Вероятностный фильтр случайных процессов
PROBABILISTIC FILTER OF RANDOM PROCESSES

Изобретение относится к области обработки информации, может использоваться в цифровых системах контроля, слежения и управления различными объектами, а также в устройствах спектрального анализа.
Известно устройство аналогичного назначения, которое состоит из умножителей, сумматоров, алгебраических сумматоров и блоков задержки [А.с. 1803962 СССР, МПК Н03Н 17/04. Цифровой рекурсивный фильтр [Текст] / В.А. Погрибной, А.В. Тимченко, А,Н. Атаманчук и З.И. Домбровский (СССР). -) 4808044/09, заявлено 23.03.90; опубл. 23.03.93, Бюл. М 11]. Основными недостатками прототипа являются сравнительно большой аппаратный объем и низкое быстродействие.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для выполнения рекурсивной фильтрации случайных процессов, обладающего малым аппаратным объемом и способностью обрабатывать сигнал в масштабе реального времени.
Решение технической задачи достигается путем использования вероятностной формы представления данных, в связи с чем изменяется аппаратная реализация рассматриваемого прототипа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение аппаратного объема вероятностного фильтра случайных процессов при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в масштабе реального времени, достигаемым путем замены в прототипе усилителей с переменными коэффициентами усиления и рециркуляторов на блоки вероятностного умножения, сложения и регистра сдвига.
Сущность изобретения поясняется чертежом Фиг., на котором изображена функциональная схема вероятностного фильтра случайных процессов, где:
1.1, 1.2 - регистры хранения значений поправочных коэффициентов;
2.1, 2.2 - двухвходовые конъюнкторы, выполняющие функцию арифметических умножителей вероятностно представленных операндов;
3 - параллельные вероятностные сумматоры, в роли которых может выступить схема [Пат. 171033 Российская Федерация, МПК G06F 19/00 Параллельный вероятностный сумматор / Моисеев Д.В., Сапожников Н.Е.; заявитель ЧВВМУ им. П.С. Нахимова. - №2017100704; заявл. 10.01.2017; опубл. 17.05.2017, бюл. №14.];
4 - регистр сдвига, выполняющий функцию задержки.
Устройство рассчитано на выполнение рекурсивной фильтрации случайного процесса. Как известно, конструкция рекурсивного цифрового фильтра отображается в z-образе передаточной функции фильтра в виде отношения двух многочленов:
0
1
2
N
0
1
2
M
2
n
2
m
где B(z)=В+Bz+Bz+…+Bz, A(z)=A+Az+Az+…+Az.
Использование рекурсивного цифрового фильтра имеет смысл в том случае, если степень многочленов A(z) во много раз меньше степени многочлена H(z) прямого z-преобразования импульсной реакции фильтра. При z-образе входных данных X(z) на выходе рекурсивного цифрового фильтра имеем:
При обратном z-преобразовании выражения (1) получаем уравнение рекурсивной цифровой фильтрации:
k
k
k
k-m
Рекурсивная фильтрация требует задания начальных условий как х по, так и по у при k<0. Как следует из выражения (2), при вычислении значения у текущей точки используются предыдущие вычисленные значения у, что и определяет принцип рекурсии - фильтрации с обратной связью.
Перед началом работы схемы в регистры хранения значений поправочных коэффициентов (1.1) и (1.2) заносятся поправочные коэффициенты, представленные в виде вероятностных отображений.
После выполнения записи поправочных коэффициентов начинается работа схемы вероятностного фильтра случайных процессов: значения случайного процесса X(z) предварительно преобразованные в вероятностное отображение поступает на вход схемы, на первый вход конъюнктора (2.1) выполняющего функцию вероятностного множителя, на второй вход которого поступает вероятностное отображение поправочного коэффициента с регистра хранения (1.1), произведение значения входного случайного процесса на поправочный коэффициент с выхода конъюнктора (2.1) поступает на первый вход вероятностного сумматора (3), выход которого подключен в регистру сдвига (4), который в свою очередь нагружен на второй вход конъюнктора (2.2) на первый вход которого подается вероятностное отображение поправочного коэффициента с регистра хранения (1.2), выход конъюнктора (2.2) подключен ко второму входу сумматора (3), выход которого также является выходом всей схемы.
Примером преобразователя информации в вероятностные отображения может служить схема - Пат. 2660831 Российская Федерация, МПК Н03М 7/00 (2006.01) Преобразователь двоичный код - вероятностное отображение / Д.В. Моисеев, Н.Е. Сапожников; заявитель и патентообладатель ФГБВОУ ВО ЧВВМУ им. П.С. Нахимова Министерства обороны Российской Федерации (RU). - №2017100609, заявл. 10.01.2017; опубл. 10.07.2018 Бюл. №18
Технико-экономическая эффективность предлагаемого вероятностного фильтра случайных процессов состоит в уменьшении его аппаратного объема при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в реальном масштабе времени.