the method of sliding multiplication of trend estimates of its only initial implementation (“MOLE”) and a device for its implementation (patent 2257610,
Способ скользящего размножения оценок тренда предполагает: запоминание реализации результатов измерении , где m<n/2 (ширина «скользящего окна»), на котором будет производиться аппроксимация полиномом второй степени по методу наименьших квадратов, замена ряда значениями аппроксимирующей функции , в результате чего получается ряд , сдвиг «скользящего окна» на одно значение вправо (т.е. выбор вместо отрезка ряда следующего отрезка из , повторение процедур, описанных выше, пока не будет достигнут правый конец ряда, т.е. j=n-m.The method of rolling reproduction of trend estimates involves: remembering the implementation of the measurement results , where m <n / 2 (the width of the "sliding window"), on which the second-degree polynomial approximation by the least squares method will be performed, replacing the series values of the approximating function , resulting in a series , shift of the "sliding window" by one value to the right (i.e., selection instead of a segment next row of , repeating the procedures described above until the right end of the row is reached, i.e. j = nm.
Априорно определяется ширина «скользящего окна» m<n/2, на котором будет производиться аппроксимация полиномом второй степени по методу наименьших квадратов. Определив число m, запоминается первый отрезок исходного ряда . Из условия минимума суммы квадратов отклонения:The width of the “sliding window” m <n / 2 is determined a priori, at which the second-degree polynomial will be approximated by the least squares method. Having determined the number m, the first segment of the original series is remembered . From the condition of minimum the sum of the squares of the deviation:
, ,
определяются коэффициенты , , аппроксимирующего полинома:coefficients are determined , , approximating polynomial:
Определяется оценка аппроксимирующей функции на отрезке ряда и выполняется ее запоминание. Сдвигается на один отсчет «скользящее окно» и получается новый отрезок исходного ряда . Заново производится аппроксимация полиномом второй степени по методу наименьших квадратов, находится оценка и запоминается. Таким образом, мы получим r=n-m+1 отрезков исходного ряда и r их оценок. Исходный ряд разбитый на отрезки длины m, можно представить в виде матрицы размера :An estimate of the approximating function is determined in a row and its memorization is performed. The “sliding window” is shifted by one count and a new segment of the original series is obtained . The second degree polynomial is approximated again using the least squares method, and the estimate and remembered. Thus, we get r = n-m + 1 segments of the original series and r of their estimates. Source row divided into segments of length m can be represented as a matrix of size :
Аппроксимирующая функция определяется усреднением по побочным диагоналям:Approximation function determined by averaging over the side diagonals:
Признаки устройства-прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: сдвиг «скользящего окна» на одно значение вправо, замена исходного временного ряда сглаженным, аппроксимация полином второй степени по методу наименьших квадратов.The features of the prototype device, which coincide with the features of the claimed technical solution, are as follows: shifting the “sliding window” by one value to the right, replacing the original time series with a smoothed one, approximating a polynomial of the second degree by the least squares method.
Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:
- на интервалах [1, m] и [n-m, n], выделение полезной составляющей недостаточно эффективное.- on the intervals [1, m] and [n-m, n], the selection of the useful component is not effective enough.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:The reasons that impede the achievement of the required technical result are as follows:
- для первых и последних m значений исходной реализации множества оценок содержат различное количество элементов.- for the first and last m values of the initial implementation, the sets of estimates contain a different number of elements.
Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный способ, содержит регистр хранения результатов измерений, блок задержки, блок аппроксимации, регистр хранения оценок, блок усреднения, блок управления, генератор тактовых импульсов.The structural diagram of a device that implements the considered method comprises a register for storing measurement results, a delay unit, an approximation unit, an estimation storage register, an averaging unit, a control unit, and a clock generator.
