Цифровой измеритель уровня шума

 

Изобретение относится к технике электросвязи , Цель изобретения - повышение точности измерения. Цифровой измеритель уровня шума содержит цифроаналоговый преобразователь 1, компаратор 2, реверсивный счетчик 3, два регистра 4, 7, два вычитателя 5, 10, два вычислительных блока 8, 9, корректирующий фильтр 6. Введенные блоки позволяют учесть смещение оценки среднеквадратического значения исследуемого случайного процесса и тем самым повысить точность измерения. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 04 В 3/46

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕ1

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0= Xp/Up (1) (21) 4853048/09 (22) 18.07,90 (46) 15,05,92. Бюл. ¹ 18 (71) Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта (72) И,С.Гелин и P.Ô.Ôåäoðîâ (53) 621.396(088.8) (56) Кузьмин B.Ñ., Пискарева И.И. Цифровой метод измерения уровня шума. Электросвязь, 1980, № 8, стр, 55-58. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ

ШУМА

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано для измерения уровня шума, например в каналах связи.

Прототип содержит последовательно соединенные компаратор, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и корректирующий фильтр, Первый вход компаратора является информационным входом устройства. Реверсивный вход счетчика является входом задания параметра устройства. Выход коррек1 ирующего фильтра подключен к второму входу компаратора и является информационным выходом устройства, Недостатком прототипа является низкая точность измерения уровня шумов из-за нелинейности передаточной характеристики (зависимости среднеквадратического значения (СКЗ) шума от измеренной квантили), Покажем, что зависимость СКЗ случайного процесса от измеренной квантили при условии ограниченного времени измерения нелинейна.

Пусть x(t) — исследуемый случайный процесс, центрирован и имеет CK3 o; Xp—

ЫЛ 1734218 А1 (57) Изобретение относится к технике электросвязи. Цель изобретения — повышение точности измерения. Цифровой измеритель уровня шума содержит цифроаналоговый преобразователь 1, компаратор 2, реверсивный счетчик 3. два регистра .4, 7, два вычитателя 5, 10, два вычислительных блока

8, 9, корректирующий фильтр 6. Введенные блоки позволяют учесть смещение оценки среднеквадратического значения исследуемого случайного процесса и тем самым повысить точность измерения, 1 ил, квантиль уровня P случайного процесса x(t), а Up — квантиль уровня P нормированного случайного процесса.

Известно, что

Вследствие ограниченного времени измерения Т, в прототипе фактически измеренным является квантиль ХР* уровня Р*.

Для стационарного случайного процесса x(t) справедливо

lim Р*= P. (2)

Т - оо

Следует отметить, что код величины P в процессе измерения присутствует на входе задания параметра прототипа.

На практике величина Р* флюктуирует около P. Разность Р* - P может быть значительна, особенно при небольшом времени измерения.

В прототипе СКЗ оценивается по формуле о., = Р*/Up, (3) где 1/0Р = const.

1734218

П реобразуем формулу (3) Хр 0р

Onp = — —

U* up (4) или с учетом (1) ф

Одр =О

0 (5) 10

Целью изобретения является повышение точности цифрового измерителя уровня шума, Поставленная цель достигается тем, что 15 в цифровой измеритель уровня шума, содержащий компаратор, счетчик, корректирующий фильтр, цифроаналоговый преобразователь, причем прямой вход компаратора является информационным входом 20 устройства, а выход ком паратора соединен со счетным входом счетчика, введены два регистра, два вычитателя и два вычислителя и два вычислительных блока, причем выход цифроаналогового преобразователя соединен с ин- 25 вертирующим входом компаратора, вход стробирования которого является тактовым входом устройства, информационные выходы счетчика соединены с информационными входами первого регистра. выходы которого подключены к входам уменьшаемого первого вычитателя и к первым группам входов первого и второго вычислительных блоков, входы вычитаемого первого вычитателя являются входами задания параметра устройства, вы- 35 ходы первого вычитателя подключены к входам корректирующего фильтра, выходы которой соединены с информационными входами второго регистра и цифроаналогового преобразователя, вход сброса счетчика 40 является входом сброса устройства, управляющие входы первого и второго регистров объединены и являются входом выдачи устройства, выходы второго регистра подключены к вторым группам входов первого и 45 второго вычислительных блоков, выходы которых соответственно подключены к входам уменьшаемого и вычитаемого второго вычитателя, выходы второго вычитателя являются и нформационн ыми выходами устройства.

Блок-схема цифрового измерителя уровня шума приведена на чертеже.

