Адаптивный фильтр
ADAPTIVE FILTER

Предполагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при создании устройств для фильтрации помех как в одно- или двухполярном периодическом сигнале, следующим со скважностью Q≥2, так и для фильтрации сигнала представляющего собой числоимпульсный код.
Для подавления импульсных помех применяются различные RC-фильтры, однако они дают хороший результат при подавлении помех с заранее определенными параметрами.
Известен цифровой фильтр (патент RU №2383990, МПК: Н03Н 17/02 (2006.01), опубликовано 10.03.2010, бюллетень №7), содержащий входную шину, выходную шину, генератор тактовых импульсов, первый и второй цифровые компараторы, счетчик, первый и второй элементы И, при этом выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом первого элемента И.
Устройство может быть использовано для фильтрации результатов измерения веса, значения величин которого выражены цифровым кодом и позволяет обрабатывать (фильтровать) низкочастотные колебания априори неизвестной частоты и амплитуды. Возможно определение величины веса по первому периоду поступивших на фильтр анализируемых (фильтруемых) колебаний. Это позволяет определить величину веса, не дожидаясь окончания колебательного процесса. Устройство не может напрямую использоваться для фильтрации импульсных или синусоидальных сигналов от датчиков.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является цифровой фильтр (патент RU №2187883, МПК: Н03Н 17/02 (2000.01), опубликовано 20.08.2002, бюллетень №23), содержащий шину входного сигнала, генератор, реверсивный счетчик, выходная шина которого соединена с В-входами первого цифрового компаратора, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, третий элемент И, выходную шину фильтра, элемент ИЛИ и счетчик.
Цифровой фильтр позволяет выделить полезный сигнал в условиях действия помех и может быть реализован в устройстве, содержащем аналого-цифровой преобразователь. Цифровой фильтр предназначен для повышении точности фильтрации за счет многократного преобразования аналогового сигнала в цифровой.
Однако цифровой фильтр не позволяет проводить фильтрацию импульсных помех в периодических и непериодических сигналах.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, а именно, возможности оценивать длительность полезного сигнала и отфильтровывать импульсные помехи, суммарная длительность которых (в течение следования полезного сигнала) не превышает заданной части от длительности полезного сигнала.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности; универсальность в использовании, т.к. исключена потребность в подборке настройки под определенную частоту сигнала и длительность помех; снижение стоимости.
Технический результат достигается тем, что адаптивный фильтр, содержащий шины входного и выходного сигналов, генератор, первый, второй и третий элементы И, элемент ИЛИ, счетчик импульсов, первый цифровой компаратор, реверсивный счетчик, выходная шина которого соединена с В-входами первого цифрового компаратора, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, включает дополнительно введенные в него RC-фильтр, компаратор, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй регистры и второй цифровой компаратор, при этом шина входного сигнала через RC-фильтр и компаратор соединена с вторым входом первого элемента И, инверсным входом второго элемента И и С-входом счетчика импульсов, выход которого через второй формирователь импульсов соединен с первым входом элемента ИЛИ и R-входом второго регистра, выход генератора соединен с первым входом первого элемента И и вторым входом второго элемента И, выходная шина реверсивного счетчика соединена с D-входами первого регистра, а выходы последнего соединены с соответствующими D-входами второго регистра, А-входами первого и второго цифровых компараторов, В-входы второго цифрового компаратора соединены с соответствующими выходами второго регистра, первый выход первого цифрового компаратора и выход второго цифрового компаратора соединены с первым и вторым входами третьего элемента И соответственно, выход которого соединен через первый формирователь импульсов с шиной выходного сигнала адаптивного фильтра, С-входом второго регистра и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с R-входами реверсивного счетчика, первого регистра и счетчика импульсов, второй выход первого цифрового компаратора соединен с С-входом первого регистра.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-3).
1-2
3-4
6-7
10-11
14-15
На фиг. 1 приведена функциональная схема адаптивного фильтра. На фиг. 2 приведена диаграмма входного сигнала для пояснения коэффициентов цифровых компараторов по выражениям (6-9). На фиг. 3 приведена диаграмма входного сигнала для пояснения по выражению (14). Где 1 - шина входного сигнала, 2 - RC-фильтр, 3 - компаратор, 4 - генератор, 5 - первый элемент И, 6 - реверсивный счетчик, 7 - второй элемент И, 8 - первый цифровой компаратор, 9 - третий элемент И, 10 - первый формирователь импульсов, 11 - шина выходного сигнала, 12 - счетчик импульсов, 13 - второй формирователь импульсов, 14 - элемент ИЛИ, 15 - первый регистр, 16 - второй регистр, 17 - второй цифровой компаратор; t, t, t, t, t - помехи.
