Анализатор спектра с линейным предсказанием Советский патент 1986 года по МПК G01R23/16 

Ю СП

00

ел

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анали за спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Дпя этого в устройство, содержгицее

Фиг. /

аналого-цифровой преобразователь Г7 элементы ИЛИ 2 и 3, блок 4 памяти, измеритель 8 дисперсии, квадратор 9, блок 10 рекурсий, блок 11 форми-: рования микрокоманд, Фурье-преобразователь 12, введены блок 5 памяти, вычислитель 7 частотных корреляций. Цель достигается также за счет того, что в структуру анализатора введен решетчатый адаптивный фильтр для последовательного вычисления коэфИзобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов, например, при обнаружении гармоник в шуме.

Цель изобретения - повышение точности измерения спектра за счет того, что в структуру анализатора вводится решетчатый адаптивный фидътр ДЛЯ последовательного вычисления ко.эффициентов частной корреляции (КЧК) и используется новая процедура вычислений, которая позволяет за одну итерацию выполнить фильтрацию ошибок предсказания и вычислить КЧК, вычислить коэффициенты линейного предсказания (КЛП). по которым формируется спектр сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора;, на фиг. 2 - то же, блока рекурсий.

Анализатор спектра слинейным пред сказанием содержит входной аналогоцифровой преобразователь 1, выход которого через элементы ШШ 2 и 3 соединен с входами блоком 4 и 5 памяти, выходы.которьк соединены с первкм и вторым входами решетчатого фильтра 6 предсказания, а третий вход - с выходом вычислителя 7 частных корреляций. Выходы измерителя 8 дисперсии и квадратора 9 подключены к соответ ствующим входам блока 10 рекурскй, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока 11 формирования микрокоманд, а выход

75315

фициентов частной корреляции (КЧКУ. Использована, новая процедура вычислений, которая позволяет за одну итерацию выполнить фильтрацию ошибок предсказания и вычислить КЧК, вычислить коэффициенты линейного предсказания, по которым формируется спектр сигнала. В материалах изобретения приведен вариант исполнения блока 10 рекурсий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

соединен с информационным входом Фурье-преобразователя 12.

Блок 10 рекурсий содержит регистр 13 коэффициента, N идентичных ячеек 14.1-14.N преобразования, (N+1) ячейку 15 преобразования. Ячейки 14.1-14 содержат последовательно соединенные регистр 16 сдвига, умножитель 17 и накапливающий сумматор 18. Ячейка 15 преобразования содержит последовательно соединенные умножитель 19, элемент ИЛИ 20 и накапливающий сум- матор 21, причем выходы регистра 13 коэффициента и накапливающих сумматоров 18 соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ 22, (К+1)-й вход которого соединен с выходом элемента И 23, выход элемента И 24 с выходом блока 10 рекурский, а выход элемента И 25 - с входом первой ячейки 14.. 1 преобразования.

Анализатор производит измерение спектра за три этапа: запись в блоки памяти реализации процесса, вычисление коэффициентов линейного предсказания (КЛ11); вычисление спектра.

Анализатор спектра работает следующим образом.

В исходном состоянии в блоке 11 формирования микрокоманд установлены начальные условия. Предварительно также в блоке 10 рекурсий-в регистр 13 постоянно записан коэффициента 1.

