Устройство для определения корреляционных и спектральных функций

 

"АТЕ11-т 6---" еаИЧ- Ои библио1фтти, р

0ц 590751

ОПИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.11.75 (21) 2189390/18-24 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30,01.78. Бюллетень № 4 (45) Дата опубликования описания 20.04.78 (51) М. Кл.з б 06F 15/34

Госуаарственныб комитет

Совета Министров СССР по аелате изобретений и открытий (53) УДК 681.323(088.8) (72) Авторы изобретения

М. М. Бабогло, E. Ф. Отраднов, Г. С. Певзнер, С. К. Турченкова и А. Б. Шадрин (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОРРЕЛЯЦИОННЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и предназначено для адаптивного корреляционно-спектрального анализа нестационарных случайных процессов вида аддитивной суммы центрированного шума и медленно изменяющегося неслучайного сигнала с априорно неизвестными параметрами.

Устройство относится к адаптивным средствам корреляционно-спектральных измерений 10 параллельного и параллельно-последовательного действия и может использоваться в адаптивных информационно-измерительных радиотехнических и управляющих системах, а также автономно для анализа нестационар- 15 ных случайных процессов с априорно неизвестными параметрами.

Известны устройства для измерения корреляционной функции, в которых автоматичес- 20 ки измеряются абсолютный интервал корреляции, время измерения корреляционной функции, полоса частотного анализа входных фильтров, адаптивные шаги параллельно или параллельно-последовательно измеря- 25 емых ординат корреляционной функции (1), а также устройство для измерения спектральной плотности. Известно также устройство, наиболее близкое по технической реализации (2). 30

Это устройство для определения корреляционных и спектральных функций, содержащее блок формирования интервала, выход которого подключен к первым входам блока образования разности, второй вход которого является входом устройства, коррелометра блока временной развертки и блока управления, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки, коррелометра и третьим входом блока образования разности, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения и блока задания ошибок, к третьему входу коррелометра и выходу блока временной развертки, третий вход которого соединен с выходом коррелометра, а управляющий вход с первым выходом блока управления и с управляющими входами коррелометра и управляющего фильтра, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности и вторым входом блока текущего усреднения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра, пятый вход которого соединен с .выходом управляющего фильтра, третий вход блока управления соединен с первым выходом

590751

Зо

65 блока текущего усреднения, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и с управляющим входом блока задания ошибки, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки. Недостатками аналогов и прототипа являются низкая помехозащищенность и низкая точность корреляционно-спектральных измерений нестационарных по математическому ожиданию случайных процессов в жестких условиях дефицита информации об основных параметрах. Это следует из отсутствия возможности решения задачи одновременно адаптивного выбора ряда основных параметров: абсолютных ошибок аппроксимации 6 — измеряемой корреляционной функции и б„— неслучайного сигнала т(Ц; адаптивных шагов по задержке { Аг „1; оптимального интервала Л4, аппроксимации сигнала m(t); текущего абсолютного интервала корреляции т „, оптимальных значений верхних границ частотных поддиапазонов (aj„} фильтров; оптимальных границ формирования случайных пауз (Лс у„„j /(о, т,).

Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности корреляционно-спектральных измерений устройством с ограниченными аппаратурными возможностями широкого класса нестационарных случайных процессов с априорно неизвестными параметрами.

Поставленная цель достигается за счет решения задачи одновременного адаптивного выбора ряда основных параметров в процессе оптимальных измерений корреляционной функции и спектральной плотности. Аппаратурно для достижения поставленной цели в устройство введены дополнительно генератор случайных чисел, блок формирования случайных интервалов, блок выбора диапазонов частот, блок формирования частот и фаз и блок формирования участков аргумента, первый вход которого соединен с третьим выходом блока текущего усреднения, второй вход — с выходом блока формирования интервалов, входом генератора случайных чисел и первыми входами блока формирования случайных интервалов и блока формирования частот и фаз, второй вход которого соединен со вторыми входами блока формирования случайных интервалов, коррелометра, входом блока выбора диапазонов частот и с выходом блока формирования участков аргумента, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления и управляющим входам блока формирования частот и фаз, блока формирования случайных интервалов, блока выбора диапазонов частот и генератора случайных чисел, выход которого подключен к третьему входу блока формирования слу гайных интервалов, выход которого соединен с третьим входом блока формирования частот и фаз, с шестым входом коррелометра, четвертым входом блока текущего усреднения и пятым входом блока образования разности, выход блока выбора диапазона частот соединен со вторым входом управляющего фильтра и с четвертым входом блока формирования частот и фаз, выход которого подключен к входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов и к седьмому входу коррелометра, На чертеже приведена блок-схема устройства.

