Адаптивный анализатор спектра

 

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной, информации о классе исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности измерения спектра. Анализатор содержит блок 1 арифметических устройств , вычислитель 2 частных-корре- .ляций, блок 3 вычисления ошибки предсказания , блок 4 останова рекурсии, Фурье-преобразователь 8 и блок 9 формирования микрокоманд. Введение блока 5 поиска минимума, элемента К-НЕ 6, блока 7 памяти и образование новых функциональных связей позволяет использовать в анализаторе новую адаптивную процедуру вычислений, позволяющую в процессе обработки учитывать неизвестные свойс ва анализируекюго процесса. 9 ил. CS «9 кэ ф 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СоиИАЛИСТИЧЕСНИХ

-РЕСПУБЛИН (504 G 01 R 2

13!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3902624/24-21 (22) 03.06.85 (46) 23.02.87. Вюл. Р 7 (71) Ленинградский электротехнический институт им. Ульянова (Ленина) (72) М.b.Ñòoëáoâ, В.И.Якименко, И.Г.Паньшин и Ц.b.Ýïøòåéí (53) 621.317.757(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1027636, кл. G 01 R 23/1Ь, 1982. (54) АДАПТИВНЫЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА (57) Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной. информации о клас-

„„SU„„ А1 се исследуемых случайных процессов.

Цель изобретения — повышение точности измерения спектра. Анализатор содержит блок 1 арифметических уст— ройств, вычислитель 2 частных.корре,ляций, блок 3 вычисления ошибки предсказания, блок 4 останова рекурсии, Фурье-преобразователь 8 и блок 9 формирования микрокоманд. Введение блока

5 поиска минимума, элемента H-НЕ 6, блока 7 памяти и образование новых функциональных связей позволяет использовать в анализаторе новую адаптивную процедуру вычислений, позволяющую в процессе обработки учитывать неизвестные свойства анализируемого процесса 9 ил.

1291893

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использован для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе ис- 5 следуемых случайных процессов при обнаружении гармоник в шуме, например в радиофизике, океанологии, технике связи.

Цель изобретения — повышение точности измерений спектра в условиях априорной неопределенности свойств сигнала.

Цель достигается за счет исполь- 15 зования в анализаторе новой адаптивной процедуры вычислений, позволяющей в процессе обработки учитывать неизвестные свойства анализируемого процесса при помощи блока поиска 2р минимума критерия ошибки линейного предсказания и блока памяти, хранящего оценки параметров спектральных оценок различных порядков.

На фиг. 1 представлена структурная 25 схема анализатора, на фиг. 2 — блок арифметических устройств; на фиг.3 блок умножения; на фиг. 4 — вычислитель частных корреляций; на фиг.5 блок вычисления ошибки предсказа- 3р ния; на фиг. 6 — блок останова рекурсий, на фиг. 7 — блок поиска минимума; на фиг. 8 — блок формирования микрокоманд; на фиг. 9 — схема алгоритма вычисления спектра.

Анализатор содержит блок 1: арифметических устройств (БАУ), вычислитель 2 частных корреляций (ВЧК), блок 3 вычисления ошибки предсказания (БВОП), блок 4 останова рекур- р сии (БОР), блок. 5 поиска минимума (БПМ), элемент И-НЕ 6, блок 7 памяти, Фурье-преобразователь 8, блок 9 формирования микрокоманд (БФК).

Управляющие входы всех блоков за исключением блока 7 памяти связаны с соответствующими выходами БФК 9.

Первый выход БАУ 1 соединен с первыми входами БВОП 3 и БОР 4. Второй выход БАУ 1 соединен с соответствующими (N+1) первыми входами

ВЧК 2, первый выход которого подключен к второму входу БАУ 1. Третий выход БАУ 1 подключен к (N+1) входам блока 7 памяти, первый вход которого соединен с вторым выходом БВОП 3, а выходы соединены с Фурье-преобразователем 8. Второй выход ВЧК 2 подключен к второму входу БВОП 3 и одновременно к входу БПИ 5, управляющие выходы которого соединены с двумя входами элемента И вЂ” НЕ и с двумя входами БФК 9. Кодовый выход БПМ 5 соединен с третьим входом БВОП 3 и с третьим входом БФК 9, а его первый управляющий выход соединен также с седьмым управляющим входом

БВОП 3. Первый и второй управляющие выходы ВЧК 2 соединены с первыми и вторыми управляющими входами БВОП 3 и БПМ 5. Четырнадцатый выход БФК 9 соединен с третьим входом элемента

И-НЕ, выход которого подключен к управляющему входу блока 7 памяти.

