Анализатор плотности вероятности фазы сигнала

Предложенное изобретение относится к области измерения статистических характеристик случайных процессов и может быть использовано для измерения статистических характеристик случайной фазы сигнала. Задача данного изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и упрощение процедуры измерения плотности вероятности фазы. Анализатор плотности вероятности фазы сигнала содержит отсчетный блок с памятью, аналоговый запоминающий блок, формирователь опорного колебания, управляемый генератор, формирователь стробирующих импульсов, два канала преобразования, в каждый из которых включены блок выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь и накапливающий усредняющий сумматор. Кроме того, в состав устройства дополнительно введены первый и второй перемножители, первый и второй функциональные преобразователи, оперативный сумматор, дополнительный накапливающий сумматор и отдельно блок управления, соответствующим образом соединенные между собой. 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерения статистических характеристик случайных процессов и может быть использовано для измерения статистических характеристик случайной фазы сигнала.

При статистическом анализе случайной фазы сигнала используется статистическое среднее вида [Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982, с. 32]

называемое характеристической функцией (ХФ), где V_m - вещественный параметр характеристической функции; ϕ(t) - случайный процесс, например фаза сигнала; m₁ - знак математического ожидания.

Преобразование выражения (1) приводит его к виду

где A(V_m) и B(V_m) - действительная и мнимая части характеристической функции.

Кроме того, известно [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. М.: Радио и связь, 2003, с.30], что плотность вероятности случайного процесса связана с ХФ через обратное преобразование Фурье:

где х - значение случайного процесса (например, конечной разности фазы сигнала) или аргумент плотности вероятности.

Известно устройство, реализующее способ измерения плотности вероятности фазы сигнала [Чмых М.К. Цифровая фазометрия. - М.: Радио и связь, 1993, с.283]. Устройство содержит фазовращатели, перемножители, амплитудные дискриминаторы, усилители постоянного тока, интеграторы, триггер, схему управления и индикатор. Принцип работы данного устройства состоит в выделении интервалов времени пребывания случайной фазы в некотором дифференциальном коридоре Δϕ. Это время прямо пропорционально вероятности нахождения фазы в дифференциальном коридоре Δϕ, по значениям которого находится плотность вероятности фазы. По своему построению данное устройство является аналоговым, однако при использовании преобразователей интервал времени - код можно перейти к аналого-цифровой реализации способа.

Недостатком данного устройства измерения плотности вероятности является малый диапазон значений разности фаз (π/6≤ϕ_max≤π/4) и погрешность из-за дрейфа нуля входящих в состав данного устройства перемножителей, усилителей постоянного тока и амплитудных дискриминаторов.

Из известных наиболее близким по технической сущности является анализатор характеристической функции сигнала [Авторское свидетельство №1422182, кл. G01R 25/00. Статистический анализатор конечной разности фазы/Б.Г. Бронштейн и др.], содержащий отсчетный блок с памятью, два канала преобразования, в каждом из которых последовательно соединены блок выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), накапливающий усредняющий сумматор, причем управляющие входы сумматоров подключены к первым входам каналов преобразования и объединены, а вторые входы каналов объединены и присоединены к входам блоков выборки и хранения и к выходу аналогового запоминающего блока, первый тактовый вход которого подключен к первым входу формирователя опорного колебания и выходу управляемого генератора, второй выход которого присоединен к второму тактовому входу аналогового запоминающего блока, вход которого объединен с входом анализатора и подключен к второму входу формирователя опорного колебания, выход которого соединен с первым входом формирователя стробирующих импульсов, первый выход которого одновременно подключен к управляющим входам блока выборки и хранения и АЦП первого канала преобразования, а второй выход - к управляющим входам блока выборки и хранения и АЦП второго канала преобразования, кроме того, второй вход формирователя стробирующих импульсов объединен с входом управляемого генератора. На выходах анализатора получаются значения действительной и мнимой частей характеристической функции конечной разности фазы.

Данное устройство не измеряет значения плотности вероятности фазы сигнала, которые необходимы при статистической обработке сигнала, а дает лишь исходные данные для последующего ее вычисления.

Задача предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и упрощение процедуры измерения плотности вероятности фазы.

