Устройство для анализа спектра случайных процессов

 

Изобретение относится к аппаратурному спектральному анализу случайных процессов . Устройство содержит N каналов анализа, каждый из которых состоит из трехвходового сумматора 1, анализирующего фильтра 2, измерителя 3 дисперсии и индикатора 4, а также N-входовой сумматор 5 и инвертор 6. За счет введения блоков 1,5 и 6 достигается уменьшение нестабильности формирования АЧХ, что повышает точность анализа спектра. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (s1)s G 01 и 23/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИТКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

О

ОЬ

ЪФ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 484415 (21 (22) 25.06.90 (46) 07.03.92. Бел. Ь 9 (71).Казанский авиациойный институт

° им.А.Н.Туполева (72)О.А.Авдеева, Е.М.Головин, С.Е.Колин и Д.B.Лавров (53) 621.317.757(088.8) (56) Мирский Г.Я. Аппаратурное определеwe характеристик случайных процессов.

М., 1972, с.242-244. (54} УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА CAEKTPA СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ (57) Изобретение относится к аппаратурному спектральному анализу случайных процессов. Устройство содержит Й каналов анализа, каждый из которых состоит из трехвходового сумматора 1. анализирующего фильтра 2, измерителя 3 дисперсии и индикатора 4, а также М-входовой сумматор

5 и инвертор 6. За счет введения блоков 1, 5 и 6 достигается уменьаение нестабильности формирования АЧХ, что повышает точность анализа спектра. 2 ил.

1718139

Изобретение относится к области аппаратурного спектрального анализа случайных процессов различного физического происхождения, например вибрационного, акустического и т.д., после предварительного преобразования известными методами в случайный электрический сигнал.

Известны устройства аппаратурного спектрального анализа, использующие метод линейной фильтрации, основанный на разбиении исходного широкополосного случайного сигнала на ряд узкополосных случайных сигналов и измерении энергии еи гнала в каждой узкой полосе.

B устройстве при последовательном анализе используется один узкополосный анализирующий фильтр, перестраиваемый в диапазоне частот измеряемого энергетического спектра.

В результате измерения и усреднения полученного результата по полосе прапускания анализирующего фильтра на выходе измерителя дисперсии получают одну оценку измеряемого энергетическога спектра, Получаемая таким образом оценка измеряемого спектра обладает погрешностью смещения. Кроме того, недостатком последовательного метода анализа является большое время анализа, особенно для измерения спектра широкополосных сигналов.

Наиболее близким к изобретению является устройство. содержащее N параллельных каналов анализа, каждый из которых состоит иэ последовательно соединенных узкополосного анализирующего фильтра и измерителя дисперсии, к выходу которого подключен индикатор.

Однако в данном устройстве теоретически невозможно получить коэффициент прямоугольности анализирующих фильтров, равный единице, так как зто приводит к бесконечным фазавым сдвигам,.а, значит, и времени измерения..Соответственно реально ошибка смещения определяется не только шириной полосы пропускания анализирующего фильтра, но и его конечным затуханием вне полосы анализа. При значительных величинах второй. производной измеряемого спектра зта погрешность может быть доминирующей.

Цель изобретения — повышение точности анализа без усложнения устройства за счет увеличения затухания за пределами полосы пропускания анализирующих фильтров.

Цель достигается тем, что исходный сигнал разбивают на И узкополосных сигналов; измеряют дисперсию, при атом до разбиения суммируют входной случайный сигнал с сигналом, полученным после фильтрования и вспомогательным сигналом, а для получения вспомогательного сигнала все N процессов после фильтрации суммируют и

5 инвертируют.

В устройство, реализующее предложенный способ, содержащее Й параллельных каналов анализа, в каждом из которых последовательно включены анализирующий

10 фильтр, измеритель и индикатор, дополнительно введены последовательно включенные М-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа трехвходовый сумматор, выход которого подключен к входу ана15 лизирующего фильтра, первый из входов — к выходу анализирующего фильтра. второй— к общему входу устройства, а третий — к выходу инвертора, при этом входы N-входо- . аого сумматора подключены к выходам ана20 лизирующих фильтров.

