Адаптивный анализатор плотности распределения амплитуд

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соаетскик

Социалистических

Республик (1Ц 1001 11 О

{61) Дополнительное к аат. сеид-ау(51}N. Кл. (22) ЗаЯалено 09.09.81 (21) 3336934/18-24 с присоединениеат заявки М—

G,06 F 15/38

Гесударстееккма кемктет

СССР (23) Приоритет—

Опубликовано 28.02. 83.Бюллетень Фт 8

Дата опубликования описания 28.02.83 пю делам кзебретеккй и етарытнй (5З} ДК 681.3 (088.8) 1

В. А, Прянишников, Т, Н. Прянишникова, В. И. Якименкои 11. Б. Эпштейн ь-:

Лен инградский ордена Ленина эле к гротехничес ний институ г им. В . И . Ульянова (Лен ина ) (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) АДАПТИВНЫЙ АНАЛИЗАТОР ПЛОТНОСТИ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД

Изобретение огносигся к специализированным средсгвам автоматики и вычис, лительной техники, предназначенным для определения характеристик случайных процессов в условиях недостагка априорной информации, например в океанологии, метеорологии и других областях.

Извесген анализатор с адаптивным выбором диапазона анализа, содержащий устройства выделения и фиксации наиболь

:шего и наименьшего значения сигнала, соединенные через блоки запоминания с контактными реле режима работы, подключенными через потенциометр к блоку анализа

Ы.

l5

Недостатком анализатора является низкое быстродейсгвие, обусловленное необходимостью предварительного определения интервала корреляции цля задания шага временной дискретизации. 20

Наиболее близким к предлагаемому по технической сушности является as ровой адаптивйый анализатор плотности распределения амплитуд, содержаший ана2 лого-цифровой преобразователь, эапомина» юшее ус ройство и сумматор, соединенные последовательно, выход сумматора л соединен с информационным входом запьминаюшего устройства, усреднитель, ре гисгр числа, блок сравнения, регулируемый целитель частоты и блок управления, состоящий из генератора такговтих импуль» сов и счегчика выборок, причем выход генератора тактовых импульсов соединен ,с тактовым входом регулируемого делителя частогы, выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, сумматора и счетчика выборок. Дополнительно анализатор содержит блок вычитания Г2 1 .

Недостатком известного анализатора является необходимость априорного знания амплигудных свойсгв исследуемого сигнала для рационального выбора порога сравнения 4тт, определяющего, в свою очередь, точность вычислений и скорость сходимосги алгоритма поиска шага времен-. ной дискретизации. Эти факторы в совоi00iiiO купносги снижают быстродействие анализатора.

11ель изобретения - повышение быстродействия за счет уменьшения необходимого объема априорной информации о

S свойствах исследуемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что ацаптивный анализатор, содержащий блок сравнения, регисгр числа, усрецнитель, блок управления, состоящий из о счетчика выборок и генератора тактовых импульсов, выхоц которого соединен с такговым вхоцом целителя частогы, выхоц которого соецинен с управляющими вхоцами аналого-цифрового преобразователя, счетчика выборок и сумматора, информационный вход которого подключен к выходу яапоминаюшего устройства и является соответствующим выходом анализатора, а адресный ахоп запоминающе- рр

ro устройства соединен с выхоцом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входом анализатора, содержит первый и вгорой блоки опрецеления размаха, целитель 2S кодов и ключ, при этом информационные входы усрецнителя и первого блока ollределения размаха, поцключены к выхацу, аналого-цифрового преобразователя, выход усрецнителя соецинен с информацион- щ ным вхоцом второго блока опрецеления размаха, выхоц которого, а также Bblxog вгорого блока опрецеления размаха, поцключены к соответствующим вхоцам целителя коцов, при этом выход первого блока опрецеления размаха является со»35 ответствующим выходом анализатора, выход делителя коцов соецинен с первым вхоцом блока сравнения, второй вхоц которого поцключен к выходу регистра чис46 ла, а выход соединен с информационным входом ключа, выхоц которого соецинен с управляющим вхоцом целителя частоты, выход которого соецинен с управляющим вхоцом первого и первым управляющим

45 входом вгорого блоков опрецеления раз4 маха, управляющим вхоцом усрецнителя и первым управляющим вхоцом запомина юшего усгройсгва, первый выхоц счегчика выборок поцключен к управляющему входу ключа и к вгорому управляющему входу запоминающего устройства, а второй выход счетчика выборок соецинен с вгорым управляющим вхоцом вгорого блока определения размаха.

