Анализатор спектра с линейным предсказанием

 

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анали за спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Дпя этого в устройство, содержгицее

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 С 01 R 23 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

° " иг.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

RO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3849533/24-21 (22) 29.01.(5 (46) 07.12.86. Бюл. К - 45 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина) (72) МЛ. Столбов, В.И. Якименко, Н .П. Львов и Ц.Б. Эпштейн (53) 621 317.757(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1027636, кл. С 01 R 23/16, 1982.

„„SU„„1275315 А1 (54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА С ЛИНЕЙНЫМ

ПРЕДСКАЗАНИЕМ (57) Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобрете-. ния — повышение точности измерения °

Для этоге в устройство, содержа@ее аналого-цифровой преобразователь Г, элементы ИЛИ 2 и 3, блок 4 памяти, измеритель 8 дисперсии, квадратор

9, блок 10 рекурсий, блок 11 формирования микрокоманд, Фурье-преобразователь 12, введены блок 5 памяти, вычислитель 7 частотных корреляций, Цель достигается также эа счет того что в структуру анализатора введен решетчатый адаптивный фильтр для последовательного вычисления коэф-!

1275315 фициентов частнои корреляции (КЧК)

Использована. новая процедура вычислений, которая позволяет за одну итерацию выполнить фильтрацию ошибок предсказания и вычислить КЧК, вычис— лить коэффициенты линейного предсказания, по которым формируется спектр сигнала. В материалах изобретения приведен вариант исполнения блока 10 рекурсий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов, например, при обнаружении гармоник в шуме.

Цель изобретения — повышение точности измерения спектра за счет то- IO

ro, что в структуру анализатора вводится решетчатый адаптивный фицътр для последовательного вычисления коэффициентов частной корреляции (КЧК) и используется новая процедура вычис- 15 лений, которая позволяет за одну итерацию выполнить фильтрацию ошибок предсказания и вычислить КЧК, вычислить коэффициенты линейного предсказания (КЛП). по которым формируется 20 спектр сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг ° 2 — то же, блока рекурсий.

Анализатор спектра с линейным пред- 25 сказанием содерж| т входной аналогоцифровой преобразователь 1 выход которого через элементы ИЛИ 2 и 3 соединен с входами блоком 4 и 5 памяти, выходы. которых соединены с первым и 30 вторым входами решетчатого фильтра 6 предсказания, а третий вход — с выходом вычислителя 7 частных корреляций. Выходы измерителя 8 дисперсии и квадратора 9 подключены к соответствующим входам блока 10 рекурсий, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока

11 формирования микрокоманд, а выход соединен с информационным входом

Фурье-преобразователя 12.

Блок 10 рекурсий содержит регистр

13 коэффициента, N идентичных ячеек

14.1-14.N преобразования, (0+1) ячейку 15 преобразования. Ячейки 14.1-14.N содержат последовательно соединенные регистр 16 сдвига, умножитель 17 и накапливающий сумматор 18. Ячейка 15 преобразования содержит последовательно соединенные умножитель 19, элемент ИЛИ 20 и накапливающий сум- . матор 21, причем выходы регистра 13 коэффициента и накапливающих сумматоров 18 соединены с соответствуюшими входами элемента ИЛИ 22, (N+1)-й вход которого соединен с выходом элемента

И 23, выход элемента И 24 — с выходом блока 10 рекурский, а выход элемента И 25 — с входом первой ячейки

14..1 преобразования.

Анализатор произ. водит измерение спектра эа три этапа: запись в блоки памяти реализации процесса, вычисление коэффициентов линейного предсказания (КЛП); вычисление спектра.

Анализатор спектра работает следующим образом

В исходном состоянии в блоке 1 1 формирования микрокоманд установлены начальные условия. Предварительно также в блоке 10 рекурсий в регистр 13 постоянно записан коэффициент о =1. оо

На первом этапе измерений на вход анализатора подается исследуемый сигнал, а в блоке 11 формирования микрокоманд вырабатывается тактовый сигнал, который поступает на управляющий вход аналого-цифрового пре1275315 и 4

10 00 + 10

S„,,= ff,(<) 8,(t )J ff,(Е)-,(С)) 1=$4<@) P„

s„={ti,(Ã) s(е)) (Ц )- (й) )- 2Цц В

2 и 3 на информационные входы 5 соответствующих блоков 4 и 5 памяти.

Одновременно с выхода блока 1t посту- 5 пают импульсы-микрокоманды разрешения записи на входы 0 2 блоков 5 и 4 памяти.

При этом отсчеты сигнала с выхода аналогб-цифрового преобразователя 1 подаются также в измеритель 8 дисперсии, в котором определяется дисперсия сигнала. С 12-го выхода блока 11 формирования микрокоманд подается сигнал на управляющий вход измерителя 8 дисперсии, осуществляя ее считывание с его выхода на 1-Й вход блока 10 рекурсий.