БАУ 1 содержит последовательно соединенный ряц N входных регистров

10 сдвига, (И+1) блоков 11 умножения, мультиплексоры t2 и 13, элемент 2-2И-2ИЛИ 14, элемент ИЛИ 15 и ряд (N+1) последовательно соединенных буферных регистров 16 сдвига.

Выходы регистров 10.п и 16.п сдвига подключены к первому и третьему входу соответствующего блока 11.п умножения, второй и первый выходы которого подключены соответственно к первой и третьей выходной информационной шине БАУ 1.

Блокй 11.п умножения содержат, например, элементы 2-2-2И-ЗИЛИ 17 и 18, элемент ИЛИ 19, элементы 20-27 задержки, умножитель 28, элементы

И 29-31, сумматор 32, усреднитель 33 и регистры 34 и 35. Выходы регистра

34, элемента И 30 и регистра 35 являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока 11 умножения. Выходы элементов 20, 22, 23, 26 и 27 задержки подключены к управляющим входам соответственно умножителя

28, сумматора 32, регистра 34, усреднителя 33 и регистра 35.

ВЧК 2 содержит многовходовой сумматор 36, делитель 37 кода, элемент

38 задержки, регистр 39, счетный триггер 40, элементы 2-2И-2ИЛИ 41 и 42, выходы которых подключены к первому и второму входам умножителя 43. К выходам триггера 40 подключены соответственно входы элементов 44 и 45 задержки, выходы которых подключены к управляющим входам регистров 46 и

47, входы которых соединены с выходом умножителя 43, а выходы являются первым и вторым информационными выходами ВЧК 2, первый и второй управляющие выходы которых подключены к вы1291893 ходам соответственно элементов 44 и

45 задержки.

БВОП..З содержит элемент 48 задержки, регистры 49 и 50, элементы И 51—

53, элементы ИЛИ 54 и 55, элементы

2-2-2И-ЗИЛИ 56 и элементы 2-2И-2ИЛИ

57, умножитель 58, элемент 59 задержки, регистр 60, элемент 2-2-2ИЛИ 61, элемент И 62, элементы ИЛИ 63-65, элементы 66 и 67 задержки, сумматор 68, элемент ИЛИ 69, регистры 70 и 71, элемент HE 72 и регистр 73.

Информационные входы Р и m соединены с соответствующими входами элемента 2-2-„2 1-ЗИЛИ 56, а информационный вход Ro соединен с входом элемента И 62. Информационные выходы блока

3 соединены с выходами регистров

70-73.

БОР 4 содержит элемент 2-2И-2ИЛИ

74, входы которого соединены с первым и вторым информационными входами блока 4, элемент 75 задержки, элемент

ИЛИ 76, выход которого через первые входы элементов И 77 и 78 соединен соответственно с управляющими входами регистра 79 и устройства 80 сравнения, выходы которого соединены с первым и вторым входами триггера 81.

Выход триггера 81 является выходом

БОР 4.

БПИ 5 содержит первый 82 и второй 83 регистры, элементы И 84 и 85, соединенные с управляющими входами блока 5, а выходами подключенные к соответствующим входам элементов

2-2И-2ИЛИ 86 и 87 и. элемента ИЛИ 88.

К третьему управляющему входу блока

5 подключены соединенные.последова.тельно элемент ИЛИ 89, элемент И-НЕ

90, триггер 91 и элемент И 92. К чет-„ вертому управляющему входу подключены последовательно соединенные элемент 93 зацержки, элемент ИЛИ 94 и счетчик 95, выход которого явля- 4> ется информационным выходом блока 5.

Кроме того, блок 5 содержит элемент

96 задержки, устройство 97 сравнения, элемент И 98, элемент И-HE 99 и триггер 100, причем выходы триггеров 50 91 и 100 являются соответственно первым и вторым управляющими выходами БПМ 5.