Предложенный адаптивный фильтр содержит шины входного 1 и выходного 11 сигналов, генератор 4, первый 5, второй 7 и третий 9 элементы И, элемент ИЛИ 14, счетчик импульсов 12, первый цифровой компаратор 8, реверсивный счетчик 6, выходная шина которого соединена с В-входами первого цифрового компаратора 8, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 6 соединены с выходами первого 5 и второго 7 элементов И соответственно. Кроме того, в адаптивный фильтр дополнительно введены RC-фильтр 2, компаратор 3, первый 10 и второй 13 формирователи импульсов, первый 15 и второй 16 регистры и второй цифровой компаратор 17. Шина входного сигнала 1 через RC-фильтр 2 и компаратор 3 соединена с вторым входом первого элемента И 5, инверсным входом второго элемента И 7 и С-входом счетчика импульсов 12, выход которого через второй формирователь импульсов 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ 14 и R-входом второго регистра 16. Выход генератора 4 соединен с первым входом первого элемента И 5 и вторым входом второго элемента И 7, выходная шина реверсивного счетчика 6 соединена с D-входами первого регистра 15, а выходы последнего соединены с соответствующими D-входами второго регистра 16, А-входами первого 8 и второго 17 цифровых компараторов. В-входы второго цифрового компаратора 17 соединены с соответствующими выходами второго регистра 16, первый выход первого цифрового компаратора 8 и выход второго цифрового компаратора 17 соединены с первым и вторым входами третьего элемента И 9 соответственно, выход которого соединен через первый формирователь импульсов 10 с шиной выходного сигнала 11 адаптивного фильтра, С-входом второго регистра 16 и вторым входом элемента ИЛИ 14. Выход элемента ИЛИ 14 соединен с R-входами реверсивного счетчика 6, первого регистра 15 и счетчика импульсов 12. Второй выход первого цифрового компаратора 8 соединен с С-входом первого регистра 15.
г
г
min
г
min
min
В адаптивном фильтре длительность помех и длительность фильтруемого сигнала измеряется в количестве периодов следования импульсов t генератора 4, поэтому, чем меньше период следования импульсов t генератора 4 по сравнению с длительностью помехи и длительностью фильтруемого сигнала, тем выше точность в определении длительности помех и длительности фильтруемого сигнала, или t » t (t это длительность минимальной помехи, учитываемой адаптивным фильтром). RC-фильтр 2 служит для подавления высокочастотных помех (пичков) и не должен пропускать импульсы помехи, длительность которых превышает t. Компаратор 3, при отсутствии измеряемого сигнала на входе, на своем выходе имеет низкий логический уровень. Период следования импульсов генератора 4 связан с количеством разрядов n реверсивного счетчика 6 соотношением:
max
1
где T - максимальная длительность фильтруемого сигнала. Реверсивный счетчик 6 увеличивает свое состояние на единицу младшего разряда при поступлении импульса на «+» вход и уменьшает свое состояние на единицу младшего разряда при поступлении импульса на «-» вход. При уменьшении состояния реверсивного счетчика 6 до нуля, дальнейшие импульсы на «-» входе не изменяют состояние реверсивного счетчика 6. Импульс на R-входе приводит к обнулению реверсивного счетчика 6. Первый 8 и второй 17 цифровые компараторы сравнивают сигналы на своих входах, при этом на выходе q первого цифрового компаратор 8 высокий логический уровень появляется при выполнении условия:
2
где А - состояние на А-входах первого цифрового компаратора 8, В - состояние на В-входах первого цифрового компаратора 8, а k - коэффициент, показывающий до какого уровня должно уменьшиться состояние реверсивного счетчика 6 от состояния (определяемого положительной частью фильтруемого сигнала), записанного в него, чтобы был сформирован сигнал «об окончании очередного периода (или импульса для числоимпульсного кода)». На выходе q первого цифрового компаратора 8 высокий логический уровень появляется при выполнении условия:
ф
г
Первый 10 и второй 13 формирователи импульсов - блокинг-генераторы, формирующие импульс на выходе при положительном (с низкого на высокий уровень) перепаде на входе формирователя импульсов. Длительность формируемого импульса t меньше или равна t - длительности следования импульсов генератора 4. Максимальное состояние N счетчика импульсов 12 выбирается из условия:
m
где N - максимальное допустимое количество импульсов помехи (другого знака относительно фильтруемого сигнала) за период следования фильтруемого сигнала. Первый 15 и второй 16 регистр осуществляют запись кода, установленного на D-входах, по переднему фронту импульса на С-входе. На выходе q второго цифрового компаратор 17 высокий логический уровень появляется при выполнении условия:
где А - состояние на А-входах второго цифрового компаратора 17, В - состояние на В-входах второго цифрового компаратора 17, a h - коэффициент, показывающий, что длительность текущего импульса (положительной части периода) соизмерима с длительностью предыдущего импульса - достигла определенной величины от предыдущего импульса.
