Устройство для определения вероятностных характеристик фазы случайного процесса

 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, может быть использовано при создании приборов для измерения вероятностных характеристик фаз квазигармонических сигналов .и является дополнительным к авт.св. СССР № 1112377. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени. Устрс йство содержит формирователь импульсов, умножитель частоты, элемент задержки , четыре переключателя, два делителя частоты, первый элемент И,, блок регулируемой задержки,- два преобразователя фаза - временной интервал, два временных селектора, первый счетчик, первый накапливающий сумматор , блок памяти, первьй триггер, формирователь меандровых функций, два реверсивных счетчика, второй счетчик, второй триггер второй и третий элементы И, два устройства равнозначности, два устройства неравнозначности , два квадратора, второй накапливающий сумматор, коммута тор и блок отображения информации. Наряду с измерением условного и безусловного математического ожидания,- среднеквадратических отклонений и их отношений, функции регрессии, нормированных корреляционных функций, функций и. плотности распределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения еще одной характеристики - спектральной плотности мощности -фазовых флюктуации и автоматизирует процесс измерения. 2 ил. I (Л ел N)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (11) (50 4 С 06 G 7/52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1112377 (21) 3978114/24-24 (22) 18. 11.85 (4 6) 30,03.87. Бюл. КР 12 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Октябрьской- социалистической революции (72) Г.Н. Потапова и В.С. Гончаренко (53) 68 1.3(088.8) (56) Авторское свидетельств6 СССР

11 1112377, кл. С 06 G 7/52, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗЫ СЛУЧАЙНОГО СИГНАЛА (57) Изобретение относится к специализированным средствам вычислитель— ной техники, может быть использовано при создании приборов для измерения вероятностных характеристик фаз квазигармонических сигналов .и является дополнительным к авт.св. СССР

У 1112377. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени. Устройство содержит формирователь импульсов, умножитель частоты, элемент задержки, четыре переключателя, два делителя частоты, первый элемент И, блок регулируемой задержки,. два преобразователя фаза — временной интервал, два временных селектора, первый счетчик, первый накапливающий сумматор, блок памяти, первый триггер, формирователь меандровых функций, два реверсивных счетчика, втОрой счетчик, второй триггер; второй и третий элементы И, два устройства равнозначности, два устройства неравнозначности, два квадратора, второй накапливающий сумматор, коммута тор и блок отображения информации.

Наряду с измерением условного и безусловного математического ожидания; среднеквадратических отклонений них отношений, функции регрессии, нормированных корреляционных функций, функций и.плотности распределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения еще одной характеристики — спектральной плотности мощности .фазовых флюктуаций и автоматизирует процесс измерения.

2 ил. t300510 ао

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, может быть использовано при создании приборов для измерения вероятностных характеристик фаз квазигар- 5 монических сигналов и является дополнительным к авт.св. Ф 1112377.Целью изобретения является расши, рение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измере- 1О ния спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени.

На фиг. 1 и 2 приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит формирователь

1 импульсов, умножитель 2. частоты, элемент 3 задержки, первый переключатель 4, первый делитель 5:частоты, первый элемент И 6, второй делитель 7 частоты, блок 8 регулируемой задержки, второй переключатель 9,„ два преобразователя 10 и 11 фаза— врЕменной интервал, .два временных селектора 12 и 13, первый счетчик

f4 первый накапливающий сумматор

15, третий переключатель 16 блок .

17 памяти, четвертый переключатель

18, первый триггер 19, формирователь 20 меандровых сигналов, два реверсивных счетчика 21 и 22, второй счетчик 23, блок 24 отображения информации, второй триггер 25, второй элемент И 26, коммутатор 27, третий элемент И 28, два элемента 29 и 30 равнозначности, два элемента 31 и

32 неравнозначности, два квадратора

33 и 34, второй накапливающий сумматор 35.

Ус ройство работает следующим образом.

