Аналого-дискретный анализатор спектра

 

Союз Советсиин

Социалистическик

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 734740 (61) Дополнительное к авт. свид-ву ¹ 433505 (22) Заявлено 30.01.78 (21) 2574852/18-24 (51) М. Кл.

О 06 G 7/52 а 01 P 23100 с присоединением заявки №вЂ”

Гасударственный комитет

СССР (23) Прноритет— по. делан изобретений и открытий (5З) 681.323 (088. 8) Опубликовано 15.05.80.-Бюллетень ¹ 18

Дата опубликования описания 18.05.80

B. И. Якименко (72) Автор изобретения (7I) Заявитель (54) АНАЛОГО-QHCKPETHbIA АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА

Изобретение относится к области специализированных средств вычислительной техники, предназначенной для автоматизации исследования случайных электрических сигналов и принятия решений пб полученным оценкам вероятностных характе5 ристик, например в акустике, радиофизике, технической диагностике и др.

Современные научные и технические эксперименты, в которых отсутствует или !

О мала априорная информация о кла=се сигналов, подвергаемых обработке, часто проводятся в условиях, при которых требуется высокая скорость получения результатов измерений при высокой точнос - 5 ти оценки характеристик каждого из кла сов входных сигналов.

Аппаратурное решение задачи анализа спектра с указанными требованиями может производиться как автоматическими цифровыми так и аналого-дискретными анализаторами, использующими алгоритмы дискретного преобразования Фурье (ИПФ) для обработки непосредственно дходного случайного сигнала или предварительно вычисленной корреляционной функции. При том для обеспечения высокой точности вычислений спектра различных классов сигналов производят предварительное временное сглаживание сигнала, т. е. умно;кение (в арифметическом устройстве) сигнала на.весовую функцию определенного класса, или производят частотное сглаживание — результат вычислений умножают на частотное окно, выборочные значения которого хранятся в табличной (постоянной) памяти 1).

По основному авт. св. No 433505 известен многоканальный аналого-дискретный анализатор, имеющий простую (по сравнению с цифровыми) процедуру синтеза ряда Фурье, описывающего различные оценки "усеченного" спектра.

Получение ансамбля оценок "усеченного спектра достигается благодаря тому, что к последовательно соединенным многоканальному коррелятору, блоку переключателей и блоку возбуждаемых контуров

734740 4

Схема анализатора спектра содержит многоканальный коррелятор 1, выходы через блок 2 переключателей, соединены с блоком 3 возбуждаемых контуров

4, выходы которых соединены со входами блока 5. суммирования, содержащего канальные сумматоры 6, первые входы каждого из последующих сумматоров

6 соединены с выходом предыдущего, а вторые входы. являются входами блока 5 суммирования; блок 7 принятия решений содержащий подключенный ко входу анализатора спектра измеритель 8 ин45 тервала корреляции., последовательно к первому выходу которого подключены первый счетчик 9 и первый дешифратор

10, ко второму выходу последовательно подключены второй счетчик 92 и второй

50 дешифратор 11, к выходам канальных сумматоров 6 подключены входы первого коммутатора 12, общий выход которого является первым выходом анализатора спектра и соединен со вторым коммута55 тором 13 и линией 14 задержки, первая группа выходов которой соединена с а- третьим коммутатором 15, вторая группа выходов с четвертым коммутатором включен ряд канальных сумматоров, при.чем первый вход каждого из последующих сумматоров соединен с выходом пре дыдущего, а вторые входы подключены к выходам соответствующих канальных возбуждаемых контуров, все сумматоры обьединены в блок суммирования. Такое выполнение устройства позволяет за один цикл измерений наиболее быстрым способом получить несколько оценок спектра, одновременно суммируя в ряде сумматоров колебания с выходов ряда канальных контуров, благодаря чему каждый из полученных результатов эквивалентен одной из оценок спектра с заданной точкой усечения весовой функцииЕ23, Недостатками указанного анализатора явлжотся ограничения, накладываемые на класс обрабатываемых сигналов. Априори должен быть известен класс сигнала с монотонным спектром, "гладким (шумоподобные сигналы), либо со спектром, содержащим периодические компоненты с небольшим отношением амплитуд, так как при прямоугольной весовой функции, используемой при анализе, первый боковой лепесток имеет уровень только — 13,2 дБ от основного„что при вело бы к значительным погрешностям вычислений других классов сигналов.

Незнание ожидаемого интервала коррекции приводит ко второму типу погрешностей спектра из-за влияния "хвостов" коррепяционной функции (ординат не несущих информации) на оценку спектра.

Выбор требуемой оценки спектра из ансамбля производится вручную, ориентировочно.

Бель изобретения — повышение точности и расширение класса исследуемых процессов.

Поставленная цель достигается тем, что в анализатор введены четыре коммутатора, линия задержки, блок управления и блок принятия решений, первый вход которого соединен со входом анализатора спектра, а второй с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первым выходом блока принятия решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соответственно второго и третьего коммутаторов, выходы второго третьего и четвер того коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходовоГЬ сумм матара„группа информационных входов

5 0

Зо первого коммутатора соединена с соответствующими выходами блока суммирования, а выход первого коммутатора подключен ко второму входу второго комму-. татора и ко входу линии задержки, первая группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информационных входов четвертого коммутатора.

