Устройство для определения спектральной плотности случайного процесса по его корреляционной функции

 

Союз Советских

Социалистических

Реснублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ау (22) Заявлено 041278 (23) 2696201/18-24 (5(}M. КЛ. с присоединением заявки Йо (23) Приоритет а 01 R 3/00

Государственный комитет

СССР ло делам изобретений и открытий

Опубликовано 30,1280.бюллетень Н9 48

Дата опубликования описания 30,1280 (53}УДК 881.з2з (088. 8) (72) Авторы изобретения

Л.И. Мартынов и В,Г. Чугин (73) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ

ПЛОТНОСТИ СЛУЧАЙНОГО IIPOUECCA ПО ЕГО

КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения спектральной плотности мощности случайных процессов по их корреляционным функциям и может быть использовано в радиотехнике, автоматике и в вычислительной технике при проведении спектрального анализа случайных процессов и сигналов, Известно устройство для вычисления спектральных плотностей случайных процессов по их корреляционным функциям (1), B этом устройстве входной случай- 15 ный сигнал поступает на вход цепочки, содержащей последовательно соединенные входной фильтр, преобразователь частоты, анализирующий фильтр и накопитель, выход которого подклю- 20 чен к первому входу интегратора, к второму входу интегратора подсоединен первый выход генератора линейноизменяющегося напряжения, второй выход генератора линейно-изменяющегося напряжения через периодически перестраиваемый генератор подключенк второму входу преобразователя частот.. ОДнако это устройство имеет. ряд недостатков, В нем при опреде- 30 ленин спектральной плотности исследуемого случайного сигнала не предусмотрена возможность определения граничных частот, в интервале которых следует определять спектральную плотность. Кроме того, в результате периодического переключения частоты перестраиваемого генератора возникают дополнительные методические и инструментальные погрешности при определении спектральной плотности исследуемого сигнала. Практическая реализация анализирующего фильтра с высокой избирательностью имеет существенные технические трудности, а отклонение частотной характеристики анализирующего фильтра от идеальной вызывает дополнительные погрешности при определении спектральной плотности исследуемого сигнала.

Перечисленные недостатки рассмотренного устройства для спектрального анализа случайных сигналов показывают, что данное устройство не отвечает современным требованиям, предьявляемым к аппаратуре для спектрального анализа случайных сигналов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и "пособу

792168 реализации является устройство для определения спектральной плотности случайного процесса (2), котове состоит из блока, измеряющего значения корреляционной функции, соединенного с вычислительным блоком и блоком вычисления спектральной плотности, Реализацию случайного процесса подают на вход блока, измеряющего значения корреляционной функции; значения корреляционной функции поступают на вход вычислительного блока, где подсчитывают число гересечений корреляционной функцией нулевого уровня и затем определяют среднюю частоту случайного процесса, а по ней затем определяют минимальную и максимальную частоты случайного процесса, значения которых подают на управляющий вход блока вычисления спектральной плотности, на сигнальный вход которого поступают значения корреляционной функции, при этом минимальную частоту принимают за начальную, а максимальную за конечную частоты анализа и вычисление спектральной плотности случайного процесса ведут в указанной полосе частот, Основными недостатками этого устройства является то, что определение граничных частот спектра исследуемого процесса осуществляется ло приближенной эмпирической формуле, что в принципе не позволяет получить с требуемой точностью значения граничных частот исследуемого процесса, а следовательно, под сомнение ставится и достоверность определения самой спектральной плотности случайного процесса. Кроме того, данное, устройство не приспособлено для определения спектральных плотностей случайных процессов, корреляционные функции которых не пересекают оси абсцисс, так как в этом случае не могут быть определены граничные частоты спектра.