При измерении безусловного среднего значения переключатели ставятся в положение "1" (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвиж- 4 ными контактами 3,1,3 и 1). Сигнал с исследуемой случайной фазой поступает на первый, преобразователь 10 фаза — временной интервал. Сигнал опорной частоты поступает на форми- 50 рователь 1 импульсов, который формирует короткие импульсы в момент, например, положительных переходов опорного сигнала через нулевое значение. Выходной сигнал первого пре- 55 образователя 10 открывает первый временной селектор 12 на время „;

Интервал времени „. заполняется квантующими импульсами, поступают = ми от умножителя 2-частоты. Коли-. чество импульсов в пачках и форН1 мируеых на выходе первого временного селектора 12 в выбранном масштабе, определяет значение фазы в момент 6 т,е °

q„(t;):= Kn „

360 7» где К = — — — — — масштабный коэффиf циент;

F — частота опорного сигнала; — частота следования импульсбв с выхода умножителя 2 частоты.

Импульсы с выхода первого временного селектора 12 импульсов поступают на вход первого счетчика 14 .на вход начальной установки которого поступает код с выхода блока 17 памяти (в этом режиме работы — нуль).

Таким образом, первый счетчик 14 подсчитывает количество импульсов

К ° и„, в течение каждого периода опор

1 ного сигнала (одного такта измерения). В конце каждого такого пеI риода осуществляется перезапись кода числа К ° и„ из первого счетчика

14 в первый накапливающий сумматор

15 по команде, поступающей с первого элемента И 6,. В результате отношение числа В импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения T»„, к числу выборок N является оценкой математического ожидания случайной фазы сигнала

Общее число выборок N задается вторым делителем 7 частоты. С появлением на выходе второго делителя 7 частоты сигнала переполнения на входе первого элемента И 6 появляется запрещающий потенциал. На этом цикл измерения заканчивается и значение оценки математического ожидания поступает в блок 17 памяти.

Величины среднеквадратических отклонений измеряются в положении "2" переключателей (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 4,2,4,3). При этом импульсы, 3 13005 образующиеся на выходе первого временного селектора 12, поступают в первый счетчик 14, в который перед каждым измерением в дополнительном коде вводится значение оценки мате5 матического ожидания по команде управляющего сигнала считывание в блоке 17 памяти. При этом код разности, формируемый в первом счетчике 14 и пропорциональный значению 10 приращения фазы Ьср„ (Т;) = (p„(t;)—

m (Ср„), поступает в первый накапливающий сумматор 15 ° Суммирова— ние выполняется без учета знака разности (контакт 4 третьего переключателя 16 разомкнут) . По истечении

N выборок в сумматоре накапливается число А = 2(N,G*(q„) (коэффицииент Pr определяется законом распределения вероятностей). 20

Если теперь на вход первого преобразователя 10 фаза — временной интервал подать напряжение реализапии второго случайного процесса и цикл измерения повторить, предварительно 25 выставив коэффициент пересчета второго делителя 7 частоты, равным И = — 10 N 1.

При измерении условного математического ожидания переключатели ставят— ся в положение "4" (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкну-35 ты соответственно с неподвижными контактами 6,3,5 и 5), .а на преобразователи 10 и 11 фаза — временной интервал подключают сигналы с исследуемыми стационарно связанными случайны- 40 ми фазами. Сигнал опорной частоты поступает на формирователь 1 импульсов.Выходные сигналы преобразователей 10 и 11 открывают временные селекторы 12 и 13 на время c„; и >., 45 которые заполняются квантующими импульсами, поступающими с умножителя

2 частоты. Количество импульсов в пачках и„. и и „ в выбранном

1 1 масштабе определяет значения фазы в 5р момент времени „(; )=К ° n„; и

Cp (t; ) =K и„ соответственно.

Импульсы с выхода первого временного селектора 12 поступают на вход первого счетчика 14,. на вход началь- 55 ной установки которого поступает с блока 17 памяти перед каждым тактом измерения код нуля (т.е. после запи!

О 4 си кода, равного К п „, в первый

1 накапливающий сумматор 15 первый счетчик 14 сбрасывается в "0") . Импульсы с выхода второго временного селектора 13 поступают на нулевой вход триггера 19 непосредственно, а на единичный вход триггера . 19 — через первый делитель 5 частоты. Коэффициент деления К первого дели3 теля 5 частоты выбирается в соответствии с выбранным уровнем анализа, относительно которогО определяется условное математическое ожидание.

Если количество импульсов в пачке на выходе второго временного селектора 13 равно коэффициенту деления первого делителя 5 частоты (n

3 e

= K ), то на выходе первого делителя частоты появляется импульс, поступающий на вход триггера 19, на выходе которого формируется разрешающий потенциал. С приходом импульса с выхода формирователя 1 импульсов на выходе первого элемента И 6 появляется импульс, разрешающий поступление кода первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15.

