устройство подавления шума в информационном сигнале

Формула изобретения

Устройство подавления шума в информационном сигнале, содержащее блок памяти (1), первый вход которого объединен с первыми входами блока сравнения (2) и блока ключей (3) и является первым входом устройства, выход блока ключей (3) является выходом устройства, выход блока памяти (1) соединен со вторым входом блока сравнения (2), первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым входом блока определения смены знака приращения (4) и вторым входом блока памяти (1), второй выход блока сравнения (2) соединен также с первым входом счетного блока (5) и четвертым входом преобразователя временных интервалов (6), второй и третий выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами счетного блока (5), второй выход которого соединен со вторым входом преобразователя временных интервалов (6), выход блока определения смены знака приращения (4) соединен с третьим входом преобразователя временных интервалов (6), отличающееся тем, что содержит блок сравнения смежных временных интервалов (7), выход которого соединен со вторыми входами элементов ИЛИ (8, 9, 10), третий вход блока сравнения смежных временных интервалов (7) соединен со вторым выходом блока сравнения (2), первый выход преобразователя временных интервалов (6) соединен с первым входом второго элемента ИЛИ (9), выход которого соединен со вторыми входами блока ключей (3) и D-триггера (11), выход которого соединен с первым входом блока сравнения смежных временных интервалов (7) и первым входом преобразователя временных интервалов (6), пятый вход которого объединен со вторым входом блока сравнения смежных временных интервалов (7) и является третьим входом устройства, шестой вход преобразователя временных интервалов (6) соединен с выходом первого элемента ИЛИ (8), первый выход счетного блока (5) соединен с первым входом D-триггера (11) и седьмым входом преобразователя временных интервалов (6), второй выход счетного блока (5) соединен также с первым входом третьего элемента ИЛИ (10), выход которого соединен с третьим входом блока памяти (1), четвертый вход которого объединен со вторым входом блока определения смены знака приращения (4), первым входом первого элемента ИЛИ (8) и является вторым входом устройства, при этом преобразователь временных интервалов (6) содержит элемент 2 ИЛИ-2 И (12), выход которого соединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ (17), выход которого соединен с тактовым входом счетного триггера (19), первыми входами первого (16) и второго элементов И (15), вторым входом пятого элемента ИЛИ (27), первый вход которого объединен с первым входом шестого элемента ИЛИ (23) и является третьим входом преобразователя временных интервалов (7), первым выходом которого является выход пятого элемента ИЛИ (27), прямой выход счетного триггера (19) соединен со вторым входом первого элемента И (16), первым входом третьего элемента И (13), первым входом элемента 2 ИЛИ-2 И (12), инверсный выход счетного триггера (19) соединен с первым входом четвертого элемента И (14) и вторым входом второго элемента И (15), выход которого соединен с первым входом седьмого элемента ИЛИ (18), выходы третьего элемента И (13), четвертого элемента И (14) и седьмого элемента ИЛИ (18) соединены соответственно со счетным входом первого счетчика (20), счетным входом и входом сброса второго счетчика (21), выходы первого (20) и второго (21) счетчиков соединены с соответствующими первыми и вторыми входами первого элемента сравнения (22), выход которого соединен с вторым входом шестого элемента ИЛИ (23) и является третьим выходом преобразователя временных интервалов (6), выход шестого элемента ИЛИ (23) соединен с вторым входом седьмого элемента ИЛИ (18), выход первого элемента И (16) соединен с входом сброса первого счетчика (20) и является вторым выходом преобразователя временных интервалов (6), вход установки счетного триггера (19) и второй вход четвертого элемента ИЛИ (17), второй и третий входы элемента 2 ИЛИ-2 И (12), третий вход четвертого элемента ИЛИ (17) являются соответственно шестым, четвертым, седьмым и вторым входами преобразователя временных интервалов (6), первый и второй входы пятого элемента И (28) являются соответственно первым и пятым входами преобразователя временных интервалов (6), выход пятого элемента И (28) соединен со вторыми входами третьего (13) и четвертого (14) элементов И, а блок сравнения смежных временных интервалов (7) содержит элемент 2 И-2 ИЛИ (34), выход которого является выходом блока сравнения смежных временных интервалов (7), первый вход элемента 2 И-2 ИЛИ (34) объединен с входами сброса третьего (29) и четвертого счетчиков (32), входом записи в регистр сдвига (30) и является третьим входом блока сравнения смежных временных интервалов (7), вторым и первым входами блока сравнения смежных временных интервалов (7) являются соответственно счетный вход третьего счетчика (29) и вход разрешения сравнения второго элемента сравнения (31), первый выход которого соединен с первым входом шестого элемента И (33), выход которого соединен с вторым входом элемента 2 И-2 ИЛИ (34), второй выход второго элемента сравнения (31) соединен с счетным входом четвертого счетчика (32) и входом регистра сдвига (30), первый и второй выходы четвертого счетчика (32) соединены соответственно со вторым входом шестого элемента И (33) и третьим входом элемента 2 И-2 ИЛИ (34), выходы третьего счетчика (29) и регистра сдвига (30) соединены с соответствующими первыми и вторыми входами второго элемента сравнения (31), выходы третьего счетчика (29), начиная со второго, соединены с соответствующими входами регистра сдвига (30), начиная с первого, но исключая последний.