Для однозначности описания функционирования логических элементов адаптивного фильтра примем, что наличию сигнала соответствует высокий логический уровень.
2
2
1
Адаптивный фильтр работает следующим образом. При отсутствии сигнала на шине входного сигнала 1 адаптивного фильтра на выходе компаратора 3 низкий логический уровень, который разрешает второму элементу И 7 пропускать импульсы с выхода генератора 4 через свой второй вход на вычитающий вход реверсивного счетчика 6 и не позволяет первому элементу И 5 пропускать импульсы с выхода генератора 4 на суммирующий вход реверсивного счетчика 6. В результате этого содержимое реверсивного счетчика 6 остается нулевым. Рассмотрим случай, когда на шину входного сигнала адаптивного фильтра поступает сигнал, имеющий форму синусоиды. Для однозначности описания пусть первый 15 и второй 16 регистры и счетчик импульсов 12 находятся в нулевом состоянии. При положительной части синусоиды, поступающей на шину входного сигнала 1 на выходе компаратора 3, будет высокий уровень, который разрешит (через первый элемент И 5) импульсам с выхода генератора 4 поступать на суммирующий вход реверсивного счетчика 6. При поступлении первого импульса реверсивный счетчик 6 сосчитает его и информация о его состоянии с его выходной шины поступит на В-входы первого цифрового компаратора 8 и D-входы первого регистра 15. На выходах первого регистра 15 нулевое состояние и соответственно нулевое состояние на А-входах первого цифрового компаратора 8. В результате выполняется условие (3), на выходе q первого цифрового компаратора 8 появляется высокий уровень, который поступит на С-вход первого регистра 15 в результате чего в него будет переписано содержимое реверсивного счетчика 6, и на выходе q первого цифрового компаратора 8 появляется низкий логический уровень. После увеличения состояния реверсивного счетчика 6 еще на единицу, содержимое первого регистра 15, также, увеличится на единицу и так далее. Таким образом, в первый регистр 15 будет записано максимальное состояние реверсивного счетчика 6 - состояние, определяющее длительность положительной части сигнала на шине входного сигнала 1 адаптивного фильтра. После окончания положительной части синусоиды на шине входного сигнала 1 адаптивного фильтра появится отрицательная часть синусоиды, которая переведет выходное состояние компаратора 3 в низкий логический уровень и на вычитающий вход реверсивного счетчика 6 начнут поступать импульсы с выхода генератора 4. В результате чего содержимое реверсивного счетчика 6 будет уменьшаться. После выполнения условия (2) на выходе q первого цифрового компаратора 8 появляется высокий уровень, который поступит на первый вход третьего элемента И 9. При этом на А-входы второго цифрового компаратора 17 поступает содержимое с соответствующих выходов первого регистра 15, а на В-входы содержимое (нулевое) с соответствующих выходов второго регистра 16. В результате выполняется условие (5) и на выходе q второго цифрового компаратора 17 высокий логический уровень. Наличие логических единиц на входах третьего элемента И 9 приведет к появлению высокого уровня на входе первого формирователя импульсов 10 и к формированию импульса на шине выходного сигнала 11 адаптивного фильтра - формированию сообщения «окончен очередной период фильтруемого синусоидального сигнала» или «поступил очередной импульс» в случае фильтрации не периодического сигнала. Импульс с выхода первого формирователя импульсов 10, также поступит на С-вход второго регистра 16, в результате чего в него будет переписано содержимое первого регистра 15, таким образом, во втором регистре 16 будет храниться информация о длительности положительной части фильтруемого сигнала предыдущего периода (длительности предыдущего импульса для случая фильтруемых импульсных сигналов). Кроме этого импульс с выхода первого формирователя импульсов 10 через первый элемент ИЛИ 14 поступит на R-входы реверсивного счетчика 6, первого регистра 15, счетчика импульсов 12 и обнулит их содержимое. Адаптивный фильтр приведен в исходное состояние и готов к приему положительной части очередного периода синусоидального сигнала на шине входного сигнала 1. При фильтрации следующей положительной полуволны синусоидального сигнала, ее длительность будет сравниваться с длительностью предыдущей положительной полуволны - состояние выходной шины второго регистра 16 поступающее на В-входы второго цифрового компаратора 17.