ОО

На первом этапе измерений на вход анализатора подается исследуемый сигнал, а в блоке 11 формирования микрокоманд вырабатывается тактовый сигнал, который поступает на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 1. Полученный ряд отсчетов поступает через элемент ИЛИ 2 и 3 на информационные входы В со ответствующих блоков 4 и 5 памяти. Одновременно с выхода блока 11 пост пают импульсы-микрокоманды разрешения записи на входы С2 блоков 5 и памяти. При этом отсчеты сигнала с выход аналогё-цифрового преобразователя 1 подаются также в измеритель 8 дисперсии, в котором определяется дисперсия сигнала. С 12-го выхода бло ка 11 формирования микрокоманд пода ется сигнал на управляющий вход измерителя 8 дисперсии, осуществляя ее считывание с его выхода на 1-й вход блока 10 рекурсий. Этап вычисления КЛП осуществляется итеративно, причем каждая т-я ите рация содержит три шага вычисленийфильтрацию ошибок линейного предсказания (в фильтре 6), вычисление КЧК (в вычислителе 7), вычисление КЛП (в блоке 10 рекзФсий) . На первой итерации (т 1, п 2) последовательность выборок Xtl), записанная в блоки 4 и 5 памяти, счита ется соответственно последовательностью ошибок линейного предсказания Вперед f Cl) х(1) и последовательностью ошибок линейного пред сказания Назад В(1) х(1). По тактовым импульсам с 3-го выхо да блока 11 формирования микрокоманд с блоков 4 и 5 памяти считываются последовательности кодов f,, (1) и В (1) соответственно на первый и вто рой входы решетчатого фильтра 6 пред сказания, на выходах которого формируются значения ) - f (l) , В (1) Вр(1-1). Эти последовательности вновь записываются по тактовым импульсам С2 и адресам (выходы блока 11) в те же ячейки блоков 4 и 5 па мяти и одновременно подаются на первый и второй входы вычислителя 7 частных корреляций, в котором эти последовательности суммируются, возводятся в квадрат и снова попарно суммируются, образуя новые последовательностиS,.,;-f,(nvB,(f),{c)-&{Ofj pf(fj.ft,(4 S,,,,(e)B,(.(t)-B,(fjJ |--{7 i;(f).6,(t)j, По команде СЗ с выхода блока 11 на выходе вычислителя формируется значение коэффициента частной корреляции q, , соответствующего итерации m 1: q, 5- . Коэффициент Ч, по тактовому импульсу С4 (14-й выход блока 11 формирования микрокоманд) считывается в регистр решетчатого фильтра 6 предсказания (вход ВЗ) и одновременно подается на 2-й вход блока 10 рекурсий и через квадратор 9 на его 3-й вход, т.е. в умножители 17 ячеек 14.1, 14.2, ..., 14.N поступает коэффициент q , а в умножитель 19 ячейки 15 поступает коэффициент q , который перемножается с коэффициентом Р , считанным из накапливающего сумматора 21. Одновременно с операциями считывания кодов х, формирования сумм 8,и 3, и коэффициента q , выполняемыми соответственно в блоках 4 и 5 памяти, решетчатом фильтре 6 предсказания и вычислителе 7 частных корреляций, в блок 10 рекурсий подаются тактовые импульсы С5 (с 7-го выхода блока 11) для записи кодов, считанных с регистра 13 коэффициента и накапливающих сумматоров 18 в соответствии с адресами А формируемыми блоком 11 . :С 6-го Одновременно импульс Cgp;v. выхода блока 11 формирования микрокоманд поступает на управляющий вход умножителей 17 и умножителя 19. Обозначим коэффициенты, записанные в егистры 16 индексами с), т.е. при первой итерации в регистрах 16 ячеек 14.1 и 14.2 образуется инвертированный вектор КЛП нулевого порядка d, d, . Значения КПП перемножаются в умножителях 17 с коэфициентом q., а полученные произедения поступают в накапливающие сумматоры .18, в которых суммируются предьщущими коэффициентами, формиуя оцёнку вектора КЛП первого поядка в соответствии с вьфажением f«J 1-0. U I La, I dJ. При этом в ячейке 15 преобразования формируется оценка 1-го порядка ошибки линейного предсказания Р , в умножителе 19 осуществляется перемножение кода числа Ч, с кодом числа Рд (считанным из накапливающего сум матора 21), а их произведение через элемент ИЛИ 20 подается в накапливающий сумматор 21 с отрицател ным знаком, формируя оценку qf Po(i-q). Р Р -Р I Ос Этими операциями завершается пер вая итерация () процедуры вычисления КЛП; Последующие итерации (, 3,,.. N) осуществляются аналогично, отлича ясь тем что в регистры 16 сдвига за писываются соответственно 3, .4...... i (N+1) значений вектора КЛП (на единицу больше числа т), что иллюстрируется в таблице преобразований. Этап вычисления спектра начинается в момент окончания N-й итератдни преобразований: с выхода блока 11 поступает потенциал, открывающий эле менты И 23 и 24, и потенциал, закрывающий элемент И 25 в блоке 10 рекурсий. При этом прекращается формирование кодов адресов и тактовых им пульсов на выходах блока 11 формиро вания микрокоманд, кроме выхода,по которому тактовые импульсы начинают поступать на управляющий вход Фурье преобразователя 12, В соответствии с адресами А:, 0,1,2,,,,, (N+1), формируемыми в блоке 11, на информационный вход Фурье-преобразователя 12 считываются коэффициенты cv и соответ ственно из регистра 13 и накаплн:вающих сумматоров 18, а также коэффициент Р из накапливающего сумматор 21 - через элемент И 23, элемент ИЛИ 22 и элемент И 24, Фурье-преобразователь 12, который работает, например, по известной подпрограмме13быстрого преобразования Фурье (БПФ) или по аппаратно-ориентированному принципу (анало гично серийному Фурье-преобразовате лю Х6-8) осуществляет вычисление ряда коэффициентов Фурье аналогично известному анализатору. Таким образом, на выходе Фурье-преобразователя 12 поступает оценка спектра исследуемого случайного процесса, пол ченная на интервале анализа, как и в известном анализаторе, но с точностью более высокой до 2.