Импульс с выхода элемента 3 задержки устанавливает в исходное (нулевое) положение первый делитель 5 частоты и первый счетчик 14 сигналом с выхода блока 17 памяти. В ис ходное состояние триггер -19 возвращается первым импульсом умножения частоты, проходящим через второй временной селектор 13 в следующем такте работы.

Если n„, (К, то на выходе пер1 вого делителя 5 частоты импульс не появляется и перезаписи кода с пер-, вого счетчика 14 в первый накапливаюший сумматор 15 не происходит. Первый счетчик 14 и первый делитель 5 частоты в конце цикла измерения устанавливаются в исходное (нулевое) положение. Если n = К + 1, то на выходе первого делителя 5 частоты появляется импульс., который приводит к тому, что на выходе тригГера 19 появляется разрешаюший потенциал для первого элемента И 6. Однако импульс, порядковый номер которого равен n, = К + 1, с выхода второго

1 временного селекгора 13 возвращает триггер 19 в исходное состояние еще до появления очередного импульса с выхода элемента 3 задержки, т.е. в данном случае перезаписи кода с пер1300510

q„(t) и q> (t) 5 вого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 также не происходит.

Отношение числа импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения, к числу выборок Nc пропорционально оценке определенного условного математического ожидания

Nñ

m* q„(t) /ц„=с =C/N, K и„. /N

i= i

Изменяя коэффициент деления первого дели > еля 5 частоты; можо измерить функцию регрессии случайной Аазы сигнала ° Коэффициент деления пер. вого делителя 5 частоты устанавливается согласно коду; образующемуся во втором счетчике 23 по команде, поступающей с выхода элемента 3 задержки.

При измерении функции корреляции переключатели находятся в положении

"3 (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 5, 6, 1 и 4), в результате чего включается блок 8 регулируемой задержки.

Исследуемый сигнал x(t) подключается к входам обоих преобразователей 10 и 11 фаза — временной интервал, а в делителе 5 частоты устанавливается коэфАициент деления К в соответствии с выбранным уровнем анализа, оптимальное (в смысле минимума продолжительности измерения)., значение для нормального закона распределения случайной фазы равно m(q)+1,41б (cp).

В блоке 8 регулируемой задержки ус,— танавливается начальное значение аргумента функции корреляции П (7) . х

Устройство в этом режиме работает принципиально также,,как и при измерении условного математического ожидания. Но поскольку перезапись кода с первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 производится только при наличии сигнала с выхода блока 8 регулируемой задержки на третьем входе первого элемента И 6, то устройство определяет условное среднее значение Аазы исследуемого сигнала g „ (t + 7 ) относительно моментов выполнения условий Cf (t )

= K nx; =" = K Kó

Центрирование значений фазы исследуемого сигнала выполняется следующим образом.

30 б

Перед каждым измерением в первом счетчике 14 устанавливается код среднего значения, как при измерении среднеквадратическогo отклонения„ но суммирование в первом. накапливающем сумматоре 15 выполняется с учетом знака кода 6q;(t; + c ) в соответствйи с подготовительнь>м, управляющим сигналом на входе первого накапливающего сумматора 15 с подвиж— ного контакта третьего переключателя 16.

Импульс, поступающий с формирователя 1 импульсов, записывается в . блок 8 регулируемой задержки при наличии на его втором управляющем входе разрешающего сигнала, который поступает с триггера 19, Записанная информация перемещается в блоке 8 регулируемой задержки сигналом, пос. тупающим с элемента 3 задержки на первый управляющйй вход блока 8 ре гулируемой задержки, и через интер. вал времени ь, равный аргументу при определении функции корреляции, появляется на выходе блока 8; разрешая перезапись кода с первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15. Значение интервала корреляции Т устанавливается в блоке

8 регулируемой задержки сигналом, поступающим на его первь>й информационный вход с выхода второго делителя 7 частоты. Дискретность изменений интервала с определяется сигналом, поступающим на первый управляющий вход блока 8 регулируемой задержки с выхода элемента 3 задержки

Отношение числа Ь импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения

Тц „, к числу выборок 11„ пропорционально оценке нормированной функции корреляции исследуемой случайной Аазы Cf„ (t) при данном значении с

Если на входы устройства в этом режиме измерения подключить два сигнала x(t) и y(t) со,стационарно связанными флюктуирующими фазами, то за интервал Т„ ц получаем оценку произведения нормированной функции взаимной корреляции на отношение среднеквадра.тических отклонений первого и второго случайных процессов

13005 к и (2) = L — — -"1 Чх б1

В пятом положении всех переключателей- (подвижные контакты переключа- 5 телей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами

1,4,5 и 6) получаем опенку плотности вероятности распределения случайной фазы сигнала. При этом сигнал с исследуемой случайной фазой подключается на вход второго преобразователя 11 фаза — временной интервал..

