Адаптивний фільтр

Реферат: Винахід належить до області електрозв'язку і призначений для відбілювання адитивної завади в системах зв'язку в умовах дії в каналах зв'язку завад зі спектром, який відрізняється від білого шуму. Додатково в фільтр введені компенсатор завади, блок додавання, блок віднімання, фільтр із регульованою АЧХ, лінія затримки, аналізатор спектра завади, причому адитивна суміш корисного сигналу і завади подається одноразово до входів компенсатора завади і лінії затримки, а також до першого входу блока віднімання, при цьому вихід компенсатора завади підключений до першого входу блока додавання та одноразово до другого входу блока віднімання, причому вихід останнього сполучений з першим входом фільтра із регульованою АЧХ, вихід якого з'єднаний із другим входом блока додавання, а вихід останнього підключений до входу приймача інформації, при цьому вихід лінії затримки з'єднаний зі входом аналізатора спектра завади, а вихід останнього підключений до другого входу фільтра із регульованою АЧХ. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є спрощення схеми фільтра, зменшення спотворення сигналу. UA 104786 C2 (12) UA 104786 C2 UA 104786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електрозв'язку і призначений для відбілювання адитивної завади в системах передачі та приймання інформації в умовах дії в каналах зв'язку завад зі спектром, який відрізняється від білого шуму. Відомі аналогічні адаптивні фільтри для фільтрації корисних сигналів у системах зв'язку, вимірювальній техніці та у спеціалізованих аналогових і гібридних ЕОМ, а також для формування програмового забезпечення ЦОМ. До цих пристроїв можна віднести, наприклад, такі аналоги: Пат. РФ 212083, МКИ Н03Н21/00; Пат. України 11427, МПК H03H21/00; Ю.Ф. Пелегов. О помехоустойчивости идеального приемника к помехам с произвольным энергетическим спектром // Сб. тр. Гос. НИИ Министерства связи СССР. - 1963. - Вып. 4 (32) - с. 8-12; В.И. Тихонов. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. - с. 111-115. Найбільш близьким за технічною суттю до пристрою, що заявляється, є вибраний як прототип адаптивний фільтр для оцінювання нестаціонарних процесів (Пат РФ 211083, МКИ Н03Н21/00). Недолік цього пристрою, а також аналогічних пристроїв полягає в наступному: для забезпечення режиму оптимальної фільтрації необхідно знання точної математичної моделі процесу, що спостерігається, а також наявність статистичних характеристик його внутрішніх завад і завад, що виникають у процесі вимірювань; наявність апріорної невизначеності призводить до того, що при реалізації алгоритмів оптимальної фільтрації стає необхідним запровадити заходи щодо скасування ефекту "розходження" фільтра; фільтри Калмана, на базі яких побудовано алгоритм фільтрації, мають складну структуру та низьку точність оцінювання нестаціонарних процесів особливо в умовах відсутності точної інформації щодо процесу, який спостерігається; структурні схеми цифро-аналогової моделі адаптивних фільтрів мають дуже велику кількість елементів та потребують значного обсягу обчислень; оптимальність адаптивних фільтрів у разі випадкових змін корисних сигналів, що фільтруються, та випадкових завад порушується. У тих випадках, коли адаптивний фільтр застосовується на вході приймача інформації і призначений для відбілювання завади з нерівномірним спектром, одноразово із перетворенням спектра завади в спектр білого шуму відбувається спотворення корисного сигналу, що в більшості практичних ситуацій не повинно бути. В основу винаходу поставлена задача побудови адаптивного відбілюючого фільтра, який виконує задачу відбілювання адитивної завади з нерівномірним енергетичним спектром і при цьому не спотворює корисний сигнал, що знаходиться в адитивній суміші з завадою, яка діє на вході приймача інформації. Розв'язання цієї технічної задачі здійснюється тим, що у адаптивному фільтрі, який включено на вході приймача інформації, введені компенсатор завади блок додавання, блок віднімання, фільтр із регульованою АЧХ, лінія затримки, аналізатор спектра завади, причому адитивна суміш корисного сигналу і завади подається одноразово до входів компенсатора завади