Способ спектрального анализа случайных сигналов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения - повышение точности спектрального анализа. Устройство, реализующее способ, содержит широкополосный фильтр 3, детектор 4, вычислительный блок 5 и индикатор 6.Введение перестраиваемого фильтра 2 с амплитудно-частотной характеристикой, близкой к прямоугольной, синтезатора 7 частоты и двухпозиционного переключателя 1 позволило случайный сигнал (С) разделить на Р полосовых С, каддый из которых разделяется еще на М узкополосных С, поочередно Р раз измерить дисперсии М узкополосных С. При этом Р равно отношению требуемого количества N-отсчетов энергетического спектра к М. В описании приведена формула для определения отсчетов энергетического спектра. Результаты анализа представлены в виде совокупности спектра исследуемого сигнала с любой наперед заданной точностью. 1 с.п. ф-лы, 1 ил. с (Л

СОК-3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 С 01 R 23/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3729083/24-21 (22) 21. 04. 84 (46) 07. 04. 87. Бюл. У 13 (71) Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева (72) Я.С. Урецкий, А.Г. Баширова и Ю.Е. Седельников (53) 62 1.317.757(088. 8) (56) Отнес P. Прикладной анализ временных рядов. — M., 1982, с. 298. (54) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения — повышение точности спектрального анализа. Устройство, реализуюmee способ, содержит широкополосный

Б(1 02210 А1 фильтр 3, детектор 4, вычислительный блок 5 и индикатор 6.Введение перестраиваемого фильтра 2 с амплитудно-частотной характеристикой, близкой к прямоугольной, синтезатора 7 частоты и двухпозиционного переключателя 1 позволило случайный сигнал (С) разделить на P полосовых С, каждый из которых разделяется еще на

М узкополосных С, поочередно P раз измерить дисперсии M узкополосных С.

При этом P равно отношению требуемого количества N-отсчетов энергетического спектра к М. В описании приведена формула для определения отсчетов энергетического спектра. Результаты анализа представлены в виде совокупности спектра исследуемого сигнала с любой наперед заданной точностью.

1 с.п. ф-лы, 1 ил.

1 13022

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для аппаратурного спектрального анализа случайных процессов.

Цель изобретения — повышение точности спектрального анализа путем представления его результатов в виде совокупности спектра исследуемого случайного сигнала с любой наперед заданной точностью. 10

Точность анализа повышается за счет устранения погрешности смещения.

На чертеже представлена структурная схема устройства, при помощи которого реализуется предлагаемый способ.

Устройство содержит двухпозиционный переключатель 1, подключенный к входу перестраиваемого фильтра 2, выход которого соединен с объединенными входами И параллельных каналов измерения. Каждый канал состоит из последовательно соединенных широкополосного фильтра 3 и детектора 4.

Выходы всех детекторов 4 измерительных каналов подключены к входам вычислительного блока 5, выход которого соединен с индикатором 6. Второй выход индикатора 6 подключен через синтезатор 7 частоты к первому неподвижному контакту переключателя 1, второй контакт которого соединен с входом устройства.

Управляющий вход перестраиваемого фильтра 2 подключен к третьему 35 выходу блока 5.

Устройство имеет два режима работы: "Настройка" и "Измерение" и работает следующим образом.

В режиме "Настройка" на входы каналов анализа через фильтр 2 с помощью переключателя 1 (положение 1) подключается выход синтезатора 7 частот, сигналы которого представляют собой гармонические колебания с частОтой Я, nporpaMMHo задаваемыми,вы числительным блоком 5. Фильтр 2 имеет перестраиваемую полосу в пределах 10-20Х от выбранной полосы 6 Я .

В вычислительный блок 5 с его внеш- него устройства вводят значение шага

h и частот 52» на которых необходимо вычислить отсчеты 6 „, и количество поддиапазонов I перестраиваемого (вспомогательного) фильтра 2. $5

Полосовые фильтры 3, в соответствии со своими АЧХ, пропускают гармонические сигналы с входа на выход.

10 2

Постоянство и равенство между собой амплитуд входных, гармонических сигна" лов позволяет по их откликам на выходах полосовых анализирующих фильтров 3 судить об АЧХ последних. Получаемые при этом на выходах детекторов 4 значения отсчетов АЧХ поступают в память блока 5.

IIpH этОИ IIpH равенстве Й» Я ср где 5? . — частота среза полосового фильтра 2 в i-м поддиапазоне, на второй вход фильтра 2 с третьего выхода вычислительного блока 5 поступает сигнал, который переключает

его на следующий (i+1)-й поддиапазон.

Режим "Настройка" начинается с первого поддиапазона (i=1), на который первоначально настроен полосовой фильтр 2. Затем блок 5 вычисляет элементы матрицы системы уравнени11.

6Q;

2 к

II+,;

2 где С - n-й отсчет АЧХ m-го ана ï лиэирующего фильтра 3;

С вЂ” n-й отсчет АЧХ i-ro фильт1я ра 2;

Q — нижняя граничная частота диапазона частот спектральНОГО анализа

Й; — центральная частота i-го фильтра 2; ьй; — полоса пропускания i-го полосового фильтра.

