МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПОЛЯРНЫЙ КОРРЕЛЯТОР Российский патент 2008 года по МПК G06F17/15 

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам, предназначенным для определения корреляционных функций случайных процессов.

Широкий класс корреляторов описан в [1], однако большинство из них сложны в технической и схемной реализациях.

Аналогом является многоканальный полярный коррелятор по авторскому свидетельству №327495 [2], состоящий из кольцевого распределителя 1, содержащего генератор тактовых импульсов 11 и триггеры 2, вспомогательных триггеров 3 и 4, ключевых схем первой группы 5₁-5_n, ключевых схем второй группы 5₁-5_m, диодов 6 и 7, усилителя-ограничителя 8, логического элемента 9 и счетчиков импульсов 10. Однако данный многоканальный коррелятор не обладает высокой точностью, так как учитывает число импульсов при отсутствии исследуемого сигнала при τ=0.

Прототипом является многоканальный полярный коррелятор по авторскому свидетельству №2210105 [3], состоящий из кольцевого распределителя 1, содержащего генератор тактовых импульсов 11 и триггеры 2₁-2_n, усилителя-ограничителя 3, ключевых схем 4₁-4_n, первого 5 и второго 9 логических элементов "И", логического элемента "ИЛИ" 6, элемента "НЕ" 7, запоминающего элемента 8 и счетчиков импульсов 10₁-10_n.

Однако, как показали экспериментальные исследования данному коррелятору присущи и некоторые недостатки:

- при исследовании случайного сигнала с широким высокочастотным спектром частот запоминающий элемент не обеспечивает снятие и запоминание высокочастотного сигнала, что приводит к некоторому снижению его точности;

- не обеспечивается возможность определения взаимной корреляционной функции двух сигналов, что крайне необходимо при исследовании динамики САУ при случайных внешних воздействиях и внутренних изменениях параметров.

Задачей изобретения является повышение точности многоканального полярного коррелятора, а также расширение его функциональных возможностей за счет введения режима определения взаимной корреляционной функции двух сигналов.

Повышение точности в предлагаемом корреляторе достигается введением дополнительной операции подготовки запоминающего элемента, т.е. его обнуления, которая реализуется параллельным подключением к его выходу "n+1" ключа, управляемого выходным импульсом с "n+1" триггера, включенного дополнительно в кольцевой распределитель между "n" и "1" триггерами кольцевого распределителя. Это позволяет в конце каждого цикла сравнительной оценки дискретных значений исследуемого случайного сигнала осуществлять обнуление запоминающего элемента, что полностью исключает возможность возникновения ошибки за счет значения запомненного сигнала в предыдущем цикле работы коррелятора. Таким образом, обеспечивается запоминание полярности только текущего значения сигнала, что способствует повышению точности коррелятора и расширению частотного диапазона исследуемых случайных сигналов. Расширение функциональных возможностей коррелятора достигает за счет введения операции определения взаимной корреляционной функции двух случайных сигналов при сохранении операции определения корреляционной функции случайного сигнала.

Это достигается тем, что вводится два режима работы многоканального полярного коррелятора:

- первый, определение корреляционной функции случайного сигнала, когда как запоминание, так и оценка его значений сечений в дискретные моменты времени производится для одного и того же исследуемого случайного сигнала;

- второй, когда определение взаимной корреляционной функции двух случайных сигналов, то есть запоминание полярности сигнала производится для одного, а оценка значений сечений в дискретные моменты времени осуществляется для второго случайного сигнала относительно запомненного первого.

Это достигается введением второго усилителя-ограничителя и переключателя режимов работы.

Сущность изобретения заключается в том, что многоканальный полярный коррелятор, содержащий кольцевой распределитель, состоящий из генератора тактовых импульсов и последовательно соединенных триггеров, на первые входы которых поступают импульсы с генератора, а второй вход каждого последующего триггера соединен со вторым выходом каждого предыдущего триггера, n ключей, первый усилитель-ограничитель, вход которого соединен с первой входной клеммой по первому входному сигналу, а выход - с входом первого ключа, первый и второй логические элементы "И", запоминающий элемент, n счетчиков, логические элементы "ИЛИ" и "НЕ", при этом выход первого триггера соединен с управляющим входом первого ключа и первым входом первого логического элемента "И", с выхода первого ключа сигнал поступает на вход запоминающего элемента, с которого запомненный полярный сигнал поступает на первый вход второго логического элемента "И", также с выхода первого ключа сигнал непосредственно поступает на первый вход логического элемента "ИЛИ", а на второй его вход - через логический элемент "НЕ", с выхода логического элемента "ИЛИ" сигнал поступает на второй вход первого логического элемента "И", с выхода которого сигнал поступает на первый счетчик импульсов, с выхода второго логического элемента "И" сигнал через соответствующий открытый ключ при последовательном срабатывании соответствующих триггеров кольцевого распределителя поступает на соответствующий счетчик импульсов, при этом в кольцевой распределитель между n и первым триггерами дополнительно включен n+1 триггер, второй вход которого по сигналу подготовки соединен со вторым выходом n триггера, а его первый выход подключен к управляющему входу дополнительного n+1 ключа, вход которого соединен с выходом запоминающего элемента, а выход n+1 ключа подсоединен к земленной клемме, вторая входная клемма коррелятора по второму входному сигналу через второй усилитель-ограничитель подключена ко второму входному контакту переключателя режимов, а его первый входной контакт соединен с входом первого ключа, выходной контакт переключателя режимов подключен ко второму входу второго логического элемента "И".

