Адаптивный анализатор спектра Советский патент 1987 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использован для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе ис- следуемых случайных процессов при обнаружении гармоник в шуме, например в радиофизике, океанологии, технике

связи.

Цель изобретения - повьшение точности измерений спектра в условиях априорной неопределенности свойств сигнала.

Цель достигается за счет использования в анализаторе новой адаптивной процедуры вычислений, позволяющей в процессе обработки учитывать неизвестные свойства анализируемого процесса при помощи блока поиска минимума критерия ошибки линейного предсказания и блока памяти, храндще- го оценки параметров спектральных оценок различных порядков.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора; на фиг. 2 - блок арифметических устройств; на фиг.З - блок умножения, на фиг. 4 - вычислитель частных корреляцийJ на фиг.З - блок вычисления ошибки предсказа

ния; на фиг. 6 - блок останова рекурсий; на фиг. 7 - блок поиска минимума; на фиг. 8 - блок формирования микрокоманд; на фиг. 9 - схема алгоритма вычисления спектра.

Анализатор содержит блок 1; арифметических устройств (БАУ), вычислитель 2 частных корреляций (ВЧК), блок 3 вычисления ошибки предсказания (БВОП), блок 4 останова рекурсии (БОР), блок. 5 поиска минимума (БПМ), элемент И-НЕ 6, блок 7 памяти, Фурье-преобразователь 8,.блок 9 формирования микрокоманд (БФК).

Управляющие входы всех блоков за исключением блока 7 памяти связаны с соответствующими выходами БФК 9.

Первый выход БАУ 1 соединен с первыми входами БВОП 3 и БОР 4, Второй выход БАУ 1 соединен с соответствующими (N+1) первыми входами ВЧК 2, первый выход которого подключен к второму входу БАУ 1. Третий выход БАУ 1 подключен к (N+1) входам блока 7 памяти, первый вход которого соединен с вторым выходом БВОП 3, а выходы соединены с Фурье-преобразователем 8. Второй выход ВЧК 2 подключен к второму входу БВОП 3 и одfS

5

0

5

0

новременно к входу БПМ 5, управляющие выходы которого соединены с двумя входами элемента И-НЕ и с двумя входами БФК 9. Кодовый выход БПМ 5 соединен с третьим входом БВОП 3 и с третьим входом БФК 9, а его первый управляющий выход соединен также с седьмым управляющим входом БВОП 3. Первый и второй управляющие выходы ВЧК 2 соединены с первыми и вторыми управляющими входами БВОП 3 и БПМ 5. Четырнадцатьй выход БФК 9 соединен с третьим входом элемента И-НЕ, выход которого подключен к управляющему входу блока 7 памяти.

БАУ 1 содержит последовательно соединенный ряд N входных регистров 10 сдвига, (N+1) блоков 11 умножения, мул|(Типлексоры 12 и 13, элемент 2-2И-2ИЛИ 14, элемент ИЛИ 15 и ряд (N+1) последовательно соединенных буферных регистров 16 сдвига. Выходы регистров 10,п и 16.п сдвига подключены к первому и третьему входу соответствующего,блока 11.п умножения, второй и первый выходы которого подключены соответственно к первой и третьей выходной информационной шине БАУ 1.

Блоки 11.П умножения содержат, например, элементы 2-2-2И-ЗИЛИ 17 и 18, элемент ИЛИ 19, элементы 20-27 задержки, умножитель 28, элементы И 29-31, сумматор 32, усреднитель 33 35 и регистры 34 и 35. Выходы регистра 34, элемента И 30 и регистра 35 являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока 11 умножения. Выходы элементов 20, 22, 23, 26 и 27 задержки подключены к управляющим входам соответственно умножителя 28, сумматора 32, регистра 34, усреднителя 33 и регистра 35.

45 ВЧК 2 содержит многовходовой сумматор 36, делитель 37 кода, элемент 38 задержки, регистр 39, счетный триггер 40, элементы 2-2И-2ИЛИ 41 и 42, выходы которых подключены к первому

50 и второму входам умножителя 43. К выходам триггера 40 подключены соответственно входы элементов 44 и 45 задержки, выходы которых подключены к управляющим входам регистров 46 и

55 47, входы которых соединены с выходом умножителя 43, а выходы являются первым и вторым информационными выходами ВЧК 2, первый и второй управляю- .щие вькоды которых подключены к вы30

40

ходам соответственно элементов 44 и 45 задержки.

