Фазовый анализатор

 

Союз Советских

Социапистичесиих

Реснублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) 3аявлеио 21.10.77 (21) 2535863/18-21 (51)М. Кй.

G 01 R 23/16 с присоединением заявки Но

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (23) Приоритет—.Опубликовано 23.12.81. Бюллетень Но 47

Дата опубликования описания 23.1281 (53) УДК 621 317.737 .(088.8) В.М. Смольянинов, В. Н. Калюжный, О. В. 11 цкйй ;- -.

О.М. Гриндель, Н ..И. Левашов, С.A. Новоселец, Ю.B. Феофанов и Е.В. Шарова

С;,"; (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехни и электроники AH СССР (73) Заявитель (54) ФАЗОВ6Я АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для вычисления частоты и фазы широкополосных колебаний в реальном масштабе времени, в частности при анализе биотоков мозга — электроэнцефалограмм.

Известны анализаторы, используе-. мые для определения спектральных и амплитудных составляющих сигнала, в которых вычисление частоты и амплитуды колебаний сложной формы производится с использованием фильтров путем усреднения вычислений эа конечные отрезки времени (1).

Недостаток устройства заключает- 15 ся в невысокой точности анализа.

Известен фазовый детектор, который содержит устройство для вычисления преобразования Гильберта в непре- 29 рывном аналоговом виде, осуществляющем преобразование колебания вида

S = R-sin8 в колебание S = R-соя&, два аналого-цифровых преобразователя колебаний, блоки логарифмирования 25 анализируемой и сопряженной выборок, логарифмический сумматор и фазовый дискриминатор, причем оба аналогоцифровых преобразователя связаны с фаэовым дискриминатором (2). 30

Принци пи аль ным н едост ат ком укаэанного фазового детектора является то, что преобразование Гильберта в непрерывном аналоговом виде возможно только для сравнительно узкополосных колебаний с соотношением верхней частоты вк нижней ш„ незначительно большим единицы. Кроме того, данный детектор осуществляет вычисление лишь совокупной фазы входного колебания и не предусматривает разделения отдельных составляющих частот широкополосного колебания.

Цель изобретения — повышение точности анализа.

Указанная цель достигается тем, что в фазовый анализатор, содержащий аналого-цифровой преобразователь и фазовый дискриминатор, дополнительно введены дискретный преобразователь

Гильберта, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход — со входом фазового дискриминатора, и блок управления, подключенный к преобразователю

Гильберта, и последовательно соединенные частотный дискриминатор, интегратор и вычислитель, второй вход которого подключен ко второму выходу

892336

40

SQ

60 частотного дискриминатора, а вход последнего — к выходу фазового дискриминатора.

Кроме того, дискретный преобразователь Гильберта выполнен в виде устройства сжатия, подключенных к его выходу буферного регистра сдвига и блока четных и нечетных выборок, последовательно соединенных периодического генератора коэффициентов и перемножителя, соединенных вторыми входами с блоком управления, а также сумматора со сбросом, причем вход устройства сжатия соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход блока четных и нечетных выборок соединен со вторым входом перемножителя, выход которого подключен ко входу сумматора со сбросом, выход последнего соединен с одним входом фазового дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом буферного регистра сдвига, а второй вход сумматора со сбросом,устройства сжатия и упомянутого блока буферного регистра — с выходами блока управления.

На чертеже представлена блоксхема оптимального варианта фазового анализатора.

Предлагаемый фазовый анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, дискретный преобразователь 2 Гильберта, фазовый дискриминатор 3 и блок 4 управления. Дискретный преобразователь 2 Гильберта содержит устрОйство 5 сжатия, блок

6 четных и нечетных выборок, буферный регистр 7 сдвига, перемножитель

8, сумматор 9 со сбросом и периодический генератор 10 коэффициентов.

Анализатор, работает следующим образом.

Анализируемое колебание поступает на вход аналого-цифрового преобразователя,осуществляющего преобразование непрерывного колебания в дискретный цифровой вид. Установленное за преобразователем 1 устройство 5 позволяет разместить 2п выборок из исходного колебания между двумя выборками. После устройства 5 сжатия выборки поступают в два канала, где формируются прямой и сопряженный сигналы. В канале сопряженного сигнала выборки с устройства 5 сжатия поступают в блок 6 четных и нечетных выборок, который может быть выполнен в виде логического элемента

И, на второй вход которого подаются соответствующие управляющие импульсы с блока управления 4. С выхода блока

6 сигнал поступает на перемножитель

8 и далее на сумматор 9, которые на янтервале между двумя соседними выборками иэ входного колебания осуществляют операцию

К=о-1 "=т, ГЕ 1 (- Е- )

5 1 (") которая является преобразованием

Гильберта широкополосного колеба-. ния. На перемножитель 8 с генератора 10 коэффициентов поступают также цифровые величины С

2 1

У 28 +1 необходимые для вычисления сопряженных выборок в соответствии с выражением (1).

В том, что выражение (1) является преобразованием Гильберта, нетруд-. но убедиться, если, например, в качестве Я„,выбрать cos ш mat и взять пределы интегрирования от — до +m

В результате получим S =sin w m д . П

Конечные пределы интегрирования приводят к тому, что перед sin w mbt появляется множитель

4 "" sin игд t (2р+1) л ЕО

2Я+1 который означает, что амплитудная характеристика преобразователя Гильберта будет неравномерной в пределах полосы анализа. Можно показать, что в пределах этой полосы неравномерность амплитудной характеристики будет не хуже 30В, если нижняя и верхняя частоты определяются следующим образом — У У

w„=

4nbt 4nat, w>= — ° (4n-1) причем полоса анализа дм =

2п

Таким образом, приведенные оценки позволяют определить необходимый объем памяти для достижения заданной полосы анализа.