Формируемые на выходе второго временного селектора 13 пачки импульсов п в выбранном масштабе определяют значения фазы в момент времени

t;, q„(t)=кn„.

Импульсы с выхода второго временного селектора 13 поступают на. нуле- 20 вой вход триггера 19 непосредственно, а на единичный вход триггера 19— через первый делитель 5 частоты. Коэффициент деления первого делителя

5 частоты выбирается в соответствии с выбранным уровнем анализа плотности вероятности. Интервал анализа дд равняется интервалу дискретизации случайной фазы, т.е. щ =360 Fjf.

Дальше измерение выполняется также, как и при определении условного математического ожидания (или функции регрессии) за исключением того, что импульсы на вход первого счетчика 14 поступают с формирователя 1 35 импульсов (первый неподвижный контакт переключателя 4).

Таким образом, первый накапливающий сумматор 15 фиксирует число п наступления события (g — ь <у„(t) < 40 с +dg, где< = K K, (f „(t)

К и х

Через интервал T„» в первом накапливающем сумматоре 15 формируется код, пропорциональный оценке плот-45 ности вероятности случайной фазы сигнала при заданном уровне анализа

1 h h

g*(q ) к gq д Кд

Для получения оценки функции распределения все переключатели ставятся в положение "6" (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными кон-55 тактами 2,5,7 и 7). Устройство работает в этом режиме аналогично, только перезапись кода с первого счетчи10 8 ка 14 выполняется по команде с первого элемента И 6 при появлении сигнала переполнения на выходе первого делителя частоты.

3а время Т в первом накапливаи3м. ющем сумматоре 15 формируется код, пропорциональный оценке функции распределения

F, (r4„)=P(4 „,(t), ), F*((p )

d и где d — число импульсов, соответствующих случаям, Для получения оценки спектральной плотности случайной фазы сигнала все переключатели устанавливаются в положение "7" (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 7,7,2 и 2). Процесс измерения состоит из двух циклов.. Во время первого цикла производится измерение среднего значения фазы исследуемого сигнала, а во втором — оценка спектральной плотности. Измерение среднего значения фазы выполняется аналогично описанному. С появлением на выходе второго делителя 7- частоты сигнала переполнения первый цикл измерения заканчивается. В следующем цикле измерения оценка математического ожидания случайной фазы сигнала используется для центрирования значений фазы исследуемого сигнала.

Значение оценки математического ожидания поступает в блок 17 памяти и на выходе второго элемента И 26 появляется импульс, который устанавливает второй триггер 25 в единичное состояние. При этом на выходе третьего элемента И 28 появляется резрешающий потенциал.

Во втором цикле измерения спектральной плотности С (Q) перед каж х дым тактом измерения в первый счетчик 14 в дополнительном коде вводится значение оценки-математического ожидания с блока 17 памяти по команде управляющего сигнала "Считыва-. ние", т.е. в счетчике 14 сравнивается текущее значение фазы (g (t) с ее средним значением. При этом, в зависимости от того („ (г) > т („) или Cp„ (t)с m (ср,,), на входе третьего элемента И 28, связанного с перразрядных выходов второго счетчика—

23 на вход задания аргумента уст. . ройства 24 отображения информации..

Таким образом, предложенное устройство наряду с измерением условного и безусловного математического ожидания, среднеквадратических отклонений и их отношений, функции регрессии, нормированных корреляционных функций> функции и плотности распределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот позволяет измерять спектральную плотность мощности фазовых флюктуаций и автоматизировать процесс измерения и отображения информации.

