Адаптивный цифровой измеритель параметров сигнала Советский патент 1983 года по МПК G01R23/00 

ся выходами генератора функций Уолша, 1-Я и т-й выходы элемента сравнения являются первым и вторым служебными вьлходами генератора функций Уолша, причем первый выход элемента сравнейия подключен к об1 еДиненным первым входам элементов ИЛИ, т-й выход элемента сравнения подключен к объединенным входам установки нуля триггеров со счетным входом.

1. АДАПТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА, содержащий последовательно соединенные блок прореживания нуль-пересечений, формирователь, чисел и решающий блок, отличающий с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, в него введены генератор функций Уолша,подключенный входом к выходу блока прореживания нуль-пересечений, m -канальный блок формирования статистик, каждый канал которого содержит последовательно соединенные сумматор по mod 2, комбинационный сумматор и универсальный сдвиговый регистр, причем информационные входы каждого из сумматоров по mocj 2 подключены к выходам формирователя чисел, выходы каждого из универсальных сдвиговых регистров соединены с входами решающего блока и с вторыми входами комбинационных сумматоров этих каналов, управляющие входы сумматоров по mod2 каждого канала соединены с соответствующими выходами генератора функций Уолша, котЬрые также подключены к входам переноса единшцл млаД1иего разряда комбинационных сумматоров этих каналов, управляющие входы универсальных сдвиговых регистров объединены и подключены к выходу блока прореживания нуль-пересечений,входы младших разрядов последовательного переноса универсальных сдвиговых регистров блока формирования статистик объединены и подключены к соответст.вующему выходу формирователя чисел, цепочка из последовательно соединенных квадратора, подключенного входами к выходам формирователя чисел, комбинационного, сумматора и универсгшьного сдвигового регистра, вход младшего разряда последовательного .переноса / которого соединен с соответствующимвыходом формирователя чисел, а управляющий вход.подключен к выходу блока прореживания нуль-пересечений, выходы универсального сдвигового регистра соединены с входами решающего блока , г и вторыми входами комбинационного сумматора этой цепочки, управляющий вход квадратора подключен к выходу блока прореживания нуль-пересечений, а также R6 триггер и элемент, задержки, причем вход элемента згшерж- ки соединен с вторым служебным выхо- § дом генератора функций Уолша,а выход подключен к управляющему входу peuaioщего блока и R-входу триггера, 5-вход которого подключен к первому служебному выходу генератора функций Уолша,выход триггера соединен с входами выбора режима всех универсальных сдвиговых регистров. 2. Цифровой измеритель по п,1, отличающийся тем, что генератор функций Уолша содержит счетчик числа нуль-пересечений, соединенный входом с выходом блока прореживания нуль-пересечений, ячейку памяти, подключенную адресным входом к выходу блока прореживания нуль-пересечений, элемент сравнения, две группы входов которой подключены к выходам счетчика числа нуль-пересечений и ячейки памяти соответственно, fn цепочек из последовательно соединенных элементов ИЛИ и триггеров со счетным входом, выходы которых являют

Изобретение относится к. радиоизм рительной технике и может быть использовано в радио- и гидролокацион ных системах траекторных измерений для определения парсСметров движения излучающих объектов в условиях огра ниченной априорной информации относи тельно их динамики. Известно устройство для измерения частоты (периода) сигнала, содержаще последовательно соединенные счетчик чисел, умножитель и сумматор, счетчи числа нуль-пересечений, вход которо соединен с первым входом счетчика чисел, генератор эталонных меток вре мени, соединенный выходом со вторым входом счетчика чисел, блок вычитания, ячейку памяти, делитель, при этом выход счетчика чисел нуль-пересечений и первый выж5Д ячейки памяти подключены к..