SS

Кроме гого, блок распрецеления размаха соцержит вычитагель и цва канала опрецеления экстремума, кажцый из которых сосгоиг из регистра, схемы сравнения и элемента И, выход когорого соединен с первым управляющим вхоцом регистра своего канала, выхоц регистра в каждом канале соединен с первым вхоцом схемы сравнения и соответствующим вхоцом вычитагеля, выход которого является выходом блока, выхоц схемы сравнения соединен с информационным вхоцом элемента И своего канала, управляющие вхоцы элементов И первого и второго каналов обьецинены и являются первым управляющим вхоцом блока, второй вхоц схемы сравнения и информационный вход регистра в обоих каналах объединены и являются информационным входом блока, вторые управляющие входы регистров обоих каналов обьединены и являются вто- . рым управляющим входом блока.

На фиг. 1 прецставлен ацаптивный анализатор, структурная схема; на фиг. 2 — амплитуцные соотношения опрецеляемых характеристик сигнала, на фиг„3 - блок опрецеления размаха, функциональная схема.

Адаптивный анализатор плотности распрецеления амплитуд соцержит аналого-цифровой преобразователь 1, запоминающее устройство 2, сумматор 3, ус-! ! реднитель 4, блоки 5 и 6 опрецеления размаха, целигель 7 кодов, регистр 8 числа, блок 9 сравнения, ключ 10, блок

ll управления, состоящий из генератора

12 тактовых импульсов и счетчика 13 выборок, целигель 14 частоты.

Блок 5 (6) опрецеления размаха соцержиг цва канала 15 определения экстремума и вычитатель 16. Канал 15 опрецеления экстремума содержит регистр

17, схему 18 сравнения и элемент И 19.

Ацаптивный анализатор работает следующим образом.

В исхоцном состоянии запоминающее устройство 2, сумматор 3, усрецнигель

4, блоки 5 и 6 определения размаха и счетчик 13 выборок обнулены, а целитель 14 частоты установлен в начальное положение. Обычно до начала эксперимента известно значение интервала корреляции О, поэтому зацавая шаг временной дискретизации исслецуемого сигнала ht из условия 41)i ср, по известным соогношениям опрецеляют необхоцимый сбьем

М некоррелированной выборки цля обеспечения зацанной сгатисгической точносл ти искомой оценки 4/(X). Если априорной информации цля выполнения указанного условия недостаточно, то в этом случае провоцят ряц пробных экспериментов цля опрецеления интервала корреляции. В отличие or неацаптивных анализаторов в предлагаемом анализаторе также как и в анализаторе-прототипе осуществляется автоматическое обеспечение некоррелированности отсчетов сигнала, однако эти процецуры существенно отличаются.

При поцключении исследуемого сиг 30 нала в аналого-цифровом преобразователе 1 формируются отсчеты Х(Ь1) с начальным шагом цискретизации d <1 зацаваемым делителем 14 часготы. Из этих отсчетов в усрецнителе 4 опреде» 15 ляется оценка срецнего значения В сит нала, например, с реализацией алгоритма

"скользящего срецнего, а в блоке 6 опрецеления размаха формируется размах

ЙХ входного сигнала, как разность между 20 н убольшим и наименьшим значениями отсчетов. После прохожцения М выборок в блок- 5 опрецеления размаха поступает от счетчика 13 выборок уйравляюший импульс, разрешающий формирование раз» 25 маха оценки срецнего значения R на следующем объеме М отсчетов.

Блок 5(6) опрецеления размаха работаег слецуюшим образом (фиг. 3). От»

30 счеты входного сигнала поступают в кана- лы 15 опрецеления экстремума, гце осуществляется вьщеление наибольшего и наименьшего значений, из которых в вычигателе 16 формируется значение размаха. Наибольшее (наименьшее) значение

35 опрецеляется путем текущего сравнения в схеме 18 сравнения значений вхоцных отсчетов с значением, хранящимся в регистре 17, Причем схема 18 сравнения 40 открывает элемент И 19 тогда, когца значение вхоцного отсчета больше (меньше), чем значение, хранящееся в регист-. ре 17, при этом в него осуществляется запись нового значения экстремума.