В канале прямого сигнала выборки с устройства сжатия 5 поступают в буферный регистр 7 сдвига, на выходе которого формируются выборки, имеющие те же номера, что и выборки сопряженного сигнала. Прямые и сопряженные выборки с. выхода сумматора 9 и буферного регистра 7 поступают на вход фазового дискриминатора 3. Фазовый дискриминатор 3 осуществляет операцию

S. агс 9 (2)

1 то есть производит вычисление фазы анализируемого колебания.

Блок 4 управления вырабатывает систему управляющих импульсов, обеспечивающих синхронную работу устройства 5 сжатия, буферного регистра 7 сдвига, блока 6 четных и нечетных выборок, периодического генератора

10 коэффициентов и перемножителя 8.

892336

1 о1(1

2Л <1 (3) . С выхода частотного дискриминатора сигнал в форме (3) поступает на выход интегратора 12 и первый .вход вычитателя 13. В интеграторе 12 происходит усреднение сигнала и выделяется частота основного тона fä которая поступает на выход анализатора. Для выделения частоты дополнительного тона f* сигнал со второго выхода интегратора 12 подается на второй вход вычитателя 13.

Для иллюстрации эффективности работы этого варианта анализатора рассмотрим ситуацию, когда во входном колебании содержатся две составляющие неизвестной частоты: одна с большой амплитудой, другая с маленькой(что имитирует ситуацию при анализе биотоков мозга, когда два физиологических ритма присутствуют одновременно):

S (t) = А„- cos& t+Agcos> (4) где A„Ë Ао .

Фазовый дискриминатор вычисляет величину

" S<" + А1 » - ()

Y(t) -sr ñ î

> А соз w„t +ф ).Goscu+t

Разлагая последнее выражение в ряд Тейлора по степеням параметра

Таким образом, широкополосный дискретный преобразователь Гильберта совместно с фаэовым дискриминатором позволяет получить зависимость непрерывной фазы широкополосного процесса от времени. Для получения информации из этой зависимости в ряде случаев необходимо провести дальнейший анализ. При исследовании таких, например, широкополосных случайных процессов как биотоки мозга возникает необходимость в частотном разделении отдельных составляющих(ритмов колебаний), которые имеют сильно отличающиеся средние частоты и присутствуют в колебании одновременно. Более того, амплитуды этих составляющих сильно отличаются друг от друга.

Для выделения основного тона (высокоамплитудной составляющей) и разделения отдельных (ниэкоамплитудных) составляющих дополнительного тона при анализе широкополосных сигналов с квазигармоническими включениями с различными средними частотами на выходе фазового дискриминатора установлены частотный дискриминатор

11, интегратор 12 и вычислитель 13.

В этом случае сигнал в виде функции (2) с выхода фазового дискриминатора 3 поступает на вход частотного дискриминатора 11, который выполняет операцию

А с учетом первых двух членов раз

А1 ложения, получаем

y(t)=

АХ

После дифференцирования получаем мгновенную частоту я .г() (, ,") -„Ц „- — (Ю - !ц,)51»",.и -5)„p,(1)

Из последующей формулы видно, что основной тон (частота f „) получается с помощью простого усреднителя (накопителя с нормировкой) . После выделения основного тона можно пу15 тем вычитания его величины иэ (7) определить второе слагаемое (7), анализ которого .позволяет определить частоту дополнительного тона (> ) .

Таким образом, предлагаемое изобретение обладает рядом преимуществ перед известными техническими решениями, а именно тем, что оно позволяет выполнить фазочастотный анализ широкополосного случайного колебания в реальном масштабе времени, а также разделять по частоте квазигармонические составляющие, одновременно присутствующие в широкополосном колебании.

Формула изобретения

1. Фазовый анализатор, содержащий аналого-цифровой преобразователь и фазовый дискриминатор, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью повышения точности анализа, в него дополнительно введены дискретный преобразователь Гильберта, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход — co входом фазового дискриминатора, и блок уп40 равления, подключенный к преобразователю Гильберта, и последовательно соединенные частотный дискриминатор, интегратор и вычислитель, второй вход которого подключен ко вто45 рому выходу частотного дискриминатора, а вход последнего — к выходу фазового дискриминатора.

2. Анализатор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что дискретный преобразователь Гильберта выполнен в виде устройства сжатия, подключенных к его выходу буферного регистра сдвига и блока четных и нечетных вы,борок, последовательно соединенных периодического генератора коэффициентов и перемножителя, соединенных вторыми входами с блоком управления, а также сумматора со сбросом, причем вход устройства сжатия соединен с выходом аналого-цифрового преобраэобО вателя, выход блока четных и нечетных выборок соединен со вторым входом перемножителя, выход которого подключен ко входу сумматора со сбросом, выход последнего соединен с одним входом фазового дискриминатора, 892336

Составитель В. Новожилов

Техред А. Савка Корректор EРедактор В. Данко

Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 11244/67 филиал IIIIII Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 второй вход которого соединен с выходом буферного регистра сдвига, а второй вход сумматора со сбросом, устройства сжатия и упомянутого бло- ка буферного регистра — с выходами блока управления.

Источники .информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 3621388, кл.32477, 1973.

2. Патент Великобритании

М 1387078 кл. G 01 R, 1975.