і лінії затримки, а також до першого входу блока віднімання, при цьому вихід компенсатора завади підключений до першого входу блока додавання та одноразово до другого входу блока віднімання, причому вихід останнього сполучений з першим входом фільтра із регульованою АЧХ, вихід якого з'єднаний із другим входом блока додавання, а вихід останнього підключений до входу приймача інформації, при цьому вихід лінії затримки з'єднаний зі входом аналізатора спектра завади, а вихід останнього підключений до другого входу фільтра із регульованою АЧХ. При порівнянні з аналогами і прототипом запропонований пристрій має значно простішу схему, яка не містить складних блоків, наприклад, таких, як фільтри Калмана. Аналоги і прототип неспроможні виконувати операцію відбілювання завади із свавільним спектром. Крім того, корисний сигнал, який міститься у адитивній суміші з завадою і подається до входу запропонованого пристрою, не спотворюється, що дозволяє вирішувати задачу адаптивного відбілювання завади на вході приймача інформації без застосування адаптивного компенсуючого фільтра у передавальному тракті системи зв'язку. Структурна схема запропонованого пристрою зображена на кресленні. Адаптивний фільтр містить у своєму складі: компенсатор завади 1, блок додавання 2, блок віднімання 3, фільтр із регулюванню АЧХ 4, лінію затримки 5 і аналізатор спектра завади 6. При цьому послідовно сполучені компенсатор завади і блок додавання, а також лінія затримки, аналізатор спектра завади і фільтр із регульованою АЧХ. Адитивна суміш корисного сигналу і завади надходить до входу компенсатора завади, а також до входу лінії затримки і першого входу (Вхід 1) блока віднімання 3. Вихід компенсатора завади 1 з'єднаний з першим входом (Вхід 1) блока додавання 2 і одноразово із другим входом (Вхід 2) блока віднімання 3, а вихід останнього сполучений з першим входом (Вхід 1) фільтра із регульованою АЧХ 4. З виходу цього фільтра керуючий сигнал, який представляє собою напругу постійного струму, що пропорційна 1 UA 104786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 характеру енергетичного спектра завади, подається на другий вхід (Вхід 2) блоку додавання 2. З виходу останнього суміш корисного сигналу і відбіленої завади (білий шум) подається до входу приймача інформації. При цьому вихід лінії затримки 5 сполучений зі входом аналізатора спектра завади 6, а вихід останнього підключений до другого входу (Вхід 2) фільтра з регульованою АЧХ. Компенсатор вузькосмугової або широкосмугової завади (блок 1) відомий [Богданович Б.М., Окулич Н.И. Радиоприемные устройства: учеб. Пособие для вузов. - Минск: Выш. Школа. 1991. - с. 270, 271]. Аналізатор спектра завади 6 відомий. Його можна реалізувати на основі [А.с. 4 146367, Кл. 21 а , 71]. Фільтр із регульованою АЧХ можна реалізувати на основі неінвертуючого підсилювача напруги (активного смугового фільтра). При цьому, якщо операційний підсилювач виконаний на польових транзисторах з р-n переходами, то керуючу напругу постійного струму з виходу аналізатора спектра завади 6 необхідно подавати на затвор транзистора. При цьому буде змінюватись величина опору у колі стік-витік транзистора, що призведе до адаптивного перестроювання АЧХ підсилювача. Запропонований пристрій працює таким чином. Адитивна суміш корисного сигналу та завади надходить до входу компенсатора завади 1, схема якого має двоканальну структуру. У першому каналі включений блок віднімання, а другий канал являє собою послідовне включення лінії затримки з регульованим часом затримки в залежності від часу кореляції завади (вузькосмугової або широкосмугової) та фільтра, в якому адаптивно змінюється АЧХ. При цьому вихід блока віднімання з'єднаний з керуючим входом фільтра, а вихід останнього підключений до одного із входів блока віднімання, на інший вхід останнього подається адитивна суміш корисного сигналу і завади. Корисний сигнал, в якому заглушена завада, формується на виході фільтра і подається на перший вхід (Вхід 1) блока додавання 2 (фіг.) Адитивна суміш корисного сигналу і завади також надходить до входу лінії затримки 5, де затримується на час кореляції завади і далі подається до входу