БФК 9 содержит последовательно 55 соединенные генератор 101 импульсов, переключатель 102 запуска, элемент

И 103 и счетчик 104, при этом элемент ИЛИ 105 подключен к первому и второму управляющим входам блока 9, Кроме того, блок 9 содержит элементы

HJIH 106-108, регистры 109 и 110, выходы которых подключены к первому и второму входам элемента 3-2И-2ИЛИ ill, постоянное запоминающее устройство 112, первый — десятый выходы которого являются вторым — одиннадцатым выходами блока 9, одиннадцатый и двенадцатый выходы через элементы И 113 и 114 подключены к двенадцатому и тринадцатому входам блока 9 соответственно, элемент И

115, элементы 116 и 117 задержки, триггер 118, элемент И-НЕ 119, счетчик 120, регистр 121, элемент 122 задержки, элементы ИЛИ 123 и 124, счетные триггеры 125 и 126, элемент

127 задержки, устройство 128 сравнечия и элементы И 129 и 130, входы которых подключены к выходам счетчика 120 и счетного триггера 125, а выходы являются адресными выходами

А и А„„блока 9, а элемент И 131 включен между выходом устройства

128 сравнения и входом элемента ИЛИ

108, причем третий вход блока 9 подключен к кодовому входу регистра 121.

Адаптивный анализатор осуществляет вычисление оценки спектра максимальной энтропии последовательным выполнением трех процедур: вычисление текущей оценки ординат корреляционной функции (КФ) kä по выборкам

Х входного сигнала; вычисление коэффициентов линейного предсказания (КЛП) 1а „);вычисление оценки спектра, используя оценку 1 а „)вектора

КЛП и ошибку линейного предсказания р

В начальном состоянии в БАУ 1 записывается коэффициент а„ = 1, в БВОП 3 записывается число К =

= -d/L, где d 6 2 — метрологический параметр анализатора; L — количество выборок анализируемого сигнала

Х {1 = 1, L). В БПМ 5 записано число

M N/2 — аппаратурный параметр, оп. ределяющий максимальное количество итераций m + M и число Р = 1, зада ющее условие устойчивости процецуры.

В БФК 9 записаны коды адресов, задающие переход на выполнение микрокоманд С или С в алгоритме обработки сигнала (фиг. 9). В БФК 3 записаны микрокоманды С вЂ” С,> для выполнения операций в блоках вычисления, а микрокоманда С задает подпрограмму

12918 л

К = « "- Х Х -и °

6=0

5 выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в Фурье-преобразователе 8 и определения на его основе оценки спектра максимальной энтропии.

При вычислении КФ на вход блока 9 формирования микрокоманд подается (с пульта оператора) единичный импульс, устанавливая исходное значение кода А ° = О. Микрокоманда С яв-! о ляется микрокомандой обнуления эле- 10 ментов в блоках, т.е. подготавливающей все операционные блоки к началу обработки, а в БПМ 5 устанавливается код m-номер начинающейся итерации.

МикрокомандаЧ:< устанавливается по 15 второму тактовому импульсу. По коду

А; = 2 в БАУ 1 выполняются операции

"Сдвиг" и "Запись" (С,,фиг. 2). Микрокоманда С задает операции "Умножение", "Усреднение" и "Запись" в 20

БАУ 1, что приводит к "обновлению" текущих оценок ординат КФ при поступлении очередного кода входного сигнала. В результате в БАУ 1 формируется текущее- обновление" значение оценки ординаты КФ.

93 6 ке 3 осуществляется операция перемножения: (-oL„„) ° H = ш.oL, d/L, а в блоке 2 формируется коэффициент

ЧюМикрокоманца Св, аналогично С подается в БВОП 3 и в БОР 4. По этой микрокоманде в блоке 3 формируется сумма:

I =К„, +<, Н =а„,(1+Н ).

Этот код хранится в нем до следующей итерации. Код о „ хранится в блоке 3 до поступления на его управляющий вход микрокоманды S, = . Одновременно с этим по микрокоманде

С8 в блоке 3 формируется произведение:

В БОР 4 производится сравнение кодов Х и Т „, . При выполнении условия I Х,с соответствующего выхода блока 4 поступает сигнал S о

1. Если I а I, — условие продолжения рекурсии, то на выходе блока остается сигнал S = О. В БВОП 3 осуществляется вычисление следующего коэффициента, характеризующего ошибку линейного предсказания:

По микрокоманде С записывается значение текущего порядка m. По микрокоманде С4 выполняется перезапись ш ординат корреляцйонной функции.