Предлагаемое устройство выделения полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов способом кусочного размножения оценок исходит из наличия единственной дискретной реализации исследуемого процесса , где yk=y(tk), k=1, 2, …, n, представляющего собой сумму полезного сигнала и шума, т.е. yk=Sk+uk. Априорная информация об исследуемом процессе заключается в том, что на выбранном интервале m<n/2 и mmin<m полезный сигнал достаточно точно описывается полиномом второй степени Sk=a+bk+ck2.The proposed device for extracting a useful signal against a background of noise with minimizing end effects by the method of piecewise multiplication of estimates proceeds from the presence of a single discrete implementation of the process under study , where y k = y (t k ), k = 1, 2, ..., n, which is the sum of the useful signal and noise, i.e. y k = S k + u k . A priori information about the process under study is that on the selected interval m < n / 2 and m min <m, the useful signal is rather accurately described by a polynomial of the second degree S k = a + bk + ck 2 .
Рассматриваемый способ предполагает следующую последовательность шагов: 1) запоминание реализации (j=1, 2, …, m-mmin+1) случайного процесса, где m<n/2 (ширина «скользящего окна»), на котором будет производиться аппроксимация полиномом второй степени по методу наименьших квадратов, mmin<m минимальная ширина «скользящего окна»; 2) запоминание значений аппроксимирующей функции , в результате чего получается ряд ; 3) увеличение ширины начального окна mmin на единицу, в результате чего получается ряд , запоминание значений аппроксимирующей функции ; 4) повторение процедур 1-3 пока ширина начального окна не достигнет значения m; 5) сдвиг «скользящего окна» на одно значение вправо (т.е. выбор вместо отрезка ряда следующего отрезка из ; 6) замена ряда (j=1, 2, …, n-m) значениями аппроксимирующей функции , в результате чего получается ряд ; 7) повторение процедур 5-6, пока не будет достигнут правый конец ряда, т.е. j=n-m; 8) уменьшение ширины m «скользящего окна» на единицу, т.е. выбор ряда ; 9) запоминание значений аппроксимирующей функции , в результате чего получается ряд ; 10) повторение процедуры уменьшения ширины окна, пока оно не достигнет значения mmin. Процедура разбиения ряда поясняет фиг.1.The considered method involves the following sequence of steps: 1) remembering the implementation (j = 1, 2, ..., mm min +1) of the random process, where m <n / 2 (width of the “sliding window”), on which the second-degree polynomial approximation by the least squares method will be performed, m min <m minimum width "Sliding window"; 2) storing the values of the approximating function , resulting in a series ; 3) an increase in the width of the initial window m min by one, resulting in a series , storing the values of the approximating function ; 4) repeating procedures 1-3 until the width of the initial window reaches the value m; 5) shift of the "sliding window" by one value to the right (i.e., selection instead of a segment next row of ; 6) replacement row (j = 1, 2, ..., nm) by the values of the approximating function , resulting in a series ; 7) repeat the procedures 5-6 until the right end of the row is reached, i.e. j = nm; 8) decreasing the width m of the "sliding window" by one, i.e. row selection ; 9) storing the values of the approximating function , resulting in a series ; 10) repeating the procedure for reducing the width of the window until it reaches the value of m min . Series splitting procedure explains figure 1.
Априорно определяется начальная mmin<m и основная m<n/2 ширина окна, на которой будет производиться аппроксимация полиномом второй степени по методу наименьших квадратов. На начальном интервале [1, m] исходная реализация разбивается на перекрывающиеся интервалы с фиксированной левой границей и нарастающей длиной интервала разбиения от mmin до m. На интервале [2, n] разбиение исходной реализации производиться сдвигом «скользящего окна» на одно значение вправо. На интервале [n-m, n] разбиение исходной реализации осуществляется с уменьшением длины интервалов до минимального значения mmin с фиксированной правой границей. Каждый из полученных интервалов аппроксимируется полиномом второй степени по методу наименьших квадратов.The initial m min <m and the main m <n / 2 window widths are determined a priori, at which the second-degree polynomial will be approximated by the least squares method. At the initial interval [1, m], the initial implementation is divided into overlapping intervals with a fixed left boundary and an increasing length of the partition interval from m min to m. On the interval [2, n], the initial implementation is partitioned by shifting the “sliding window” by one value to the right. On the interval [nm, n], the initial implementation is partitioned with a decrease in the length of the intervals to the minimum value m min with a fixed right boundary. Each of the obtained intervals is approximated by a polynomial of the second degree by the least squares method.