Указанная задача достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее отсчетный блок с памятью, два канала преобразования, в каждом из которых последовательно соединены блок выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор, причем управляющие входы сумматоров подключены к первым входам каналов преобразования и объединены, а вторые входы каналов объединены и присоединены к входам блоков выборки и хранения и к выходу аналогового запоминающего блока (АЗБ), первый тактовый вход которого подключен к первому входу формирователя опорного колебания (ФОК) и первому выходу управляемого генератора (УГ), второй выход которого присоединен к второму тактовому входу аналогового запоминающего блока, вход которого объединен с входом анализатора и подключен к второму входу формирователя опорного колебания, выход которого соединен с первым входом формирователя стробирующих импульсов (ФСИ), первый выход которого одновременно подключен к управляющим входам блока выборки и хранения (БВХ) и АЦП первого канала преобразования, а второй выход - к управляющим входам блока выборки и хранения и АЦП второго канала преобразования, кроме того, второй вход формирователя стробирующих импульсов объединен с входом управляемого генератора, согласно изобретению введены первый и второй перемножители, первый и второй функциональные преобразователи, последовательно соединенные оперативный сумматор, дополнительный накапливающий сумматор и отдельно блок управления (БУ), первый выход которого подключен к входу УГ, а второй выход одновременно присоединен к входам первого и второго функциональных преобразователей, выход первого из которых подключен к первому входу первого перемножителя, а выход второго - к первому входу второго перемножителя, у которого второй вход соединен с выходом второго канала преобразования, в то время как выход первого канала преобразования присоединен к второму входу первого перемножителя, выход которого подключен к первому входу оперативного сумматора, а второй вход оперативного сумматора присоединен к выходу второго перемножителя, причем выход дополнительного накапливающего сумматора подключен к входу отсчетного блока с памятью, управляющий вход которого объединен с вторым управляющим входом дополнительного накапливающего сумматора и подключен к четвертому выходу блока управления, третий выход которого подключен к первому управляющему входу дополнительного накапливающего сумматора и первым входам каналов преобразования, а вход блока управления соединен с входом "количество измерений".

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов на выходах блоков схемы; на фиг.3 - временные диаграммы сигналов на выходах блока управления.

Анализатор плотности вероятности фазы сигнала содержит аналоговый запоминающий блок 1, блоки выборки и хранения 2 и 3, АЦП 4 и 5, формирователь стробирующих импульсов 6, формирователь опорного колебания 7, управляемый генератор 8, блок управления 9, первый 10 и второй 11 накапливающие усредняющие сумматоры, первый 12 и второй 13 перемножители, оперативный сумматор 14, первый 15 и второй 16 функциональные преобразователи, дополнительный накапливающий сумматор 17 и отсчетный блок с памятью 18.

Входом анализатора является вход АЗБ 1, выход которого подключен к входам БВХ 2 и 3, выходы которых подключены к входам АЦП 4 и 5, управляющие входы которых соединены с управляющими входами соответственно БВХ 2 и БВХ 3, а также соответственно с первым и вторым выходами ФСИ 6, первый вход которого соединен с выходом ФОК 7, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом АЗБ 1 и первым выходом УГ 8, вход которого соединен с вторым входом ФСИ 6 и первым выходом БУ 9, третий выход которого соединен с управляющими входами первого 10 и второго 11 накапливающих усредняющих сумматоров, входы которых подключены к выходам соответственно АЦП 4 и АЦП 5. Выходы сумматоров подключены к первым входам соответственно первого 12 и второго 13 перемножителей, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами оперативного сумматора 14, а вторые входы подключены к выходам соответственно первого 15 и второго 16 функциональных преобразователей, входы которых объединены и подключены к второму выходу БУ 9, вход которого соединен с входом "Количество измерений", а четвертый выход соединен с вторым управляющим входом дополнительного накапливающего сумматора 17 и управляющим входом отсчетного блока с памятью 18, вход которого соединен с выходом дополнительного накапливающего сумматора 17, первый управляющий вход которого соединен с первыми управляющими входами первого 10 и второго 11 накапливающих усредняющих сумматоров, а вход сумматора 17 подключен к выходу оперативного сумматора 14.

АЗБ 1 предназначен для изменения вещественного параметра ХФ путем умножения фазы исследуемого сигнала, что достигается посредством запоминания мгновенных значений входного колебания на интервале, равном его периоду, и считыванием их с частотой в V_m раз больше частоты дискретизации. Вариант построения АЗБ приведен в [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. М.: Радио и связь, 2003, с.121].