Кроме того, блок принятия решений содержит измеритель интервала корреляции, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами блока принятия решений, первый и второй выходы измерителя интервала корреляции подключены соответственно через первый и второй счетчик к первому и второму дешифратору, выход первого дешифратора является первым выходом блока принятия решения, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами второго дешифратора.

На фиг. 1 приведена блок-схеМа описываемого анализатора спектра; на фиг.

2 — выбор точек усечения корреляционных функций и.результаты сглаживания одного из спектров двумя типами спектральных "окон".

734740

16, а каждый, например, из двух выходов второго, третьего и четвертого коммутаторов 13, 15 и 16 соединен через соответствующие весовые элементы 17 на каждом из входов многовходового сум- 5 матора 18 сглаженного спектра со входом усилителя 19, выход которого яв ляется BbKKolloM сумматора 18 сглаженного спектра и pTopbIM выходом анализатора спектра, при этом первый управля- 10 ющий вход первого коммутатора 12 подключен к выходу первого дешифратора

10, второй управляющий вход к первому выходу устройства 20 управления, управляющие входы второго, третьего и четвертого коммутаторов 13, 15 и 16 подключены к соответствующим выходам второго дешифратора 11, а управляющий вход измерителя 8 интервала коррекляции - ко второму выходу блока 20 управ-20 ления.

При аппаратурном анализе спектра необходимо предпринять меры для автоматизации задания условий минимизации составляющих методической погрешнос25 л ти оиеики спектра д )БЩ), кОторые вносят наиболее существенный вклад в суммарную погрешность измерений (содержащую также статистическую и аппа30 ратурные составляющие) .

В случае использования сглаживающей функции Ьр(Ю ф 1 т в общем виде методическая погрешность может быть определена из следующего выражения для оценки спектра

40 где с учетом известных cc:îòíîøåíié

55 макс

5(f)=2j R()h() c < с = кодо

2д e(% Р,(паи)Ь (да )С Ф и-О Макс

К-4 =

+ Е Я (A &% )h p (Tl & c )c +

П. ит+1 и ,ха(...) (,.(...) h (...)1с1

A О

= е(к )т „jS (C))+S„(S()) р ее г) > — "идеальная сглаживающая функция, т. е. согласованная с классом

Сп — базисная функция (С() = С Об С 1 И . );

R — оценка корреляционной функции сигнала Х (т,).

Отсюда следует, при априори неизвестном классе сигналов x(t) оценка л спектра 5 ($) может иметь существенные погрешности:д — погрешность на м

Фурье — преобразования некоррелированл ных ординат К (,п)Ткорр), которые могут быть большой величины (фиг.2а);

8® — погрешность от несоответствия 2. сглажийающей функции Ф) (г,) классу сигнала.

Минимизация этих составляющих пог-решностей может быть осуществлена при введении следующих трех циклов преобразований и задания параметров алгоритма (1 ): измерение интервала корреляционной функции; задание точки усе чения rn и Фурье-преобразование () — (Ъ, Сглаживание "усеченной оценки м Йп (%1 функцией н.(- ь (В анализаторе спектра эти преобразования осуществляются следующим образом.

Перед началом работы все блоки анализатора установлены в исходное состояние, переключатели 2 и ключи коммутаторов разомкнуты. Исследуемый электрический сигнал х(1) подается на вход коррелятора 1, в котором формируются оценки ординат корреляционной функции (И а С), и одновременно на вход блока

7 принятия решений для измерения интервала корреляции Г "-В АР и форллировакорр ния в соответствии с этим управляющих команд для коммутаторов.

Измерение С ),рО в измерителе 8 интервала корреляции, с накоплением результата измерения в счетчиках 91 и

9, производится с учетом заранее заданной допустимой погрешности 8„„, т. е. накладываются требования на число степеней свободы ф результата измерения при заданных длительности сигнала Т и коэффициенте сглаживания (3 и ОРО входных .сигналов; Ир — реальная, используемая в аппаратуре, сглаживаю щая функция;

С яг ( а1= 1

КОРР- О2 C.

Таким образом, использование "прямоугольной" весовой функции, имеющей наименьший коэффициент сглаживания ф - 0,5, требует проведения после окончания Фурье-преобразования дополнительных операций сглаживания спектра для

35 уменьшения погрешности 8лл

При окончании 1 цикла преобразований в первом счетчике 9„ сформирован, код, характеризующий величину, а во втором счетчике 9 код, характеризующий значение 1/2 С„о„,р, которые по20 даются на первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11 для формирования соответствующих команд на выходе блока 7 принятия решений. Анализатор подго25 товлен для осуществления Фурье-преобразования.

