Время-импульсный анализаторсигнала

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социапистически к

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТИЛЬСТВУ (6т} Дополнительное к авт. саид-ву (22} Заявлено 25. 05. 79 (21} 2782062/18-24 (53)М. Кл.з

G F 15/31 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23} Приоритет—

Опубликовано 300381. бюллетень È912 . (53) Ю (681. 333 (088.8) Дата опубликования описания 300381 (54 ) ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫЙ АНАЛИЗАТОР СИГНАЛОВ

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для исследований вероятностных функций случайных сигналов в задачах распознавания, идентификации свойств ряда биомедицинских или океанологических данных.

Вычисление корреляционной функции сигнала может производиться, например, по алгоритму Стильтьеса, а спек- о тра — с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ) с разложением сигнала в ряд Фурье (при тригонометрических базисных функциях) или с использованием разложения в 15 ряд Уолша-Фурье (при кусочно-постоянных базисных функциях Уолша, простых для генерирования и умножения). Времяимпульсные анализаторы сочетают преимущества этих методов при достаточ- 20 но высокой точности и быстродействии вычислений.

Известен время-импульсный анализатор, содержащий последовательно соединенные время-импульсный модулятор и регистр-квантователь, выходы которого через переключатель подключены к входу широтно-импульсного модуля-. тора, соединенного с управляющим входом ключевого умножытеля, выход ко- 30 торого соединен со входом блока накопителей, при этом вход анализатора соединен со входом время-импульсного модулятора и входом ключевого умножителя, а управляющие входы время-импульсного модулятора и регистра-квантователя соединены с выходами делителя частоты, подключенного к выходу тактового генератора (1j, Однако укаэанный анализатор имеет ограниченные функциональные возможности, позволяя вычислять только одну интегральную характеристику случайного сигнала — корреляционную функцию.

Известен также анализатор для вычисления спектральных функций, содержащий линию задержки, генератор сетки гармонических функций с однополосными модуляторами и генератором гармоник, а также ключи, первые входы которых соединены с выходами линии задержки, вторые входы — с выходом генератора гармоник,,выходы ключей соединены с входами блоков затягивания импульсов (широтно-импульсных модуляторов), подключенных к первым, входам функциональных умножителей, к входам которых подключены выходы генератора сетки гармонических функций, 817725 при этом функциональные умножители имеют общий выход„ на котором формируется модель комплексного спектра сигнала, т.е. сложная временная функция, имитирующая спектр j2j.

Но такая структура анализатора не позволяет вычислять спектр в широком диапазоне частот и с высокой точностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является корреляционно-спектральный анализатор, использующий подобный метод формирования .спектра — синтез ряда Фурье описывающего (имитирующего) спектр, и алгоритм Стильтьеса для вычисления корреляционной функции. Анализатор содержит последовательно соединенные регистры (линию задержки), блок ключевых умножителей и блок накопителей, ко второму входу блока умножителей и через первый переключатель ко входу линии задержки подключен вход анализатора, а ко второму входу первого переключателя под-. ключены последовательно соединенные генератор шаговой частоты,.второй переключатель и гармонический модулятор, второй вход которого соединен со входом тактирующего устройства и через третий переключатель с выходом линии задержки (3).

Недостатки данного анализатораограниченный диапазон частот анализа иэ-за трудностей аналогового формирования или выделения на выходе модуляторов ряда близко расположенных по частоте гармонических функций (не более 30-50); сложность многократных перезаписей непрерывных функций в линию задержки из-за амплитудных и фазовых искажений и нестабильностей, а также необходимость фильтрации выделяемой частоты определенного шага .(в соответствующем цикле вычислений);невозможность формирования гармонических инфраниэко частотных. функций (сотые-десятые доли Гц и даже единицы Гц).