Блоки 2 и 3 выборки и хранения интегрирующего типа предназначены для запоминания мгновенных значений сигналов, поступающих на их входы, в течение действия импульсов на их управляющих входах. Очистка содержимого блоков 2 и 3 осуществляется по переднему фронту импульсов на управляющих входах. Вид импульсов показан на временных диаграммах на фиг.2 в, г.

АЦП 4 и 5 предназначены для преобразования в цифровой код выходных сигналов блоков выборки и хранения 2 и 3 соответственно.

Формирователь 6 стробирующих импульсов обеспечивает формирование импульсов, управляющих работой блоков 2 и 3 выборки и хранения. Длительность импульсов равна половине периода сигнала, действующего на входах блоков выборки и хранения 2 и 3. Последовательности импульсов на выходах ФСИ сдвинуты относительно друг друга на четверть периода. Схема построения формирователя приведена в [Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. М.: Радио и связь, 2003, с.130]. Вид сигналов на выходах ФСИ показан на диаграммах на фиг.2 ,в, г.

Формирователь 7 опорного колебания представляет собой аналоговую линию задержки с временем задержки τ, которое соответствует шагу конечной разности фазы сигнала.

Управляемый генератор 8 предназначен для формирования последовательностей тактовых импульсов с частотами ƒ_∂ на своем первом выходе и с частотой V_m·ƒ_∂ на втором выходе, где V_m является аргументом ХФ, а ƒ_∂ - частотой дискретизации. Числовой код, соответствующий V_m, подается на вход УГ.

Блок управления 9 предназначен для синхронизации работы всех блоков, входящих в анализатор. Блок управления имеет один вход и четыре выхода. На первом выходе формируется код числа V_m. На втором выходе формируется код произведения V_m·x, где х - аргумент плотности вероятности конечной разности фазы. На третьем выходе формируется сигнал "Время измерения", представляющий последовательность импульсов с периодом T, равным времени измерения одного значения действительной и мнимой частей ХФ при заданном V_m. На четвертом выходе БУ формируется сигнал "Сброс" - последовательность импульсов с периодом К·Т, где К соответствует максимальному значению V_m. Код числа К подается на вход БУ. Временные диаграммы сигналов на выходах блока управления приведены на фиг.3.

Накапливающие усредняющие сумматоры 10 и 11 предназначены для получения отсчетов ХФ путем суммирования кодов на выходах АЦП.

Перемножители 12 и 13 служат для вычисления промежуточных результатов, требуемых для нахождения значений плотности вероятности в соответствии с формулой (3). Микросхемы перемножителей выбираются исходя из требуемой разрядности. Тактирование перемножителей осуществляется таким образом, что тактовый импульс поступает всякий раз при изменении кода на любом из входов перемножителей. Таким образом, перемножители работают как, что на их выходах всегда выставлено произведение кодов, поступающих на их входы.

Оперативный сумматор 14 проводит суммирование кодов с выходов перемножителей 12 и 13. Сумматор выбирается исходя из требуемой разрядности. Тактирование сумматора проводится при любом изменении кода на его входах.

Первый 15 и второй 16 функциональные преобразователи представляют собой ПЗУ с записанными значениями функций соответственно синуса и косинуса. На адресные входы преобразователей подается код, соответствующий аргументу плотности вероятности. Тактирование функциональных преобразователей происходит при любом изменении кода на их адресных входах.

Дополнительный накапливающий сумматор 17 служит для получения значений плотности вероятности конечной разности фазы.

Отсчетный блок с памятью 18 служит для отображения результатов измерений, причем наличие памяти позволяет фиксировать не только последнее измеренное значение плотности вероятности, но и все предыдущие. По прошествии полного цикла измерения отсчетный блок содержит все значения плотности вероятности.

Анализатор плотности вероятности фазы сигнала работает следующим образом.

После включения питания происходит очистка памяти отсчетного блока, после чего запускается БУ, на третьем выходе которого появляется импульс, задний фронт которого обнуляет содержимое накапливающих сумматоров 10 и 11 (см. фиг.3, а). Одновременно с импульсом на третьем выходе БУ появляется импульс на четвертом выходе (см. фиг.3, г). По заднему фронту этого импульса обнуляется содержимое дополнительного накапливающего сумматора 17. После этого на первом выходе БУ устанавливается код, соответствующий начальному значению параметра V_m, т.е. единице (см. фиг.3, б). Этот код обеспечивает правильную работу УГ и ФСИ. Одновременно с появлением кода на первом выходе БУ на втором выходе БУ формируется код, соответствующий произведению V_m·x, то есть 1·х, 2·х и т.д. Установление кодов на первом и втором выходах БУ происходит одновременно с появлением заднего фронта импульса на третьем выходе БУ.

