RU2393535C1 - Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа - Google Patents

Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа Download PDF

Info

Publication number
RU2393535C1
RU2393535C1 RU2008151815/09A RU2008151815A RU2393535C1 RU 2393535 C1 RU2393535 C1 RU 2393535C1 RU 2008151815/09 A RU2008151815/09 A RU 2008151815/09A RU 2008151815 A RU2008151815 A RU 2008151815A RU 2393535 C1 RU2393535 C1 RU 2393535C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
implementation
input
matrix
output
values
Prior art date
Application number
RU2008151815/09A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Иванович Марчук (RU)
Владимир Иванович Марчук
Александр Иванович Шерстобитов (RU)
Александр Иванович Шерстобитов
Вячеслав Владимирович Воронин (RU)
Вячеслав Владимирович Воронин
Евгений Александрович Семенищев (RU)
Евгений Александрович Семенищев
Вадим Викторович Дубовсков (RU)
Вадим Викторович Дубовсков
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority to RU2008151815/09A priority Critical patent/RU2393535C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2393535C1 publication Critical patent/RU2393535C1/ru

Links

Landscapes

  • Complex Calculations (AREA)

Abstract

Изобретение относится к информационно-измерительным устройствам и может быть использовано в вычислительной технике, в системах управления и обработки сигналов. Технический результат - выделение полезной составляющей в условиях недостаточной априорной информации о статистических характеристиках аддитивного шума и функции полезной составляющей. Для этого устройство содержит регистр хранения входной реализации (1), блок управления (2), тактовый генератор (3), блок формирования матрицы коэффициентов (4), регистры хранения строки матрицы (5.N), умножители (6.N), сумматор (7), регистр хранения выходной реализации (8). 1 ил.