Цель изобретения — упрощение.анализатора и расширение частотного диапазона входных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в анализатор сигналов, содержащий блок накопления, блок синхронизации, первый выход которого соединен со входом генератора базисных функций, блок умножения, вхоп которого является первым входом анализатора, время-импульсйый модулятор, вход которого подключен к выходу генератора базисных функций и является вторым входом анализатора, регистры, переключатели и ключ, введены первый и второй коммутаторы, группа элементов И, интегратор, управляемый инвертор, дополнительный элемент И, вход ин-.егратора соединен с первым . входом анализатора, а выход подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен со вторым входом бло-ка синхронизации, а выход подключен к информационному входу ключа, выход которого соединен с информационным входом первого коммутатора, выходы которого объединены с выходами блока умножения и подключены к соответствующим входам блока накопления, управляющий вход ключа соединен с выходом первого переключателя, первый вход которого соединен со входами первого регистра, выходом время;импульсного модулятора и первым выходом второго переключателя, второй вход

15 первого переключателя соединен со вторым выходом второго переключателя, со входом второго регистра и с первьж выходом третьего переключателя, - вторые выходы второго и третьего переключателей соединены соответственно со входами второго и третьего регистров, входы второго и третьего переключателей соединены соответственно с выходами последних разрядов первого и второго регистров, выходы первого, второго и третьего регистров подключены к группе входов блока умножения, третий выход блока синхронизации объединен с выходом второго коммутатора и соединен с управляющиЗО ми входамй четвертого и пятого регистров и с первыми входами элементов И группы, вторые входы которых подклю чены к соответствующим выходам пятого регистра, выход последнего раэря35 да которого подключен к его установочному входу, выходы пятого и шестого регистров подключены соответственно к первой и второй группе входов второго коммутатора, четвертый выход

4О блока синхронизации соединен с установочным входом четвертого регистра, пятый выход блока синхронизации под- . ключен к установочным входам пятого и шестого регистров, а шестой — к первому входу дополнительного элемента И, второй вход которого соединен с выходом последнего разряда пятого регистра, а выход подключен к управляющему входу шестого регистра, выход которого соединен с установочным входом того же регистра, выходы блока умножения подключены к соответствующим входам блока накопления, 1

° На фиг.1 приведена блбк-схема предлагаемого время-импульсного анализатора сигналов; на фиг.2 — иллюстрация преобразования исследуемого сигнала; на фиг.3 — схема блока синхронизации (4).

Время-импульсный анализатор сиг60 налов содержит генератор 1 базисных функций, время-импульсный модулятор

2, соединенный с первым входом анализатора, блок 3 регистров, регистр

4, переключатель 5, регистр 6, пере65 ключатель 7, регистр 8, блок 9 умно817725 жения и блок 10 накопления, переключатель 11, блок 12 синхронизации, второй вход анализатора соединен со, вторым входом блока 9 умножения, блок 3 регистров содержит три регистра 4,6 и 8, последовательно соединенных через первый и второй переключатели 5 и 7, вторые входы которых соединены соответственно со входом первого и второго регистров 4 и

6 и с входами третьего переключателя 11, к первому и второму выходам блока 12 синхронизации подключены соответственно вход начальной уста- новки и управляющий вход четвертого регистра 13, элемент И 14, регистр

15, выходы регистра 13 соединены со входами первого коммутатора 16, управляющие входы которого соединены с выходами пятого регистра 15.Общий выход первого коммутатора 16 соединен с входом начальной установки четвертого регистра 13, с управляющим входом шестого регистра 17 и с первыми входами элементов И 18, вторые входы которых соединены с выходами шестого регистра 17, интегратор 19,, управляемый инвертор 20, ключ 21,. второй коммутатор 22, входы которого соединены с выходами элементов И 18, а выходы подключены к соответствующим входам блока 10 накопления, управляющий вход ключа 21 соединен с выходом третьего переключателя 11, а управляющие входы генератора 1 базисных функций и управляемого инвертора 20 подключены к соответствующим выходам тактирующего устройства 12, управляющий вход пятого регистра 15 соединен с выходом (й+1 )-ro элемента И 14, первый вход которого подключен к выходу тактирующего устройства 12, второй вход к N выходу шестого регистра 17; причем й-ые выходы пятого и шестого регистров 15 и 17 соединены со своими входами начальной установки.