Описание изобретения к патенту

Устройство подавления шума в информационном сигнале относится к технике электрической связи и может быть использовано для подавления шума в сигнале в процессе формирования существенных выборок и дальнейшего их аналого-цифрового преобразования.

Известно устройство защиты от помех патент №2074516, 1997 г. Сущностью работы устройства является вычитание накопленных дискретных значений помехи из входного сигнала.

Признаками аналога, совпадающими с существующими признаками заявленного изобретения, является наличие блока вычитания помехи из входного сигнала.

Причинами, препятствующими получению технического результата, является низкое быстродействие из-за процесса накопления значений помехи, а также искажение формы выходного сигнала, так как из входного сигнала вычитаются не истинные значения помехи, а ее интегральная характеристика.

Известно устройство для сжатия сигналов, авторское свидетельство №729613, 1978 г. Сущностью работы устройства является то, что существенные выборки из входного сигнала формируются в моменты времени, когда разница между текущим значением амплитуды сигнала и значением предыдущей выборки находится в пределах апертуры допуска ±Е. Таким образом, амплитудные составляющие шума величиной до ±Е вычитаются из входного сигнала.

Признаками аналога, совпадающими с существующими признаками заявленного изобретения, является наличие блока памяти, блока сравнения временных интервалов и блока определения смены знака приращения сигнала на величину Е.

Причинами, препятствующими получению технического результата, является неравномерность апертуры допуска на отклонение линейных наклонных участков сигнала от аппроксимирующей прямой и низкая помехозащищенность, что не позволяет эффективно его использовать для подавления шума в динамически меняющихся сигналах.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство, авторское свидетельство №1541646, 1989 г.

Суть изобретения заключается в том, что при определении линейности наклонного участка сигнала измеряется текущая разность между первым (базовым) интервалом времени измерения угла наклона линейного участка и последующими интервалами. Таким образом, на горизонтальных и наклонных линейных участках сигнала апертура ±Е остается равномерной и амплитудные составляющие шума величиной в пределах ±Е вычитаются из входного сигнала.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие блока памяти, первый вход которого объединен с первыми входами блока сравнения и блока ключей и является первым входом устройства, выход блока ключей является выходом устройства, выход блока памяти соединен со вторым входом блока сравнения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым входом блока определения смены знака приращения и вторым входом блока памяти, второй выход устройства сравнения соединен также с первым входом счетного блока и четвертым входом преобразователя временных интервалов, второй и третий выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами счетного блока, второй выход которого соединен со вторым входом преобразователя временных интервалов, выход блока смены знака приращения соединен с третьим входом преобразователя временных интервалов.

Причинами, препятствующими получению технического результата, является отсутствие апертуры допуска на отклонение нелинейных участков сигнала от аппроксимирующей кривой, что ведет к переопределению наклона линейного участка и срыву процесса шумоподавления, снижения помехозащищенности в случае смены знака приращения сигнала на величину Е или постоянного увеличения угла наклона смежных участков сигнала.

Задачей заявляемого изобретения является создание помехозащищенного устройства подавления шума в информационном сигнале.