Обозначают эти коды индексом b m q где m — - номер итерации, n — - номер кода.

Микрокоманда С подается в БАУ 1, разрешая считывание полученного на предыдущей (а-1) итерации кода а и кода Ьшп, после чего они перемножаются.

По микрокоманде С осуществляются преобразования в ВЧК 2 и БВОП 3. В

ВЧК 2 формируется сумма произведений, поступающих из БАУ 1:

К (3,„= M а „, Ь„„,„ осуществляется деление кода (- о „), поступающего из БВОП 3, т.е. формируется код (-1/о(„,,).

В БВОП при этом формируется коэффициент

Н „= -md/L, Иикрокоманда Су также подается одновременно в блоки 2 и 3. При этом на выходе ВЧК-2 формируется произведение и„„ = -P /ñ,„,, в блоМикрокоманда С осуществляет преобразование в БПМ 5 за два такта.

При первом такте производится счи35 тывание кодов Р „ и Рм 1 и их cpas нение. При выполнении условия P à1 или I о I „,, (S 1) на выходе блока 5 устанавливается код (ш+1).

При втором такте микрокоманды С

4р в блоке 5 новое значение кода сравнивается с максимально допустимым порядком Я оценки спектра. При (ш+

+1) М выполняется условие продолжения рекурсии и сигнал на выходе бло45 ка 5 остается равным Я = 1, а при выполнении условия (ш+1) ) М устанавливается сигнал S = Π— "Останов

2 рекурсии".

Микрокоманды С, и С„ выполняются

5О при обеспечении условия S = 1 на входе БФМ 9: если S = 1, то это соответствует выполнению условия устойчивости алгоритма (Р = 1 р „ „), а при S - 0 происходит запрещение

55 выполнения команд С,о и С« При этом прекращается цикл обновления KJIII модели процесса.

Если S = 1, то выполняется микрокоманда С,, которая аналогична микро1291893

7 команде С, в БАУ 1 осуществляется запись и сдвиг КЛП ан, „ ).

По микрокоманде С„ выполняется

"обновление" КЛП, сформированных в

БАУ 1 на предыдущей итерации. В результате преобразований в БАУ 1 формируется (m+1) значений "обновленно.го" вектора КЛП.

MHKpoKoMGHpG С Является микроко мандой проверки условий продолжения рекурсии или записи КЛП в блок 7 памяти. Если выполняется условие S 1 или S< = 1 (где S < = 1 условие устойчивости модели, S = 1 — условие увеличения порядка модели по критерию I ) то при поступлении микрокоманды С„ на выходе БФК 9 устанавливается микрокоманда С6, по которой в вычислителе 2 и в блоке 3 выполняются20 операции следующей итерации.

При невыполнении одного из условий

S< = 1 или S = 1 микрокоманда С, поступает на управляющий вход блока 7 памяти, осуществляя считывание в него25 коэффициентов (а, „) и Ы.,„.

Микрокоманда С определяет последовательность операций в Фурье-преобразователе 8. ДПФ начинается при выполнении одного из условий: S< = 0 30 или S2 = О °

Микрокоманда С подается на управ9 ляющий вход Фурье-преобразователя 8, разрешая считывание на информационные входы (И+1) значение вектора КЛП (а „ ) и коэффициента К из блока 7 памяти. Во время первой операции вычисляется оценка инверсного амплитудного спектра в соответствии с выражением: 40

А(ц„) = K а,„„ехр (-ju пью.),m М и--0

Во время второй операции вычисляется квадрат модуля этой оценки, а 45 на третьей операции осуществляется вычисление оценки спектра максимальной энтропии с использованием ошибки линейного предсказания н,, соответствующей оптимальному значению критериальной функции мнн

S(v„) = Ы / (А(и„)

Полученная оценка является оценкой текущего спектра: по "обновляющимся" значениям коРРеляционной функ- 55 ции, по которым формируются "обновляющиеся" значения вектора КЛП.

3а счет этого точность оценки спектра существенно увеличивается (более, чем в 2-5 раз) благодаря введению метрологического параметра d, обеспечивающего соответствие полученного порядка m вектора КЛП, записанного в блок памяти и минимуму функции погрешности оценки спектра Д (аппроксимируемой критери5 альной функцией I ). !