Description

Изобретение относится к информационно-измерительным устройствам и может быть использовано в вычислительной технике, в системах управления и обработки сигналов.
Предлагаемое устройство исходит из наличия единственной дискретной реализации исследуемого процесса Y1, Y2, …, YN, где Yk=Y(tk),
Figure 00000001
.
Упрощенная математическая модель результатов измерений представляется в виде
Figure 00000002
где Sk - полезная составляющая; uk - аддитивная шумовая составляющая.
Относительно случайной составляющей будем предполагать также, что Muk=0, Duk2 и, кроме того, ее значения в разные моменты времени некоррелированы (т.е. cov(uk,us)=0, k≠s), хотя эти условия не являются существенными.
Основная решаемая задача - выделение полезной составляющей в условиях недостаточной априорной информации о статистических характеристиках аддитивного шума и функции полезной составляющей.
Подобная задача может возникнуть: 1) в работе приемо-передающих устройств дальней или космической связи; 2) в радиотехнике при обработке сигналов; 3) в системах цифровой обработки изображений; 4) в метеорологии и экономике при обработке результатов измерений. В тех случаях, когда полезная составляющая Sk,
Figure 00000001
принадлежит к 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 тех же случаях, когда отсутствует информация о функции полезной составляющей, для оценивания полезной составляющей используются непараметрические методы, такие как сглаживание.
Для практической реализации существующих параметрических и непараметрических методов обработки необходимо использовать высокопроизводительные цифровые устройства (цифровые сигнальные процессоры, программируемые логические матрицы) или гибридные процессорные схемы. В простейшем случае с помощью цифровых устройств реализуют цифровые фильтры с априорно заданными характеристиками, так как их построение является менее ресурсоемким и более простым, чем реализация алгоритма адаптивной цифровой фильтрацией, аппроксимации или интерполяции.
Известен способ скользящего среднего [Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. - М.: Мир, 1976. - 765 с.]. Это один из самых простых методов сглаживания результатов измерений. Для его использования достаточно одной реализации Y1, Y2, …, YN исходного процесса.
Для исходной дискретной реализации результатов измерений определяется интервал сглаживания m, т.е. натуральное число m<N. Способ скользящего среднего предполагает запоминание исходной дискретной реализации результатов измерений Yk,
Figure 00000001
, определение длины m отрезка ряда Yk,
Figure 00000001
(или ширины «скользящего окна»), для которого производится вычисление среднего арифметического,
Figure 00000003
значений Y1, Y2, …, Ym, замену центрального из значений Y1, Y2, …, Ym найденным средним
Figure 00000004
, сдвиг «скользящего окна» на одно значение вправо (т.е. выбор вместо отрезка Yk, Yk+1, …, Yk+m-1, другого отрезка Yk+1, Yk+2, …, Yk+m), вычисление среднего арифметического выбранных значений реализации и так до тех пор, пока не будет достигнут правый конец исходной дискретной реализации результатов измерений.
Ширину "окна" выбирают нечетной, т.к. сглаженное значение рассчитывается для центрального значения. Выражение для вычисления сглаженных значений исходной дискретной реализации результатов измерений записывается в виде
Figure 00000005
где p=(m-1)/2 (m - нечетное число).
Нередко сглаживание на основе скользящего среднего преобразует реализацию результатов измерений, так что мелкие, но важные для анализа детали полезной составляющей (волны, изгибы и т.д.) не выделяются.
Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: запоминание дискретного сигнала, выделение временных отрезков, замена исходной дискретной реализации результатов измерений сглаженными значениями.
Недостатками известного устройства являются:
- первые р и последние р значений результатов измерений не сглаживаются; этот недостаток особенно заметно сказывается в случае, когда объем реализации результатов измерений невелик или же если необходимо провести экстраполяцию за пределы рассматриваемого временного интервала;
- способ скользящего среднего вызывает автокорреляцию остатков, даже если она отсутствовала в исходной полезной составляющей (эффект Слуцкого-Юла).
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключается в следующем:
- если ширина "окна" сглаживания равна 2р+1, то первые р и последние р значений исходной реализации результатов измерений не подвергаются обработке;
- поскольку центральное значение "окна" сглаживания вычисляется как среднее арифметическое соседних, то значения оценки полезной составляющей становятся зависимыми.
Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный способ, содержит генератор тактовых импульсов, коммутатор, блок управления, первый и второй регистры, сумматор, выход которого подключен к информационному входу первого регистра, выход которого соединен с первым информационным входом коммутатора, второй вход которого является входом устройства.
Известен способ взвешенного скользящего среднего [Экономико-математические методы и прикладные модели: Учебное пособие для вузов. / Под ред. В.В.Федосова. - М.: ЮНИТИ, 1999. - 399 с.], который отличается от способа простого скользящего сглаживания тем, что значения исходной дискретной реализации результатов измерения, входящие в интервал сглаживания, суммируются с различными весами. Для вычисления оценки
Figure 00000006
используется выражение
Figure 00000007
где вес pk определяется с помощью метода наименьших квадратов.
Для взвешенного скользящего среднего недостатком является отсутствие возможности сглаживать значения исходной дискретной реализации результатов измерения на концах реализации. Кроме того, применение этого способа без отрицательных весов вызывает автокорреляцию остатков, т.е. имеет место эффект Слуцкого-Юла.
Известен способ наименьших квадратов и устройство для кусочно-линейной аппроксимации [Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 540 с., авторское свидетельство №1624479]. Для использования данного способа достаточно одной реализации Y1, Y2, …, YN исходного процесса.
Способ наименьших квадратов позволяет для результатов измерений Y1, Y2, …, YN исходного процесса получить оценку,
Figure 00000001
, минимизируя целевую функцию вида
Figure 00000008
Figure 00000009
В случае, когда
Figure 00000010
представляет собой полином первой степени
Figure 00000011
, коэффициенты а и b можно найти, минимизируя целевую функцию вида
Figure 00000012
Дифференцируя выражение (2) по а и b и приравнивания к нулю, получаем систему линейных уравнений:
Figure 00000008
Figure 00000013
Решением системы является:
Figure 00000014
Figure 00000015
При оценке
Figure 00000011
, сумма квадратов отклонений значений оценки от значений реализации измерений является минимальной (2).
Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: запоминание дискретного сигнала, замена исходной дискретной реализации результатов измерений аппроксимированными значениями.
Недостатками известного способа являются:
- при использовании данного способа необходима априорная информация о функции полезного сигнала;
- ошибка полезной составляющей имеет вдоль реализации нелинейную зависимость и достигает своих максимальных значений на границах интервала аппроксимации;
- при не полиноминальной модели оценки полезной составляющей строгое решение задачи минимизации целевой функции способа наименьших квадратов не всегда существует в силу нелинейности решаемой системы уравнений;