Импульс на четвертом выходе БУ (сигнал "Сброс", см. фиг.3, г) появляется синхронно с К-м импульсом на третьем выходе БУ, причем код, соответствующий числу К, подается на вход "Количество измерений" блока управления. Число К равно максимальному значению параметра V_m. При появлении заднего фронта импульса на четвертом выходе БУ на его втором выходе БУ происходит замена кода "К·х" на код "1·(x+Δх)", где Δx - шаг изменения аргумента плотности вероятности.

Пусть на вход анализатора поступает сигнал вида u(t)=U₀·cos[ω_ct+ϕ(t)] с флуктуациями фазы ϕ(t) (фиг.2, a). Этот сигнал подается на вход АЗБ, который работает таким образом, что на его выходе формируется кусочно-импульсный сигнал с мгновенной фазой, умноженной на V_m. При V_m=1 сигнал на выходе АЗБ аналогичен сигналу на его входе. При V_m=2 мгновенная фаза сигнала на выходе АЗБ увеличивается в два раза (см. фиг.2, б), при V_m=3 - в три раза, и т.д. Код, соответствующий значению V_m, устанавливает частоту управляемого генератора равной V_m·ƒ_∂. Сигнал управляемого генератора с частотой V_m·ƒ_∂ обеспечивает формирование кусочно-импульсного сигнала (фиг.2, б).

Одновременно входной сигнал анализатора поступает на формирователь опорного колебания, на выходе которого появляется опорное колебание u(t-τ)=U₀·cos[ω_ct+ϕ(t-τ)]. Это колебание поступает на вход формирователя стробирующих импульсов.

Формирователь стробирующих импульсов 6 имеет на своих выходах последовательность импульсов с частотой V_m·ƒ_c длительностью 1/(2V_mƒ_c), причем последовательность импульсов на первом выходе (фиг.2, в) сдвинута относительно последовательности импульсов на втором выходе (фиг.2, г) на T_c/(4V_m), что соответствует 1/(4V_m) части периода опорного колебания, где Т_c - период опорного колебания.

Блоки 2 и 3 выборки и хранения интегрируют поступающий на их входы сигнал в течение действия стробирующих импульсов на их управляющих входах, а на выходах блоков 2 и 3 соответственно получаются напряжения, пропорциональные двум квадратурным оценкам

где φ(t)=ϕ(t)-ϕ(t-τ) - случайный процесс (конечная разность фазы сигнала). Напряжения с выходов блоков 2 и 3 поступают на входы АЦП 4 и 5 соответственно. При этом запуск последних производится при появлении заднего фронта импульса на соответствующих управляющих входах, т.е. сразу после окончания действия стробирующего импульса на соответствующем выходе формирователя 6 стробирующих импульсов. После завершения аналого-цифрового преобразования на выходах "Конец преобразования" АЦП 4 и 5 формируются импульсы, которые, поступая на вторые управляющие входы соответствующих накапливающих усредняющих сумматоров 10 и 11, вызывают прибавление кодов, сформированных на выходах АЦП 4 и 5, к кодам, записанным ранее в накапливающих усредняющих сумматорах 10 и 11.

Цикл измерения значений действительной и мнимой частей характеристической функции заканчивается при появлении заднего фронта импульса на управляющих входах накапливающих усредняющих сумматоров 10 и 11. Сигнал на управляющие входы накапливающих усредняющих сумматоров 10 и 11 подается с третьего выхода БУ (фиг.3, а). После окончания цикла измерения в накапливающих усредняющих сумматорах 10 и 11 получаются цифровые коды чисел, пропорциональные действительной и мнимой частям характеристической функции при одном значении V_m:

где N - количество стробирующих импульсов, поступающих на управляющие входы БВХ за T - время измерения (фиг.3, a). При V_m=1 имеем:

По переднему фронту сигнала "Время измерения" происходит прибавление кода на входе дополнительного накапливающего сумматора 17 к его содержимому. Длительность импульса в сигнале "Время измерения" достаточна, чтобы сработали первый 12 и второй 13 перемножители, а на выходе оперативного сумматора 14 установился код суммы произведений. При этом на вторые входы перемножителей 12 и 13 подается код с выходов функциональных преобразователей 15 и 16. Последние представляют собой ПЗУ с записанными в них значениями функции косинус (первый функциональный преобразователь) и функции синус (второй функциональный преобразователь), взятыми в пределах одного периода с шагом Δх. На адресные входы преобразователей с блока управления 9 поступает код, соответствующий произведению x·V_m, взятому по модулю М. Причем М - это количество записанных в ПЗУ значений функций синус и косинус, а х - текущее значение аргумента плотности вероятности фазы сигнала. Код на адресных входах функциональных преобразователей изменяется синхронно с передним фронтом сигнала "Время измерения".