Сущность изобретения поясняется, электрической функциональной схемой многоканального полярного коррелятора, представленной на чертеже.

Электрическая функциональная схема состоит из кольцевого распределителя 1, содержащего генератор тактовых импульсов 11 и триггеры 2₁-2_n+1, первого и второго усилителей-ограничителей 3₁-3₂, ключевых схем 4₁-4_n+1, первого и второго логических элементов "И" 5 и 9, логического элемента "ИЛИ" 6, элемента "НЕ" 7, запоминающего элемента 8, счетчиков импульсов 10₁-10_n и переключателя режимов 12.

Многоканальный полярный коррелятор работает следующим образом:

При определении корреляционной функции случайного сигнала, то есть в первом режиме работы, переключатель режимов 12 устанавливается в положение 1-3. Исследуемый входной сигнал U_x подается на вход первого усилителя-ограничителя 3₁ и усиленный сигнал поступает на вход ключа 4₁ и через переключатель режимов 12 (контакты 1 и 3 замкнуты) - на второй вход логического элемента "И" 9. С выхода генератора тактовых импульсов 11 импульсы поступают на первые входы триггеров 2₁-2_n+1, кольцевого распределителя 1. При срабатывании первого триггера 2₁ с его выхода импульс напряжения поступает на управляющий вход ключевой схемы 4₁ и первый вход первого логического элемента "И" 5.

При этом открывается ключевая схема 4₁, через которую усиленный входной сигнал U₁ поступает на вход запоминающего элемента 8. Запомненный полярный сигнал затем поступает на первый вход второго элемента "И" 9. Причем на второй вход второго элемента "И" 9 непрерывно подается текущее значение усиленного входного сигнала с выхода усилителя-ограничителя 3₁ через замкнутые контакты 1-3 переключателя 12. С выхода второго логического элемента "И" 9 снимается сигнал только в момент срабатывания триггеров 2₂-2_n при совпадении полярностей текущего значения входного сигнала U₁ и запомненного, и через открытый ключ 4, группы ключей 4₂-4_n поступает на соответствующий счетчик импульсов 10₂-10_i-10_n. Первый счетчик 10₁ считает только рабочие циклы коррелятора, то есть при наличии сигнала на выходе запоминающего элемента 8.

Это достигается следующим образом. Элемент "ИЛИ" 6 настроен на положительное срабатывание только при наличии входного сигнала и при любой его полярности, так как с выхода ключа 4₁, входной сигнал U₁ поступает непосредственно на первый вход элемента "ИЛИ" 6, а на второй его вход - через элемент "НЕ". Следовательно, при наличии входного сигнала U₁ и при срабатывании триггера 2₁ с выхода элемента "ИЛИ" 6 положительный сигнал поступает на второй вход первого элемента "И" 5. А так как на первый вход первого элемента "И" 5 поступает сигнал с первого триггера 2₁ кольцевого распределителя 1 тоже положительный, то с выхода первого элемента "И" 5 на первый счетчик импульсов 10₁ поступает сигнал только при наличии входного сигнала U₁ любой полярности.

Следовательно, при отсутствии входного сигнала с выхода элемента "И" 5 не поступает импульс на счетчик 10₁, запоминающий элемент 8 не фиксирует полярность входного сигнала и данный рабочий цикл исключается из числа измеренных.

Если полярность входного сигнала U₁ зафиксирована запоминающим элементом 8, то при срабатывании триггера 2₂ с его выхода снимается сигнал, который открывает ключевую схему 4₂. Если полярности текущего значения входного сигнала U₁ и сигнала с выхода запоминающего элемента 8 совпадают на входах второго элемента "И" 9, то с его выхода через открытую ключевую схему 4₂ на вход счетчика 10₂ поступает импульс. Аналогично срабатывают ключевые схемы 4₃-4_n и счетчики 10₃-10_n при последовательном срабатывании соответствующих триггеров 2₃-2_n кольцевого распределителя 1. Затем срабатывает триггер 2_n+1 и его выходной сигнал открывает ключевую схему 4_n+1, что приводит к обнулению выходного сигнала запоминающего элемента 8, то есть подготовки его к следующему запоминанию входного сигнала U₁.

По окончании одного цикла работы кольцевого распределителя 1 в первом триггере 2₁ вновь появляется импульс, что приводит к запоминанию нового текущего значения входного сигнала и в дальнейшем цикл работы повторяется.

Для определения взаимной корреляционной функции двух случайных сигналов U₁ и U₂, то есть при работе коррелятора во втором режиме, переключатель режимов 12 переводится во второе положение (замыкаются контакты 2 и 3) и исследуемый второй случайный сигнал U₂ подают (подключают) на вход второго усилителя-ограничителя 3₂. Принцип работы коррелятора в этом режиме соответствует вышеописанному, и в начале каждого цикла его работы запоминается полярность входного сигнала U₁, но сравнительная оценка осуществляется уже с текущими значениями входного сигнала U₂.