Этап вычисления КЛП осуществляется итеративно, причем каждая ш-я ите- 20 рация содержит три шага вычисленийфильтрацию ошибок линейного предсказания (в фильтре 6), вычисление

КЧК (в вычислителе 7), вычисление

КЛП (в блоке 10 рекурсий).

На первой итерации (m - =1, n - =2) последовательность выборок Х),1) записанная в блоки 4 и 5 памяти, считается соответственно последовательностью ошибок линейного предсказа- ЗО ния "Вперед" f, Й) = х (1) и последовательностью ошибок линейного предсказания "Назад" В,(1) = z(1).

По тактовым импульсам с 3-ro выхода блока 11 формирования микрокоманд д5 с блоков 4 и 5 памяти считываются последовательности кодов f, (1) и

В (1) соответственно на первый и втоо рой входы решетчатого фильтра 6 предсказания, на выходах которого форми- t0 руются значения f„(1) = Х, (1), В (1)=

= В (1-1). Эти последовательности о вновь записываются по тактовым импульсам С2 и адресам (выходы блока

11) в те же ячейки блоков 4 и 5 па- 45

-мяти и одновременно подаются на первый и второй входы вычислителя 7 частных корреляций, в котором эти последовательности суммируются, возводятся в квадрат и снова попарно 50 суммируются, образуя новые последовательности

По команде СЗ с выхода блока 11 на выходе вычислителя формируется значение коэффициента частной корреляции q соответствующего итерации

m = 1: q, = - - . Коэффициент

S е по тактовому импульсу С4 (14-й выход блока 11 формирования микрокоманд) считывается в регистр решетчатого фильтра 6 предсказания (вход ВЗ) и одновременно подается на 2-й вход блока 10 рекурсий и через квадратор

9 на его 3-й вход, т.е. в умножители

17 ячеек 14.1, 14.2, ..., 14.N поступает коэффициент q а в умножитель

19 ячейки 15 поступает коэффициент который перемножается с коэффицйентом P, считанным из накапливающего сумматора 2 1.

Одновременно с операциями считывания кодов х, формирования сумм

S,,è 8, и коэффициента q,,выполняI емыми соответственно в блоках 4 и 5 памяти, решетчатом фильтре 6 предсказания и вычислителе 7 частных корреляций, в блок 10 рекурсий подаются тактовые импульсы С5 (с 7-ro выхода блока 11) для записи кодов, считанных с регистра 13 коэффициента и накапливающих сумматоров 18 в соответствии с адресами Л, формируемыми блоком 11.

Одновременно импульс С р с 6-го выхода блока 11 формирования микрокоманд поступает на управляющий вход умножителей 17 и умножителя 19. Обозначим коэффициенты, записанные в регистРы 16 индексами 4 „, т.е при первой итерации в регистрах 16 ячеек 14. 1 и 14, 2 образуется инвертированный вектор КЛП нулевого порядка (d,, d,, Значения КЛП d перемножаются в умножителях 17 с коэффициентом q, а полученные произведения поступают в накапливающие сумматоры 18, в которых суммируются с предыдущими коэффициентами, формируя оценку вектора КЛП первого порядка в соответствии с выражением

5 1275315 б жение кода числа Ч с кодом числа

Р (считанным из накапливающего сумматора 21), а их произведение через элемент ИЛИ 20 подается в накапливающий сумматор 21 с отрица.тель" ным знаком, формируя оценку

Ч =Р(1Ч ) 20

45

Этими операциями завершается первая итерация (ш=1) процедуры вычисления КЛП.

Последующие итерации (ш=2, 3,„

N) осуществляются аналогично, отличаясь тем, что в регистры 16 сдвига записываются соответственно 3, 4.,„ (И+1) значений вектора КЛП (на единицу больше числа m), что иллюстрируется в таблице преобразований, Этап вычисления спектра начинается в момент окончания N-й итерации преобразований: с выхода блока 11 поступает потенциал, открывающий элементы И 23 и 24, и потенциал, закрывающий элемент И 25 в блоке tO рекурсий ° При этом прекращается форми. рование кодов адресов и тактовых импульсов на выходах блока 11 формирования микрокоманд, кроме выхода,по которому тактовые импульсы начинают поступать на управляющий вход Фурьепреобразователя 12.

В соответствии с адресами А«

= 0,1,2,..., (N+1), формируемыми в блоке 11, на информационный вход

Фурье-преобразователя 12 считываются коэффициенты с и (a j соответственно из регистра 13 и накапливающих сумматоров 18, а также коэффициент P„ иэ накапливающего сумматора

21 — через элемент И 23, элемент

ИЛИ 22 и элемент И 24.