- входам блока вычитания выход которого соединен со вторым входом блока умножения, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подключены КС входам делителя Cl Данное устройство позволяет измерить частоту (период) сигнала с точностью, близкой к теоретически предельной, так- как формирует оптимальную (по методу наименьших квадратов) оценку периода сигнала, излучаемого объектом при равномерном и прямолинейном его движении на интервале наблюдения. Недостатком этого устройства явля ется низкая точность в практике траекторных измерений при сложных законах движения наблюдаемых объектов. I Наиболее близким к изобретению по технической сущности является адаптивный измеритель параметров сигнала содержащий последовательно соединеи ные блок прореживания нуль-пересечений формирователь чисел, счетчик чис ла нуль-пересечений, вход которого соединен ,с выходом блока прореживания нуль-пересечений, первый блок ; срайнения, блок памяти, блок управления и решающий блок, причем выходы счетчика числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам блока , вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами блока памяти, а ее выход подключен ко входу блока управления, последовательно соединенные формирователь статистик, блок матричного умножения, ,, формирователь отношения сигнал / шум и второй блок сравнения, выходы которого соединены со входами решающего блока, выходы -формирователя статистик соединены с выходами формирователя чисел, выходы блока матричного умножения также подсоединены к соответствующим входам BTqporo блока сравнения, а вторая группа выходов формирователя статистик соединена со второй группой входов формирователя отношения сигнал/шум, выходы блока памяти соединены с соответствующими входами формирователя статистик, блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал/шум и решающего блока, управляющиевходы которых соединены с выходами блока управления 2 Это устройство обладает существенно большими функциональными возможностями по сравнению с первым, так как не только позволяет устранить смещение оценок периода и начальной фазы, обусловленных сложным (отличием от равномерного и прямолинейного) характером движения объекта, и измерить производное периода, но и ограничить рост флюктуационной ошибки оценок информационных параметров,связанного с увеличением числа оцениваеилх параметров. Недостатки известного устройства обусловлены большими аппаратурными затратами и большим временем обработки. Целью изобретения является уменьшение, аппаратурных затрат и увеличе ние быстродействия при измерении параметров сигналов, излучаемых движущимся объектом, при наличии априорной неопределенности относительно динамики движения объекта. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные блок прореживания нуль-пересечений, формирователь чисел и решающий блок, введены генератор функций Уолша, подключенный входом к выходу блока прореживания нуль-пересечений, m -канальный блок формирования статистик, каждый канал которого содержит последовательно соединенные сумматор по modi, комбинационный сумматор и универсальный сдвиговый регистр, причем информационные входы каждого из сумматоров по то 2 подключены к выходам формирователя чисел, выходы каждого из универсальных сдвиговых регистров соединены с входами решсцощего блока и с вторыми входами комбинационных сумматоров этих каналов, управляющие входы сумматоров по mod 2 каждого канала соединены с соответствующими выходами генератора функций Уолша, которые также подключены к входам переноса единицы младшего разряда комбинационных йумматоров этих каналов, управляющие входы универсальных сдвиговых регистров объединены и подключены к выходу блока прореживания нуль-пересечений, входы младших разрядов последовательного переноса универсальных сдвиговых регистров блока формирования статистик объ динены и подключены к соответствующе му выходу формирователя чисел, цепоч ка из последовательно соединенных квадратора, подключенного входами к выходам формирователя чисел, комби национного сумматора и универсального сдвигового регистра, вход млал1аег разряда последовательного переноса которого соединен с соответствующим выходом формирователя чисел, а управ ляющий вход подключен к выходу блока прореживаний нуль-пересечений, выход универсального сдвигового регистра соединены с входами решающего блока и вторыми входами.