Таким образом получается r=n-m+2·mmin отрезков исходного ряда и r их оценок. Исходный ряд можно представить в виде матрицы:Thus, we obtain r =
Аппроксимирующая функция S(t) определяется усреднением по побочным диагоналям:The approximating function S (t) is determined by averaging over the side diagonals:
Устройство выделения полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов способом кусочного размножения оценок содержит (фиг.2) регистр хранения результатов измерений 1, вход которого является информационным входом устройства, а выход подключен к входу блока задержки 2, выход которого подключен к входу блока аппроксимации 3, выход которого является информационным входом регистра хранения оценок 4, выход которого подключен к входу блока усреднения 5, выход которого является информационным выходом устройства, к дополнительным информационным входам блоков 2, 3, 4, 5, 8 подключен выход блока управления 6. Дополнительный вход регистра хранения результатов измерений подключен к входу блока сравнения 8, выход которого подключен к входу блока задержки 2 и входу регистра хранения результатов измерений 1. Синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов 7.A device for extracting a useful signal against a background of noise with minimizing end effects by way of piecewise multiplication of estimates contains (Fig. 2) a
Устройство выделения полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов способом кусочного размножения оценок работает следующим образом. На начальном интервале [1, m] в буферный блок записываются первые mmin значений исходной реализация результатов измерений (mmin - является минимальной шириной «скользящего окна»), затем в буферный блок записываются mmin+1 значений. По мере поступления данных производится аппроксимация последних поступивших значений по методу наименьших квадратов полиномом второй степени. Полученные оценки записываются в блок хранения оценок для дальнейшего усреднения. Когда ширина окна достигнет m, т.е mmin+i=m, i=1…m-mmin, данные в блок аппроксимации подаются с задержкой в один отсчет. Полученные оценки записываются в блоке хранения оценок. По достижению «скользящим окном» конца реализации происходит уменьшении его правой границы на один отсчет, пока не будет достигнуто значение [n-m, n]. По методу среднего арифметического в каждый момент времени определяется окончательная оценка полезной составляющей, которая поступает на выход устройства.A device for extracting a useful signal against a background of noise with minimizing end effects by the method of piecewise multiplication of estimates works as follows. On the initial interval [1, m], the first m min values of the initial implementation of the measurement results are recorded in the buffer block (m min is the minimum width of the "sliding window"), then m min +1 values are written in the buffer block. As the data become available, the last received values are approximated by the least squares method by a polynomial of the second degree. The resulting estimates are recorded in the block storage estimates for further averaging. When the window width reaches m, that is, m min + i = m, i = 1 ... mm min , the data are supplied to the approximation block with a delay of one count. The resulting grades are recorded in the grades storage unit. Upon reaching the end of the implementation by the “sliding window”, its right boundary decreases by one count until the value [nm, n] is reached. According to the arithmetic mean method, at each instant of time, the final assessment of the useful component is determined, which arrives at the output of the device.
Устройство выделения полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов способом кусочного размножения оценок реализуется следующим образом. В блоке управления задается ширина скользящего окна m и значение минимальной ширины окна mmin, информация о котором поступает на дополнительные информационные входы блока сравнения 8, блока задержки 2, блока аппроксимации 3, блока хранения оценок 4 и блока усреднения 5. В блоке сравнения 8 по сигналу от регистра хранения результатов измерений проверяется условие mmin=m, если условие не выполняется, то размер регистра хранения результатов измерений увеличивается на единицу. Если условие mmin=m в блоке сравнения 8 выполняется, в блок задержки 2 подается сигнал разрешения. Блок задержки 2 задерживает данные, хранящиеся в регистре хранения результатов измерений на один такт, если на его дополнительный вход подан сигнал разрешения задержки от блока 8. В случае прекращения поступления входных данных в блок 1 (т.е. «скользящее окно» достигло конца реализации), в блоке сравнения 8 прекращается проверка условия mmin+i=m, а входная выборка разбивается на интервалы с уменьшающейся на единицу длиной до минимального значения mmin с фиксированной правой границей. Данные с регистра хранения результатов измерений 1 поступают в блок аппроксимации 3, где осуществляется их аппроксимация по методу наименьших квадратов полиномом второй степени. Оценки, полученные в блоке аппроксимации 3, записываются в регистр хранения оценок 4 и поступают в блок усреднения 5, в котором производится усреднение оценок, полученных в блоке аппроксимации 3. Выход блока усреднения 5 является информационным выходом устройства.A device for extracting a useful signal against a background of noise with minimizing end effects by the method of piecewise multiplication of estimates is implemented as follows. In the control unit, the width of the sliding window m and the value of the minimum window width m min are set , information about which is supplied to the additional information inputs of the
Технический результат - выделение полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов в условиях недостаточной априорной информации о статистических характеристиках аддитивного шума и функции полезного сигнала при наличии единственной реализации измеряемого процесса.The technical result is the selection of a useful signal against a background of noise with minimizing end effects in conditions of insufficient a priori information about the statistical characteristics of additive noise and the function of the useful signal in the presence of a single implementation of the measured process.
