Анализатор спектра случайныхпроцессов

 

ОпНСА НЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<»838600

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 080 79 (21) 2747308/18-24 (51)М Кп 3 с присоединением заявки Но

G 01 R 23/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 150681.Бюллетень 49 22

Дата опубликования описания 150682 (5З) УДК 681. 323 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В.А. Прянишников, В.И.Якименк

Ленинградский ордена Ленина эуектрртехническиФ институт им. В.И.Ульянойа(Ленина1, /

{71) Заявитель (54 ) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СЛУЧАЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Анализатор спектра случайных процессов относится к специализированным средствам измерительно-вычислительной техники, предназначенным для исследования частотых свойств случайных электрических сигналов, характеризующих,например, биологические структуры в медицинских экспериментах или технические объекты промышленности.

Анализ ряда ортогональных составляющих спектра может производиться аппаратурой с использованием или одной из модификаций дискретного преобразования Фурье (ДПФ) — с разложением сигнала в ряд Фурье (при иснользовании тригонометрических базисных функций) или с использованием разложения в ряд Уолша-Фурье (при использовании кусочно-постоянных базисных функций Уолша, простых для гене- 20 рирорания и умножения) .

Известен цифровой спектроанализатор Г1), содержащий аналого-цифро. вой преобразователь, через переключатель последовательно соединенный с арифметическим устройством (умножитель с усреднителем) и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), выход которого соединен с вторым входом, .арифметического устройства, а к вто- 311 рому входу умножителя подключен выход блока формирования базисных функций

{постоянное запоминающее устройство-ПЗУ), причем выходы устройства управления соединены с адресными входами оперативного ЗУ и ПЗУ.

Недостаток такого анализатора: равный шаг между ординатами спектра обеспечивает высокую точность и разрешающую способность, но приводит к значительной избыточности информации при кусочно-монотонных спектрах или при наличии монотонных (гладких) участков спектра.

Известен также цифровой анализатор спектра случайных процессов Г21, содержащий аналого-цифровой преобразователь, к выходу которого подключены последовательно соединенные умножитель, усреднитель, ОЗУ, к второ-му входу умножителя подключен выход генератора базисных функций, а к второму входу усреднителя и к второму входу второго сумматора подключен вы. ход оперативного запоминающего устройства, адресный вход которого соединен с выходом устройства управления.

Для повышения быстродействия анализатора к его входу подключено буферное запоминающее устройство,соеди838600 ненное с входом первого сумматора, а первый вход второго сумматора соединен с выходом умножителя.

Такой анализатор имеет недостатки, возникающие из-за постоянного шага между ординатами спектра (шага дискретизации спектра): информационная избыточность в результатах измерения, что также приводит к различной погрешности восстановления спектра на различ. ных его участках; небольшой диапазон. частот при заданном количестве ячеек ПЗУ и ОЗУ.

Этот цифровой анализатор спектра является наиболее близким по технической сущности к изобретению.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона анализа.

Поставленная цель достигается тем, что в анализатор спектра случайных процессов, содержащий аналого-цифро- 20 вой преобразователь, вход которого является входом анализатора, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу генератора базисных 25 функций, выход блока умножения соединен с первым входом первого блока усреднения, второй вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти, первый вход которого подключен к выходу первого блока усреднения, введены блок анализа, второй блок усреднения, блок памяти аргумента, накапливающий сумматор, блок управления и преобразователь кода во временной интервал, вход

35 которого объединен с входом генератора базисных функций и подключен к выходу накапливающего сумматора, а выход соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, с 40 входом блока управления и с управляющим входом накапливающего сумматора, информационный вход которого объединен с информационным входом блока памяти аргумента и подключен к выхо- 45 ду второго блока усреднения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам блока анализа и блока памяти аргумента, адресный вход которого объединен с адресным входом блока оперативной памяти и подключен к выходу блока управления, выход блока оперативной памяти соединен с входом блока анализа. Блок анализа содержит два блока ключей, последовательно соединенные блок выбора максимума и блок деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока ключей, регистр числа и блок вычитания, первый вход которого объединен с входом регистра щ числа и блока выбора максимума и является входом блока анализа, второй вход блока вычитания подключен к выходу регистра гасла, а выход соединен с информационным входом второ- 65

ro блока ключей, управляющие входы блоков ключей соединены с выходом блока задания зоны не чувствительности, выходы первого и второго блоков ключей соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения,выход которого является выходом

4 блока анализа. БлОк управления содержит счетчик выборок, вход которого объединен с первым входом формирователя тактовых импульсов и является входом блока управления, второй и третий входы формирователя тактовых импульсов подключены соответственно к выходу тактового генератора и к первому входу счетчика выборок, а выход соединен с первым входом счетчика ординат, второй вход которого подключен к второму выходу счетчика выборок, разрядные выходы счетчика ординат подключены к соответствующим входам дешифратора, выход которого является выходом блока управления.