Известные из теории случайных процессов соотношения для определения ширины спектра исследуемого процесса где 5(4 — спектральная плотность исследуемого случайного процесса;

ЬЮ вЂ” ширина спектра исследуемого процесса;

03 — частота, имеют определенные трудности при аппаратурной реализации, так как ширина спектра исследуемого процесса выражается непосредственно через спектральную плотность этого процесса, где КЯ вЂ” корреляционная функция случайного процесса; коэффициент связи между энергией корреляционной функции случайного процесса и энергией его спектральной плотности;

Т и Q. — границы областей определения корреляционной функции случайного процесса и его спектральной плотности соответственно, можно максимально использовать информацию, содержащуюся. в заданной корреляционной функции исследуемого случайного процесса, и на ее основе найти граничную частоту, определяющую область существования достоверных значений спектральной плотности исследуемого случайного процесса.

6О На чертеже приведена блок-схема устройства для определения спектральной плотности случайного процесса по его корреляционной функции, Устройство содержит блок 1 преобразования Фурье (блок вычисления

2О

3О

Цель изобретения — повышение точности и быстродействия получаемых результатов спектрального анализа.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для определения спектральной плотности случайного процесса по его корреляционной функции, содержащее блок преобразования

Фурье и блок вычисления энергии корреляционной функции, информационные входы которых объединены и являются входом устройства, а„ также блок вычисления энергии спектральной плотности, вход которого соединен с выходом блока преобразования Фурье, введены блок задания частоты и блок вычисления относительной погрешности, входы которого подключены соответственно к первому выходу блока вычисления энергии корреляционной функции и к выходу блока вычисления энергии спектральной плотности, входы блока задания частоты соединены соответственно со вторым выходом блока вычисления энергии корреляционной функции и с выходом блока вычисления относительной погрешности, выход блока задания частоты соединен с управляющим входом блока преобразования Фурье.

Преимущества описываемого технического решения, составляющие положительный эффект, по сравнению с аналогами и прототипом, прежде всего состоят в том, что, используя в процессе вычисления спектральной плотности случайного процесса баланс энергией корреляционной функции случайного процесса и его спектральной плотности, т.е.

Т Я

) (V()J дь"- () (5(Ы)) 30, (2) о о

792168

Э т)=)x (1)Ю (3) и одновременно, в первом приближении, определяют высшую граничную частоту спектральной плотности по формуле 76

Оз,ь,1: Щ (4),45

С выхода блока 3 вычисления энергии корреляционной функции значение

Ю„ поступает на первый вход блока

2 задания частоты, где суммируется с приращением частоты bM (следует отметить, что для первого приближения ЬЦ= О), и с его выхода подается на управляющий вход блока 1 преобразования Фурье, одновременно с второго выхода блока 3 вычисления энергии корреляционной функции значение Э (Т) поступает на первый вход блока 4 анализа. С входа блока 1 текущие значения спектральной плотности исследуемого процесса, определенные в интервале частот

0 +u3 поступают на вход блока 5 . вычисления энергии спектральной плотности, на выходе которого формируется вигнал, пропорциональный энергии текущих значений спектральтекущих значений спектральной плотности), сигнальный вход которого соединен с входом устройства, управляющий вход — с входом блока 2 задания частоты, а выход — с выходом устройства; блок 3 вычисления энергии корреляционной функции, вход которого соединен с входом устройства, а выход соответственно — с первым входом блока 2 .задания частоты и первым входом блока 4 вычисления относительной погрешности (блока 1О анализа), который осуществляет вычисление относительной погрешности . вычисления спектральной плотности случайного процесса и сравнение полученной относительной погрешности с 15 допустимой погрешностью, определяющей требуемую точность вычисления спектральной плотности; блок 5 вычисления энергии спектральной плотности, вход которого соединен с выхо- Щ дом блока 1 преобразования Фурье, а выход — с вторым входом блока 4, выход которого связан с вторым входом блока 2 задания частоты.

Работает предлагаемое устройство 2 следующим образом, Сигналы, пропорциональные значениям корреляционной функции исследуемого случайного процесса, одновременно поступают на сигнальный вход блока 1 вычисления текущих значений спектральной плотности и на вход блока вычисления энергии корреляционной функции вычисляют величину, пропорциональную ее энергии Э (Т) по формуле

35 т нОй плОтнОсти Э2(0> ) в соответствии с формулой

32(1=Ъ5 S М ) () о где 4) =Ш„+ 64) - верхний предел интегрирования; b,ld — приращение частоты;

1=0,K,2.. " номер приближения.