Блок формирования интервала 1, выход которого подключен к первым входам блока образования разности 2, второй вход которого является входом устройства, коррелометра 3, блока временной развертки 4 и блока управления 5, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки 4, коррелометра 3, третьим входом блока образования разности 2, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения 6 и блока задания ошибки 7, к третьему входу коррелометра 3 и выходу блока временной развертки 4, третий вход которого соединен с выходом коррелометра 3, а управляющий вход — с первым выходом блока управления 5 и с управляющими входами коррелометра 3 и управляющего фильтра 8, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности 2 и вторым входом блока текущего усреднения 6, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления 5, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов 9, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра 3,:пятый вход которого соединен с выходом управляющего фильтра 8, третий вход блока управления 5 соединен с первым выходом блока текущего усреднения 6, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала 1, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления 5 и с управляющим входом блока задания ошибки 7, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения 6, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки 7, первый вход блока формирования участков аргумента 10 соединен с третьим выходом блока текущего усреднения 6, второй вход — с выходом блока формирования интервала 1, входом генератора случайных чисел 11 и первыми входами блока формирования случайных интервалов 12 и блока формирования частот и фаз 13, второй вход которого соединен со вторыми входами блока формирования случайных интервалов 12, коррелометра 3, входом блока выбора диапазонов частот 14 и с выходом блока формирования участков аргумента 10, управляющий

590751 вход которого подключен к четвертому выходу блока управления 5, п управляющим входам блока формирования частот и фаз 13, блока формирования случайных интервалов

12, блока выбора диапазонов частот 14 и генератора случайных чисел 11, выход которого подключен к третьему входу блока формирования случайных интервалов 12, выход которого соединен с третьим входом блока формирования частот и фаз 13, с шестым входом коррелометра 3, четвертым входом блока текущего усреднения 6 и пятым входом блока образования разности 2, выход блока выбора диапазонов частот 14 соединен со вторым входом управляющего фильтра 8 и с четвертым входом блока формирования частот и фаз 13, выход которого подключен к входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов 9 и к седьмому входу коррелометра 3.

Устройство работает следующим образом, Перед измерением по априорно заданному числу mo параллельно измеряемых ординат

АКФ в блоке формирования участков аргумента 10 выбирается, например, первый участок (о, т ), z< — — moAxo. Начальный шаг Лт выбирается в блоке формирования интервала 1. В соответствии с х< по команде с выхода блока формирования участков аргумента

10 через вход в блоке выбора диапазона частот 14 выбирается первый диапазон частот

Л(ь на который по команде с выхода блока

13 переключается через второй вход управляющий фильтр 8. В соответствии с т< также через второй вход в блоке формирования случайных интервалов 12 задается диапазон (о, т<) случайных фаз (Лср <).

Нестационарный случайный процесс x(t) по второму входу поступает в блок образования разности 2, формирующий на выходе разностный процесс Л< 1x(t) с интервалом

Лго=ткт вида

Л< >x (t) = х (t + И,) — х (t) . (1)

С блока 2 процесс Л< >x(t) поступает через первый вход управляющего фильтра 8 на пятый вход коррелометра 3 и непосредственно на второй вход блока текущего усреднения 6.

Коррелометр 3 за Л< циклов измеряет mo ординат автокорреляционной функции (АКФ) на первом участке (о, т ) по мультипликативному алгоритму:

R(-. ) = :— М вЂ” g Л< 1х (kyoto + Л уд) Л< 1х Q

k=1

Х (kyoto+,;+ ©k<) (2) где Р(т,„; ) — i-ая ордината R (т) ц.-ro (в данном случае 1-го) участка (о, т );

i=o, mo, Л<1ч, — k-ая случайная пауза между (k — 1)ый и k-ый циклами усреднения; т,,< — сдвиг по аргументу.

