RU2400809C1 - Digital filter for assessment of slowly changing median of signal - Google Patents
Digital filter for assessment of slowly changing median of signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2400809C1 RU2400809C1 RU2009108725/09A RU2009108725A RU2400809C1 RU 2400809 C1 RU2400809 C1 RU 2400809C1 RU 2009108725/09 A RU2009108725/09 A RU 2009108725/09A RU 2009108725 A RU2009108725 A RU 2009108725A RU 2400809 C1 RU2400809 C1 RU 2400809C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- median
- input
- digital
- digital filter
- Prior art date
Links
Landscapes
- Picture Signal Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в системах, в которых требуется аппаратная реализация алгоритмов цифровой фильтрации сигналов, например, при оценке уровня нуля на фоне импульсных сигналов/помех или в условиях несимметричного относительно уровня нуля ограничения динамического диапазона.The invention relates to specialized means of computer technology and can be used in systems that require hardware-based implementation of digital signal filtering algorithms, for example, when estimating a zero level against a background of pulsed signals / interference or in conditions of a dynamic range limitation asymmetric with respect to a zero level.
Известен цифровой медианный фильтр [1], состоящий из узлов подсчета числа выборок, узлов упорядочивания чисел, компаратора, блока управления и тактового генератора.Known digital median filter [1], consisting of nodes for counting the number of samples, nodes for ordering numbers, comparator, control unit and clock.
Известный медианный фильтр обладает характерными для аппаратной реализации медианной фильтрации недостатками: высокая ресурсоемкость и сложность схемы.The well-known median filter has the disadvantages characteristic of the hardware implementation of median filtering: high resource consumption and circuit complexity.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой схеме цифрового фильтра является устройство [2], включающее аналого-цифровой преобразователь, генератор, цифровой компаратор, реверсивный счетчик, первый и второй элементы И.The closest technical solution to the proposed digital filter circuit is a device [2], including an analog-to-digital converter, a generator, a digital comparator, a reversible counter, the first and second elements I.
Недостатком известного цифрового фильтра является то, что его алгоритм реализует оценку среднего значения, а не медианы сигнала, поэтому данное устройство нельзя использовать для оценки уровня нуля в указанных выше условиях.A disadvantage of the known digital filter is that its algorithm implements an estimate of the average value, and not the median of the signal, therefore this device cannot be used to estimate the zero level in the above conditions.
Задача изобретения - разработка схемотехнически простой (по сравнению с традиционными медианными фильтрами) аппаратной реализации цифрового фильтра для оценки медленно изменяющейся медианы сигнала.The objective of the invention is the development of a schematically simple (in comparison with traditional median filters) hardware implementation of a digital filter for evaluating a slowly changing median of a signal.
Это достигается тем, что в цифровой фильтр для оценки медленно изменяющейся медианы сигнала, содержащий цифровой компаратор и первый реверсивный счетчик, дополнительно введен второй реверсивный счетчик, при этом первый тактовый сигнал соединен с тактовым входом первого реверсивного счетчика, а второй тактовый сигнал соединен с тактовым входом второго реверсивного счетчика и с входом предварительной установки первого реверсивного счетчика, шина входного сигнала подключена к первому кодовому входу цифрового компаратора, шина выходного сигнала подключена к кодовому выходу второго реверсивного счетчика и второму кодовому входу цифрового компаратора, выход цифрового компаратора и старший (знаковый) разряд первого реверсивного счетчика соединен с входом управления направлением счета первого и второго реверсивного счетчика соответственно.This is achieved by the fact that in the digital filter for evaluating the slowly varying median of the signal, containing a digital comparator and a first reversible counter, a second reversible counter is additionally introduced, the first clock signal being connected to the clock input of the first reversing counter and the second clock signal connected to the clock input the second reverse counter and with the preset input of the first reverse counter, the input bus is connected to the first code input of the digital comparator, the output bus the signal is connected to the code output of the second reversible counter and the second code input of the digital comparator, the output of the digital comparator and the senior (signed) bit of the first reversible counter are connected to the input direction control of the counting of the first and second reversible counter, respectively.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого цифрового фильтра для оценки медианы сигнала, где 1 - цифровой компаратор, 2 и 3 - первый и второй реверсивные счетчики; х, у - шины входного и выходного сигнала соответственно, f - первый тактовый сигнал, соответствующий частоте дискретизации, f/N - второй тактовый сигнал, соответствующий частоте дискретизации, деленной на N=2m(m=1, 2, 3…).The drawing shows a block diagram of the proposed digital filter for evaluating the median of the signal, where 1 is a digital comparator, 2 and 3 are the first and second reversible counters; x, y - input and output signal buses, respectively, f - the first clock signal corresponding to the sampling frequency, f / N is the second clock signal corresponding to the sampling frequency divided by N = 2 m (m = 1, 2, 3 ...).