На чертеже приняты следующие обозначения; цифроаналоговый преобразователь 1, компаратор 2, реверсивный счетчик

3, первый регистр 4, первый вычитатель 5, корректирующий фильтр (КФ) 6, второй регистр 7, вычислительные блоки 8 и 9, второй вычитатель 10, входы установки 11, инфорэ Х ф

6(P*) (6) где О(х) — функция, обратная к функции распределения случайного процесса x(t). мационный вход 12, тактовый вход 13, вход сброса 14, управляющий вход 15, информационные входы устройства 16.

Компаратор 2, реверсивный счетчик 3, первый регистр 4, первый вычитатель 5, КФ

6 и ЦАП 1 соединены последовательно. Выход ЦАП 1 соединен с инвертирующим входом компаратора 2, прямой вход которого подан на информационный вход 12. Тактовый вход 13 подключен к входу стробирования компаратора 2, Входы установки 11 подключены к входам вычитаемого первого вычитателя 5. Вход сброса 14 подан на вход сброса реверсивного счетчика 3. Выходы

КФ 6 соединены также с информационными входами второго регистра 7. Выходы первого регистра 4 подключены также к первым группам входом вычислительных блоков 8 и

9. Выходы второго регистра 7 соединены с вторыми группами входов вычислительных блоков 8 и 9. Выходы вычислительных блоков 8, 9 поданы на входы уменьшаемого и вычитаемого второго вычитателя 10, соответственно, Выходы вычитателя 10 соединены с информационными выходами устройства 16.

Управляющие входы первого и второго регистров 4. 7 объединены и подключены к управляющему входу 15 измерителя, На входы установки 11 подан код вероятности Р, квантиль которой измеряют (например, P = 0,93). На информационный вход

12 подан исследуемый гауссовский центрированный случайный процесс x(t), На тактовый вход 13 подан тактовый сигнал, на вход сброса 14 — сигнал сброса, на управляющий вход 15 — сигнал управления. С информационных выходов устройства 16 снимается измеренное СКЗ и,*.

КФ 6 предназначен для выработки нового значения Хр* так, чтобы разность Р*Р стремилась к нулю. Тип и параметры следует выбирать, исходя из характера изменений КСЗ исследуемого случайного процесса; с учетом требований физической реализуемости и устойчивости устройства.

КФ 6 выполнен, например, на базе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) серии К573, Вычислительные блоки 8, 9 выполнены, например, на базе ПЗУ, однокристальной микроЭВМ или специализированных вычислителей, Вычислительный блок 8 производит расчет оценки СКЗ по формуле

1734218 (10) (2 — У(Р )), (7) P = —, ), а„. э 1

15 (= 1

20 (12) (15) где (9) 55,* Хр

6(Р ) ;(р*) (Ф ) (Вычислительный блок 9 производит расчет оценки смещения СКЗ Я* по формуле

* 1Р (1 Р Ф где n — число опытов, по которым производится оценка вероятности Р*, f(x) — плотность вероятности случайного процесса x(t).

Разрядность. всех узлов выбирается, исходя из требуемой точности вычислений.

В начальном состоянии на входы установки 11 подан код вероятности P (например, P = 0,93), квантиль которой измеряют.

На информационный вход 12 подан исследуемый случайный процесс. На входах 13—

15 присутствует значение логического нуля.

В реверсивном счетчике 3 и регистре 4 хранится оценка вероятности Р*, вычисленная в предыдущем цикле измерения, На выходах вычитателя 5 присутствует разность Р* — P. На выходах КФ 6 в цифровой форме, а на выходе ЦАП 1 в аналоговой форме присутствует новое значение Хр*. В регистре 7 хранится старое значение Xp*, вычисленное в предыдущем цикле измерения. На выходах вычислителя 8 присутствует значение сг *, вычисленное по формуле (6) в предыдущем цикле измерения, На выходах вычислителя 9 присутствует значение оценки смещения S*, вычисленное по вышеприведенной формуле (7) в предыдущем цикле измерения, На выходах вычитателя 10 и информационных выходах устройства 16 присутствует несмещенное значение оценки

СКЗ случайного процесса x(t), вычисленное в предыдущем цикле измерения:

Он* = 0* 5*. (8)

Рассмотрим работу устройства в динамике.

В начале нового цикла измерения на вход сброса устройства 14 подается импульс, обнуляющий реверсивный счетчик 3.

B течение цикла измерения на тактовый вход

13 подаются и тактовых импульсов. Сигнал на выходе компаратора 2 в i òàêòå(à;) принимает одно из двух дискретных значений:

1, если x(ti) < Xp*, Qi =

О, если x(ti} > = Xp*, где Хр* — значение порога, вычисленное в предыдущем цикле измерения, x(ti) — значение случайного процесса x(t) в i такте.