Фурье-преобразователь 12, который работает, например, по известной подпрограммеябыстрого преобразования Фурье (БПФ) или по аппаратно-ориентированному принципу (аналогично серийному Фурье-преобразователю "Х6-8") осуществляет вычисление ряда коэффициентов Фурье аналогично известному анализатору. Таким образом, на выходе Фурье-преобразователя 12 поступает оценка спектра исследуемого случайного процесса, полученная на интервале анализа, как и в известном анализаторе, но с точ ностью более высокой до 2 раз, что является существенным для многих экспериментов. Увеличение точности оценки спектра определяется более полным использованием информации, содержащейся в реализации сигнала, благодаря процедуре, называемой ли-. нейным предсказанием "Вперед" и

"Назад".

Основные достоинства предлагаемо"

ro анализатора состоят в большой точности измеряемой оценки спектра, устойчивости оценки при любых порядках М < Е, большей разрешающей способностью, однородности структуры (что особенно перспективно при построении анализатора на основе матричных БИС).

Анализатор может быть реализован на серийных блоках-приборах (АЦП

БПФ, блоки памяти), а также на известных микросхемах серий 155, 176 и др °

Формула из о брет ения

1. Анализатор спектра с линейным предсказанием, содержащий входной аналого цифровой преобразователь, блок формирования микрокоманд, измеритель дисперсии, квадратор, блок рекурсий, Фурье-преобразователь, блок памяти, первый и второй элементы ИЛИ, причем вход измерителя дисперсии соединен с выходом аналого-цифрового преобра.зования, а выход — с первым входом блока рекурсий, выход которого соединен с входом Фурье-преобразователя, первый выход блока формирования микрокоманд подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя и измерителя дисперсии, второй, третий и четвертый выходы — соответственно к входам записи, считывания и адресации блока памяти, а пйтый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, и двенадцатый выходы блока формирования микрокоманд подключены к соответствующим управляющим входам блока рекурсий, Фурье-преобразователя и измерителя дисперсии, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения спектра, в него введены последовательно соединенные второй блок памяти, решетчатый фильтр-предсказания и вычислитель частных корреляций, при этом второй вход решетчатого фильт8 второму и третьему управляющим входам блока рекурсий, четвертый управляющий вход которого является адресной шиной считывания, к которой подключены управляющие входы регистра коэффициента и накапливающих сумматоров соответствующих (N+1) ячеек преобразования, пятый управляющий вход блока рекурсий подключен к первым входам первого и второго элементов И, шестой управляющий вход— к первому входу третьего элемента И, выход которого соединен с вторым входом первой ячейки преобразования, а второй вход каждой и-й из первый

N ячеек преобразования соединен с выходом предыдущей ячейки преобразования, при этом выход регистра коэффициента и первые выходы N ячеек преобразования подключены к соответствующим входам выходного элемента

ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, второй вход первого элемента И соединен с выходом (N+1) -й ячейки преобразования, а выход подключен к соответствующему входу выходного элемента ИЛИ, при этом (N+1)-й ячейки преобразования содержит последовательно соединенные умножитель, элемент ИЛИ и накапливающий сумматор, включенные между первым входом и выходом (N+I)-ой ячейки преобразования, второй вход которой соединен с вторым входом элемента

ИЛИ и является первым входом блока рекурсий, второй вход умножителя подключен к выходу накапливающего, сумматора, а тактовый вход соединен с первым управляющим входом блока реКурсий, второй информационный вход которого подключен к первым входам первых N ячеек преобразования, третий информационный вход подключен к первому входу (N+1)-й ячейки преобразования, а выход второго элемента

И является выходом блока рекурсий.

7 1275 ра предсказания соединен с выходом первого блока памяти, третий вход объединен с входом квадратора, с вторым входом блока рекурсий и с выходом вычислителя частных корреляций, второй вход которого соединен с вторым выходом решетчатого фильтра предсказания, а выход квадратора соединен с третьим входом блока рекурсий, первый и второй входы вы- 1О числителя частных корреляций подключены также к первым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы которых объединены и подключены к выходу 5 аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с информационными входами соответственно первого и второго блоков памяти, причем управляющие входы записи считывания и адресации второго блока памяти объединены с соответствующими управляющими входами первого блока памяти, а управляющие входы вычислителя частных корреляций и решетчатого 25 фильтра предсказания соединены соответственно с вторым и тринадцатым, пятым и четырнадцатым входами блока формирования микрокоманд.

2. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что блок рекурсий содержит регистр коэффициента, выходной элемент ИЛИ, первый, второй и третий элементы И и (И+1) ячеек преобразования, причем первые N ячеек преобразования содержат регистр сдвига и последовательно соединенные умножитель и накапливающий сумматор, включенные между первым входом и первым выходом ячейки преобра- 4О зования, между вторыми входом и HbI ходом которой включен регистр сдвига, второй вход умножителя соединен с выходом регистра сдвига, а тактовый вход умножителя, вход обнуления ,и тактовый вход регистра сдвига подключены соответственно к первому, 1275315

Cbp юг

C нп

Составитель A. Орлов

Техред А.Кравчук

Корректор М. Шароши

Редактор И. Шулла

Заказ 6555/35 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб.,д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4