раз, что является существенным для многих 156 экспериментов. Увеличение точности оценки спектра определяется более полиым использованием информации, содержащейся в реализации сигнала, благодаря цроцедуре, называемой ли-: нейным предсказанием Вперед и Назад, Основные достоинства предлагаемого анализатора состоят в большой точности измеряемой оценки спектра, устойчивости оценки при любых порядках М L, большей разрешающей способностью, однородности структуры (что особенно перспективно при построении анализатора на основе матричных БИС) , Анализатор может быть реализован на серийных блоках-приборах (АЦП, БПФ, блоки памяти), а также на известных микросхемах серий 155, 176 и др. Формула изобретения 1, Анализатор спектра с линейным предсказанием, содержащий входной аналого- цифровой преобразователь, блок формирования микрокоманд, измеритель дисперсии, квадратор, блок рекурсий, Фурье-преобразователь, блок памяти, первьй и второй элементы ИЛИ, причем вход измерителя дисперсии соединен с выходом аналого-цифрового преобразования, а вы- ход - с первым входом блока рекурсий, выход которого соединен с входом Фурье-преобразователя, первый выход блока формирования микрокоманд подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя и измерителя дисперсии, второй, третий и четвертый выходы - соответственно к входам записи, считывания и адресации блока памяти, а питый, щестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, и двенадцатый выходы блока формирования микрокоманд подключены к соответствующим управляющим входам блока рекзфсий, Фурье-преобразователя и измерителя дисперсии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения спектра, в неговведены последовательно соединенные второй блок памяти, решетчатый фильтр-предсказания и вычислитель частных корреляций, при этом второй вход решетчатого фильтpa предсказания соединен с выходом первого блока памяти, третий вход объединен с входом квадратора, с вторым входом блока рекурсий и с в ходом вычислителя частных корреляций, второй вход которого соединен с вторым выходом решетчатого фильт ра предсказания, а выход квадратора соединен с третьим входом блока рекурсий, первый и второй входы вычислителя частных корреляций подключены также к первым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы которых объединены и подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с информационным входами соответственно первого и второго блоков памяти, причем управляющие входы записи считывания и адресации второго блока памяти объединены с соответствукнцими управляющими входами первого блока па мяти, а управляющие входы вычислител частных корреляций и решетчатого фильтра предсказания соединены соответственно с вторьм и тринадцатым пятым и четьфнадцатым входами блока формирования микрокоманд, 2. Анализатор по п. t, о т л ичающийся тем, что блок рекур сий содержит регистр коэффициента, выходной элемент ИЛИ, первый, второй и третий элементы И и (N+1) ячеек преобразования, причем первые N ячеек преобразования содержат регистр сдвига и последовательно соединенные умножитель и накапливающий сумматор , включенные между первым вхо- дом и первым выходом ячейки преобразования, между вторыми входом и выходом которой включен регистр сдвига, второй вход умножителя соединен с выходом регистра сдвига, а тактовый вход умножителя, вход обнуления ,и тактовый вход регистра сдвига подключены соответственно к первому. 15 второму и третьему управляющим входам блока рекурсий, четвертый управляющий вход которого является адресной шиной считывания, к которой подключены управляющие входы регистра коэффициента и накапливающих сумматоров соответствующих (N+1) ячеек преобразования, пятый управляющий вход блока рекурсий подключен к первым входам первого и второго элементов И, шестой управляющий вход к первому входу третьего элемента И, выход которого соединен с вторым входом первой ячейки преобразования, а втсУрой вход каяодой п-й из первый N ячеек преобразования соединен с выходом предьдущей ячейки преобразования , при этом выход регистра коэффициента и первые выходы N ячеек преобразования подключены к соответствующим входам выходного элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, второй вход первого элемента И соединен с выходом (N+1)-й ячейки преобразования, а выход подключен к соответствующему входу выходно О элемента ИЛИ, при этом (М+1)-й ячейки преобразования содержит последовательно соединенные умножитель, элемент ИЛИ я накапливающий сумматор, включенные между первым входом и выходом (Ы-)-1)-ой ячейки преобразования, второй вход которой соединен с вторым входом элемента ИЛИ и является первым входом блока рекурсий, второй вход умножителя подключен к выходу накапливающего сумматора, а тактовый вход соединен с первым управляющим входом блока рез урсий, второй информационный вход которого подключен к первым входам первых N ячеек преобразования, третий информационный вход подключен к первому входу (N+1)-й ячейки преобразования, а выход второго элемента И является выходом блока рекурсий.