Устройство для определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов
Союз Советскик
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
<}}!924606 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 08.1080 (21) 2991278/18-21 сприсоединениемзаявки ¹ (23) Приоритет
Опубликовано 300482. Бюллетень ¹ 16
Дата опубликования описания 300482 (51) М. Кл.
G 01 R 23/16
Государственный комитет
ССС P оо делам изобретений и открытий (53) УДК 621 317. 7 (088. 8) С. В. Архангельский, Н. A Локтев, В. И. Мильчен и Ю.И.Шафоростов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель жного
KyAGHIQeBcKI-й институт инженеров железнодо транспорта (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ
СЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДОВ ПЕРВОЙ ГАРМОНИКИ
КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Изобретение относится к автомати ке и измерительной технике, в частности к устройствам для спектрального анализа квазипериодических сигналов, и может найти применение при автоматизированных исследованиях сигналов, например, для определения частоты основнога тона речевых сигналов.
Известны устройства для определения частоты следовани первой гармоники квазипериодических сигналов, содержащие блок управления, фильтры, детекторы, порогсвые элементы, ключи (Ц .
Недостатком данных устройств является низкая достоверность из-за влияния шумов в исследуемом сигнале. Для уменьшения влияния шумов в данных устройствах необходимо использовать узкополосные фильтры, что приводит к увеличению числа каналов в устройствах и, следовательно к увеличению сложности устройств. Кроме того, используемый в данных устройствах метод выбора канала, .содержащего первую гармонику, основанный на сравнении уровней сигналов на выхоцах фильтров с некоторым заранее заданным порогом, в принципе дает недостоверные результаты при анализе сигналов, в спектре кОторых уровень первой гармоники в ряде случаев меньше уровня высших гармоник, что имеет место для речевых сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения частоты первой гармоники квазипериодических сигналов (выделитель основного тона речевых сигналов) с коммутируемыми перестраиваемыми фильтрами, содержащее и фильтров, n .:äåтекторсв, п.пороговых элементов, блок управления ключами, блок управления фильтрами, частотомеры и клю15 чи (2) .
Недостатком известногс устройства является низкая достоверность определения частоты первой гармоники исследуемого сигнала. Под достовернос20 тью понимается вероятность правильности выбора канала, содержащего пер. вую гармонику исследуемого сигнала.
Главными факторами, приводящими к ошибкам в работе устройства, являют25 ся изменение уровня исследуемого сигнала в процессе работы устройства, а также наличие ниэкочатотных шумов и высших гармоник сигнала. Устройство весьма критично к величине порогов, 30 устанавливаемых в пороговых элемен924606
Блок 7 максимума и блок 5 управления фильтрами имеет три такта работы. На первом такте работы блок
5 управлечия фильтрами перестраивает фильтры 1-1, ..., l-i, ..., 1-п таким образом, чтобы резонансная частота первого фильтра прошла весь диапазон возможных значений первой гармоники исследуемого сигнала. Так как фильтры перестраиваются синхронно, то резонансная частота второго фильтра пройдет весь диапазон возможных значений частоты второй гармоники сигнала, резонансная частота третьего фильтра — диапазон возможных значений третьей гармоники и т.д. Функция C(f„), формирующаяся на выходе сумматора 6, имеет ряд максимумов, один из которых является глобальным (фиг.4, д) . Глобальный максимум функтах. Пороги определяются уровнями сигналов и шумов на выходах фильтров.
Цель изобретения — повышение достоверности спределения частоты следования перисдов первой гармоники кваэипериодических сигналов, при нали- 5 чии в сигналах низкочастотных шумов и при изменении уровня сигналов в процессе работы устройства.