В случае появления помехи, имеющей отрицательную полярность за время следования положительной части синусоиды, поступающей на шину входного сигнала 1, состояние реверсивного счетчик 6 будет уменьшаться до окончания помехи, а после окончания помехи продолжит увеличиваться. Таким образом, состояние реверсивного счетчик 6 будет немонотонно возрастать до окончания следования положительной части синусоиды и, соответственно будет возрастать состояние первого регистра 16. После начала следования отрицательной полуволны синусоиды состояние реверсивного счетчика 6 будет уменьшаться, а в случае появления помехи, имеющей положительную полярность, состояние реверсивного счетчика 6 будет возрастать до окончания действия помехи, а после окончания помехи продолжит уменьшаться. Т.е. состояние реверсивного счетчика 6 будет немонотонно уменьшаться до выполнения условия (2).
При поступлении на шину входного сигнала 1 коротких пичков, последние не смогут пройти через RC-фильтр 2 и не будут влиять на работу цифровой части адаптивного фильтра (при отсутствии RC-фильтра 2 несколько коротких помех, следующих в течении одного импульса генератора 4 могли бы на столько же изменить состояние реверсивного счетчика 6).
В случае сбоев, появления некорректного входного сигнала на шине входного сигнала 1 адаптивного фильтра, например, длительность положительной полуволны в несколько раз превысит длительность отрицательной полуволны синусоиды, в результате чего реверсивный счетчик 6 перейдет в состояние, после которого не будет выполняться условие (2). Адаптивный фильтр перестанет формировать сигнал на шине выходного сигнала 11. Это будет продолжаться до тех пор, пока счетчик импульсов 12, за счет сигнала с выхода компаратора 3, не перейдет в состояние N. После чего с выхода счетчика импульсов 12 сигнал поступит на вход второго формирователя импульсов 13. Импульс с выхода второго формирователя импульсов 13 поступит на R-вход второго регистра 16 и через второй вход элемента ИЛИ 14 на R-входы реверсивного счетчика 6 и первого регистра 15, счетчика импульсов 12 и обнулит их содержимое. Адаптивный фильтр приведен в исходное состояние и готов к приему положительной части очередного периода синусоидального сигнала на шине входного сигнала 1.