Зо

6

Случайные паузы (Л<р<,- 1 формирует блок формирования случайного интервала 12 с выхода на вход шесть коррелометра 3. Для этого через первый вход в блок 6 с блока формирования 1 поступает Лто, а через третий вход в блок 6 поступают случайные числа

C Sь1 с выхода генератора случайных чисел

11. Ограничение диапазона случайных пауз (Л<р Д до величины участка,(о, т<) через второй вход осуществляет блок формирования участков аргумента 10.

Параллельно с работой коррелометра 3 за

N циклов блок текущего усреднения 6 через второй вход измеряет начальную оценку среднего значения разностного процесса.

8 =Ж Q IЛ< >х(М-, + Лр„,)!. (3)

k-=1

Оценка (ошибка аппроксимации сигнала т(Цб п с третьего выхода блока 6 записывается через второй вход в блок задания ошибки 7.

Ординаты АКФ 1R(i;) г с выхода коррелометра 3 поступают через блок временной развертки 4 в блок образования разности 2 через четвертый вход, который совместно с блоком текущего усреднения 6, блоком задания ошибки 7, блоком формирования интервала 4 определяют оценку шага Лт, Л, „,=Л, „— Л-, з1дп(Ь< 1 R (Л-„), „,— 8, ), (4) где Лть, Лть — текущие оценки шагов, формируемые в блоке 1; Л< М (Лт<;) — разностный процесс, формируемый в блоке 2 с интервалом Лтл, Лт< — шаг коррекции;

sigv (...) — знаковая функция, определяемая в блоке 6.

6R=$R R

Для этого нулевая ордината КФ поступает в блок задания ошибок 7 по первому входу с коррелометра 3 через блок временной развертки 4 и сдвигается в задатчике ошибок 7 на заданную величину уд.

Поиск шага Лт, по алгоритму (4), заканчивается, например, в (и+а)-ом цикле, когда знаковая функция будет в первый раз больше нуля.

Измеренный шаг Лт, подается на первый вход блока управления 5, на первый вход блока временной развертки 4, на второй вход блока формирования участка аргумента 10, вход генератора случайных чисел 11, на первый вход блока формирования случайных интервалов 12, на первый вход блока формирования частот и фаз 13. По шагу Лт< в данном устройстве автоматически определяются масштаб основных параметров корреляционно-спектральных измерений по участку аргумента, по полосе частот анализа, по диапазону случайных интервалов. Это позволяет ав590751

ra (5) будет меньше или равной величине

65 томатически поддерживать точность измерения на втором участке без существенного увеличения времени измерения.

По командам с блока управления 5 существенные ординаты (R,(гЛто1) г .первого участка (о, т1) подаются с коррелометра 3 через блок временной развертки 4 на первый вход блока текущего усреднения 6. Последний определяет сумму модулей ЛР1 из mp1 модулей существенных ординат

М,, = », IR, (iЛт„)I. (5)

l=1

С блока задания ошибок 7 вызывается величина ошибки аппроксимации бгг, и в блоке 15 текущего усреднения 6 определяется разность

ВИДа (ЛР1 — бгг) . ЕСЛИ Sign (AR1 — 6a) ) О, тО по команде с первого выхода блока текущего усреднения 6, поступающей на третий вход блока управления 5, начинается измерение 20 ординат АКФ 2-го участка (т1, т ), где т — — т1= гггпЛтга.

При этом в блоке выбора диапазона частот

14 изменяется предыдущая частота fa< на новую fm= (2Лтга) . По команде с выхода бло- 25 ка 14 в соответствии с fa> в управляющем фильтре 8 через второй вход задается новая полоса пропускания Л 2. В блоке формирования случайного интервала .12 через первый вход задается новый диапазон случайных па- З0 уз (» <2) т2 гггОЛта1+т1.

Ограничение до т2 осуществляется через второй вход блока 12 по команде с блока 10.

Измерение на 2-ом и следующих участках аргумента происходит аналогично первому, З5 эписанному выше, за исключением того, что параллельно с измерением на втором участке

АКФ производится коррекция начального интервала аппроксимации Л4= Лг, т — о 40 максимальный интервал корреляции х®.

Для этого аналогично определению Лтг„ волоками текущего усреднения 6, формирова-гия интервала 1, задания ошибок 7, определяется новая оценка интервала

Л п Л ра зцп Х

)< ((М(Л< >х(/)) „, — В ), (6) где Л +ь Ж вЂ” оценки интервала, формируемые в блоке определения интервала 1;

Лт,„а — шаг измерения на участке (-, т, sign (...j — знаковая функция, формируемая в блоке 6. М(Л< 1х®) +< — текущая оценка модуля

:реднего значения разностного процесса

И1х®, определяемая в блоке 3 по ордина.ам разностного процесса Л(цх®, поступаюцим с блока 1 по второму входу.