БВОП.З содержит элемент 48 задержки, регистры 49 и 50, элементы И 51- 53, элементы ИЛИ 54 и 55, элементы 2-2-2И-ЗИЛИ 56 и элементы 2-2И-2ИЛИ 57, умножитель 58, элемент 59 задержки, регистр 60, элемент 2-2-2ШШ 61, элемент И 62, элементы ИЛИ 63-65, элементы 66 и 67 задержки, сумматор 68, элемент ШШ 69, регистры 70 и 71, элемент НЕ 72 и регистр 73.

Информационные входы Р и m соединены с соответствую1цими входами элемента; 2-2-2 -ЗШ1И 56, а информацион- ный вход RJ соединен с входом элемента И 62. Информационные выход я блока 3 соединены с выходами регистров 70-73.

БОР 4 содержит элемент 2-2И-2Ш1И 74, входы которого соединены с первы и вторым информационными входами блока 4, элемент 75 задержки, элемент ИЛИ 76, выход которого череэ первые входы элементов И 77 и 78 соединен соответственно с управляющими входами регистра 79 и устройства 8Q сравнения, выходы которого соединены с первым и вторым входами триггера 81. Выход триггера 81 является выходом БОР 4.

БПМ 5 содержит первый 82 и второй 83 регистры, элементы И 84 и 85, соединенные с управляющими входами блока 5, а выходами подключенные к соответствующим входам элементов 2-2И-2Ш И 86 и 87 и.элемента ИЛИ 88. К третьему управлягадему входу блока 5 подключены соединенные последовательно элемент ШШ 89, элемент И-НЕ 90, триггер 91 и элемент И 92. К четвертому управляющему входу подключены последовательно соединенные элемент 93 задержки, элемент ИЛИ 94 и счетчик 95, выход которого является информационным выходом блока 5. Кроме того, блок 5 содержит элемент 96 задержки, устройство 97 сравнения элемент И 98, элемент И-НЕ 99 и триггер 100, причем выходы триггеров 91 и 100 являются соответственно первым и вторым управляющими выходами БПМ 5.

БФК 9 содержит последовательно соединенные генератор 101 импульсов, переключатель 102 запуска, элемент И 103 и счетчик 104, при этом элемент ИЛИ 105 подключен к первому и

0

0

5

второму управляющим входам блока 9, Кроме того, блок 9 содержит элементы ИЛИ 106-108, регистры 109 и 110, выходы которых подключены к первому и i второму входам элемента 3-2И-2ИЛИ 111, постоянное запоминающее устройство 112, первый - десятый выходы которого являются вторым - одиннадцатым выходами блока 9, одиннадцатый и двенадцатый выходы через элементы И 113 и 114 подключены к двенадцатому и тринадцатому входам блока 9 соответственно, элемент И 115, -элементы 116 и 117 задержки, триггер 118, элемент И-НЕ 119, счетчик 120, регистр 121, элемент 122 задержки, элементы ИЛИ 123 и 124, счетные триггеры 125 и 126, элемент

127задержки, устройство 128 сравнения и элементы И 129 и 130, входы которых подключены к выходам счетчика 120 и счетного триггера 125, а выходы являются адресными выходами Ау и А блока 9, а элемент И 131 включен между выходом устройства

128сравнения и входом элемента ИЛИ 108, причем третий вход блока 9 подключен к кодовому входу регистра 121.

Адаптивный анализатор осуществляет вычисление оценки спектра максимальной энтропии последовательным выполнением трех процедур: вычисление текущей оценки ординат корреля- ционной функции (КФ) К по выборкам Хр входного сигнала; вычисление коэффициентов линейного предсказания (КПП) Га„ V, вычисление оценки спект inn J Го

ра, используя оценку {а вектора КПП и ошибку линейного предсказания о4„ .

В начальном состоянии в БАУ 1

5

0

5

записывается коэффициент а 1,

3 записывается число К,

в БВОП

-d/L, где d 6 2 - метрологический параметр анализатора; L - количество выборок анализируемого сигнала Xjd 1, L). В БПМ 5 записано число К N/2 - аппаратурный параметр, ри- ределяющий максимальное количество итераций m i М и число Рд 1, зада- ющее условие устойчивости процедуры. В БФК 9 записаны коды адресов, задающие переход на выполнение микрокоманд Cg или С| в сшгоритме обработки сигнала (фиг. 9). В БФК 3 записаны микрокоманды GO - е, для выполнения операций в блоках вЕОчисления, а микрокоманда задает подпрограмму

выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в Фурье-преобразователе 8 и определения на его основе оценки спектра максимальной энтропии При вычислении КФ на вход блока 9 формирования микрокоманд подается (с пульта оператора) единичньй импульс, устанавливая исходное значение кода А 0. Микрокоманда С является микрокомандой обнуления элементов в блоках, т.е. подготавливающей все операционные блоки к началу обработки, а в БПМ 5 устанавливается код щ-номер начинающейся итерации. МикрокомандаVC, устанавливается по второму тактовому импульсу. По коду А- 2 в БАУ 1 выполняются операции Сдвиг и Запись (С,-,фиг. 2). Микрокоманда С задает операции Умножение, Усреднение и Запись в БАУ 1, что приводит к обновлению текущих оценок ординат КФ при поступлении очередного кода входного сигнала . В результате в БАУ 1 формируется текущее- обновление значение оценки ординаты КФ.

1

N

- г:

N et

X

е

По микрокоманде С записывается значение текущего порядка т. По микрокоманде С4 выполняется перезапись m ординат корреляционной функции. Обозначают эти коды индексом bwn , где ш - номер итерации, п - номер кода.

Микрокоманда Cj подается в БАУ 1, разрешая считывание полученного на предыдущей (т-1) итерации кода а и кода Ъшп, после чего они перемножаются.

По микрокоманде Cg осуществляются преобразования в ВЧК 2 и БВОП 3. В ВЧК

поступающих из БАУ N

т z: а

35

40

30

Микрокоманда С осуществляе

преобразование в БПМ 5 за два т

При первом такте производитс тьшание кодов Р к Pff, 1 и их нение . При выполнении условия или I

I

(S« 1)

ff - - о - / на выхо блока 5 устанавливается код.(ш+

При втором такте.микрокоманд в блоке 5 новое значение кода с нивается с максимально допустим порядком М оценки спектра. При +1) М выполняется условие про ния рекурсии и сигнал на выходе

2 формируется сумма произведений, ка 5 остается равным S 1, а

1:

ПгО

m-vn °т-,п

вьшолнении условия навливается сигнал рекурсии.

Микрокоман/да С

(т+1) 82 0МОс

ю и Си

выполня

осуществляется деление кода (-od.), поступающего из БВОП 3, т.е. формируется код (-1/о6„.,).

В БВОП при этом формируется коэффициент

Н -md/L.

Микрокоманда Cj также подается одновременно в блоки 2 и 3. При этом на выходе ВЧК 2 формируется произведение q,, -Pm/oi.,-, в блоке 3 осуществляется операция перемножения :

(-otn,., )-Н m.oi.,-d/L, а в блоке 2 формируется коэффициент

q

м

Микрокоманда Сд, аналогично С

7

подается в БВОП 3 и в БОР 4. По этой микрокоманде в блоке 3 формируется сумма: .

Im +oi.,-H 06.,(1+Н„). Этот код хранится в нем до следующей итерации. Код об, хранится в блоке З до поступления на его управляющий вход микрокоманды S, . Одновременно с этим по микрокоманде Cg Б блоке 3 формируется произведение :

1

-Р.

n) m-t Ят m-i/

В БОР 4 производится сравнение кодов 1 и . При выполнении условия I 1., с соответствующего выхода блока 4 поступает сигнал Sj, 1. Если I f & Т-т условие продолжения рекурсии, то на выходе блока остается сигнал S 0. В БВОП 3 осуществляется вычисление следующего коэффициента ti , характеризующего ошибку линейного предсказания:

Oim )t

m-1

р

. ,).5

0

Микрокоманда С осуществляет

преобразование в БПМ 5 за два такта.

При первом такте производится счи- тьшание кодов Р к Pff, 1 и их сравнение . При выполнении условия или I

I

(S« 1)

ff - - о - / на выходе блока 5 устанавливается код.(ш+1).

При втором такте.микрокоманды С в блоке 5 новое значение кода сравнивается с максимально допустимым порядком М оценки спектра. При (т+ +1) М выполняется условие продолжения рекурсии и сигнал на выходе бло ка 5 остается равным S 1, а

при

ка 5 остается равным S 1, а

вьшолнении условия навливается сигнал рекурсии.

Микрокоман/да С

(т+1) 82 0М уста- Останов

ю и Си

выполняются

при обеспечении условия S, 1 на входе БФМ 9: если S, 1, то это соответствует в толнению условия устойчивости алгоритма (Р Ч а при S, О происходит запрещение

вьшолнения команд и С,,. При этом прекращается цикл обновления КПП модели процесса.