Полученные значения РХ и Р поступают

Ill на входы целителя 7 коцов. Результат целения д. =Р /Р подается на вхоц блот р х ка 9 сравнения, в котором он сравнивается с величиной СГ, хранящейся в регисгре 8 числа. Значения сГ и d являют ся соответственно зацанным и текущим (контролируемыы) значениями относительной погрешности опрецеления оценки среднего значения. При Р 7 d блок 9 сравнения формирует микрокоманцу несоответ»- 5 ствия, которая в виде управляющего импульса поступает через ключ 10, стробируемый счетчиком 13 выборок, на уп»

10 6 равляющий вхоц регулируемого целителя

14 частоты цля увеличения коэффициента, целения. Счегчик 13 через кажцые и огсчетов попеременно сбрасывает в нулевое состояние блок 5 опрецеления;размаха или запоминающее устройство 2 и. стро» бирует ключ 10, После нескольких циклов корректиров ки шага цискретизации достигается обес» . печение условия некоррелированности отсчетов, вслецствие чего получаемая оценка 4 (х )статистически цостоверна с необхоцимой точностью. При этом оценка

Й(Х) формируется по классическому ал» горитму: каждый очерецной отсчет, пос,-тупающий с выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на ацресный вхоц запоминающего устройства 2, вызывает со цержимое соответствующей ячейки запоминающего устройства 2 в сумматор 3, в котором к нему цобавляется единица (такговый импульс от регулируемого целителя частоты 14). Полученная сумма записывается в ту же ячейку запоминающего устройства 2.

Механизм осуществления такой ацап» тивной процецуры основан на стремлении анализа гора обеспечить некоррелированность отсчетов сигнала. Это цостигается выполнением слецуюших математических зависимостей между параметрами вхоцного сигнала и параметрами измеряемой плотности распределения 4Х.

Из соотношения межцу цисперсией вхоцного сигнала Il и дисперсией оценки математического ожицания 3(m Х ) этого л сигнала ) "пк) = — )х

М

Следуют соотношения цля срецнеквацратичных отклонений 4 и(эх и пропорциональ» ных им размахов% и Р < (фиг. 2) сооТ ветственно цля плотности распрецеления оценки математического ожицания % и

m плотности распрецеления амплигуц сигна» лаФХ ..

6 = 6„, R =.р-"x .(Z

Оцнако выражения (1) и (2) спра» вецливы только цля случая некоррелиро ванных отсчетов сигнала, поэтому задавая объем выборок (в счетчике 13) и конгролируя значение отношения размахов — =1.- =,, (З)

Х

7,10011 можно контролировать (блоком сравнения

9 ) и адаптивно регулировать степень коррелированности отсчетов сигнала цо обеспечения . их некоррелированности.

Это возможно за счет того, что при коррелированности выборок погрешность . определения 9(m ) зависит не только or значений N и D, но и от величины (характера) корреляционной функции, которая на интервале цискретизации не равна 16 нулю. А при некоррелированности выборок эта погрешность зависит только от значений 8 и Вк (выражение (1).

Поэтому при зацанном (в регистре

8) пороговом (цопустимом) значении огносительной погрешности g опрецеления л оценки m и известном N, можно произвоцить автоматическое регулирование шага dk ци-.кретизации сигнала к такому значению Clto g, при котором цля опрецеляемых в блоках. 5,, 6 и 9 значений величин (2) и (3) начинает выполняться условие

Таким образом, выполнение в aganтивном анализаторе условия (4) является выполнением условия некоррелированности отсчетов сигнала, вследствие чего минимизация погрешности измерений функ ции %< осушесгвляегся быстрее, чем в, анализа горе-прототипе.