Микрокоманда С, выполняется после

С и предназначена для считывания кода Ас из БФК 9, после чего повторяется процедура обработки новых выборок сигнала, поступающих на вход

I анализатора. Это приводит к новым циклам "Обновления" ординат КФ и значений КЛП, в результате чего форми. Руются статистически более устойчивые текущие оценки КФ и спектра.

Таким образом, новая процедура, обеспечивая вычисление текущих оценок спектра, является существенным достоинством предлагаемого адаптивного анализатора, так как позволяет исследовать не только стационарные, но и нестационарные сигналы.

В отличие от процедуры ОСТАНОВ в известном анализаторе, позволяющий определить лишь максимально-допустимый порядок оценки спектра, в предлагаемой структуре адаптивного анализатора реализуется процедура согласования порядка КЛП (и оценки спектра) с характером анализируемого процесса и с объемом выборки, что обеспечивает увеличение статистической устойчивости ее и достоверности (точности).

Таким образом, введение новой процедуры оценки спектра с запоминанием КЛП, соответствующих минимуму критериальной функции, обеспечивает формирование на выходе Фурье-преобразователя спектра оптимального порядка, что обуславливает увеличение точности при одинаковых объемах выборки и реализацию метода макси,мальной энтропии с более высокой разрешающей способностью. Кроме того, автоматически обеспечивается поиск минимума критериальной функции, что обеспечивает оптимальный порядок коэффициентов линейного предсказания для оценки спектра, и автоматически реализуется правило

ОСТАНОВ при достижении предельно допустимых параметров вычислений, в том числе устойчивость процедуры.

При этом одновременно вычисляется

9 12918 вторая статистическая характеристика сигнала — текущая оценка КФ, как результат предварительных преобразований, что позволяет в отличие от известного устройства анализировать не только стационарные, но и нестационарные сигналы.

Формула и з обретения

Адаптивный анализатор спектра, содержащий Фурье-преобразователь, вычислитель частных корреляций, блок вычисления ошибки .предсказания, блок останова рекурсии, блок арифметических устройств и блок формирования микрокоманд, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами упомянутых блоков, при этом первый выход блока арифметических устройств соединен с первыми входами блока вычисления ошибки предсказания и блока останова рекурсии, вторые выходы блока арифметических усгройств соединены с соответствующими (N+1) первыми входами вычислителя частных корреляций, первый выход которого подключен к второму входу бло ка арифметических устройств, а второй выход соединен с вторым входом блока вычисления ошибки предсказания, выход которого подключен к второму входу вычислителя частных корреляций, а выход Фурье-преобразователя является выходом анализатора спектра, отличающийся тем, что, 35 с целью повышения точности измерений спектра, в него введены блок поиска минимума, блок памяти и элемент И-НЕ, при этом первый и вторбй управляющие ,выходы вычислителя частных корреля93. 1О ций подключены соответственно к первым и вторым управляющим входам блока останова рекурсии, блока поиска минимума и блока вычисления ошибки предсказания, выходы третьей информационной шины блока арифметических устройств подкпючены к соответствующим (N+1) входам блока памяти,(N+2)-й вход которого подключен к второму выходу блока вычисления ошибки пред" сказания, а третий его выход соединен с вторым информационным входом блока останова рекурсии, выход которого соединен с третьим управляющим входам блока поиска минимума, четвертый и пятый управляющие входы блока поиска минимума подключены соответственно к второму и одиннадцатому выходам блока формирования микрокоманд, первый и второй управляющие входы которого подключены к первому и второму входам элемента И-НЕ и к соответствующим выходам блока поиска минимума, кодовый выкод которого соединен с третьим входом блока формирования микрокоманд и с третьим входом блока вычисления ошибки предсказания, седьмой управляющий вход которого соединен с первым управляющим выходом блока поиска минимума, информационный вход блока поиска минимума подключен к второму выходу вычислителя частных корреляций, четырнадцатый выход блока формирования микрокоманд соединен с третьим входом элемента

И-НЕ, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, а выходы блока памяти соединены с информационными входами Фурье-преобразователя.

1291893

1291893

fz

xz. h.

С, с, (aÄg} св

1 291893

1291893

) 291893

1291893

Составитель А.Орлов

Техред Л.Сердюкова Корректор Т.Колб

Редактор И.Дербак

Заказ 227/43 Тираж. 731

БНИИПИ Государственного комитета СССР гэ делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðîä, ул„Проектная, 4