- ограниченность способа наименьших квадратов к распараллеливанию и построению системы многоканальной обработки.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключается в следующем:
- эффективность оценки полезной составляющей зависит от объема реализации, статистических характеристик аддитивного шума и наличия априорной информации о функциональной зависимости модели полезной составляющей.
Структурная схема устройства для кусочно-линейной аппроксимации, содержит группу последовательно соединенных регистров, первый и второй вычитатели, сумматор, первый и второй накапливающие сумматоры, элементы задержки, генератор тактовых импульсов, два умножителя и два делителя на постоянный коэффициент.
Наиболее близким к изобретению является последовательно-параллельное устройство обработки сигналов (патент №2321053, МПК 7 G06F 17/18).
Рассматриваемое устройство-прототип предполагает: 1) запоминание входной реализации Y1, Y2, …, Yn; 2) формирование матрицы импульсной характеристики в блоке формирования матрицы коэффициентов; 3) вычисление свертки в умножителях, где каждая строка матрицы коэффициентов умножается на строку входной реализации; 4) вычисление результирующей суммы умножения всех значений строки коэффициентов на результаты входной реализации с помощью циклических сумматоров; 5) запись результата обработки в регистр хранения выходной реализации.
Недостатками известного устройства-прототипа являются:
- ограниченность быстродействия - для получения оценки на выходе требуется N+3 такта;
- необходимость хранения N2 коэффициентов импульсной характеристики способа размножения оценок.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:
- последовательно-параллельная структура устройства прототипа;
- импульсная характеристика способа размножения оценок нестационарна.
Последовательно-параллельное устройство обработки сигналов содержит регистр хранения входной реализации, блок управления, тактовый генератор, блок формирования матрицы коэффициентов, счетчик тактовых импульсов, регистры хранения строки матрицы, регистр сравнения, умножители, сумматоры, регистры хранения, регистр хранения выходной реализации.
Суть предлагаемого устройства для обработки сигналов на основе двухкритериального способа заключается в следующем. Упрощенная математическая модель входной последовательности результатов измерений представляется в соответствии с выражением (1).
В предлагаемом устройстве в блоке формирования матрицы коэффициентов формируется матрица импульсной характеристики, где каждая строка данной матрицы - отклик на входное единичное воздействие.
В общем случае оценку полезной составляющей можно представить в виде свертки вида
Figure 00000016
Матрица весовых коэффициентов представляет собой набор импульсных характеристик, являющихся откликом на входное воздействие вида
Figure 00000017
В матричном виде (4) представляет собой единичную матрицу.
Для вычисления свертки (3) в умножителях каждая строка матрицы коэффициентов умножается на строку входной реализации. С помощью сумматора находится результирующая сумма умножения всех значений строки коэффициентов на результаты входной реализации.
В качестве коэффициентов импульсной характеристики используются коэффициенты, полученные в соответствии с двухкритериальным способом [Марчук В.И., Румянцев К.Е., Шрайфель И.С. Двухкритериальный метод обработки результатов измерений // Авиакосмическое приборостроение, №12. - Издательство "Научтехлитиздат", Москва. - 2006. С.33-35]. Параметры двухкритериального способа задаются блоком управления.
Суть двухкритериального способа состоит в уменьшении дисперсии шумовой составляющей измеряемого процесса, т.е. получение оценки
Figure 00000018
величины Sk путем минимизации целевой функции вида
Figure 00000019
где α - задаваемая положительная постоянная, характеризующая степень приоритетности одного слагаемого над другим.
Двухкритериальный метод обработки результатов измерений сводится к решению системы линейных уравнений [Марчук В.И., Семенищев Е.А. Синтез метода сглаживания на основе двухкритериальной целевой функции. // 13 Международная научно-техническая конференция: Радиолокация, навигация, связь: Сборник докладов конференции. - Воронеж, 2007. - С.183-195]:
Figure 00000020
где Y1, Y2, …, Yn - значения исходной выборки результатов измерений,
Figure 00000021
- оценка полезной составляющей, α>0 - задаваемый постоянный множитель. Решение данной системы линейных уравнений имеет вид
Figure 00000022
При воздействии единичного импульса (4) отклик системы (6) представляет собой импульсную характеристику дискретного фильтра
Figure 00000023
где р - положение единичного скачка, С - число сочетаний.
Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа является N-канальным устройством, где N - максимальный размер входной реализации, и содержит (см. чертеж) регистр хранения входной реализации 1, являющийся информационным входом устройства, выходы которого подключены к первым входам умножителей 6.N, выходы которых подключены к входам сумматора 7, выход которого подключен к входу регистра хранения выходной реализации 8; выход блока управления 2 подключен к входу блока формирования матрицы коэффициентов 4, выходы которого (1, 2, …, N) подключены к входам регистров хранения строки матрицы 5.N, выходы которых подключены ко вторым входам умножителей 6.N; синхронность работы устройства задается тактовым генератором 3, выход которого подключается ко всем тактируемым входам блоков устройства.
Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа реализуется следующим образом. Значения входной реализации поступают на вход устройства и записываются в регистр хранения входной реализации. В блоке формирования матрицы коэффициентов формируется матрица импульсной характеристики двухкритериального способа, где каждая строка данной матрицы - отклик на входное единично воздействие. Параметры двухкритериального способа задаются блоком управления. Каждая строка матрицы коэффициентов построчно записывается в соответственный регистр хранения строки матрицы. Для вычисления свертки (4) в умножителях каждая строка матрицы коэффициентов умножается на строку входной реализации. С помощью сумматора находится результирующая сумма умножения всех значений строки коэффициентов на результаты входной реализации. Результат последовательно записывается в регистр хранения выходной реализации, при заполнении регистра происходит передача на выход устройства и обнуление регистра.
Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа работает следующим образом. Значения входной реализации записываются в регистр хранения входной реализации 1, размером N. В блоке управления 2 задаются параметры двухкритериального способа, на основе которых в блоке формирования матрицы коэффициентов 4 формируется матрица импульсной характеристики. Каждая строка матрицы коэффициентов из блока формирования матрицы коэффициентов 4 записывается в регистры хранения строки матрицы 5.N. С помощью умножителей 6.N значения из регистра хранения входной реализации 1 умножаются на значения, хранящиеся в регистрах хранения строки матрицы 5.N. Результат умножения передается на вход сумматора 7, с помощью которого вычисляется сумма всех результатов N умножений. Результат передается на вход регистра хранения выходной реализации 8. Синхронность работы устройства осуществляется тактовым генератором 3.