Посредством имитационного моделирования было установлено, что устройство выделения полезного сигнала на фоне шумов с минимизацией концевых эффектов способом кусочного размножения оценок обладает следующими преимуществами:Through simulation it was found that the device for extracting a useful signal against a background of noise with minimizing end effects by the method of piecewise multiplication of estimates has the following advantages:
Средняя квадратичная погрешность оценки функции полезного сигнала значительно меньше погрешностей оценки при использовании других рассмотренных способов при ограниченном объеме априорной информации об исследуемом процессе.The mean square error of the estimation of the useful signal function is much smaller than the estimation errors when using the other methods considered with a limited amount of a priori information about the process under study.
Предлагаемый метод позволяет осуществлять обработку исходных данных в реальном масштабе времени.The proposed method allows the processing of source data in real time.
Оценка функции полезного сигнала независимо от вида исходной функции полезного сигнала и статистических характеристик аддитивного шума достаточно полно отображает основные закономерности изменения полезного сигнала.Evaluation of the useful signal function, regardless of the type of the initial function of the useful signal and the statistical characteristics of additive noise, adequately reflects the basic patterns of change in the useful signal.
На фиг.3 представлен пример размножения оценок полезной составляющей (график - 2), исходного сигнала (график - 1). Сравнительный анализ результатов, представленных на фиг.2, показывает, что в случае использования способа выделения полезного сигнала кусочным размножением оценок с минимизацией концевых эффектов ее значения более близко расположены к значениям исходного сигнала, чем для случая кусочного размножения оценок без минимизации концевых эффектов.Figure 3 presents an example of the multiplication of estimates of the useful component (graph - 2), the original signal (graph - 1). A comparative analysis of the results presented in Fig. 2 shows that in the case of using the method for extracting a useful signal by piecewise multiplying estimates with minimizing end effects, its values are more closely located to the values of the original signal than for the case of piecewise multiplying estimates without minimizing end effects.
На фиг.4 представлены зависимости σост=f(m) при обработке модели сигнала гармонической формы методом кусочного размножения оценок и методом кусочного размножения оценок с минимизацией концевых эффектов в случае отсутствия в исходной реализации шумовой составляющей (σш=0). На фиг.4 приняты следующие обозначения: график 1 соответствует случаю обработке при р=1, с оценкой погрешности на интервале [0, n]; график 2 соответствуют обработке методом кусочного размножения оценок с минимизацией концевых эффектов при р=1 (р - степень аппроксимирующего полинома), с оценкой погрешности на интервале [0, n], график 3 получены при р=1, с оценкой погрешности на интервале [m, n-m] (без учета концевых эффектов). Графики 4-6 получены при тех же условиях, что и графики 1-3, но для случая р=2. Анализ приведенных графиков показывает, что использование метода кусочного размножения оценок с минимизацией концевых эффектов, при обработке модели гармонической формы позволяет, в среднем, в 2 раза уменьшить погрешность оценки в сравнении с кусочным размножением оценок без минимизации концевых эффектов.Figure 4 shows the dependences σ ost = f (m) when processing a harmonic-shaped signal model by the method of piecewise multiplication of estimates and the method of piecewise multiplication of estimates with minimizing end effects in the absence of a noise component in the initial implementation (σ w = 0). In Fig. 4, the following notation is adopted:
На фиг.5 представлены зависимости σост=f(m), при обработке реализации с моделью гармонический сигнал + шум (σш=0.1).Figure 5 shows the dependences σ ost = f (m), when processing the implementation with the model, the harmonic signal + noise (σ w = 0.1).
