Адаптивный спектроанализатор Советский патент 1983 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и-может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе исследуемых случайных процессов, при обнаружении гармоник в шуме, например,.в радиофизике, метеорологии, технической диагностике.

Известны цифровые спектроанализаторы, реализующие алгоритмы -быстрого преобразования Фурье, содержащее последовательно соединенные квантователь , рядрегистров сдвига, к вы.ходам которых последовательно, подключены умножители и накапливающие сумматоры, выходы которых подключены к входу блока вычисления спектра l.

Недостаток анализатора - димость введения избыточного коли- I ч :ства элементов обработки выборок для получения достаточно точных оценок спектра сложной формы, и субъективное задание параметров экспери-t ментов, что приводит также к необходимости увеличения времени анализа.

Наиболее близким к предлагаемому является цифровой спектр.оанализатор, содержащий квантователь, соединенный с блоком вычисления спектра, блок управления регистры задания параметров обработки и блок синхронизации), соединенный с тактовым входом счетчика выбррок, квантователя и счетчика секций, внход которого соединен с вторым входом блока вычисления спектра, третий вход которого подключен к выходу счетчика выборок. При этом блок вычисления спектра содержит процессоры быстрого преобразования Фурье для вычисления периодограммоценок спектра каждой секции (отрезка реализации процесса), устройства преобразования и усреднения К периодограмм 2 .

Недостатком известного спектроанализатора является значительная статистическая погрешность, определяемая, систематической и случайной. составляющими и возникающая из-за несогласованности (неадекватности) параметров алгоритма работы спектроанализатора с типом исследуемого случайного процесса вследствие сложности задания оптимальных значений длины MQ секций (числа .выборок сигнала в секции) и количества выборок Kg.

Целью изобретения является увеличение точности вычисления спектра за счет использования объективных критериев настройки оптимальных параметров алгоритма работы, минимизирующих возникамщие погрешности вычисйёний.

Поставленная цель достигается тем, что в адаптивный спектроанализатор, содержащий последовательно соединенные квантователь и блок вычисления спектра, блок синхронизации, выход которого подключен к тактовым входам квантователя и счетчика выборок, а также счетчик секций, подключе)1ный к входу блока вычисле ния спектра, выход которого соединен с вы ходом спектроанализатора, дополнительно введены два регистра сдвига, инвертирующий сумматор, многовходовой .сумматор, два квадратора два накапливающих сумматора, делитель кода и последов.ателъно соединенные первый регистр числа, умножитель, блок извлечения корня пятой степени, второй регистр числа и блок сравнен.ия, при этом первый и второй регистры сдвига соединены-последовательно и включены выходом блока вычисления спектра и одним входом многовходового сумматора, второй вход которого соединен непосредственно с ввлходом блока вычисления спектра, а третий вход соединен с выходом инвертирующего сумматора, первый и второй входы которого соединены с выходом первого регистра сдвига и входом первого квадратора, вход второго квадратора соединен, с выходом.многовходовог сумматора, а первый и второй накапливающие сумматоры включены между выходами соответствующих первого и BTOpot-p квадраторов и входами делителя кода, выход которого соединен с вторым входом умножителя, причем выход счетчика выборки соединен с вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с управляющими входами счетчика выборок, счетчика секций и третьим входом блока вычисления спектра.

На чертеже представлена структурная схема адаптивного спектроанализатора.

Адаптивный спектроанализатор содержит квантователь 1., блок 2 вычисления спектра, блок 3 синхронизации, счетчик 4 выборок, первый регистр 5 сдвига, втсэрой регистр 6 сдвига, инвертирующий сукматор 7, выход которого соединен с входом многовходового сумматора 8. Квадраторы 9 и 10 через соответствующие накаплиЕ(ающие сумматоры 11 и 12 соединены с входами делителя 13 код

Последовательно соединены первый регистр 14 числа, умножитель 15, блок 16 извлечения корня пятой степени, второй регистр 17 числа, блок 18 сравнения и счетчик 19 секций, . соединенный с вторым входом блока 2 вычисления спектра, выход которого является выходом адаптивного спектроанализатора.