Г. оставленная цель достигается тем, что в устройство для определения час-10 тоты следования периода первой гармоники кваэипериодических сигналов, содержащее и фильтров, и детекторов, частотомер, блок управления фильтрами и ключ, выход которого подключен 15 к выходной шине и к первому входу блока управления фильтрами, а информационный вход подключен к выходу частотомера, вход которого подключен к . выходу первого фильтра и входу первого детектора, входы каждого i-ro из и детекторов (1 На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 — спектры исследуемых кваэипериодических сигналов1 на 40 фиг.4 — вид функции С (f q), получаемой на выходе сумматора предлагаемого устройства при различном взаимном положении гармоник исследуемого сигнала и полос пропускания фильт- 45 ров. Устройство (фиг.l) имеет вход и выход и содержит и фильтров 1-1, ° .., 1-i„ l-n, каждый иэ которых имеет информационный вход упРавляю- 50 щий вход и выход, частотомер 2, имеющий вход и выход, ключ 3, имеющий информационный вход, управляющий вход и выход, п детекторов 4-1,..., 4-i„...„ 4-n„ каждый из которых имеет вход и выход, блок 5 управления фильтрами, имеющий два входа и выход, сумматор б, имеющий п входов блок 7 максимума, имеющий два выхода и два входа. Информационные входы всех и фильт- 60 ров 1-1,..., l-i„..., 1-и подсоединены ко входу устройства. Вход частотомера 2 подсоединен к выходу фильтра 1-1. Информационный вход ключа 3 подсоединен к выходу частотомера 2, 65 выход ключа 3 подсоединен к выходу устройства. Вход i-ro (l 1-1,..., l-i... °, l-n. Предлагаемое устройство (фиг.l) является устройством для определения частоты следования периодов первой гармоники кваэипериодических сигналов, имеющий спектр вида (фиг.2 и . 3), собранным на базе перестраиваемых узкополосных фильтров 1-1,..., 1 вЂ,..., l-n, резонансные частоты которых относятся как 1:2:...:i:i+1: ° 4 1 УстРойство работает следующим образом (фиг.l). Исследуемый квазипериодический сигнал S(t), имеющий спектр (фиг.2 или 3) и частотный диапазон f Q подается на вход устройства, т.е. на информационные входы всех и узкополосных перестраиваемых фильтров, 1-1,... l-i, ..., l-п, резонансные частоты которых относятся как 1: ...:i: ...:1-п. Фильтр 1-1 в исходном состоянии настроен таким образом, что в era полосу пропускания попадает нижняя граница возможных значений частоты f н первой гармоники исследуемого сигнала. Сигналы с выходов всех фильтров детектируются соответствующими детекторами 4-1,..., 4-i,..., 4-и н затем суммируются сумматором б 924606 ции свидетельствует о попадании и низших гармоник исследуемого сигнала в полосы пропускания oîîòâåòñòâóþщих фильтров. (la первом такте работы блок 7 максимума определяет глобальный максимум Функции С(f,) и запоминает соответствующее ему значение сигнала управления фильтрами, т.е. значение резонансной частоты f> первого фильтра. На втором такте работы блок 7 максимума выдает в блок 5 управления фильтрами запомненное значение сигнала управления фильтрами, соответствующее глобальному максимуму функции C (f Ä ) . Блок 5 управления фильтрами на втором такте работы по данному сигналу настраивает фильтры 1-1,..., 1-1,, 1-и на нужные частотные.диапазоны. Появление глобального максимума функции С(f,) свидетельствует, в частности, о попадании первой гармоники исследуемого сигнала в полосу пропускания фильт15 20 ра 1-1. Поэтому после настройки фильт. и характера именения отдельных гармоник сигнала. В то же время логика работы известного устройства определяется уровнем сигнала с выхода одного фильтра, т.е. уровнем одной (первой) гармоники сигнала, что снижает достоверность известного устройства при наличии шумов в иссле50 дуемом сигнале или при изменении уровней отдельных гармоник сигнала. Достоверность работы известного и предлагаемого шестиканального устройства оценивается при исследовании 55 сигнала, уровень первой гармоники которого в два раза меньше уровня второй гармоники, а, начиная со второй гармоники, спектр сигнала спадает на 6 дБ/ октаву, т.