Claims (1)

  1. Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа, содержащее регистр хранения входной реализации, являющийся информационным входом устройства, выходы которого подключены к первым входам умножителей, блок управления, выход которого подключен к входу блока формирования матрицы коэффициентов, выходы которого подключены к входам регистров хранения строки матрицы, выходы которых подключены ко вторым входам умножителей, сумматор, регистр хранения выходной реализации, выход которого является информационным выходом устройства, синхронность работы устройства задается тактовым генератором, отличающееся тем, что выходы умножителей подключены ко входам сумматора, выход которого подключен ко входу регистра хранения выходной реализации.
RU2008151815/09A 2008-12-25 2008-12-25 Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа RU2393535C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008151815/09A RU2393535C1 (ru) 2008-12-25 2008-12-25 Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008151815/09A RU2393535C1 (ru) 2008-12-25 2008-12-25 Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2393535C1 true RU2393535C1 (ru) 2010-06-27

Family

ID=42683789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008151815/09A RU2393535C1 (ru) 2008-12-25 2008-12-25 Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2393535C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541874C2 (ru) * 2013-06-24 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" Способ построения цифровых ких-фильтров сетевой структуры
RU2541916C1 (ru) * 2013-08-05 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Способ уменьшения погрешности оценки полезной составляющей в условиях априорной неопределенности и устройство, его реализующее

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541874C2 (ru) * 2013-06-24 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" Способ построения цифровых ких-фильтров сетевой структуры
RU2541916C1 (ru) * 2013-08-05 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Способ уменьшения погрешности оценки полезной составляющей в условиях априорной неопределенности и устройство, его реализующее

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Norton An introduction to identification
JP2008017511A (ja) 高精度及び高効率を有するディジタルフィルタ
Jachan et al. Time-frequency ARMA models and parameter estimators for underspread nonstationary random processes
RU2374682C2 (ru) Способ прогнозирования результатов измерений и устройство его реализующее
CN102831895A (zh) 一种用现场可编程门阵列实现mfcc参数提取的方法
Kovačević et al. Adaptive digital filters
CN102412806A (zh) 基于逻辑电路的Farrow滤波器及其实现方法
CN108445539B (zh) 一种消除地震子波旁瓣干扰的方法、设备及系统
RU2393535C1 (ru) Устройство для обработки сигналов на основе двухкритериального способа
RU2321053C1 (ru) Последовательно-параллельное устройство обработки сигналов
RU2362208C2 (ru) Параллельное устройство обработки сигналов
RU2541919C1 (ru) Способ повышения точности аппроксимации при выделении полезного сигнала в условиях априорной неопределенности и устройство, его реализующее
RU2207622C2 (ru) Способ выделения тренда путем размножения оценок его единственной исходной реализации (разоц) и устройство для его осуществления
RU62469U1 (ru) Устройство вычисления адаптивного вейвлет-преобразования
RU2684190C1 (ru) Многоскоростной цифровой экстраполятор
CN107193784B (zh) 高精度低硬件复杂度的sinc插值实现方法及系统
RU2541916C1 (ru) Способ уменьшения погрешности оценки полезной составляющей в условиях априорной неопределенности и устройство, его реализующее
CN110808935B (zh) 线性调频信号自相关运算的精确高效实现方法及装置
An et al. Low resolution fourier synthesis modelling for underwater acoustic channel impulse response
Preis Least-squares time-domain deconvolution for transversal-filter equalisers
RU2368002C2 (ru) Устройство для выделения полезного сигнала при одностороннем законе распределения аддитивной шумовой составляющей
CN113919187B (zh) 滤波器的仿真参数确定方法、装置、电子设备及存储介质
RU2257610C1 (ru) Способ выделения тренда методом скользящего размножения оценок тренда его единственной исходной реализации (&#34;крот&#34;) и устройство для его осуществления
Wettergren et al. Efficient Discrete Fourier Representation of Pulse Responses
RU2313826C1 (ru) Устройство для выделения полезного сигнала с ликвидацией точек разрыва при использовании способа размножения оценок

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121226