Таким образом шаги (Лт„, г и оптимальгый интервал Лепт определяется с автомати- 50 гески измеренными ошибками б„и бгг.

В случае если, например, на р-ом, ре 1,1г частке (т -г, тр ) сумма модулей AR; ви8 бв, т. е. sign(ARp — бв)(0, то с первого выхода блока текущего усреднения 6 через третий вход в блок управления 5 подается команда «Конец измерения АКФ». С этого момента уточняется значение абсолютного интервала коррекции тг, АКФ Я(т).

Для этого с коррелометра 3 на третий вход блока временной развертки 4, на блок текущего усреднения 6 по первому входу подаются измеренные существенные ординаты

АКФ P-ro участка и формируется текущая сумма существенных ординат вида

ЛЦ,г — ЛРр,г+1+1М а (гЛт )! (7) и из текущей суммы ЛР11,г вычитается ошибка аппроксимации á и формируется в блоке 3 знаковая функция.

sign(4R>, — о ). (8)

В момент, когда, например, при i=5, sign (...) в (7) будет в первый раз больше нуля, в блоке формирования участка аргумента 10 по первому входу с третьего выхода блока 6 фиксируется число i=5, и в блоке формирования участка аргумента определяется абсолютный интервал корреляции ,-+-5Лт, = Лт, т, + а — 1

+ т, «Лт„+5Ат, (9) р.=г где @=01, ..., P — 1, P, ..., и — участки аргумента.

В соответствии с тг„по команде с выхода блока 10, в блоках образования разности 2 по третьему входу, временной развертки 4 по второму входу, формирования случайного интервала 12 по второму входу, выбора диапазона частот и фаз 14 и коррелометра 3 по вторым входам задаются, соответственно, ограничения по интервалу Atp (zk, диапазону случайных фаз (о, тя ); нижней границе

fHB(T ku частотного диапазона Л/в.

Таким образом в данном устройстве адаптивно определяются выборки существенных оро динат (Рог,гЛт1, ) I АКФ R() шума х® и их шаги (Лт„, г, интервал абсолютной коро реляции т1,, шума x(t); оптимальный интерВал Лгопт=ktp tka формирования разностного процесса Л11>x(t); оптимальные значения верхних частот поддиапазонов (hf,, >, пропорциональные минимальным шагам поддиапазонов (Лттгп, а 1 6 (Лтра г На участках (т .— 1, т,, ) ПО аРГУМЕНтУ; ОПтИМаЛЬНЫЕ ГРаницы случайных пауз, пропорциональные (та-: I «р):шоЛтгпахра» Лтаах а шаг, максимальный из шагов (Лт,, г íà 1г;ом участке по аргументу. Все это за счет одновременного измерения повышает точность и помехозащищенность корреляционно-спектральных измерений.

590751

15

moo 2m

moo

Измерение спектральной плотности G(f) c заданной точностью производится следующим образом. Блоки синусно-косинусных коэффициентов 9, формирования частот и фаз

13 подключаются к четвертому и седьмому входам коррелометра 3, через третий вход в коррелометр 3 через блок временной развертки 4 через его третий вход с выхода коррелометра 3 подаются существенные ординаты (Rñ(1Лт„а ) ) АКФ с их шагами { Лтра) °

Блок 13 управляется с блоком формирования интервала 1 через первый вход по

1Лт 1; формирования участков аргумента

10 через второй вход по (<,. 1,,. ) 6 выбора диапазона частот 14 через четвертый вход по „, = (2Лт„, ) вЂ, формирования случайного интервала 12 через третий вход по (о, т„).

Таким образом, блок формирования частот и фаз 13 преобразует оптимальные параметры измерения АКФ в оптимальные параметры измерения спектральной плотности (через

Фурье-преобразование по АКФ). Блок 13 может состоять из набора преобразователей код-интервала: шага в частоту Лт„, в

fpa = (2Лт„. ), кодов участков (т„1, „1 в диапазоны частот Af„, интервала абсолютной корреляции т1, в интервал затухания

G(f), разбитый по частоте íà P — а участков, синхронизатора-распределителя и набора схем перезаписей для стыковки с другими блоками.