На выходах перемножителей 12 и 13 получаются коды, соответствующие произведениям:

Для V_m=1 имеем:

Тактирование премножителей, функциональных преобразователей и оперативного сумматора происходит при любом изменении кодов на их входах.

При изменении значения V_m повторяется процедура измерения оценок (4) произведений (5) до тех пор, пока не выполнится равенство V_m=К.

Сброс дополнительного накапливающего сумматора 17 осуществляется задним фронтом сигнала на четвертом выходе блока управления (фиг.3, г) после повторения К циклов измерения действительной и мнимой частей характеристической функции. Содержимое дополнительного накапливающего сумматора считывается в память отсчетного блока 18 при появлении переднего фронта на управляющем входе последнего. Содержимое в дополнительном накапливающем сумматоре в момент считывания кода можно представить как

Отсчетный блок с памятью выполняет индикацию результатов измерения плотности вероятности фазы сигнала в соответствии с формулой (3) с использованием содержимого (6) дополнительного накапливающего сумматора 17.

После этого блок управления увеличивает аргумент плотности вероятности на Δх (см. фиг.3, в) и затем повторяются ранее описанные процедуры измерения значения плотности вероятности при аргументе (х+Δх). Количество шагов Δх равно М, следовательно, М раз выполняются процедуры измерения значений плотности вероятности фазы сигнала, после чего в отсчетном блоке содержатся все значения плотности вероятности на интервале [-π...π] с шагом аргумента Δх и измерение начинается заново.

Таким образом, введение первого и второго перемножителей, первого и второго функциональных преобразователей, оперативного и дополнительного накапливающих сумматоров и блока управления с соответствующими связями позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет измерения плотности вероятности фазы сигнала.

Анализатор плотности вероятности фазы сигнала, содержащий отсчетный блок с памятью, два канала преобразования, в каждом из которых последовательно соединены блок выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор, причем управляющие входы сумматоров подключены к первым входам каналов преобразования и объединены, а вторые входы каналов объединены и присоединены к входам блоков выборки и хранения и к выходу аналогового запоминающего блока, первый тактовый вход которого подключен к первому входу формирователя опорного колебания и первому выходу управляемого генератора, второй выход которого присоединен к второму тактовому входу аналогового запоминающего блока, вход которого объединен с входом анализатора и подключен к второму входу формирователя опорного колебания, выход которого соединен с первым входом формирователя стробирующих импульсов, первый выход которого одновременно подключен к управляющим входам блока выборки и хранения и АЦП первого канала преобразования, а второй выход - к управляющим входам блока выборки и хранения и АЦП второго канала преобразования, кроме того, второй вход формирователя стробирующих импульсов объединен с входом управляемого генератора, отличающийся тем, что в него введены первый и второй перемножители, первый и второй функциональные преобразователи, последовательно соединенные оперативный сумматор, дополнительный накапливающий сумматор и отдельно блок управления, первый выход которого подключен к входу управляемого генератора, а второй выход одновременно присоединен к входам первого и второго функциональных преобразователей, выход первого из которых подключен к первому входу первого перемножителя, а выход второго - к первому входу второго перемножителя, у которого второй вход соединен с выходом второго канала преобразования, в то время как выход первого канала преобразования присоединен к второму входу первого перемножителя, выход которого подключен к первому входу оперативного сумматора, а второй вход оперативного сумматора присоединен к выходу второго перемножителя, причем выход дополнительного накапливающего сумматора подключен к входу отсчетного блока с памятью, управляющий вход которого объединен с вторым управляющим входом дополнительного накапливающего сумматора и подключен к четвертому выходу блока управления, третий выход которого подключен к первому управляющему входу дополнительного накапливающего сумматора и первым входам каналов преобразования, а вход блока управления соединен с входом "количество измерений".