Технический результат достигается за счет применения в устройстве блока памяти, первый вход которого объединен с первыми входами блока сравнения и блока ключей и является первым входом устройства, выход блока ключей является выходом устройства, выход блока памяти соединен со вторым входом блока сравнения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым входом блока определения смены знака приращения и вторым входом блока памяти, второй выход устройства сравнения соединен также с первым входом счетного блока и четвертым входом преобразователя временных интервалов, второй и третий выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами счетного блока, второй выход которого соединен со вторым входом преобразователя временных интервалов, выход блока смены знака приращения соединен с третьим входом преобразователя временных интервалов, а также за счет того, что в устройство введены три элемента ИЛИ, D-триггер и блок сравнения смежных временных интервалов, выход которого соединен со вторыми входами элементов ИЛИ, второй выход устройства сравнения соединен также со входом начала измерений блока сравнения смежных временных интервалов, первый выход преобразователя временных интервалов соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторыми входами блока ключей и D-триггера, выход которого соединен со входом разрешения сравнений блока сравнения смежных временных интервалов и входом запрета измерений преобразователя временных интервалов, счетный вход которого объединен со счетным входом блока сравнения смежных временных интервалов и является третьим входом устройства, вход начала измерения базового интервала преобразователя временных интервалов соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый выход счетного блока соединен с первым входом D-триггера и входом конца измерения базового интервала преобразователя временных интервалов, второй выход счетного блока соединен также с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом блока памяти, четвертый вход которого объединен со вторым входом блока определения смены знака приращения, первым входом первого элемента ИЛИ и является вторым входом устройства.

Поставленная задача достигается путем слежения за поведением информационного сигнала так, чтобы иметь возможность устанавливать допуск ±Е на изменение сигнала на всех возможных участках - горизонтальных, линейных и нелинейных. Условия на соотношения величин интервалов времени установлены так, чтобы величина допуска ±Е была одинакова на разных участках. В прототипе это обеспечивалось для горизонтальных и линейных участков сигнала, а в заявленном изобретении дополнительно еще и для нелинейных, параболических участков. Таким образом, при обнаружении нелинейности после линейного участка процесс формирования допуска ±Е на отклонение сигнала от аппроксимирующей кривой не обрывается, что свидетельствует о повышении помехозащищенности нового устройства за счет равномерного подавления шума в информационном сигнале. Информационный сигнал принадлежит широкому классу сигналов, аппроксимируемых параболами.

Суть изобретения заключается в том, что если в моменты смены горизонтальных, линейных и нелинейных участков в сигнале формировать существенные выборки, то по их значениям может быть восстановлена форма сигнала в виде соприкасающихся парабол. Таким образом, шум с амплитудой ±Е сглаживается. По результатам сравнений интервалов времени между моментами превышения сигналом уровня ±Е проводится оценка степени линейности или нелинейности участка сигнала (косвенная оценка производных, как ).

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - схема преобразователя временных интервалов; на фиг.3 - схема блока сравнения смежных временных интервалов; на фиг.4 - временная диаграмма работы преобразователя временных интервалов; на фиг.5, 6 - временные диаграммы работы блока сравнения смежных временных интервалов; на фиг.7 - график формирования существенных выборок.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, в состав которой входят:

1 - блок памяти;

2 - блок сравнения;

3 - блок ключей;

4 - блок определения смены знака приращения;

5 - счетный блок;

6 - блок преобразователь временных интервалов;

7 - блок сравнения смежных временных интервалов;

8-10 элементы ИЛИ;

11 - D-триггер.

Блок 6 преобразователь временных интервалов (фиг.2) содержит элементы 2ИЛИ-2И 12, элементы И 13-16, 28, счетный триггер 19, счетчики 20, 21, элемент сравнения 22 и элементы ИЛИ 17, 18, 23, 27.

Блок 7 сравнения смежных временных интервалов (фиг.3) содержит следующие элементы: счетчики 29 и 32, сдвигающий регистр 30, элемент сравнения 31, элемент И 33, элемент 2И-2ИЛИ 34.

Устройство работает следующим образом. При подаче импульса на вход установки устройства в блоке 1 запоминается существенная выборка (например, выборка 1 на фиг.7) и устройство устанавливается в исходное состояние, которому соответствует единичное состояние счетного триггере 19, нулевое состояние счетчиков 20 и 21, нулевое состояние D-триггера 12, с выхода которого подается сигнал запрета сравнений на элемент 31 в блоке 7.

Формирование существенной выборки 2, измерение первого (базового) интервала в преобразователе временных интервалов Т_1-2 для оценки угла наклона участка сигнала производится аналогично работе прототипа. Аналогично измеряются интервалы Т _3-4, Т_4-10, Т_10-11 и выборки 4, 10, 11 не признаются существенными, так как находятся в пределах допуска ±Е (пунктир) на отклонение сигнала (сплошная кривая толстая, шум - сплошная кривая тонкая) от аппроксимирующей прямой (сплошная прямая) (фиг.7).