комбинационного сумматора этой цепочки, управляющий вход квадратора подключен к выходу блока йрореживания нуль-пересечений, а также R-5 триггер и элемент задержки, причем вход элемента задержки соединен с .вторым служебным выходом генератора функций Уолша, а выхо подключен к управляющему входу решаю щего блока и R-входу триггера, Э-вход которого подключен к первому служебному выходу генератора функций Уолша, выход триггера соединен с вхо дами выбора режима всех универсальны сдвиговых регистров. Генератор функций Уолша содержит счетчик числа нуль-пересечений, сое диненный входом с выходом блока прореживания нуль-пересечений, ячейку памяти, подключенную адресном входом к выходу блока прореживания нуль-пересечений, элемент сравнения, две группы входов которой подключены к выходам счетчика числа нуль-пересече ний и ячейки памяти соответственно, fn цепочек из последовательно соединенных элементов ИЛИ и триггеров со счетным входом, выходы которых являются выходами генератора функций Уолша, 1-й и m-и выходы элемента Iсравнения являются первым и вторым служебными выходами генератора функций Уолша, причемпервый выход элемента сравнения подключен k объедит- : ненным первым входам элементов .ИЛИ,. fn-й выход элемента сравнения подключен к объединенным входам установки нуля триггеров со счетным входом, На фиг.1 приведена структурная .электрическая схема устроЗйства; на фиг.2 - структурная электрическая схема генератора функций Уолша. . Измеритель содержит последовательно, соединенные блок 1 прореживания нуль-пересечений и формирователь 2 чисел, генератор 3 функций Уолша, подключенный входом к выходу блока 1 прореживания нуль-пересечений, m -канальный блок 4 формирования статистик, каждый канал которого содержит последовательно соединенные сумматор 5по mooJ 2, комбинационный сумматор 6и универсальный сдвиговый регистр 7, причем информационные входы каждого из сумматоров 5 по rnool 2 подключены к выходам формирователя 2 чисел, выходы кахсдого из универсальных сдвиговых регистров 7 подключены ко вторым входам комбинационных сумматоров 6, управляющие входы сумматоров 5 по mod 2 каждогр канала соединены с соответствующими выходами генератора 3 функций Уолша, которые также подкдючены ко входам переноса единицы младшего разряда комбинационных сумматоров 6 этих каналов,yfF равляющие входы универсальных СДВИГОВЕ Х регистров 7 объединены и подключены к -i |выходу блока 1 прореживания нуль-пересечениП , входы «шадхиих разрядов последовательного переноса универсальных сдвиговых регистров 7 блока 4 формирования статистик объединены и подключены к соответствуюсцему выходуформирователя 2 чисел, цепочка из , последовательно соединенных квадраторов 8, подключенных входами к выходу формирователя 2 чисел, комбинационного сумматора 9 и универсального сдвигового регистра 10, вход младшего разряда последовательного переноса которого соединен с соответствукяцим выходом формирователя.2 чисел, а управляющий вход подключен к выходу блока 1 прореживания нуль-пересечений , выходы универсального сдвигового регистра 10 соединены со вторыми входами комбинационного сумматора 9, управляющий вход квадратора 8 подключен к выходу блока 1 прореживания нуль-пересечений, а также R-5 триггер 11, элемент 12 задержки и решающий блок 13, причем выходы всех универсальных сдвиговых регистров и универсального сдвигового регистра 10 подключены к информационным входам ретиающего блока 13, последовательность импульсхэв нуль-пересечений исследуе мого сигнала поступает на вход 14 блока 1 прореживания нуль-пересечений, вход элемента 12 задержки соед нен со вторым служебным выходом 15 генератора 13 функций Уолша и своим выхрдом подключен к управляющему вхо ду решающего блока 13 и R -входу триггера 11, S -вход которого подключен к nepBO/iy служебному выходу 16тенератора 3 функций Уолша, выход 17 триггера 11 соединен со входами выбора режима универсальных сдвиговы регистров 7 и 10. Генератор 3 функций Уолша (фиг.2 содержит счетчик 18 числа нуль-пересечений, соединенный, входом с выходом блока 1 прореживания нуль-пересе чений, ячейку 19 памяти, подключенну адресным входом к выходу блока 1 про реживания нуль-пересечений, элемент 20 сравнения, две группы входов кото рой подключены к выходам счетчика 18 числа нуль-пересечений и ячейки 19 памяти соответственно,m цепочек из последовательно соединенных элементо 21-1-21-п и триггеров 22-1-22-П со счетным входом, выходы которых являются выходами генератора3 функцийУолша, 1-й и .