В блоке синхронизации использован генератор 23 импульсов, делители 24 частоты и разрядная цепь 25.

Время-импульсный анализатор сигналов работает в двух режимах — вычисления корреляционной функции и вычисления амплитудного спектра при И дискретных значениях аргумента.Вычисление корреляционной функции.

В исходном состоянии переключатели

5, 7 и 11 установлены в положение а, соединяя последовательно регистры 4, 6 и 8 ключи 21 коммутатора разомкнуты.

Выполнение последовательности преобразований сигнала производится анализатором в соответствии с алгоритмом Стильтьеса:

Исследуемый непрерывный электрический сигнал x(.) -подается на входы

X и Y анализатора. Со входа Х сигнал подается непосредственно в блок 9 умножения, а со входа (поступает на вхбд время-импульсного модулятора 2, в котором осуществляется преобразование мгновенного сигнала в определенные моменты времени (через интервал дискретизации дс) в эквивалентное количество импульсов Z, котоР,и рые поступают в блок 3 регйстров, содержащий регистры 4,6 и 8 (связи управляющих входов модулятора 2 и блока 3 регистров с соответствующими выходами блока 12 синхронизации не показаны).

По мере поступления пачек импульсов 2е „ с выходов блока 3 регистров в блоке 9 умножения формируются произведения их с сигналом x(t), кото,20 рые подаются на соответствующие О, 1,2,... (й-1) входы блока 10 накопления. После окончания реализации сигнала x(t) в блоке 10 в реальном масштабе времени будет сформирована э5 корреляционная функция при дискретных значениях аргумента в соответствии с выражением (1) .

По команде с блока 12 синхронизации полученная информация выводится

30 .на регистраторы

Вычисление спектра. Перед обработкой сигнала x(t) переключатели 5,7

11 устанавливаются в положение а, блок.3 регистров и блок 10 установлены в исходное состояние (обнулены), блок 9 умножения отключен.

Генератор 1 базисных функций, подключенный ко входу время-импульсного модулятора 2, по команде от блока 12 синхронизации формирует гармоническую

4О функцию основной частоты to, кото" рая через интервалы времени ь 1 преобразуется время-импульсным модулятором 2 в пачки импульсов 2 „„,„, где

m — номер пачки,n — количество им45 пульсов в пачке (п=1). Тактовые импульсы от тактирующего устройства 12

"проталкивают" эти пачки импульсов последовательно в регистры 4 и б, причем каждый иэ них предназначен соответственно для ряда (О - д — 1» и ряда - - 1» отсчетов гармонической базисной функции (фиг.2б) °

После заполнения регистров 4 и б переключатели 5 и 7 устанавливаются в положения б. Регистры подготовлены для циркуляции пачек импульсов по цЕпи выход регистра — переключатель— вход регистра, которые одновременно бО поступают через первый или второй контакт переключателя 11 на управляющий вход ключа 21.

В это время входной сигнал х(С) подается через вход Х на вход интег65 ратора 19, который осуществляет дис-

817725 рицательную полуволну базисной функции (фиг.2д).

Через М периодов импульсов Г на входы . элемента И 14 поступят импульс от тактирующего устройства 12 и импульс с N-го выхода регистра 17, вследствие чего на управляющем входе регистра 15 сФормируется импульс, сдвигающий единичный импульс в нем во вторую ячейку: откроется второй ключ коммутатора 1б, создавая кольцо циркуляции второй выход регистра 13— второй ключ коммутатора 1б — вход регистра 13. Благодаря этому на управляющий вход регистра 17 будут посту- пать импульсы с тактовой частотбй

Fry, сдвигая единичный импульс с (!-го выхода на первый, после чего он вновь будет продвигаться в регистре 17 с первого до М-го выхода.