Формула изобретени устроиство для определения вероятностных характеристик фазы случайного процесса по авт.св. У 1112377, отличающее с я тем, что, целью расширения функциональных воз-ц можностей устройства путем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени, в него введены формирователь меандровых сигналов, второй и третий элемент И, второй триггер, первый и второй элементы равнозначности, первый и второй элементы неравнозначности, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй квадраторы, второй накапливающий сумматор,, второй счетчик, коммутатор, блок отображения информации, причем шестой и седьмой неподвижные контакты первого переключателя соединены между собой, второй неподвижный контакт третьего переключателя соединен с входом элемента задержки и с импульсным входом формирователя меандровых сигналов, второй неподвижный контакт четвертого переключения соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, с входами считывания результата первого и второго реверсивных счетчиков и с счетным входом второго счетчика, разрядные выходы которого соединены с входом задания частоты формирователя меандровых сигналов, с входом задания коэффициента деления первого делителя частоты и с входом задания аргумента блока отображения информации, выход сигнала переполнения второго счетчика соединен с

9 1300510 10 вым счетчиком 14, появляется нуль или единица. Сигнал (нуль или единица) с выхода третьего элемента И 28 поступает одновременно на первые входы элементов 29 и 30 равнозначности и элементов 31 и 32 неравнозначности, на вторые входы первых элементов 29 и 31 равнозначности и неравнозначности поступает сигнал с прямого выхода формирователя 20 меандровых функций, т.е. spn icos g;tj, а на вторые входы вторых элементов

30 и 32 равнозначности и неравноз-. начности поступает сигнал с инверс-. ного выхода формирователя 20 меанд-. 15 ровых функций sgn (sin Q;t j. При . совпадении нулей или единиц на выходах элементов 29 и 30 равнозначности появляется единица, при несовпадении — единица появляется на выходах элементов 31 и 32 неравнознач-. ности. Выходные сигналы с элементов

/ равнозначности 29 и 30 и неравнозначности 3 1 и 32 поступают на реверсивные счетчики 21 и 22. При появлении сигнала переполнения на выходе второго делителя 7 частоты реверсивные счетчики 21 и 22 зафиксируют разность числа совпадений и несовпадений, код которой затем возводится в квадрат квадраторами 33 и

34 и поступает во второй накапливаюй1ий сумматор 35. На выходе формирователя 20 меандровых функций устанавливается новое, значение частоты 35 и начинается определение следующей ординаты спектральной плотности . G (Я). Количество измеренных ординат спектральной плотности опреде-, ляется объемом второго счетчика 23. 0

При появлении на его выходе сигнала переполнения второй триггер 25 устанавливается в нулевое состояние. На этом второй цикл измерения спектральной плотности G(g (Q) оканчивается.

Результат измерения вероятностной характеристики поступает через коммутатор 27, управляемый вторым триггером 25, при измерении спектральной плотности фазы с второго накапливающего сумматора 35, а при измерении других вероятностных характеристик †. с первого накапливающего сумматора 15 на информационный вход устройства 24 отображения информации. 55

Значение аргумента измеряемой вероятностной характеристики (уровня анализа, частоты и др.) поступает с

11 13005 входом установки в "О" второго триггера, вход установки в "1" которого соединен с выходом второго элемента

И, первый и второй входы которого соединены соответственно с подвиж- 5 ными контактами третьего и четвертого переключателей, выход второго триггера соединен с управляющим вхо— дом коммутатора и с первым входом . третьего элемента И, второй вход ко- 1О торого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключате-.=. ля, а выход соединен с первыми входами первого, второго элементов равнозначности, первого, второго эле- 15 ментов неравнозначности, вторые входы первого элемента равнозначности и первого элемента неравнозначности соединены с прямым выходом формирователя меандровых сигналов, вторые 2р входы второго элемента равнозначности и второго элемента неравнозначности соединены с инверсным выходом

10 12 формирователя меандровых сигналов, выходы первого элемента равнозначности и первого элемента неравнозначности соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого реверсивного счетчика, выходы второго элемента равнозначности и второго элемента неравнозначности соединены соответственно.с суммирующим и вычитывающим входами второго реверсивного счетчика, выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно через первый и второй квадраторы с первым и вторым входами второго накапливающего сумматора., выход которого соединен с первым информационным входом коммутатора, второй информационный вход которого соединен с выходом первого накапливающего сумматора, выход коммутатора соединен с информационным входом блока отображения информации.

1300510

Составитель В. Орлов

Техред И. Попович Корректор М. Самборская

Редактор М. Келемеш

Заказ 1152I50 Тираж 673 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектн я, а 4