т-и выходы элемента сравнения являются первь1м и вторым служебными выходами 16 и 15 генератора 3 функций Уолша, причем первый выход элемента 20 сравнения -подключен к объединенным первым входам эле ментов 21-1-21-п ИЛИ, выход элемента сравнения подключен к объединенным входам установки нуля триггеров 22-1-22-п. Устройство работает следующим,образом. Принимая от движущегося излучающегося объекта смесь сигнала и шума имеет вид U(t)SpC09 2Jft + V(t)+n(tj, (1) где SD амплитуда принимаемого ко лебания; f - частота сигнала; f(t)- фаза сигнала. Из принимаемой смеси сигнала и шу ма после уэкополосной фильтрации формирует ся врекюнная. последовательность нуль-пересечений, пг1ступающая на вход блока 1 прореживания нуль-пе ресечений и служит для формирования потока статистических независимых нуль-пересечений, что достигается д0 лением входной импульсной последовательнос1и в Р раз. Временные отсчеты, соответствующи моментам выпадения нуль-пересечений/ ормируемые в блоке 2 в виде двоичах чисел, аппроксимируются а ортоэрмированном базисе из функций Уола fvf(4 . Далее формируется вектор достаточ ых статистик для оценки параметров исследуемого сигнала (.периода и его производных). Вектор достаточных статистик определяетсяследующими соот:ношениями fL л ДЗ-А А - г: ;v L4;Llt-Il4,;EIt . t-Ц , к Ь« V ll-N « -N о -N « -N -N О л f- РЛ f-. fc..-2 t.,i.. .. IN ЫН7 К О К Nf2 -N NIZ Процесс вычислений в этом случае сводится к формированию Частичных суммг - , в которых Пределы суммирования определяются номером функции Уолша (t)r4; .1 V°(t) K Oiti-f-12 )(2t)-, Oitiitt iV(2«c), ц1 Д t r.|/, . n (c-ij vJJ Vai-ih /iiui m 1,2,3 . . . К 1,2,3...2T Для увеличения быстродействия устройства формирование частичных сумм ; при вычитании достаточных статистик осуществляется параллельно, что позволяет проводить обработку поступающей информации в реальном масштабе .времени. Для этого испЗльзуются генератор 3.функций Уолша, управляющий работой блока 4 формирования достаточных статистик. : При поступлении на входы счетчика .18 числа нуль-пересечений и адресные входы ячейки 19 памяти импульсов информационной последовательности с выхода блока 1 прореживания нуль-пересечений, на выходах счетчика 18 формируется последовательность чисел (-Njislj, соответствующая количеству зарегистрированных нуль-пересечений. В .юменты .....м| из ячейки 19 памяти по соответствующим -Им N. о. N. адресам вызываются числа|| |}-- -wi i, K..N|I которые сравниваются с по.казаниями счетчика 18 в элементе 20 сравнения., имеющей т. выходов. В момён,ты сравнения двух чисел на выходе элемента 20 сравнения появляется KOiроткий импульс. Затем импульсы с выходов элемента 20 сравнения поступают на входы элементов 21-1-21-п, объединенные в соответствии с определенными номерами функций Уолша. Так, например, для формирования функции нулевого порядка необходимо иметь один импульс, соответствующий первому импульсу исследуемой выборки, для формирования функции первого порядка необходимы два импульса, соответствующие первому N-VV импульсу исследу мой выборки и т.