Если S, 1, то выполняется микрокоманда С,о, которая ajianorH4Ha микрокоманде С, в БАУ 1 осуществляется запись и сдвиг КПП Ха„,, ).

По микрокоманде С„ выполняется обновление КЛП, сформированных в БАУ 1 на предыдущей итерации. В результате преобразований в БАУ 1 формируется (т+1) значгний обновленного вектора КЛП.

10

15

Микрокоманда С является микрокомандой проверки условий продолжения рекурсии или записи КЛП в блок 7 памяти. Если выполняется условие S или Sj 1 (где условие устойчивости модели, S 1 - условие увеличения порядка модели по критерию 1), то при поступлении микрокоманды С;,2на выходе БФК 9 устанавливается микрокоманда Cg, по которой в вычислителе 2 и в блоке 3 выполняются20 операции следующей итерации.

При невыполнении одного из условий S, 1 или Sg 1 микрокоманда С, поступает на управляющий вход блока 7 памяти, осуществляя считывание в него25 коэффициентов (а) ио.

Микрокоманда С- определяет последовательность операций в Фурье-преобразователе 8. ДПФ начинается при выполнении одного из условий: S, О ЗО или Sg 0.

Микрокоманда Сф подается на управляющий вход Фурье-преобразователя 8, разрешая считывание на информационные входы (N+1) значение вектора КЛП Га 1 коэффициента od из блока 7 памяти. Во время первой операции вычисляется оценка инверсного амплитудного спектра в соответствии с выражением:40

т А(о,,) 21 а .exp(-jo nut),

YI-O.

Во время второй операции вычисля-. ется квадрат модуля этой оценки, а 45 на третьей операции осуществляется вычисление оценки спектра максимальной энтропии с использованием ошибки линейного предсказания oini соответствующей оптимальному значению Q критериальной функции ллин 1„:

Микрокоманда С, выполняется посл

Сф и предназначена для считывания кода А(,, из БФК 9, после чего повторяется процедура обработки новых выборок сигнала, поступающих на вход анализатора. Это приводит к новым циклам Обновления ординат КФ и зна чений КЛП, в результате чего формируются статистически более устойчивые текущие оценки КФ и спектра.

Таким образом, новая процедура, обеспечивая вычисление текущих оценок спектра, является существенным достоинством предлагаемого адаптивного анализатора, так как позволяет исследовать не только стационарные, но и нестационарные сигналы.

В отличие от процедуры ОСТАНОВ в известном анализаторе, позволяющий определить лишь максимально-допустимый порядок оценки спектра, в предлагаемой структуре адаптивного анализатора реализуется процедура согласования порядка КЛП (и оценки спектра) с характером анализируемого процесса и с объемом выборки, что обеспечивает увеличение статистической устойчивости ее и достоверности (точности).

Таким образом, введение новой процедуры оценки спектра с запоминанием КЛП, соответствующих минимуму критериальной функции, обеспечивает формирование на выходе Фурье-преобразователя спектра оптимального порядка, что обуславливает увеличение точности при одинаковых объемах выборки и реализацию метода макси- ;Мальной энтропии с более высокой разрешающей способностью. Кроме то- Го, автоматически обеспечивается поиск минимума критериальной функции, что обеспечивает оптимальный порядок коэффициентов линейного предсказания для оценки спектра, и

S(CO,) / A(Q,)|

Полученная оценка является оценкой текущего спектра: по обновляющимся значениям корреляционной функ- автоматически реализуется правило ции, по которым формируются обнов- ОСТАНОВ при достижении предельно до- ляющиеся значения вектора КЛП. пустимых параметров вычислений, в

За счет этого точность оценки том числе устойчивость процедуры, спектра существенно увеличивается При этом одновременно вычисляется

10

15

20

25

ЗО

40

45 Q

918938

(более, чем в 2-5 раз) благодаря введению метрологического параметра dj обеспечивающего соответствие полученного порядка m вектора КЛП, записанного в блок памяти и минимуму функции погрешности оценки спектра и | (аппроксимируемой критериальной функцией ,„).

Микрокоманда С, выполняется после

Сф и предназначена для считывания кода А(,, из БФК 9, после чего повторяется процедура обработки новых выборок сигнала, поступающих на вход анализатора. Это приводит к новым циклам Обновления ординат КФ и значений КЛП, в результате чего формируются статистически более устойчивые текущие оценки КФ и спектра.