аналізатора спектра завади 6. Останній має в своєму складі широкосмуговий селективний тракт, нелінійний елемент, два взаємно розстроєні смугові фільтри низьких частот, два різнополярні лінійні детектори і блок віднімання. Широкосмуговий тракт призначений для того, щоб на його виході формувався корисний сигнал з усіма гармонічними складовими і завадою. У нелінійному елементі відбувається групове перетворення та спотворення сигналу і його гармонік. На виході розстроєних фільтрів формують два сигнали. В одному з них відсотковий зміст сигнала більший ніж у другому, а завади приблизно однакові. Після різнополярного детектування на виході блоку віднімання можна одержати напругу постійного струму, яка є пропорційною формі спектру завади. Ця напруга подається додругого входу (Вхід 2) фільтра 4 з регульованою АЧХ. На виході блоку віднімання 3 формується адитивна завада, яка має свавільний спектр. Ця завада далі надходить до першого входу (Вхід 1) фільтра 4 з регульованою АЧХ. З виходу останнього відбілена завада (білий шум) надходить до другого входу (Вхід 2) блоку додавання 2. Таким чином, на виході останнього формується адитивна суміш корисного сигналу і білого шуму. Ця суміш далі подається до входу приймача інформації. Наведемо обґрунтування техніко-економічної ефективності запропонованого пристрою. Для ефективної фільтрації при застосуванні прототипу та аналогів необхідно мати апостеріорну спектральну модель адитивної суміші корисного сигналу та завади. При цьому процес відбілювання завади відбувається одноразово із відповідним спотворюванням сигналу, що потребує введення певної корекції шляхом включення компенсуючого фільтра у передавальний або приймальний тракти. Це значно ускладнює структуру адаптивного фільтра, а в деяких ситуаціях необхідно мати додаткові канали керування. У запропонованому пристрої шляхи проходження корисного сигналу і адитивної завади, що відрізняється від білого шуму, відокремлені. При цьому на входи блока додавання надходять корисний сигнал, в якому скомпенсована завада, і білий шум, що сформований на виході фільтра з регульованою АЧХ. Таким чином, у запропонованому пристрої відбілювання завади відбувається так, що цей процес не супроводжується спотворенням корисного сигналу. При цьому не виникає необхідність вимірювання спектральних характеристик сигналу і завади. За рахунок цього структура запропонованого адаптивного фільтра має значно меншу кількість блоків. Розглянемо також умову фізичної можливості реалізації запропонованого пристрою. Ця умова визначається виконанням несингулярності, тобто сходженням інтегралу [Френкс Л. Теория сигналов. - М.: Сов. Радио, 1974. – 344 с.]  1  ln N d ,  2 0 1   2 (1) 2 UA 104786 C2 де  - частота; N - спектральна щільність завади. Нехай адитивна завада моделюється спектром, який зростає з частотою   N  N0  2  2 , (2) 5 де N0 =const;  - коефіцієнт, що визначає швидкість експоненційного спаду кореляційної функції завади. Тоді із (1) маємо 2     ln  d   N0 ln  2   d .   2 2 0 1  0 1      10 (3) Далі знаходимо   N0 ln    , тобто інтеграл сходиться.   2 Таким чином, техніко-економічна ефективність запропонованого пристрою полягає у значному спрощенні схеми, а також в тому, що прототип і аналоги неспроможні забезпечити відбілювання завади так, щоб при цьому не відбувалось спотворення енергетичного спектра корисного сигналу. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Адаптивний фільтр, який містить блок додавання та блок віднімання, який відрізняється тим, що в нього введені компенсатор завади, фільтр із регульованою АЧХ, лінія затримки, аналізатор спектра завади, при цьому вихід компенсатора завади підключений до першого входу блока додавання та одноразово до другого входу блока віднімання, причому вихід останнього сполучений з першим входом фільтра із регульованою АЧХ, вихід якого з'єднаний із другим входом блока додавання, а вихід останнього підключений до входу приймача інформації, при цьому вихід лінії затримки з'єднаний зі входом аналізатора спектра завади, а вихід аналізатора спектра завади підключений до другого входу фільтра із регульованою АЧХ. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3