Предложенная схема цифрового фильтра реализует следующий алгоритм оценки медианы сигнала:The proposed digital filter circuit implements the following algorithm for estimating the median signal:
где xi - отсчеты амплитуды входного сигнала, [i/N] - целая часть i/N. Из определения медианы как квантиля 0.5-го порядка следует, что . Анализ данного выражения показывает, что оценка медианы с помощью алгоритма, корректирующего предыдущее значение оценки так, чтобы в каждой выборке длины N количество отсчетов больших и меньших либо равных текущему значению оценки были равны, т.е. с помощью алгоритма (1), является состоятельной.where x i are samples of the amplitude of the input signal, [i / N] is the integer part of i / N. From the definition of the median as a 0.5th-order quantile, it follows that . An analysis of this expression shows that the median is estimated using an algorithm that corrects the previous value of the estimate so that in each sample of length N the number of samples greater than or less than or equal to the current value of the estimate is equal, i.e. using algorithm (1), is consistent.
Первый реверсивный счетчик 2 имеет разрядность m+1 и формирует сигнал si,j, т.е. подсчитывает сумму результатов сравнений отсчетов xi поступающих с частотой f, и оценки медианы, полученной по предыдущим N отсчетам. При этом результат сравнения берется со знаком плюс, если xi больше либо равно текущей оценке медианы, и со знаком минус в противном случае. В зависимости от знака числа, получаемого в первом реверсивном счетчике 2 после N операций сравнения и накопления (старший разряд первого реверсивного счетчика 2), значение второго реверсивного счетчика 3 либо увеличивается, либо уменьшается на единицу младшего разряда раз в N тактов. Разрядность второго реверсивного счетчика 3 равна разрядности отсчетов входного сигнала.The first reversible counter 2 has a capacity of m + 1 and generates a signal s i, j , i.e. calculates the sum of the results of comparisons of samples x i received with a frequency f , and estimates of the median obtained from the previous N samples. In this case, the comparison result is taken with a plus sign if x i is greater than or equal to the current median estimate, and with a minus sign otherwise. Depending on the sign of the number obtained in the first reversible counter 2 after N comparison and accumulation operations (the highest digit of the first reversible counter 2), the value of the second reversible counter 3 either increases or decreases by a unit of the least significant digit every N cycles. The resolution of the second reversible counter 3 is equal to the resolution of the samples of the input signal.
По результатам моделирования фильтрации белого нормального шума получена аппроксимация численной зависимости среднеквадратичного отклонения на выходе фильтра от среднеквадратичного отклонения на входе и длины выборки N:According to the results of modeling normal white noise filtering, an approximation of the numerical dependence of the standard deviation at the filter output on the standard deviation at the input and the sample length N is obtained:
, ,
где k≈0,9. Нормированная среднеквадратичная ошибка аппроксимации (СКО/2n,where k≈0.9. Normalized mean square error of approximation (standard deviation / 2 n ,
где n - разрядность отсчетов сигнала) не превышает 10-3.where n is the bit depth of the signal samples) does not exceed 10 -3 .
Оценим минимальный эквивалентный коэффициент подавления шумаWe estimate the minimum equivalent noise reduction coefficient
. .
Для этого выберем значение таким, чтобы 99% отсчетов входного сигнала укладывались в динамический диапазон, для нормального шума имеем , т.е.. На практике удобно пользоваться соотношением . Коэффициент подавления шума традиционного медианного фильтра равен . Видно, что алгоритм (1) подавляет шум во входном сигнале на несколько порядков сильнее, чем медианный фильтр.To do this, select the value so that 99% of the samples of the input signal fit into the dynamic range, for normal noise we have , i.e. . In practice, it is convenient to use the relation . The noise reduction coefficient of a traditional median filter is . It can be seen that algorithm (1) suppresses noise in the input signal several orders of magnitude stronger than the median filter.