На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого анализатора, на фиг.2(а,б, в) — иллюстрация принципа принятия решения, т.е. выработки корректирующего воздействия и конечный результат расположения спектра; на фиг.3 функциональная схема блока управления.

Анализатор спектра случайных процессов содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 1, блок умножения 2, блок

3 усреднения и блок 4 оперативной памяти (БОП), выход которого соединен с вторым входом блока 3, к вто рому входу блока 2 подключен генера тор 5 базисных функций, а адресный вход блока 4 соединен с выходом блока

6 управления. В анализаторе используется второй блок 7 усреднения, включенный между выходом и входом блока 8 памяти аргумента 8, накапливающий сумматор 9, входом соединенный с выходом блока 7, а выходом — с входами генератора 5 и преобразователя 10 кода во временной интервал, выход которого соединен с управляощими входами аналого-цифрового преобразователя 1, накапливающего сумматора

9 и блока 6 управления, выход которого подключен к адресному входу блока .8 памяти аргумента.

При этом между выходом БОП 4 и вторым входом блока 7 включен блок 11

:анализа, который содержит блок 12 выбора максимума, к выходу которого подключены последовательно соединенные блок 13 деления, а также блок 14 задания зоны нечувствительности (БЗЗН), регистр 15 числа, блок 16 вычитания, первый блок 17 ключей, второй блок 18 ключей, выходы которых соединены с соответствующими входами. блока 19 сравнения. В блоке управления использован формирователь 20 так товых импульсов, счетчик 21 выборок, 838600 счетчик 22 ординат, дешифратор 23 и тактовый генератор 24. Первый вход блока 18 соединен с выходом блока 16, а вторые входы блоков 17 и 18 соединены с выходом БЗЗН 14, причем выход регистра 15 соединен с вторым входом блока 16, а выход блока 19 является выходом блока 11 анализа.

Анализатор спектра работает следующим образом.

По команде от преобразователя 10 аналого-цифровой преобразователь 1 осуществляет выборки из исследуемого случайного процесса и преобразует их в код (Х((ЬЦ, который подаетсяна первый вход блока 2. Одновременно на второй вход блока 2 от генератора 15

5 базисных функций подаются выборки базисных функций. Результаты перемножения усредняются и хранятся в кольце, образованном блоком 3 и блоком .4, вследствие чего в кольце произ- QQ водится синхронное накопление или

"накопление по индексу",.описываемое выражением м а й- в

6()= — - K X(we) сж(2Т вЂ” " ьУ ).

* (110

Полученные таким образом оценки ординат спектра после преобразований каждой очередной выборки сигнала поступают на блок 11 анализа, в котором производится определение действительной погрешности восстановления по заданной восстанавливающей функции, ее сравнение с заданной погрешностью восстановления и выработка корректирующего воздействия в соответствии с результатом сравнения каждых двух соседних ординат спектра. Эти преобразования осуществляются следующим образом.

С выхода блока 11 анализа ординаты 40 спектра поступают в блок 12 выбора максимума, с выхода которого максимальное значение ординаты спектра подается в блок 13 деления, в котором формируется абсолютное значение пог 45 решности восстановления, например, в соответствии с выражением

l " в(у„) асс — — — —, (<) Отй где Ео.д — относительная погрешность восстановления, заданная как коэффициент деления в блоке 13 деления.

Одновременно ординаты спектра поступают на. входы регистра 15 числа и блока 16 вычитания, на выходе которого формируются разности между каждыми двумя соседними ординатами спектра, являющиеся действительной погреш. ностью восстановленияЕа„ ..

,„= ) (К,)-9(„,,)l

Действительная и заданная погрешность восстановления через блоки ключей 17 и 18 поступают на входы блока 19 сравнения. В зависимости 65

QT заданной величины эоны нечувст— вительности 4 (установле н ной в блоке)

14 задания зоны нечувствительности) при помощи блоков 17 и 18 регулируется разрядность сравниваемых кодов, например — 0,0000111111111111

0,0000111111110111

1 1111111111110000 (3а)

В этом случае на входы блока 19 поступают следующие коды: (3б) как = 0,OOOO11111111OOOO — 0,0000111111110000

При указанных значениях кодов блок 19 зафиксирует их равенство и на выходе блока не будет сформирова. но корректирующее воздействие (фиг.2в, Q =О).

Если в следующем цикле обработки сигнала будут сформированы коды(3б не равные, то блок 19 вырабатывает корректирующее воздействие на изменение величины аргумента соответствующих ординат (фиг.2в, Q =+1 или

Это изменение осуществляется до того момента, когда коды (Зб) вновь будут равны. Причем зона нечувствительности определяется количеством неучитываемых разрядов с учетом веса младшего разряда.