д. С выходов элементов 21-1-21-n ИЛИ импульсные последовательности поступают на счетные входы триггеров 22-1-22-п на выходах которых формируются функции Уолша. Последний выход элемента 20 сравнения , на котором появляется импульс в момент прихода последнего 2 N-ro нуль-пересечения исследуемой выборки подключен к объединенным входам уста новки нуля триггеров 22-1-22-п, и приводит генератор функций Уолша в исходное состояние. Первый и m -и выходы элемента 20 сравнения являются служебными выходами генератора функций Уолша, и их назначение будет пояснено ниже. Рассмотрим работу формирователя 4 Числа, соответствующие моментам нуль пересечений €, из блока 2 поступают на информационные входы сумматоров 5 по mod 2,. на управляющие входы которых поступает напряжение с выходов триггеров 22-1-22-п генерато ра 3 функций Уолта. При наличии на управляющем входе единичного напряпредставляются в женяя числа прямом коде, а при наличии на указан ном входе нуля числа - в обратном коде. Поскольку выходы триггеров 22-1-22-п также подключены к входам переноса младшего разряда комбинационных сумматоров б каналов формирователя статистик, то числа t могут быть представлены в зависимости от знака управляющего напряжения как в .прямом, так и в дополнительном коде в соответствии с известным принципом представления двоичных чисел в вычис лительных машинах, согласно которому для представления числа в дополнител ном коде необходимо npejiKJTaaHTb его в обратном коде и добавить в млад1чий разряд переноса единицу. Операция суммирования по tnoci 2 обычно реализу ется на основе элементов ИСКЛЮЧАВДЕЕ ИЛИ и соответствует представлению числа в прямом или обратном коде в зависимости от знака управляюи.его напряжения. Затем числа t с выхода сумматоров 5 по mocJ 2 поступают на входы комбинационных су 1маторов 6, которые в совокупности с универсальными сдвиговыми регистрами 7 представляют собой накапливающие х;уммато ры. Это осуществляется за счет обрат ной связи выходы универсальных сдвиговых регистров по/1ключены ко вторым суммирующим входам комбинационных сумматоров 6). Особенностью работы каждого из каналов формирователя 4 статистик является то, что в соответствии с управляющим напряже нием с генератора 3 функций Уолша суммирование отсчетов чисел про|Иэводится на различных участках ин.тервала наблюдения то в прямом, то IB дополнительном коде. А суммирование чисел в дополнительном коде. как известно, эквивалентно их вычитанию. Таким образом, в кгикдрм из кан-аов исключена опергщия вычитания, а вместо нее используется операция накапливающего суммирования. К концу интервала наблюдения по приходе последнего импульса нуль-пересечения исследуемой выборки в каждом из m каналов формирователя 4 достаточных статистик формируется один из элементов вектора (2).Отметим,что в рабочем состоянии (на интервале наблюдения универсальные регистры 7 функционируют в режиме параллельного переноса, что достигается следующим образом: при приходе первого импульса исследуемой выборки с первого служебного выхода генератора 3 функций Уолша на 5-вход триггера 11 поступает иютуяьб, который переводит его в единичное состояние. Напряжение логической - единицы с триггера 1 подается на об единенные входы выбора режима работы универсальных сдвиговых регистров 7 в течение всего интервала наблюдения, что и обеспечивает режим параллельного переноса. По окончании выборки импульс второг-о служебного выхода генератора 3 функций Уолша поступает на элемент 12 задержки, с выхода которого импульс поступает на R-вход триггера 11 и возвращает его в нулевое положение. Наличие нулевого потенциала на входе выбора режима работы универсальных сдвиговых рюгистров 7 переводит их в режим последовательного переноса. Из блока 2. формирова- . ния чисел на входы младших разрядов последовательного переноса поступают импульсы от генератора эталонны.х меток времени, содержащегося в формирователе 2, что позвЪляет с высокой скоростью стереть информацию, содержащуюся в регистрах. Операция перезаписи информации из блока 4 формирования статистик в региающий блок 13 осуществляется в параллельном виде импульсом с выхода элемента 12 задержки. Это происходит по времени раньше, чем регистры будут переведены в 1 ежим последовательного переноса на время элемента 12 задержки в триггере 11. Это предотвращает стирание информации до перезаписи ее в решающий блок. Аналогично каналу формирования статистик работает и цепочка из последовательно соединенных квадратора В, комбинационного сумматора 9 и универсального сдвигового регистра 10, Каждая операция возведения чисел t в квадрат и операция накапливающего суммирования стробируется импульсами нуль-пересечений с выхода блока 1 прореживания нуль-пересечеНИИ. Это осуществляется и при накапливающем cyм 1иpoвaнии в блоке 4 фор- мирования-статистик. Таким образом, одновременно с результатами формироватГеля 4 статистик импульсом с выхода элемента 12 задержки в ред- ающий блок 13 переписывается число F выходов универсального сдвигового ре гистра 10. Решакиций блок 13 осуществляет дал нейшие операции над вектором до тдiNточных статистик (, 2 и числом ,Г t I-. .. . Целесообразность приведенной структуры сострит в том, что в решающий .