В анализаторе-прототипе в регистре устанавливается величина абсолютной

35 погрешности д,,, которая зависит or дисперсии 3К, что, в свою очерець, приводит к необхоцимости априорных знаний цисперсии (размаха) исслецуемых случайных процессов, т.е. провецения прецварительных экспериментов цля их определения. В прецлагаемом адаптивном анализаторе, благоцаря новой структуре и новым связям блоков, стало возможным задавать относительную погрешность, что исключает необхоцимость предварительных экспериментов цля определения дисперсии сигнала, за счет чего уменьшается обшая длительность экспериментов по опрецелению плотности рас56 прецеления амплитуц, т.е. соответственно увеличивается бысгроцействие анализа.

Кроме того, оцновременно с опрецелением искомой оценки плотности распрецеления амплитуц 4l<, в предлагаемой структуре анализатора опрецеляется ряц, цругих параметров сигнала - размах входного сигнала, размах оценки срецнего

10 значения и скользяшая оценка срецнего значения сигнала, что сушественно расширяет функциональные возможности анализатора. Это является дополнительным преимушеством адаптивного анализа тора в сложных комплексных экспериментах.

Технико-экономический эффект прецлагаемого адаптивного анализатора состоит в значительном сокрашении времени экспериментов, а также в более простой аппаратурной реализации такой структуры и в несложной эксплуатации (и, соответ сгвенно, меньшей квалификации обслуживающего персонала - что особенно важно в морских суповых и самолетных лабораториях ), Формула изобретения

1. Адаптивный анализатор плотности распрецеления амплитуд, соцержаший блок сравнения, регистр числа, усрецнитель, блок управления, сосгояший из счетчика выборок и генератора тактовых импульсов> выхоц которого соединен с тактовым входом целителя частоты, выхоц когорого соецинен с управляюшими вхоцами аналого-цифрового преобразователя, счетчика выборок и сумматора, информационный вход которого подключен к выхоцу запоминаюшего устройства и является соответствуюшим вы ходом анализатора, а ацресный вход запоминаюшего устройст-. ва соецинен с выходом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входом анализатора, отл ича юш ий с ятем, что, с целью повышения бысгроцействия, он соцержит первый и второй блоки опрецеления размаха, целитель коцов и ключ, при этом информационные вхоцы усрецнителя и первого блока опрецеления размаха поцключены к выхоцу аналого-цифрового преобразователя, выхоц усрецнителя соединен с информационным вхоцом второго блока опрецеления размаха, выход которого, а также выход второго блока определения размаха поцключены к соответствуюшим вхоцам целителя коцов, при этом выход первого блока опрецеления размаха является соответствуюшим выхоцом анализатора, выход целителя коцов соецинен с первым вхоцом блока сравне» ния, второй вход которого подключен к выхоцу регистра числа, а выхоц соецинен с информационным входом ключа, а

10011 выход которого соединен с управляющим входом целителя частоты, выход. которого соединен с управляющим вхоцом первого ° и первым управляющим входом второго блоков опрецеления размаха, управляющим i входом усрецнителя и первым управляющим входом запоминаюшего устройства, первый выход счетчика выборок поцключен к управляющему входу ключа и к второму управляющему вхоцу запоминающего устройства, а второй выхоц счетчика выборок соецинен с вторым управляюшим входом второго блока опрецеления размаха.

2. Анализатор по и. 1, о т л и ч а-ю ш и и с я тем, что блок определения размаха содержит вычитатель и цва канала опрецеления эксремума, кажцый из которых состоит из регистра, схемы сравнения к элемента И, выход которого соецинен с первым управляющим входом. 20 регистра своего канала, выход регистра в кажцом канале соединен с первым вхоцом

10 10 схемы сравнения и соответствующим вхоцом вычитателя, выход которого является

BbIxoGoM блока, выход схемы сравнения соединен с информационным вхоцом элемента И своего канала, управляющие вхоцы элементов И первого и второго каналов обьецинены и являются первым управляющим входом блока, второй вхоц схемы сравнения и информационный вход регистра в обоих каналах обьецинены и являются информационным вхоцом блока, вторые управляющие входы регистров обоих каналов обьецинены и являются вторым управляющим входом блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свицетельство СССР

¹ 381079, кл. С 06 С, 7/52, 1968.

2. Авторское. свидетельство 8ССР

¹ 903908, кл. Gi 06 G 7/52, 1980 (протот ип ) . х(у1

ВНИИПИ Заказ 1 397/56 Тираж 704 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4