и
п
п
п
1
4
п
1-2
2
3
3-4
п
и
п
4
5
и
п
п
и
п
и
п
п
п
1
Определим допустимую относительную величину помех, которые могут подавляться адаптивным фильтром. Например, на сигнале синусоидальной формы. Предположим, что в течение следования положительной части фильтруемого сигнала длительностью Т возможно появление помехи, имеющей другой знак, длительностью до t. Рассмотрим одну помеху длительностью t, а не несколько помех суммарной длительностью t, т.к. одиночная помеха приведет к большим изменениям состояния реверсивного счетчика 6, что при оценке допустимых состояний является худшим вариантом (см. диаграмму на фигуре 2 от момента времени t до t). Предположим, что интенсивность помех как в течении следования положительной части сигнала, так и в течении следования отрицательной части сигнала одинакова. На фигуре 2 приведен случай следования помех длительностью t, приводящий к наибольшему «записываемому» в реверсивный счетчик 6 состоянию. Помеха t следует перед самым началом положительной полуволны синусоиды, во время следования которой (время от t до t) нет помех, а сразу после начала отрицательной полуволны синусоиды, следует положительная помеха t. Таким образом, на А-входе первого цифрового компаратора 8 будет код, соответствующий длительности (t+Т+t). За время от t до t состояние реверсивного счетчика 6 уменьшится на (Т-t) и составит (t+Т+t)-(Т-t)=3t. Код, соответствующий 3t, будет на В-входе первого цифрового компаратора 8. В соответствии с выражением (2) для формирования сигнала q первым цифровым компаратором 8 должно выполняться условие:
откуда k будет определено как:
1
4
п
и
п
5
8
и
п
На фигуре 2, также, показано максимальное различие в длительности соседних положительных полуволн синусоиды (по максимальному состоянию записанному в реверсивный счетчик 6), первая (время от t до t) имеет длительность (t+Т+t), вторая, начинается в момент времени t, заканчивается в момент времени t и имеет длительность (Т-t). В соответствии с выражением (5) для формирования сигнала q вторым цифровым компаратором 17 должно выполняться условие:
откуда h будет определено как:
13
14
п
1
При работе адаптивного фильтра возможна ситуация, когда помеха отрицательной полярности, следующая в самом начале положительной полуволны синусоиды, приведет к выполнению условия (2). На фигуре 3 после начала положительной полуволны синусоиды в момент времени t, в момент времени t следует помеха отрицательной полярности длительностью t. При этом, чтобы не выполнялось условие (2) для формирования первым цифровым компаратором 6 высокого уровня на выходе q должно выполняться условие:
Преобразовав данное выражение, получим:
или:
13
14
п
1
14-15
9-12
10-11
и
п
13-14
Если время от начала положительной полуволны t до начала следования помехи t длительностью t не превышает полученное в правой части выражения (12), то сигнал на выходе q первого цифрового компаратора сформируется. Для того, чтобы в течение времени действия помехи t адаптивный фильтр не сформировал ложного сигнала об окончании очередного периода фильтруемого сигнала не должно выполняться условие (5), т.е. длительность минимальной предыдущей положительной полуволны синусоиды (t - t или Т-t) помноженная на коэффициент h должна быть больше, чем t:
13-14
Подставив значение t из выражения (12) в выражение (13), получим неравенство:
и
п
и
Поделив числитель и знаменатель правой части выражений (7), (9), а, также, левую и правую часть выражения (14) на Т, сделав подстановку t/Т=X, получим соответственно:
Решая полученную систему неравенств совместно с целевой функцией:
получим: X≈0,22, при k=0,46, h=0,54.
При таком формализованном наборе требований к помехам и выборе коэффициентов k=0,46, h=0,54 адаптивный фильтр гарантированно подавляет помехи длительностью до 22% от длительности положительной части фильтруемого сигнала. Аналогичным образом можно провести оценку эффективности для сигналов со скважностью Q>2, а также учесть допустимое изменение длительности соседних периодов, в случаях изменения частоты сигнала (за счет выбора коэффициентов k и h).
Предложенный адаптивный фильтр обладает расширенными функциональными возможностями - позволяет отфильтровывать импульсные помехи как в периодическом сигнале одно- (или двух-) полярном со скважностью Q≥2, так и в числоимпульсном коде. Полезный сигнал может иметь синусоидальную, импульсную форму или иную форму, при этом длительность соседних импульсов (или периодов синусоидального сигнала) может изменяться не более чем в заранее заданное число раз, а в периодическом сигнале предполагается наличие только одного полезного импульса, полуволны синусоиды и т.д. Адаптивный фильтр может работать с источником сигнала, у которого в низкочастотной области сигнала длительность помех может превышать период сигнала в высокочастотной области. Что пригодиться для частотомеров, некоторых типов таходатчиков коллекторных двигателей. Предлагаемый адаптивный фильтр универсален - не требуется подбирать настройки под определенную частоту сигнала и длительность помех.
Адаптивный фильтр имеет простую структуру, вследствие чего обладает высокой надежностью и низкой стоимостью.
Предлагаемая совокупность признаков, в рассмотренных решениях, не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
В качестве элементов для реализации адаптивного фильтра можно использовать программируемые логические интегральные схемы, например микросхему 5576ХС7Т АЕНВ.431260.059ТУ, RC-фильтр 2 может быть реализован на конденсаторах К10-17 ОЖ0.460.107ТУ и резисторах С2-33Н ОЖ0.467.093ТУ. В качестве компаратора 3 можно использовать микросхему LM139 5269-8773901DA.