е. уровень последующей гармоники н 2 раза меныlE уровня предыдущей (такук характеристику может им т, н,- :ример, речевой сигбО 65 ров на третьем такте работы блок 7 максимума на первый выход выдает управляющий сигнал, открывающий ключ 25 3, и сигнал с выхода частотомера 2 попадает на выход устройства. Блок 5 управления фильтрами на третьем такте работы по сигналам, поступающим на первый его вход с выхода устройства, управляет фильтрами в следящем режиме в течение времени определения частоты следования периодов первой гармоники исследуемого сигна35 Таким образом, предлагаемое устрой. ство по сравнению с известным имеет более высокую достоверность работы при исследовании сигналов, имеющих спектр (фиг. 2 и 3), так как в основе работы предлагаемого устройства ис- 40 пользуется более достоверный критерий — глобальный максимум суммар- . ного уровня сигналов с выходом всех п фильтров. Местоположение глобального M>KcH ì> не зависит от уровня 45 нал) . Причем уровень шестой гармоники за 1, тогда уровни первых шести гармоник относятся как 8:16:8:4:2:1. Величина порога U в пороговых элементах известного устройства равна 6. При изменении уровня гармоник исследуемого сигнала на 50% уровень первой гармоники изменяется от ()„,„„„ =4 до U, ах=12. Если в процессе исследования сигнала его уровень из° меняется по равномерно распределенному закону, то вероятность Р„ появления уровня первой гармоники меньшего величины порога, определяемая по Формуле P„=(tJ„-U )/(П1,-П„.;„) равна Р,=(6-4)/(12-4) = 0,25, т.е. в 25Ъ экспериментов известное устройство дает сбои, так как уровень первой гармоники меньше порога и к выходу устройства подключается канал, содержащий вторую гармонику сигнала (минимальный уровень второй гармоники ()1„, „равен 8, т.е. П,1„„„ Ц„) . При уменьшении величины порога на работу известного устройства начинают влиять низкочастотные шумы, имеющиеся в реальном сигнале. Экспериментальный подбор onòèìàíüной величины порогов и нормирование уровня исследуемого сигнала уменьшают количество сбоев известного устройства, но не устраняют их полностью. Устройство для определения частоты следования первой гармоники квазипсриодических сигналов работает следующим образом. При номинальном уровне исследуемого сигнала в случае попадания первой гармоники сигнала в полосу пропускания второго фильтра (фиг.4, а и 4,б), значение функции С(f,) (фиг.4,д) равно сумме уровней первых n/2 гармоник, т.е. С(f,)=-8+16+ +8=32. При попадании первой гармоники сигнала в полосу пропускания первого фильтра (фиг.4,а и 4,в) С(f „ ) равно сумме первых шести гармоник, т.е. С(f „ ) = 8+16+8+4+2+1= 39. В случае попадания второй гармоники в полосу пропускания первого фильтра (фиг.4,а и 4,г) С(f Ä") содержит сумму шестнчетных гармоник Отсюда имеет неравенства c(f ) ) c(f ) c(f",) ъ c(f", ) (1) показывающее, что С(Й,) является глобальным максимумом функции С(f1). Изменение уровней гармоник исследуемого сигнала равноценно умножению С (f „ ), С (f „ ), С (f ) на один и тот же положительный коэффициент. При этом неравенства (1) сохран яют свою силу, т. е. положение глобального максимума Функции С(f< ) не меняется. Предлагаемое устройство работает достоверно и не требует предварительного нормирования исследуемого сигнала. 924606 Формула изобретения Устройство для определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов, содержащее n: фильтров, и детекторбв, частотомер, блок управления фильтрами и ключ, выход которого подключен к выходной шине и к.первому входу блока управления фильтрами, а информационный вход подключен к выходу частотомера, вход которого подклю.чен к выходу первого фильтра и входу первого детектора, входы каждого 1-го из и детекторов (1 i-го фильтра, информационные входы и фильтров подключены к входной шине, а управляющие входы - к выходу блока управления фильтрами, о тл и ч а ю щ,е е с я тем, что, с целью повышения достоверности определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов, в него введены сумматор и блок максимума, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа, второй выход — к второму входу блока управления фильтрами, первый вход блока максимума подключен к выходу сумматора, а второй вход — к управляющим входам и фильтров и к выходу блока управления фильтрами, i-ый вход сумматора (I Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Сапожков Н.A. Речевой сигнал в кибернетике и связи. И., Связьиздат, 1963, с. 185-199. 2. Пирогов A.A. Вокодерная телефония. "Связь", 1974, с. 113-139. 924606 Фиг. 2 Фмв.Ф ВНИИПИ, Заказ 2809/62 Тираж 719 Чодписное Филиал ЧЧП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4