Второй этап — Фурье — преобразование корреляционной функции производится по команде от устройства 20 управЗо ления. Переключатели 2 одновременно замыкаются, подключая все входы блока 3 возбуждаемых контуров к канальным выходам коррелятора 1, при этом контуры 4 одновременно возбуждаются и на входы блока 5 суммирования поступает

35 ряд колебаний, образуя на выходе каждоа го из канальных: сумматоров 6 определенную частичную сумму, пропорциональную оценке усеченного" спектра (при пр = п

На выходе И(-го ключа первого Коп чутатора 12 имеем (1-« >((а>а„(ф(4> " ъ О соь код- эценим погрешность измерений спектра в зависимости от ожидаемой ширины спектра (количества ординат спектра ) и типа сглаживающей функции, к (зг() а4((l 4ц(т,ГГ7Й а дц

734740 8 татора 12. Блокируется команда от первого дешифратора 10 и вместо ключа фп ,включается ключ (8-1), пропуская на выход коммутатора 12 оценку спектра

3 (1), сформированную от всех ордим-(и нат К (ah С), через первый выход анализатора выводится спектр с b,g =

1/2 С. .далее происходит сглаживамаКс ние получейной "усеченной" оценки спектра и задание параметров алгоритма (1) для обеспечения минимальной методической погрешности осуществляется следующей последовательностью работы устройства.

От блока 20 управления на второй управляющий вход коммутатора 12 подается команда, разрешающая прохождение кода от выхода дешифратора 10 через первый управляющий вход коммутатора 12, открывается ключ, соответствующий спектру л

trl S с — п р„ и где = (орр/О ? .

Фурье-преобразование g осущестС вляется аналогично циклу (1 ), но выходной сигнал с блока 5 суммирования поступает через oTKpbITbKR ключ

И первого коммутатора 12 на входы второго коммутатора 13 и линии 14 задеж ки к первой и второй группе выходов, к которой соответственно подключены входы третьего коммутатора 15 и четвертого коммутатора 16, по одному из ключей в которых открыты командными сигналами от второго дешифратора 11 блока 7 принятия решений.

Подключенные к выходам второго коммутатора 13, третьего коммутатора 15 и четвертого коммутатора 16 соответствующие весовые элементы 17 имеют значения, пропорциональные коэффициентам Cl:, благодаря чему "усеченный" спектр „(P поступая в сумматор 18 сглаженного спектра подвергается следующему преобразованию

55

Згот результат через первый выход анализатора спектра подается на регистрацию (внешними устройствами) или в последующие цепи анализатора для высокоселективного сглаживания (цикл 3).

Одно из решений задачи анализа снектра — получение высокой разрешающей способности по частоте b. f. обеспечивается командой от блока 20 управ Ъ ления, поданной от его первого выхода, ко второму управляющему входу коммуНа выходе усилителя 19 из этих трех слагаемых образуется сигнал, пропорциональный сглаженному спектру

Я, так как коэффициенты 01, опреь

Ф деляют степень сглаживания усеченного" спектра, т. е. аппроксимируют определенное спектральное "окно" Н (X) с небольшим уровнем боковых лепестков

734740

- на 20-30 дБ меньшим, чем при прямоугольной временной функции ()- „()

Вследствие этой процедуры из 1-х циклов преобразований возможен анализ спектра более широкого класса входных сигналов и обеспечивается автоматическое изменение точки усечения временной фуйкции с последующим частотным сгла, живанием спектра таким спектральным окном", которое в достаточной степени согласовано с классом входного сигнала.

Благодаря этому не решаемая анали IS тически задача обеспечивания условий минимизации относительной среднеквадратической погрешности

20 й® вЂ” м ст п (61 йЪ состоящей из смешения и дисперсии

9 оценок спектра, решается аппаратурными средствами быстро и с небольшими затратами дополнительного оборудования.

Таким образом, в отличие от известных автоматических анализаторов спектра в предложенном анализаторе удается управлять точкой усечения при выполнении Фурье-преобразования.

Формула изобретения

1. Аналог -дискретный анализатор, спектра по авт. св. ¹ 433505, о т— л и. ч а ю m и и с я reM, что, с целью повышения точности и расширения клас40 са исследуемых процессов, в анализатор спектра введены четыре коммутатора, линия задержки, блок управления, многовходовой сумматор и блок принятия решений, первый вход которого соединен

45 со входом анализатора спектра, а второй с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первым выходом блока принятия решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соответственно второго и третьего коммутаторов, выходы второго, третьего и четвертого коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходового сумматора, группа информационных входов первого коммутатора соединена соответствующими выхода-ми блока суммирования, а выход первого коммутатора подключен ко второму входу второго коммутатора и ко входу линии задержки, первая группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информационных входов четвертого коммутатора.

2. Устройство по п. 1 о т л и ч а— ю ш е е с я тем, что блок принятия решений содержит измеритель интервала корреляции, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами блока принятия решений, первый и второй выходы измерителя интервала корреляции подключены соответственно через первый и второй счетчики к первому и второму дешифратору, выход первого дешифратора является первым выходом блока принятия решения, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами второго дешифратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 455293, кл. G 01 R 23/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 433505, кл. G 06 Ci 7/52, 1972.

734740 к(т дХ)

Ю л

Составитель В. Жовинский

Редактор О. Колесникова Техред Я. Бирчак Корректор B. Бутяга

Заказ 2227/14 Тираж 751 Подписное

UHHHFIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4