По окончании вычислений элементов матрицы в данном i-м поддиапазоне вычислительный блок 5 осуществляет прием значений отсчетов АЧХ анализирующих фильтров 3 в следующем (i+1)-м поддиапазоне,.на который уже заранее перестроен полосовой фильтр 2. Затем повторяется процедура вычислений элементов матрицы системы уравнений. И так до тех пор, пока не наступает равенство Й„Я, гдей -верхняя граничная частотааналиэируемых сигналов.

По окончании режима "Настройка" устройство переводится в режим "Измерение". При этом переключатель П1 переводится в положение 2 и на вход полосового фильтра 2, который в это время перестроен на первый поддиа3 130221 пазон (i=1), поступает анализируемый случайный сигнал.

Через полосовой фил тр 2, который не пропускает сигнал с частотами выше его частоты среза Я,, анаCPl лизируемый сигнал поступает на параллельные каналы анализа. При этом на выходах амплитудных детекторов 4 через время, соответствующее времени усреднения, образуются значения дис- 10 персий D„ анализируемых сигналов ! в соответствующих полосах .анализирующих фильтров 3. Здесь

n = 1 + . Аа /h

1 !

-"!

Затем значения 9,!, заносятся в вычислительный блок 5. После окончания замеров дисперсий D с вычислительного блока 5 на второй вход вспомогательного полосового фильтра 25

2 поступает сигнал, перестраивающий его на следующий поддиапазон (i=2), а вычислительный блок 5 вычисляет отсчеты 6 в данном поддиапазоне (1.=1) путем решения системы уравнений30

В результате операции измерения дисперсии сигналов на выходах параллельных каналов анализа имеем не оценку дисперсии случайного сигнала .в и-й полосе частот (что наблюдаем в известном устройстве), а часть энергии случайного сигнала, выделенного

m-м фильтром, приходящуюся на полосу Ьй„ перестраиваемого филь;ра в

i-м поддиапазоне его перестройки. 40

Преимуществом предлагаемого устройства является также расширение функциональных возможностей анализатора за счет того, что оценки спектра можно получить на любых требуемых 45 частотах, не перестраивая анализатор.

Таким образом, положительный эф- фект предлагаемого решения заключается в том, что использование простей- 50 ших полосовых низкодобротных фильтров (без предъявления к ним жестких требований к точности, стабильности настройки центральной частоты и к прямоугольности АЧХ) и одного перестраи=55 ваемого фильтра с АЧХ, близкой к прямоугольной, позволяет получить N=M I (где I — - число перестроек вспомогательного фильтра) отсчетов измеряемо0 4 го спектра на заданных частотах Д„ полосы обзора. Кроме того, во всех известных устройствах, в том числе и тех в которых используется калибровка и„спецпроцессоры, получаемые оценки о„ являются смещенными, а в предлагаемом решении оценки получают путем обработки измеренных несмещенных оценок дисперсии.

В данном устройстве перестраиваемый полосовой. фильтр, анализирующие фильтры и амплитудные детекторы могут быть выполнены на базе операционных усилителей серии 140. В качестве вычислительного блока используется

ЭВМ ДЗ-28 с дисплеем, а в качестве синтезатора частот применяется генератор типа ГЗ-47 с автоматическим сканированием частоты гармонического сигнала.

Таким образом, введение перестраиваемого полосового фильтра с АЧХ, близкой к прямоугольной, позволяет повысить точность спектрального анализа с учетом принятого метода вычислений. формула изобретения

1. Способ спектрального анализа случайных сигналов, состоящий в разделении анализируемого случайного сигнала на М узкополосных случайных сигналов и измерении их дисперсии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа, предварительно анализируют случайный сигнал, разделяют íà P полосовых случайных сигналов, затем каждый иэ них поочередно разделяют на М уэкоt полосных случайных сигналов, при этом P равно отношению требуемого количества N-отсчетов энергетического спектра к М, после чего по измеренным дисперсиям и отсчетам амплитудно-частотных характеристик P вспомогательных полосовых и M анализирующих узкополосных фильтров определяют отсчеты энергетического спектра по формуле

D. =

n=« ,1 =1 где D — дисперсия m-ro случайного сигнала в i-м поддиапаэоне:

1302210

i=1,I; п=1,N; ш=1,М, I; п=1,N; ш=1,M

2. Устройство спектрального анализа, содержащее М параллельных каналов измерений, каждый из которых состоит из последовательно включенных уэкополосного фильтра и детектора, а также вычислительный блок, к входам которого подключены выходы детекторов каналов измерения, а выход подключен к индикатору, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены перестраиваемый фильтр, синтезатор частоты и двухпозиционный переключатель, один неподвижный контакт которого подключен к входу устройства, другой неподвижный контакт соединен с выходом синтезатора частоты, а подвижный контакт подключен к входу перестраиваемого фильтра, выход которого соединен с объединенными входами узкополосных. фильтров, при этом второй и третий выходы вычислительного блока подключены и к управляющему входу перестраиваемого фильтра.

10 где С п и-й отсчет АЧХ m-ro анализирующего фильтра; п-й отсчет АЧХ i-ro вспомо- 15 гательного фильтра; нижняя граничная частота диапазона частот спектрального анализа; центральная частота i-ro перестраиваемого фильтра; полоса пропускания i-ro перестраиваемого полосового фильтра;

Ьй

Ьй — диапазон частот спектрального анализа;

Составитель А. Орлов

Редактор Н, Тупица Техред Л.Сердюкова Корректор А. Ильин

Заказ 1214/45 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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