Предложенная схема цифрового фильтра дает существенное сокращение аппаратных затрат по сравнению с традиционным медианным фильтром, где требуется множество схем сравнения и упорядочивания отсчетов. В таблице приведены сравнительные данные по аппаратным затратам на реализацию рассматриваемого алгоритма оценки и медианного фильтра для обработки 8-разрядных отсчетов на базе ПЛИС фирмы Xilinx серии Spartan 3.The proposed digital filter scheme provides a significant reduction in hardware costs compared to the traditional median filter, where many schemes for comparing and arranging samples are required. The table shows comparative data on the hardware costs for implementing the estimation algorithm under consideration and the median filter for processing 8-bit samples based on the Xilinx Spartan 3 FPGAs.
Таким образом, разработанная схема цифрового фильтра для оценки медленно изменяющейся медианы обладает следующими особенностями:Thus, the developed digital filter scheme for evaluating a slowly changing median has the following features:
- простота схемотехнической реализации;- simplicity of circuitry implementation;
- существенная экономия ресурсов системы;- significant saving of system resources;
- на несколько порядков больший коэффициент подавления нормального шума по сравнению с традиционными медианными фильтрами.- several orders of magnitude greater normal noise rejection compared to traditional median filters.
Источники информацииInformation sources
1. Институт аналитического приборостроения РАН. Цифровой медианный фильтр. Описание изобретения к патенту РФ №2043654, G06F 17/18, 10.09.95.1. Institute for Analytical Instrumentation RAS. Digital median filter. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2043654, G06F 17/18, 09/10/95.
2. ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П.Королева». Способ цифровой фильтрации сигналов и цифровой фильтр для реализации этого способа. Описание изобретения к патенту РФ №2188499, 7 H03H 17/02, 07.04.2000.2. JSC "Rocket and Space Corporation" Energy "them. S.P. Korolev. " A method for digitally filtering signals and a digital filter for implementing this method. Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2188499, 7 H03H 17/02, 04/07/2000.
3. Хуанг Т.С. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. - М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.3. Huang T.S. Fast algorithms in digital image processing. - M .: Radio and communications, 1984. - 224 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009108725/09A RU2400809C1 (en) | 2009-03-12 | 2009-03-12 | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009108725/09A RU2400809C1 (en) | 2009-03-12 | 2009-03-12 | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2400809C1 true RU2400809C1 (en) | 2010-09-27 |
Family
ID=42940493
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009108725/09A RU2400809C1 (en) | 2009-03-12 | 2009-03-12 | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2400809C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2446455C1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal |
-
2009
- 2009-03-12 RU RU2009108725/09A patent/RU2400809C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2446455C1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Grasmair et al. | Necessary and sufficient conditions for linear convergence of ℓ1‐regularization | |
Baras et al. | Optimal sensor scheduling in nonlinear filtering of diffusion processes | |
Camarena et al. | Two-step fuzzy logic-based method for impulse noise detection in colour images | |
Jeronimo et al. | On the minimum of a positive polynomial over the standard simplex | |
Nagle et al. | Performance analysis of linearly combined order statistic CFAR detectors | |
RU2400809C1 (en) | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal | |
Bao et al. | A first order semi-discrete algorithm for backward doubly stochastic differential equations | |
CN116701887B (en) | Power consumption prediction method and device, electronic equipment and storage medium | |
KR20160089869A (en) | Method for data reduction of sensor data informations | |
CN112420066A (en) | Noise reduction method, noise reduction device, computer equipment and computer readable storage medium | |
CN106685435B (en) | The method of useful signal variable quantity is quickly improved in a kind of Low SNR signal | |
Berthelot et al. | 2D Fourier transform based analysis comparing the DFA with the DMA | |
Diop et al. | Asymptotic stability of neutral stochastic functional integro-differential equations | |
Melnychuk et al. | The structure and components of embedded special processors for determination of entropy signals and random messages | |
Guo et al. | On optimal threshold and structure in threshold system based detector | |
Patel et al. | Optimal control problem for fractional stochastic nonlocal semilinear system | |
Zhou et al. | FIR-median hybrid filters with polynomial fitting | |
RU2446455C1 (en) | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal | |
Haughton | Consistency of a class of information criteria for model selection in non-linear regression | |
Runvik et al. | Initialization of a disease transmission model | |
Shakya et al. | A simple algorithm for gene prediction with improved noise suppression | |
Averbuch et al. | Local cubic splines on non-uniform grids and real-time computation of wavelet transform | |
Ye | Optimality of the median filtering operator | |
Schumm | On Improvement of Model Parameters Estimation under Long Memory | |
Nakamori et al. | Least-squares linear smoothers from randomly delayed observations with correlation in the delay |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170313 |