В известном техническом решении преследуются аналогичные цели — увеличение конечного затухания фильтров за пределами полосы пропускания. Это решается с по25 мощью матрицы N x N дополнительных фильтров, включенных после анализирующих фильтров. Коэффициенты передачи. матричных фильтров должны иметь точно рассчитанные как амплитудные, так и фаэо30 вые значения.

В отличие от известного предлагаемое изобретение использует принцип суммирования в каждом канале входногс, вспомогательного и отфильтрованного

35 узкополосного сигналов.

Вспомогательный сигнал формируется из суммы всех отфильтрованных узкополосных сигналов путем инвертирования.

Недостатком известного технического

40 решения является большая нестабильность формируемых эквивалентных АЧХ каналов анализа, приводящих, к неприемлемым погрешностям.

Формирование любой АЧХ канала ана45 лиза производится путем суммирования Й сигналов, прошедших 2N-1 фильтров (N основных и N-1 матричных), При этом операция суммирования будет проводиться для увеличения конечного затухания за преде50 лами полосы пропускания, т,е. зто будет вычитаниее.

Именно большое количества И-1) операций вычитаний, являющихся единственными операциями, когда погрешность

65 выходной величины может на порядки превышать погрешности входных, проводимых с сигналами, прошедшими большое (2N-1) число частотозависимых, а значит очень нестабильных блоков, приводит к значительным погрешностям.

1718139

В предлагаемом изобретении отсутст- Этот сигнал вновь подается на 3-входовует матрица дополнительных фильтров и в вый сумматор t на первый вход непосредоперации формирования участвует всего N ственно, а на третий — в составе фильтров, т,е. в N+1 раз меньше, что наивы- вспомогательного сигнала. годнейшим образом сказывается на ста- 5 Однако, учитывая, что в цепи формиробильности АЧХ, а значит и ошибках всего вания вспомогательного сигнала последоформирования в целом, вательно включенные N-входовой сумматор

Таким образом, введение операций 5 и инвертор 6, производится инвертировасуммирования при разбиении отфильтро- ние, то в 3-входовом сумматоре 1 происхованногоузкополосного и вспомогательного 10 дит полная компенсация собственно сигналов с формированием вспомогатель- отфильтрованного узкополосного сигнала. ного сигнала из суммы всех отфильтрован- Таким образом, сигнал с выхода аналиных узкополосным инвертированием эирующего фильтра 2 поступает со вспомопозволяет говорить о наличии существен- гательным сигналом H3 третьи входы ных отличий. Новый принцип работы осно- 15 3-входовых сумматоров 1 остальных канаван на оригинальной схеме включения, а не лов. На выходе анализирующего фильтра 2 на матрице из N N дополнительных фильт- каждого из них выделяется узкополосный ров. Уменьшение нестабильности формиро- сигнал, который через Й-входовой сумматор вания АЧХ говорит о увеличении точности 5 и инвертар 6 поступает в первый канал анализа спектра без усложнения применен- 20 анализа и за счет произошедшего инвертиных фильтров. рования скомпенсирует соответствующую

На фиг. 1 представлена функциональ- частьузкополосногосигналапослеанализиHGA схема устройства; на фиг, 2 — квадра1ы рующего фильтра 2, модулей передачи n-ro канала анализа Эквивалентный квадрат модуля коэфКп (в) заявляемого устройства и фильтра с 25 фициента передачи канала анализа с входа обыкновенным "резонансным" видом АЧХ устройства на выход анализирующего филь2

An (в). тра 2 приобретает кули, а его общий вид

Устройство состо.|тиз N каналов анали- станет аналогичен изображенному на фиг. за, каждый из которых содержит последова- 2, После измерения дисперсии в блоке 3 тельно включенные 3-входовой сумматор 1, 30 оценка спектра индицируется в блоке 4. анализирующий фильтр 2, измеритель 3 и Качественные изменения квадрата моиндикатор 4. дуля передачи можно подтвердить строгим

Первый вход 3-входового сумматора 1 математическим расчетом. Получим в обподключен к выходу анализирующего филь- щем виде тра, а вторые входы всех 3-входовых сумма- 35 an в кп(в)торов 1 подключены к входу устройства.