Принятые ранее обозначения для фиг.3 остаются неизменными и для фиг.4. Использование метода кусочного размножения оценок с минимизацией концевых эффектов позволяет уменьшить общую погрешность оценки сигнал (фиг.5, графики 2, 5), в среднем, на 5 - 30%, а при больших m - до 50% по сравнению с методом кусочного размножения оценок без минимизации концевых эффектов. Нелинейный характер зависимости σост=f(m) при оценки погрешности обработки (графики 3) объясняется тем, что при некоторых значениях m, в интервалы [0, m] и [n-m, n] попадают участки сигнала, где погрешность оценки достигает своих максимальных значений.The previously adopted designations for figure 3 remain unchanged for figure 4. Using the method of piecewise multiplication of estimates with minimizing end effects allows you to reduce the overall error of the estimate of the signal (Fig. 5,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007146655/09A RU2365980C1 (en) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | Device for picking up useful signal against background of noise with minimisation of end effects through piecewise multiplication of estimations |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007146655/09A RU2365980C1 (en) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | Device for picking up useful signal against background of noise with minimisation of end effects through piecewise multiplication of estimations |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007146655A RU2007146655A (en) | 2009-06-20 |
RU2365980C1 true RU2365980C1 (en) | 2009-08-27 |
Family
ID=41025553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007146655/09A RU2365980C1 (en) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | Device for picking up useful signal against background of noise with minimisation of end effects through piecewise multiplication of estimations |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2365980C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2541919C1 (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it |
-
2007
- 2007-12-14 RU RU2007146655/09A patent/RU2365980C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2541919C1 (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007146655A (en) | 2009-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bastani et al. | An adaptive algorithm for solving stochastic multi-point boundary value problems | |
RU2450343C1 (en) | Digital predicting and differentiating device | |
CN109918776A (en) | The engineering prediction on fatigue crack growth method of engineering goods based on two-step least square method | |
US20040236560A1 (en) | Power estimation using functional verification | |
RU2365980C1 (en) | Device for picking up useful signal against background of noise with minimisation of end effects through piecewise multiplication of estimations | |
CN107209259A (en) | Method and apparatus for ranging | |
Pirrotta | Non-linear systems under parametric white noise input: Digital simulation and response | |
CN111144230B (en) | Denoising method of time domain load signal based on VMD | |
JP2013053861A (en) | Frequency analyzer | |
RU2207622C2 (en) | Method and device for trend separation by multiplying estimates for its single original implementation | |
CN112598114A (en) | Power consumption model construction method, power consumption measurement method and device and electronic equipment | |
Smith et al. | Reliability growth of repairable systems | |
Pekalp et al. | Power series expansions for the probability distribution, mean value and variance functions of a geometric process with gamma interarrival times | |
RU2541919C1 (en) | Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it | |
RU2461874C2 (en) | Adaptive two-dimensional method of multiplying estimates and apparatus for realising said method | |
RU2368002C2 (en) | Device for separation of useful signal in case of single-sided law of adaptive noise component distribution | |
Hui et al. | The tree cut and merge algorithm for estimation of network reliability | |
RU2321053C1 (en) | Serial-parallel device for processing signals | |
RU2313826C1 (en) | Device for extracting useful signal with liquidation of tear points with usage of estimate multiplication method | |
RU2449350C1 (en) | Digital predicting and differentiating device | |
RU2406130C1 (en) | Image processing device based on two dimensional estimate multiplication method | |
RU2449355C2 (en) | Method of detecting and eliminating pulse noise when processing images and apparatus realising said method | |
RU2257610C1 (en) | Method for separating trend using method of sliding trend estimates multiplication of its single source realization and device for realization of said method | |
RU2393535C1 (en) | Device for processing of signals based on double-criteria method | |
RU2362208C2 (en) | Parallel device for processing signals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121215 |