Появление выборки 3 согласно работе прототипа приведет к появлению уровня логической единицы на первом выходе счетного блока. После чего выборка 5 считается существенной, подается уровень логической единицы на вход элемента ИЛИ 9. С выхода элемента ИЛИ 9 уровень подается на ключ 3, в D-триггер записывается логическая единица и ее уровень подается на первый вход преобразователя временных интервалов. Измерение нового базового интервала не происходит, поскольку прохождение тактовых импульсов на выход элемента И 28 запрещено (см. фиг.4).

Сравнение смежных интервалов теперь разрешено в блоке 7. В момент выборки 5 значение счетчика 29, равное Т _3-5, записывается в регистр 30 как ¹ /₂ Т_3-5, счетчик 29 сбрасывается и начинает считать тактовые импульсы. Если сигнал на третьем входе блока 7 не появится раньше, чем счетчик 29 отсчитывает половину предыдущего интервала, то в момент равенства содержимого счетчика 29 и регистра 30 со второго выхода схемы сравнения 31 импульс поступит на вход сдвига С2 регистра 30.

В момент выборки 6 в регистре 30 запишется значение периода времени, равное ¹/₂Т _5-6. Если сигнал на третьем входе блока 7 появится раньше, чем счетчик 29 отсчитает половину интервала Т _5-6, то он пройдет на выход блока 7 как существенная выборка 9 (см. фиг.7 и фиг.5) и далее через элемент ИЛИ 9 на ключ 3, а через элемент ИЛИ 10 на вход блока памяти. D-триггер изменит свое состояние, чем запретит работу схемы сравнения 31 в блоке 7 и разрешит прохождение тактовых импульсов на выход элемента 28 в блоке 6. Начнется новый цикл измерения базового интервала (так же, как после выборки 1).

По истечении периода времени ¹/₂Т _5-6, если сигнал отклонится в сторону выборки 8 (см. фиг.7), то содержимое регистра 30 дважды (по переднему и заднему фронту импульса) сдвинется в сторону старшего разряда и станет равным 2Т_5-6. Следующий импульс со второго выхода схемы сравнения 31 будет означать равенство содержимого счетчика 29 величине 2Т_5-6. В этот момент на втором выходе счетчика 32 появится уровень логической единицы, который пройдет на выход блока 7, что будет соответствовать существенной выборке 8 (см. фиг.6 и фиг.7). Выборки 6, 7, в отличие от прототипа, будут признаны несущественными и слежение за сигналом продолжится при условии

¹/₂ Т_i-1<Т_i<2Т _i-1.

В момент выборки 13 с выхода блока 4 поступит сигнал о существенной выборке на вход блока 6 и далее на вход блока ключей 3 через элемент ИЛИ 9. Но в отличие от прототипа счетчик 20 сброшен не будет, триггер 19 останется в прежнем состоянии и цикл измерений текущих интервалов Т_13-14 , T_14-15 счетчиком 21 не прервется и выборки 14, 15 будут признаны несущественными, как лежащими на параболе в пределах допуска ±Е.

Выборка 12 или 16 аналогично работе прототипа будет сформирована как существенная на втором выходе счетного блока 5 и начнется новый цикл измерения базового интервала. Указанные ситуации свидетельствуют о переходе сигнала на горизонтальный участок.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет дополнительно к горизонтальным и линейным наклонным участкам сигнала формировать такой же допуск на отклонение сигнала от аппроксимирующей кривой на нелинейных участках. В отличие от аналога, слежение за поведением сигнала путем измерений и сравнений интервалов времени, подавление шума стало возможным дополнительно и в пределах нелинейного участка за счет измерений и сравнений смежных интервалов времени, а значит заявляемое устройство имеет помехозащищенность не хуже, чем аналог при любых условиях. При этом не происходит сброс цикла слежения при переходе от линейного участка к нелинейному, формируется меньшее количество существенных выборок (выборки 6, 7, 14, 15, в отличие от прототипа, несущественны), повышается информативность, а значит и помехозащищенность заявляемого устройства.

По вопросу внедрения устройства получены определенные результаты. На базе НКБ «Миус» Таганрогского технологического института Южного Федерального университета разработан на начальном этапе действующий макетный образец, а затем и опытный образец. В данном случае устройство разработано как часть телеметрического комплекса, поставляемого в РКК «Энергия».

Рассматривается возможность использования устройства в качестве самостоятельного автономного шумоподавителя, сопрягаемого с аналого-цифровым преобразователем. Это значительно расширит сферу его возможного применения, так как позволит применять его не только в телеметрических комплексах, но и в измерительных приборах.