1-д в 1+

К выходу анализирующего фильтра 2 (" " () j C „1- д„в всех N каналов анализа подключены входы

N-входового сумматора 5, д р

-входового сумматора 5, выход которого

Конкретный вид зависит от вида АЧХ примеподключен к.входу инвертора 6. Выход ин- 40 г 1 ста о но егко с е ненных канальных фильтров 2 (в фо м ле 1 вертора 6 подключен к третьему входу 3лать- общие замечания относительно повевходового сумматора в каждом иэ К каналов дения Кя(в) на частотной оси). ви . Зом (рассмотрим для примера первый канал 45 а с андаР™0 Резонансной кРивой с маканализа), симумом на частоте йь, равным единице и спадающим при удалении от этой частоты.

Cèãíàë с анализируемым спектром по- Общий избирательный характер К,(в) дается сразу на вторые входы 3-входовых опРеделлет член А (в) в ис ителе фоРмУлы сумматоров 1 всех Nканалов анализа,,по- 50 (1). ступая затем на анализирующий фильтр 2. а выходе анализирующего фильтра 2 станет Равен единице один из коэффициенспектранализируемогосигналаможнонай- тов передачи канальных формирующих ти, умножив исходный на квадрат модуля фильтров А (в), а это значит, что станет ракоэффициента передачи АЧХ, Из-за конеч- 55 вен нулю з амена е одно о из с а аемых,. ной величины затухания за пределами поло- стоящих под знаком суммы в знаменателе сы пропускания здесь будут присутствовать ф РмУ" (") составляющие, лежащие в районах частот

Это приведет к тому, что одно из слага. анализа других каналов. емых станет равно бесконечности, а значит в целом Кл(в) равен нулю. Таким образом, на

1718139

f К„г(а)ба

f г(30 у г() а ап где ар,п — сРеднегеометРическаЯ частота 35 мЕжДУ йЪ и йь+1 (-":.+ >.

При непосредственном расчете зададимся такой полосой пропускания, чтобы на среднегеометрической частоте арп между 40 двумя частотами анализа квадрат модуля передачи был равен 0,5 обоих анализируювсех других частотах ап1, кроме частоты а, коэффициент К (а) будет равен нулю, Сложнее дело обстоит при а=а . В этом случае станет равно нулю содержимое операций в первых квадратных скобках знаменателя. В результате перемножения этого значения на содержимое вторых квадратных скобок равными нулю станут все слага-. емые, кроме случая m - и, когда произойдет сокращение с аналогичным членам в знаме- 10 нателе под знаком суммы. Общий знаменатель формулы (1) будет равен Ап(а), а- Кп(а) равен единице.

Таким образом,. учитывая избирательный хаРактеР Кп(а), нУлевое значенйЕ на ча- 15 стотах o = ап и единичное значение на частоте а = cb, получаем коэффициент передачи п-ro анализирующего канала, приведенного на фиг. 2.

Для борее полного сравнения с обычной 20

"резонансной" характеристикой учтем влияние "хвостов" по следующей методике определения ошибки

Х Кпг(а) dN щих фильтров. Это рекомендуемый равнодобротный метод.

Расчет проводился на 3ВМ и дал следующие результаты: од = 0,4; щ = 0,2.

Видно, что =a пределами полосы пропускания предлагаемого изобретения находится двадцать процентов интегральной площади анализирующего фильтра, в то время, как у известного устройства — сорок процентов, т,е. в два раза больше. хотя исходные фильтрующие схемы построения идентичны.

Техническая реализация не представляет трудностей. Анализирующие фильтры. 2 реализованы на ИС 284СС1, сумматоры 1 и

5, инверторы 6 и измерители 3 — на операционных усилителях серии 140.

Схемотехника блоков стандартна. Это позволяет говорить 0 доступности конкретного выполнения, а реализация предлагаемого изобретения позволяет снизить погрешность измерения спектра случайных " процессов.

Формула изобретения

Устройство для анализа спектра случайных процессов, содержащее N параллельных каналов анализа, s каждом из которых последовательно включены анализирующий фильтр, измеритель дисперсии и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, введены последовательно включенные Й-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа — трехвходовой сумматор, выход которого подключен к входу анализирующего фильтра, первый из входов- к выходу анализирующего фильтра, второй — к общему входу устройства, а третий — к выходу инвертора, при этоМ входы Й-входового сумматора подключены к выходам анализирующих фильтров всех каналов.