Таким образом, новая процедура, обеспечивая вычисление текущих оценок спектра, является существенным достоинством предлагаемого адаптивного анализатора, так как позволяет исследовать не только стационарные, но и нестационарные сигналы.

В отличие от процедуры ОСТАНОВ в известном анализаторе, позволяющий определить лишь максимально-допустимый порядок оценки спектра, в предлагаемой структуре адаптивного анализатора реализуется процедура согласования порядка КЛП (и оценки спектра) с характером анализируемого процесса и с объемом выборки, что обеспечивает увеличение статистической устойчивости ее и достоверности (точности).

Таким образом, введение новой процедуры оценки спектра с запоминанием КЛП, соответствующих минимуму критериальной функции, обеспечивает формирование на выходе Фурье-преобразователя спектра оптимального порядка, что обуславливает увеличение точности при одинаковых объемах выборки и реализацию метода макси- ;Мальной энтропии с более высокой разрешающей способностью. Кроме то- Го, автоматически обеспечивается поиск минимума критериальной функции, что обеспечивает оптимальный порядок коэффициентов линейного предсказания для оценки спектра, и

автоматически реализуется правило ОСТАНОВ при достижении предельно до- пустимых параметров вычислений, в

вторая статистическая характеристика сигнала - текущая оценка КФ, как результат предварительных преобразований, что позволяет в отличие от известного устройства анализировать не только стационарные, но и нестационарные сигналы.

Формула изобретения

Адаптивный анализатор спектра, содержащий Фурье-преобразователь, вычислитель частных корреляций,блок вычисления ошибки -предсказания,блок останова рекурсии, блок арифметических устройств и блок формирования микрокоманд, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами упомянутых блоков, при этом первый выход блока арифметических устройств соединен с первыми входами блока вычисления опгабки предсказания и блока останова рекурсии, вторые выходы блока арифметичёски с устройств соединены с соответствующими (N+1) первыми входами вычислителя частных корреляций, первый выход которого подключен к второму входу бло ка арифметических устройств, а второй выход соединен с вторым входом блока вычисления ошибки предсказания выход которого подключен к второму входу вычислителя частных корреляций а выход Фурье-преобразователя является выходом анализатора спектра, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений спектра, в него введены блок поиска минимума, блок памяти и элемент И-НЕ при этом первый и вторбй управляющие ;выходы вычислителя частных корреля

ций подключены соответственно к первым и вторым управляющим входам блока останова рекурсии, блока поиска минимума и блока вычисления ошибки

предсказания, выходы третьей информационной шины блока арифметических устройств подк.гаочены к соответствующим (N+1) входам блока памяти,(N+2)-й- вход которого подключен к второму

выходу блока вычисления ошибки предсказания, а третий его выход соединен с вторым информационным входом блока останова рекурсии, выход которого соединен с третьим управляющим входом блока поиска минимума, четвертый и пятый управляющие входы блока поиска минимума подключены соответственно к второму и одиннадцатому выходам блока формирования микрокоманд, первый и второй управляющие входы которого подключены к первому и второму входам элемента И-НЕ и к соответствующим выходам блока поиска минимума, кодовый выход которого соединен с третьим входом блока формирования микрокоманд и с третьим входом блока вычисления ошибки предсказания, седьмой управляющий вход которого соединен с первым управляюш 1м выходом блока поиска минимума, информационный вход блока поиска минимума подключен к второму выходу вычислителя частных корреляций, четырнадцатый выход блока формирования микрокоманд

соединен с третьим входом элемента И-НЕ, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, а выходы блока памяти соединены с информационными входами Фурье-преобразователя.

cSТИ

т

а

№

да

лгг

И

I

«L

А

.S

«Г

72

- im-t

W

73

J«

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной, информации о классе исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности измерения спектра. Анализатор содержит блок 1 арифметических устройств, вычислитель 2 частных-корре- .ляций, блок 3 вычисления ошибки предсказания, блок 4 останова рекурсии, Фурье-преобразователь 8 и блок 9 формирования микрокоманд. Введение блока 5 поиска минимума, элемента К-НЕ 6, блока 7 памяти и образование новых функциональных связей позволяет использовать в анализаторе новую адаптивную процедуру вычислений, позволяющую в процессе обработки учитывать неизвестные свойс ва анализируекюго процесса. 9 ил. CS «9 кэ ф 00

RO

Co

79

0,1

Физ.8

Редактор И.Дербак

Заказ 227/43Тираж.731Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул Проектная, 4

Составитель А.Орлов

Техред Л.Сердюкова Корректор Т,Колб