По истечении времени, необходимого для определения знаковой корреляционной функции, со счетчиков импульсов снимают отсчеты и определяют вероятности совпадения знаков как отношение числа, зафиксированного в соответствующем счетчике, к числу, зафиксированному в первом счетчике. Нормированная корреляционная функция случайного процесса находится через вероятность р(±±) как функция задержки τ р(τ)=-cos2πр(±±) [1, 4].

Число определяемых ординат нормированной корреляционной функции соответствует числу n ячеек кольцевого распределителя 1, а дискретные значения аргументов кратны периоду генератора тактовых импульсов 11.

Диапазон частот исследования случайных процессов может быть изменен путем изменения частоты генератора тактовых импульсов 11, а изменение числа определяемых точек корреляционной функции - путем изменения числа триггеров 2₁-2_n кольцевого распределителя 1.

Как видно из вышеизложенного, разработанный многоканальный полярный коррелятор обладает простотой схемного решения, высокой точностью работы и обеспечивает определение как корреляционной функции случайного сигнала, так и взаимной корреляционной функции случайных сигналов.

Источники информации

1. Жовинский В.И., Арховский В.Ф. Корреляционные устройства. М.: Энергия, 1974.

2. Авторское свидетельство №327495, опубликовано 26.01.1972 г. Бюллетень №5.

3. Авторское свидетельство №2210105, опубликовано 10.08.2003 г. Бюллетень №22.

4. Бендат Дж. Основы теории случайных процессов. М.: Наука, 1965.

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам, предназначенным для определения корреляционных функций случайных процессов. Технический результат заключается в повышении точности многоканального полярного коррелятора, а также расширении его функциональных возможностей за счет введения режима определения взаимной корреляционной функции двух сигналов. Коррелятор состоит из кольцевого распределителя (КР) (1), содержащего генератор тактовых импульсов и последовательно включенных триггеров (2), двух усилителей ограничителей (УО) (3), ключевых схем (Кл) (4), логических элементов "И" (5, 9), "ИЛИ" (6) и "НЕ" (7), запоминающего элемента (ЗЭ) (8) и счетчиков импульсов (10). В КР (1) между "n" и "1" триггерами (2) дополнительно включен "n+1" триггер (2), который позволяет ввести дополнительную операцию подготовки ЗЭ (8), т.е. его обнуление. Второй вход "n+1" триггера (2) по сигналу подготовки соединен с выходом "n"-триггера (2), а его первый выход подключен к управляющему входу дополнительного "n+1" Кл (4), вход которого соединен с выходом ЗЭ (8), а выход - с заземлением. Входная клемма по второму входному сигналу через второй УО (3) подключена ко второму входному контакту переключателя режимов (ПР) (12), а его первый входной контакт соединен с входом первого Кл (4) и выходом первого УО (3), вход которого соединен с входной клеммой первого входного сигнала; выходной контакт ПР (12) подключен ко второму входу И (9). 1 ил.

Многоканальный полярный коррелятор, содержащий кольцевой распределитель, состоящий из генератора тактовых импульсов и последовательно соединенных триггеров, на первые входы которых поступают импульсы с генератора, а второй вход каждого последующего триггера соединен со вторым выходом каждого предыдущего триггера, "n" ключей, первый усилитель-ограничитель, вход которого соединен с первой входной клеммой по первому входному сигналу, а выход - с входом первого ключа, первый и второй логические элементы И, запоминающий элемент, "n" счетчиков, логические элементы ИЛИ и НЕ, при этом выход первого триггера соединен с управляющим входом первого ключа и первым входом первого логического элемента И, с выхода первого ключа сигнал поступает на вход запоминающего элемента, с которого запомненный полярный сигнал поступает на первый вход второго логического элемента И, также с выхода первого ключа сигнал непосредственно поступает на первый вход логического элемента ИЛИ, а на второй его вход - через логический элемент НЕ, с выхода логического элемента ИЛИ сигнал поступает на второй вход первого логического элемента И, с выхода которого сигнал поступает на первый счетчик импульсов, с выхода второго логического элемента И сигнал через соответствующий открытый ключ при последовательном срабатывании соответствующих триггеров кольцевого распределителя поступает на соответствующий счетчик импульсов, отличающийся тем, что в кольцевой распределитель между "n" и первым триггерами дополнительно включен "n+1" триггер, второй вход которого по сигналу подготовки соединен со вторым выходом "n" триггера, а его первый выход подключен к управляющему входу дополнительного "n+1" ключа, вход которого соединен с выходом запоминающего элемента, а выход "n+1" ключа подсоединен к земленной клемме, вторая входная клемма коррелятора по второму входному сигналу через второй усилитель-ограничитель подключена ко второму входному контакту переключателя режимов, а его первый входной контакт соединен с входом первого ключа, выходной контакт переключателя режимов подключен ко второму входу второго логического элемента И.