С выхода блока 5 вычисления энергии спектральной плотности сигнал, пропорциональный Э2(Ы„), поступает на второй вход блока 4 анализа, в котором организовано вычисление относительной погрешности вычисления спектральной плотности ) по формуле

1 (б)

З„ т) и сравнение полученной относительной погрешности К с допустимой по:решностью вычисления спектральной плотности случайного процесса — 3, при этом возможны два случая

d v д„.

С выхода блока 4 анализа через блок 2 задания частоты на управляющий вход блока вычисления текущих значений спектральной плотности значения исследуемого сигнала заключены в интервале частот 0 -Юн определенном на первом приближении.

Если ф «ф

<,) т,е. в определенном на данном приближении интервале частот 0 -г ;, заключены не все эффективные значения искомой спектральной плотности и диапазон частот определения спектральной плотности необходимо расширить. В этом случае с выхода блока

4 анализа на второй вход блока 2 задания частоты поступает сигнал, по которому в блоке задания частоты генерируется приращение частоты ьЫ

Это приращение частоты суммируется в блоке задания частоты с гран. чным значением частоты ь3.„ », определенным на предыдущем приближении, в результате чего на управляющий вход блока

1 вычисления текущих значений спектральной плотности поступает новое, скорректированное значение граничной частоты, расширяющее частотный диапазон работы блока вычисления гекущих значений спектральной плотности.

Блок.5 вычисления энергии спектральной плотности определяет энергию текущих значений спектральной плотности в новом, расширенном диапазоне частот, В дальнейшем логика и последовательность работы блоков устройства, за исключением блока 3 вычисления энергии корреляционной функции,который в процессе определения эффективных значений спектральной плотности исследуемого процесса вклю792168

Составитель В, Жовинский

Редактор И. Грузова Техред Н.Келушак . Корректор И. Муска

Заказ 10146/44 Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г, Ужгород,:ул, Проектная, 4 чается в работу один раз на первом приближении, циклически повторяется до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность вычисления спектральной плотности исследуемого процесса.

Описанное устройство для определения спектральной плотности случаййого процесса в отличие от известных устройств аналогичного назначения позволяет за счет более полного использования информации, содержащейся в исходной корреляционной функции исследуемого случайного процесса, автоматизировать процесс определения граничных частот спектрального анализа, не налагая при этом каких-либо ограничений на характер и параметры исходных корреляционных функций.

Используемый в процессе спектрального анализа и определения граничных частот, в диапазоне которых заключены эффективные значения искомой спектральной плотности исследуемого случайного процесса, быстросходящийся баланс энергией позволяет также на 25-ЗОВ сократить аппаратурное время спектрального анализа и получить практически предельную теоретическую точность оценки максимального правдоподобия при определении спектральной плотности исследуемого рроцесса.

Формула изобретения

Устройство для определения спектральной плотности случайного процесса по его корреляционной функции, содержащее блок преобразования Фурье и блок вычисления энергии корреляционной функции, информационные входы которых объединены и являются входом устройства, блок вычисления энергии спектральной плотности, вход которого соединен с выходом блока преобразования Фурье, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в устройство введен блок задания частоты и блок вычисления относительной погрешности, входы которого под- ключены соответственно к первому выходу блока вычисления энергии кор15 реляционной функции и к выходу блока вычисления энергии спектральной плотности, входы блока задания частоты соединены соответственно со вторым выходом блока вычисления

Щ энергии корреляционной функций и с выходом блока вычисления относительной погрешности, выход блока задания частоты соединен с управляющим входом блока преобразования Фурье, 25 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Воллериер Н,Ф. Аппаратуфный спектральный анализ сигналов, N., ЗО Сов. радио, 1977, с, 90-130, 2. Авторское свидетельство СССР

9 463930, кл. G 01 R 23/16, 1973 (йрототип).