В результате этих преобразований, в зависимости от знака корректирующего воздействия 6, изменяется содержимое блока 7 (приращение аргумента между соседними ординатами) †добавляется +1 или — 1 или О. В накапливакшем сумматоре 9 иэ приращений аргумента формируется полное значение аргумента, который определяет частоту выборки базисных функций из генератора 5 базисных функций и преобразованный в интервал времени на преобразователе 10 кода

10 регулирует частоту выборки аналогоцифрового преобразователя 1.

После полного цикла обработки очередной выборки преобразователь ,10 кода производит следующую выборку, сброс накапливающего сумматора 9 и дает команду блоку 6 управления на начало нового цикла управления блоком 4 оперативной памяти и блоком 8 памяти аргумента..

В процесс вычитания оценки спектра происходит адаптивное:регулирование приращений аргумента Ь между соседними ординатами спектра. Процесс регулировки закончится тогда, когда во всем диапазоне изменения аргумента (диапазоне частот анализа) действительная и заданная погрешности восстановления с учетом зоны нечувствительности будут равны, что иллюстрируется на фиг. 2 в (e =О).. Причем блок

14 задания зоны нечувствительности может быть выполнен в виде переключателя, формирующего нужный код. Гаким образом, введение в анализатор .дополнительных блоков (относи838600 тельно прототипа) позволяет реализовать новые операции преобразования

"сжатия" определенных .участков оси аргумента в зависимости от крутизны спектральной характеристики (фиг.2б).

Причем эти преобразования осуществляются в ритме поступления о случайном

5 процессе,т.е. в реальном масштабе времени. Благодаря такой процедуре обеспечивается одинаковая погрешность измерений каждой ординаты спектра.

Использование предложенной. измерительной процедуры целесообразно в следующих случаях; при заданном диапазоне частот анализа обеспечивается минимальное количество измеряемых ординат спек- 15 тра, вследствие чего исключается избыточность информации для последующих систем обработки при заданном количестве ординат спектра (ячеек ОЗУ) обеспечивается 2О более широкий диапазон частот анализа — в 2-10 раз, в зависимости от класса исследуемого сигнала.

Следовательно, совокупный техни- ко-экон(>мический эффект От предлагаемого анализатора спектра является существенным, а техническое решение — перспективным.

Формула изобретения

1. Анализатор спектра случайных процессов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом анализатора, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу генератора базисных функций, выход блока умножения соединен с первым входом первого блока 4ц усреднения, второй вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти, первый вход которого подключен к выходу блока усреднения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона> в анализатор спектра введены блок анализа, второй блок усреднения, блок памяти аргумента, накапливающий сумматор, блок управления и преобразователь кода во временной интервал, вход которого объединен с входом генератора базисных функций и подключен к выходу накапливающего сумматора, а выход соединен с управляющим входом аналого-цифрового пре- 55 образователя, с входом блока управления и с управляющим входом накапливающего сумматора, информационный вход которого объединен с информационным входом блока памяти аргумента и подключен к выходу второго блока усреднения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам блока анализа и блока памяти аргумента, адресны вход которого объединен с адресным входом блока оперативной памяти и подключен к выходу блока управления, выход блока оперативной памяти соединен с входом блока анализа.

2. Анализатор по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что блок анализа содержит регистр числа, блок вычитания, два блока ключей, блок задания зоны нечувствительности и последовательно соединенные блок выбора максимума и блок деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока ключей, первый вход блока вычитания объединен с вхо,— дом регистра числа и блока выбора максимума и является входом блока анализа, второй вход блока вычитания подключен к выходу регистра числа, а выход соединен с информационным входом второго блока ключей, управляю. щие входы блоков ключей соединены с выходом блока задания заны нечувствительности, выходы первого и второго блоков ключей соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, выход которого является выходом блока анализа.

3. Анализатор по пп. 1 и 2,, о тл и ч а ю шийся тем, что блок управления содержит счетчик ординат, тактовый генератор, формирователь тактовых импульсов, дешифратор, счетчик выборок, вход которого объединен с первым входом формирователя тактовых импульсов и является входом блока управления, второй и третий входы формирователя тактовых импульсов подключены соответственно к выходу тактового генератора и к первому выходу счетчика выборок, а выход соЕдинен с первыМ входом счетчика ординат, второй вход которого подключен ко второму выходу счетчика выборок, разрядные выходы счетчика ординат подключены к соответствующим входам дешифратора, выход которого является выходом блока управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

У 455293, кл. С 01 Р 23/00, 1973.

2. Авторское свндетельство СССР

Р 537349, кл. С 06 Р 25/39, 1975 (прототип) .

838600 я к. фие.1

ВНИИПИ Заказ 4420/68

Тираж 732 Подписное .Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4