Адаптивный спектроанали атор производит вычисление спектра после довательным выполнением двух действий: облучения - на интервалеЬ и оптимального анализа - на кнтерва ле Цо , Облучение производится следующим образом. В исходном состоянии все блоки обнулены, а в регистр 17 числа записан код числа М - длины секции, выбираемой из условия обеспечения допустимого уровня относительной случайной погрешности на интервале анализа 1ц . Тогда необходимое количество ;ек ций -(циклов обработки или количест во периодограммоценок 1й)) - состав ляет -, Л На счет предельного количества Kjj импульсов устанавливается счетчик 19 секций. На первом цикле (К 1) исследуе мый, сигнал подвергается в квантова,теле 1 преобразованию в цифровой код по управляющим.импульсам от бло ка 3 синхронизации.Выборки подаютс в блок 2 вычисления спектра, например, по алгоритму быстрого преЬбр;азования Фурье (БЦФ), а счет количес ва выборки выполняется счетчиком 4 выборок. При достижении в счетчике 4 выборок числа, равного числу М/ записанному предварительно в регист ре 17 числа, блок 18 сравнения формирует импульс соответствие, который;является управляетчим для счет чика 4 выборок - сбрасывает его в нулевое состояние, является тактовым для счетчика 19 секций - эаписывая в HQro первый тактовый импуль (к 1) , а для блока 2 вычисления спектра он является командой Вычис ление периодограммы, после чего в арифметическом устройстве блока 2 вычитания спектра по этим значениям вычисляется дискретная N-точечная периодограмма, значения которой запоминаются в блоке 2 вычисления спектра., .. На втором цикле (к 2) последую щей секции длительностью М отсчетов вычисляется вторая периодограмма, которая суммируется с первой. Аналогично производятся вычисления до К К секций. . При этом в счетчике 19 секций сформируется импульс переполнения, который поступит на второй вход бЛрка .2 вычисления cneK-i pa, являясь командой Усреднение периодограмм, вследствие чего в блоке 2 заданной погрешностью формируется оценка спэктра. Оптимальный анализ спектра производится следующим образе. , Первоначально сбрасываются в нулевое состояние счетчик 4 выборок, регистр 17 числа и счетчик 19 циклов, а в регистр 14 числа записывается код числа (0,11 о), гдеЬо - интервал оптимального анализа. Вычисленный в ходе выполнения предыдущей процедуры спектрS QH пода,ется на выход блока 2 вычисления спектра и поступает черкез регистры 5 и 6 сдвига непосредственно и через инвертирующий сумматор 7 на соответствующие входы многовходового сумматора 8, формируя в нем сумму л л л С, . So - 25н+.52, которая подается в квадратор 10. При следующих тактах в многовходовом сумматоре 8 будут сформированы следующие суммы ;С2,С,..., См--2 в соответствии с Соотношением л л л Ch 5ц-1 25|1 +5п4-1 f которые будут поступать в квадратор10, с выхода которого будут подаваться на накапливание в накапливающий сумматор 12. Одновременно с этим оценки спектра поступают через регистр 5 числа в квадратор 9 на накапливание в накапливающий сумматор 11. Полученные в накапливающих сумматорах 11 и 12 суммы подаются на соответствуквдие входы делителя 13 кода, на выходе которого формируется число эе , характеризукядее степень. Неравномерности спектра. Определив параметр Зб , автоматически выполняется оптимизация длительности секций MO, что осуществляется в соответствии с отношением А с Г Xi MO : 1,5-эеио длительность интервала опти1 1ального анализа. Следовательно, после операций перемножения чисел в умножителе 15 и извлечения корня пятой степени в блоке 16 Вдрегистр 17 будет записан код числа MO, который подается на первый вход блока 18 сравнения. Одновременно с.этими преобразова.телями от блока 3 синхронизации подаются тактовые импульсы на тактовые входы квантователя 1 и счетчика 4 выборок. При достижении в счетчике выборок числа импульсов, равного 1о, срабатывает блок 18 сравнения, с выхода которого импульс поступит на управляющий вход блока 2 вычисления спектра (для вычисления спектра по MO выборкам), на обнуление счетчика 4 выборок и на счетный вход счетчика 19 секций, установив номер секции К 1л После этого счетчик 4 выборок начинает счет выборок следующей сек

НИИ К 2, аи блоке 2 вычисления споктра производится обработка предыдущей секции выборок.

Аналогично производятся вычисления до К KO секци, по которой вычисляется периодограмма 1 К, (tOn)При ,этом в счетчике 19 сформируется импульс переполнения, который является командой Усреднение периодограмм для блока 2 вычисления спектра, в котором производится формиро вание оценки спектра с оптимальными параметрами обработки MQ, Kg иЬо

Таким образом, полученные на этапе облучения оценки параметров алгоритма работы спектроанализатора позволяют осуществить автоматический выбор оптимальной для анализируемого случайного процесса заданной длительности реализации.

vAki