Измерение G(f) на базе узлов адаптивного коррелометра происходит по параллельнопоследовательным алгоритмам вида! (О= G(f,i): (9а) р.=1

0 ((,) = 2Л „Л, (О) + 4Л „ ; R Q

1=1 j= 1

)((1Лт„) cos (2 А-.„+ 6f"" ); (9б) G (f,„) = 4Л с,, R, (йЬ,) cos ><

1=1

X(2 6 „, bf„, i / — ф,), (9в) где G(f1j), G(f j) — спектральные плотности на участках 1-ом р-ом, 11= — 1, 2, ..., P— участки по частоте;

P — номер участка последнего аргумента (т 1, т ), На КОТОРОМ ИЗМЕРЕН т1-,„

Rc(i

cos (211Лт1аХ Л/fa Х1Х/) и cos (2йЛт „ i / — ф. 1 ) — (1 j) — не косинусоиды с 1-го и р-го участков по частоте (о, f ), (f 1, Л/1, hf a — шаги по частоте, равные (2Лт1а) и (2Лт,„), ф„. 1 — начальная фаза p,-ro участка (f — 1, f„) ao частоте, пропорциональные 2л. (тр. 1 ) —, т, 1 граница (p — 1) -го участка по аргументу;

G(f) — спектральная плотность шума х(1)

АКФ R (т) на интервале (о,тк,).

Таким образом в предлагаемом устройстве реализован адаптивный выбор основных параметров измерения корреляционно-спектральных функций нестационарных процессов с априорно-неизвестными параметрами. Причем, адаптивный выбор параметров измерения АКФ Р(т) .позволяет оптимально в режиме вторичной обработки измерить спектральную плотность 6® теми же узлами, что и измерение АКФ. Это позволяет существенно повысить точность и помехоустойчивость корреляционно-спектральных измерений в жестких условиях дефицита априорной информации и ограниченных возможностей аппаратуры.

Формула изобретения

Устройство для определения корреляционных и спектральных функций, содержащее блок формирования интервала, выход которого подключен к первым входам блока образования разности, второй вход которого является входом устройства, корр елометра, блока временной развертки и блока управления, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки, коррелометра и третьим входом блока образования разности, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения и блока задания о1пибки, к третьему входу коррелометра и выходу блока временной развертки, третий вход которого соединен с выходом коррелометра, а управляющий вход — с первым выходом блока управления и с управляющими входами коррелометра и управляющего фильтра, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности и вторым входом блока текущего усреднения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра, пятый вход которого соединен с выходом управляющего фильтра, третий вход блока управления соединен с первым выходом блока текущего усреднения, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и с управляющим входом блока задания ошибки, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности устройства, в него введены дополнительно генератор случайных чисел, блок формирования случайных интервалов, блок выбора диапазонов частот, блок формирования частот и фаз и блок

590751

Составитель В, новинский

Редактор P. Киселева Техред А. Камышникова Корректоры: Е. Хмелева и Л. Котова

Заказ 1375/1 Изд. № 182 Тираж 8!8

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное з 1пографпя, IljJ. Сап llcHB 2 формирования участков аргумента, первый вход которого соединен с третьим выходом олока текущего усреднения, второй вход — с выходом блока формирования интервала, входом генератора случайных чисел и, первыми входами блока формирования случайных интервалов и блока формирования частот и фаз, второй вход которого соединен со вторыми входами блока формирования случайных интервалов, коррелометра, входом блока выбора диапазонов частот и с выходом блока формирования участков аргумента, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления и управляющим входам блока формирования частот и фаз, блока формирования случайных интервалов, блока выбора диапазонов частот и генератора случайных чисел, выход которого подключен к третьему входу блока формирования случайных интервалов, выход которого соединен с третьим входом блока формирования частот и фаз, с шестым входом коррелометра, четвертым входом блока текущего ус5 реднения и пятым входом блока образования разности, выход блока выбора диапазона частот соединен со вторым входом управляющего фильтра и с четвертым входом блока формирования частот и фаз, выход котоIG рого подключен к входу. блока формирования синусно-косинусных коэффициентов и к седьмому входу коррелометра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ¹ 474014, кл. G 06F 15/34, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР№479114, кл, G 06F 15/34, 1975,