Одновременно с этим интегратор 19 осуществляет вторую выборку из входного сигнала х(2м ), запоминая ее на время второго цикла вычислений, в течение которого на выходе ключа 21 формируются произведения аналогично первому циклу, но элементы И 18 производят селекцию каждой второй пачки импульсов (так как

à — FT) и распределение их в (0, 1, 2,... (И "1) ячейки блока 10 накопления, что эквивалентно умножению выборки х(2.ь t) на базисную функцию частоты 2fo (фиг.2е).

Аналогично производится обработка после получения каждой из выборок входного сигнала до x(N zt), в результате чего в блоке 10 накопления формируются ординаты функции, пропорциональной спектру исследуемого сигнала и описываемой выражением произведений каждой из пачек Z „,,„, с дискретой х(1- Ьс), которые йодаются на информационный вход,коммутатора 22 с тактовой частотой

Т И Й (,"

20 где и - количество ячеек в одной секции ь регистров 4, б и 8.

Одновременно с началом циркуляции в регистре 4 с блока 12 подается единичный импульс начальной установки на информационные входы регистров 13, ..15 и 17 (входы "1" на фиг.1).При этом на управляющий вход регистра 13 подается последовательность импульсов с тактовой частотой F, а на управляющий вход. регистра 15 - c частотой 30

Р,! N 1- з (1

Fò т.е. в первом цикле (q=i) F =F ! в И

Первый управляющий .импульс сдвигает единичный импульс в регистре 15 в первую ячейку, а так как этот выход соединен с управляющим входом первого ключа коммутатора 16, то единичный импульс регистра 13 поступит через первый ключ на общий выход комму- 0 татора 16 и вновь на вход регистра

13, т.е. регистр 13 будет работать в режиме циркуляции через первый ключ коммутатора 1б. Каждый очередной его выходной импульс является управляющим д5 для регистра 17, в котором производятся.сдвиг единичного импульса на следующий шаг (выходы 1,...И),благодаря чему срабатывает один из элементов И 18„ осуществляя селекцию апре- «0 деленной выборки иэ потока циркулирующих в блоке 3 регистров пачек импульсов и распределения их нри помощи коммутатора 22 в соответствующие ячейки блока 10 накопления.

После одной циркуляции пачек импульсов s регистре 4 переключатель 11 устанавливается во второе положение, а в управляемом .инверторе 20 устанавливается коэффициент передачи равным

-1. Благодаря этому на управляющий 60 вход ключа 21 подаются пачки импульсов, циркулирующие в регистре 6, а на выходе ключа 21 формируются сигналы, з,вивалентные соответствующим произведениям выборки х (1.at) на от- 65 кретизацию и запоминание выборки .х(! at) сигнала. Выход интегратора

19 соединен с ключом 21, иг! ающим роль, ключевого умножителя, через управляемый инвертор 20 (формирователь знака), коэффициент передачи которого в начале первого цикла обработки (q =1) установлен равным

1 в соответствии со знаком первой полуволны базисной функции (фиг.2д).

По команде от блока 12 начинается циркуляция пачек импульсов 2 „в регистре 4. После одной циркуляций на выходе ключа 21 образуется

М 2%4($-l)q( (дна1.В(ех(((1е е (-1)" м-f д,дд(ю(д-в(ды1, Vl К=О lepO где f = д t/В - основная частота ба0 зисной функции; номер выборки входно го сигнала (номер цикла обработки);

К вЂ” номер перехода базисной функции через нулевой уровень;

- импульс, определяющий селекцию требуемой пачки импульсов Z из циркулирующей последовательности.