блок 13 вводится всего (m+l) число что позволяет значительно увеличить скорость обработки информации и умен шить объем аппаратуры, поскольку обработке подвергаются в решающем блок только (m+lJ чисел, значительно уменьшается ббъем оперативных запоми нающих устройств для хранения нформации, полученной в результате пер вичйой обработки, и уменьшается количество вычислительных операций, В качестве решающего блока может быть использован как специализированный процессор, так и универсальная ЭЦВМ, поскольку дальнейшие операции на век тором достаточных статистик представ ляют собой совокупность стандартных математических преобразований. Для пояснения принципа работы решающего блока 13 приведем основные соотношения, характеризующие совокупность дальнейших операций над числами. Поскольку отсутствует детерминист екая связь между разложением в ортонормированном базисе по функциям Уол ша и .аппроксимацией временной последовательности нуль-пересечений алгеб раическим полиномом, то интерпретаци результатов измерений и операция .адаптивного поиска истинной степени аппроксимирующего полинома представляет значительные затруднения. Поэто му в решающем 13 предусмотрена перэичная процедура матричного преобразования вектора достаточных статистик (2) в вектор коэффициентов полиномов Чебышева . где элементы матрицы Qr|(j. j|| определяются как скалярное произведени )Принимая во внимание несмещенность оценок V , можно сделать вывод, что оценка вектора коэффициентов по- 60 линомов Чебышева обладает теми же свойствами. Полученное в результате матричного преобразования. (4 ) значе .

ние вектора л используется для

Г

(4ff)

определяются коэффициенты разложения алг-ебраического полинома, являюпщеся оценками информационных параметров, адаптивной процедуры оцении истинной степени аппроксимирующего полинома в соответствии с правилом / р1ЯЙ§. (6) - При выполнении неравенства данный коэффициент в дальнейшем используется для оценки информационных параметров сигнала, .а в обратном случае он отбрасывается в-силу его малости, по сравнению с флюктуационными шумами. При формировании оценки дисперсии следует использовать соотношение M «-fo-«)Kn-fi f, где- 4 - элементы корреляционной матрицы оценок - Ж , определяемой по формуле . р v- . « диагональная V У II матрица. Таким образом,в решающем блоке 13 после матричн9го преобразования, f 4 7 из ве,ктора л Фррмирую1.ся квадХа Г раты чисел fb , сум J мируются в. виде вычитаются числа 3t , поступившего -N «i шающий блок 13 из универсального сдвигового регистра 10. Полученная., разность умноя{ается .на числовой коэфtnфициент f2N-IZ а который рассчитан предварительно и хранится в памяти решающего блока 13. Затем производится операция сравнения коэффициентов pf с дисперсиейJtp(i)(7|7 Коэффициент Jtp (1| также заранее известен из таблиц t -распределения. После определения истинной степени полинома Чебышева путем вторичного матричного преобразования Д fp, (9) где Г - треугольная матрица коэффициентов разложений по полиномам Чебышева

и устанавливающие связь с параметрами движения излучающего объекта. Так, например, оценка коэффициента of. :{ периода сигнала ) несет информацию о скорости движения, оценка (производной периода ) дает информацию об .ускорении и т.д.

Технико-экономический эффект изобретения состоит в уменьшении аппара-турного объема и повышении быстродействия, что осуществляется за счет не-; ключения операции взвешенного суммирования при формировании достаточных статистик.

PUt.l