Перепишем выражение (9) i = 1, если (x(ti)/ )<(Хр*/и ), а. =

5 О, если (x(ti)/ф)>= (Хр*/o ), где ст — СКЗ случайного процесса x(t), Через п тактов (при условии и = 2, где! ! — разрядность счетчика) в реверсивном

10 счетчике 3 формируется оценка Р* уровня квантили Xp*:

Если отсчеты случайного процесса x(ti) и x(tj) независимы при ipj, тогда

D(P*) = (F(Xp*/ о)(1 — F(Xp*/o)))/п, (13) где F(x) — функция распределения случайно25 го процесса х(с).

Оценка D(P*) может быть вычислена по формуле

D*(P*) = (Р*(1 — Р*))/и. (14)

На управляющий вход 15 подается импульс, который инициирует перезапись величины Р* из реверсивного счетчика 3 в регистр 4 и порога Xp* с выходов КФ 6 в регистр 7. По истечении времени, необходимого для срабатывания вычислителей 8 и 9, на.выходах вычислителя 8 появляется оценка CK36*, вычисленная по формуле (6), а на выходах вычислителя 9 — оценка смещения

40 S*, вычисленная по формуле (7).

Определим математическое ожидание ", Для этого переобозначим оценку Р*, вычисленную по формуле (11) через t, а математическое ожиданием через Р*. Разложим функцию гг*(t) в ряд Тейлора в окрестности точки M(t) = Р*. Ограничимся, например. тремя членами ряда

o(t) = а*(Р*) + (t — Р*) о "(Р*) +

1 1! (с Р ) o"+(P ) 1734218

Определим математическое ожидание

S*. На основании выражения для математического ожидания функции случайной величины запишем: M(S*(P*)) = S*(M(P*)).

5 Учитывая (7), (12) имеем а, О хР 16 (ñ)) >

+ — M(t — Р*) o+(Р ).

2 (16) -(сг) ) Фг

Однако, М(- Р*) =О и M(t- P) = D(t), Следо г вательно

15 (23) На информационных выходах устройства 16 появляется несмещенная оценка СКЗ

0Н* = 0*- S*, Вычислим математическое ожидание o н*:

20 аЯ/ОЯт} бф}} или с учетом (22), (23) 25 М(сгн ) = ст . (25) (1 8) или м Xp CI — P(t) Параллельно с работой вычислителей 8, 9 и вычитателя 10 на выходах вычитателя 5 появляется значение разности Р* - Р, кото30 рая подается на входы КФ 6. По истечении времени, необходимого для срабатывания

КФ 6, на ее выходах появляется новое значение порога, По окончании всех переходных процес35 сов в устройстве можно начинать новый цикл измерения, (19) э Хр

EP(t)f(0(t) ) (20) Формула изобретения

Цифровой измеритель уровня шума, со40 держащий цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные компаратор, первый вход которого является информационным входом измерителя, и реверсивный счетчик, корректирующий

45 фильтр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены первый и второй регистры, первый и второй вычислительные блоки, первый и второй вычитатели, выход реверсивного счетчика соединен

50 с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с первыми входами первого и второго вычислительных блоков и первым входом первого вычитателя, выход которого соединен с входом кор55 ректирующего фильтра, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя и информационным входом второго регистра, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго вычислительных блоков, выходы которых соеди+ 2f(8(P ))) (21) ф ()г) (22) Переходя в выражении (15) к математическому ожиданию, получаем

М(o+) = о+ M(t- P )o *(Р*)+

М(o") = сг+ 2 О(с)и* (P*). (17) Определим 0 * (Р*). Для этого вычислим сначала о " (т):

Используя известное правило для вычисления производной обратной функции, получаем

1"

Выражение для ст *(t) получим дифференцированием по t функции a+(t), Опуская промежуточные вычисления, приведем конечный результат:

Для нормального распределения

f(x)/f(x) = -х и с учетом (12) формула (17) принимает вид ф ф

F()t1 — F()) M(cr ) = + — (7 сг Xp(2

2n(— ) f (— ) Р(— Н1 — F(— ))Xp

Хр РХр

М($ ) д У (2—

2n(— ) тг(— ) Фз Хр

M(o +) = M(o*) - M(S*) (24) 10

1734218

15

40

45.

Составитель И, Гелин

Редактор М.Бокарева Техред M.Moðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Заказ 1676 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101 нены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход которого является информационным выходом измерителя, выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом компаратора, вход стробирования которого является тактовым входом измерителя, входом "Сброс" которого является вход установки в ноль реверсивного счетчика, управляющие входы первого и второго регистров объединены и являются управля5 ющим входом измерителя, входом установки которого является второй вход первого вычитателя.