Таким образом, формирование сетки частот базисных функций осуществляется благодаря использованию в анализаторе свойства периодичности тригонометрических функций, при котором ottределенные выборки кратных частот равны. Благодаря этому становится целесообразным введение циркуляции выборок. При этом формирование произ817725

10 ведений выборок согласно выражению (2) и селекция требуемых пачек импульсов производится ключевым умножителем и регистрами, включенными при вычислении спектра в режим циркуляции (первым, вторым, а также четвертым, пятым и шестым регистрами). дом первого переключателя, первый вход которого соединен со входами первого регистра, выходом время-импульсного модулятора и первым выходом второго переключателя, второй вход первого переключателя соединен со вторым выходом второго переключателя, со входом второго регистра и с первым выходом третьего переключателя, вторые выходы второго и третьего переключателей соединены соответственно со входами второго и ,третьего регистров, входы второго и третьего переключателей соединены

I соответственно с выходами последних разрядов первого и второго регистf5 ров, выходы первого, второго и третьего регистров подключены к группе входов блока умножения, третий выход блока синхронизации объединен с выходом второго коммутатора и соединен с управляющйми входами четвертого и пятого регистров и с первыми входами элементов И группы, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам пятого регистра, выход последнего разряда которого подключен к установочному входу того же регистра, выходы пятого и шестого регистров подключены соответственно к первой и второй группе входов второго коммутатора, четвертый выход блока синхронизации соединен с установочным входом. четвертого регистра, пятый выход блока синхронизации подключен к установочным входам пятого и шестого регистров,а шестой — к перN вому входу дополнительного элемента

И, второй вход которого соединен с выходом последнего разряда пятого регистра, а выход — подключен к управляющему входу шестого регистра,выход которого соединен с установочным входом того же регистра, выходы блока умножения подключены к соответствующим входам блока накопления.

Источчики информации, принятые во внимание при экспертизе

4 1. Авторское свидетельство СССР

Р 355630, кл.С 06 G 7/52, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

9 291160, кл.G 06 R 23/00, 1969.

3. Авторское свйдетельство СССР

50 р 389524, кл.0 06 G 7/52, 1971 (прототип) .

4. Мирский Г.Я. Аппаратурное опФормула изобретения

Время-импульсный анализатор сигналов, содержащий блок накопления, блок синхронизации, первый выход которого соединен со входом генератора базисных функций, блок умножения, вход которого является первым входом анализатора, время-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу генератора базисных функций и является вторым входом анализатора, ре- гистры, переключатели и ключ, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения анализатора и расширения частотного диапазона входных сигналов, в анализатор введены первый и второй коммутаторы, группа элементов И, интегратор, управляемый инвертор, дополнительный элемент И, вход интегратора соединен с первым входом анализатора, а выход подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока синхронизации, а выход подключен к информационному входу ключа, выход которого соединен с информационным входом первого коммутатора,вы- . ходы которого подключены к соответствующим входам блока накопления, управляющий вход ключа соединен с выхос.133.

Технико-экономический эффект от предлагаемого анализатора состоит в том, что по сравнению с известным упрощаются требования к блокам анализатора: основные преобразования не только сигнала, но и базисных функций производятся на дискретных .элементах, стабильных и простых в управлении, не требующих частотной фильтрации формируемых гармоник и частотных модуляторов с перестраиваемыми параметрами, а также более простых в изготовлении и промышленной эксплуатации. При этом частотный диапазон анализа увеличен более, чем в 3-5 раз (до 200 и более. ординат вычисляемых функций). реде. ение характеристик случайных процессов ° N. "Энергия", 1979, 817725

m 7 л с

e t Рог.7

Оин 77 7 л7, Ф Рг ( г «и7ф ь л

S® Ех С

% !

maf

Дцс Р

К6ЛОХУ 20 МЭВЕНЕП77Ц Л

Крегистрап 73,7,7 и И Риг. 3

ВНИИПИ Заказ 1468/65

Тираж 745 Подписное

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