Устройство для определения вероятностных характеристик фазы случайного процесса Советский патент 1987 года по МПК G06G7/52 

11300510

Изобретение относится к специали-; эированным средствам вычислительной техники, может быть использовано при создании приборов для измерения вероятностных характеристик фаз квазигар- 5 моническкх сигналов и является дополнительным к авт.св. № 1112377.

Целью изобретения является-расши- рение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измере- Р ния спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени.

На фиг. 1 и 2 приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит формирователь 1- импульсов, умножитель 2 частоты, 3 задержки, первьй переключатель 4, первый делитель 5 частоквми

че

ми го бе ме

гд

15

ты, первый элемент И 6, второй делитель 7 частоты, блок 8 регулируемой задержки, второй переключатель 9, два преобразователя 10 и 11 фаза - временной интервал, .два временных селектора 12 и 13, первьй счетчик t4, первый накапливающий сумматор 15, третий переключатель 16, блок 17 памяти, четвертый переключатель 18, первый триггер 19, формирователь 20 меандровых сигналов, два реверсивных счетчика 21 и 22, второй счетчик 23, блок 24 отображения информации, второй триггер 25, второй элемент И 26, коммутатор 27, третий элемент И 28, два элемента 29 и 30 равнозначности, два элемента 31 и

32неравнозначности, два квадратора

33и ЗА, второй накапливающий сумматор 35.

Устройство работает следующим образом.

При измерении безусловного среднего значения переключатели ставятся в положение 1 (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвиж- нь1ми контактами 3,1,3 и 1). Сигнал с исследуе.мой случайной фазой поступает на первый; преобразователь 10 фаза - временной интервал. Сигнал опорной частоты поступает на формирователь 1 импульсов, которьй формирует короткие импульсы в момент, например, положительных переходов опорного сигнала через нулевое значение. Выходной сигнал первого преобразователя 10 открывает первьй временной селектор 12 на время t x; Интервал времени , заполняется

I

квантующими импульсами, поступающими от умножителя 2-частоты. Коли-чество импульсов в пачках п

xj

формируе -ак на выходе первого временного селектора 12 в выбранном масштабе, определяет значение фазы, в момент t , т.е.

где К

Cf,(t;) Кп;.,

360. f

- масштабный коэффициент;F - частота опорного

сигнала;

. f - частота следования ймпульсо в с выхода умножителя 2 частоты.

Импульсы с выхода первого временного селектора 12 импульсов поступают на вход первого счетчика 14,.-на вход начальной установки которого поступает код с выхода блока 17 памяти (в этом режиме работы - нуль).

Таким образом, первый счетчик 14 подсчитывает количество импульсов К- п. в течение каждого периода опор ного сигнала (одного такта измерения) . В конце каждого такого периода осуществляется перезапись кода числа К. iij,.. :из первого счетчика

14в первый накапливающий сумматор

15по команде, поступающей с первого элемента И 6. В результате отношёние числа.В импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения Т,,, к числу выборок N является оценкой математического ожидания случайной фазы сигнала.

н

in(Q ) B/N К п. /N. 1-1

Общее число выборок N задается вторым делит«шем 7 частоты. С появлением на выходе второго делителя 7 частоты сигнала переполнения на входе пе.рвого элемента И 6 появляется запрещающий потенциал-. На этом цикл измерения заканчивается и значение оценки математического ожидания поступает в блок 17 памяти.

Величины среднеквадратических отклонений измеряются в положении 2 переключателей (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 4,2,4,3). При этом импульсы.

31

образуюп1иеся на выходе первого вре- менного селектора 12, поступают в первый счетчик 14, в который перед каждым измерением в дополнительном коде вводится значение оценки мате- матического ожидания по команде управляющего сигнала считывание в блоке 17 памяти. При-этом код разности, формируемый в первом счетчике 14 и пропорциональный значению приращения фазы uq(t;) )- - m (ср) j поступает в первый на- капливакяций сумматор 15. Суммирование вьшолняется без учета знака разности (контакт 4 третьего переклю- чателя 16 разомкнут). По истечении N выборок в сумматоре накапливается число А 2AN,C (qi) (коэффи- цииент р определяется законом распределения вероятностей).

Если теперь на вход первого преобразователя 10 фаза-- временной интервал подать напряжение реализации второго случайного процесса и цикл измерения повторить, предварительно выставив коэффициент пересчета второго делителя 7 частоты, равным N2 10 N,/А, то в сумматоре получаем непосредственно отношение оценок среднеквадратических отклонений про- цессов, т.е. G (tf) и G (Ч,.) .

При измерении условного математического ожидания пераключатеди ставятся в положение 4 (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкну ты соответственно с неподвижными контактами 6,3,5 и 5), .а на преобразователи 10 и 11 фаза - временной интервал подключают сигналы с исследуемыми стационарно связанными случайны- ми фазами. Сигнал опорной частоты поступает на формирователь 1 импульсов. Выходные сигналы преобразователей 10 и 11 открывают временн ые селекторы 12 и 13 на время х; , которые заполняются квантующими импульсами, поступающими с умножителя

2 частоты. Количество импульсов в пачках Пу. и Пц- в выбранном

1 3

масштабе определяет значения фазы в момент времени у (t; )К Пу; и CfijCt,-) К Пх; соответственно.

Импульсы с выхода первого временного селектора 12 поступают на вход первого счетчика 14,.на вход началь- ной установки которого поступает с блока 17 памяти перед каждым тактом измерения код нуля (т.е. после запит

10 -4

си кода, равного К п,,. , в первый накапливающий сумматор 15 первьй счетчик 14 сбрасывается в О). Импульсы с выхода второго временного селектора 13 поступают на нулевой вход триггера 19 непосредственно, а на единичный вход триггера. 19 - через первый делитель 5 частоты. Коэффициент деления Кп. первого делителя 5 частоты выбирается в соответствии с выбранным уровнем анализа, относительно которого определяется условное математическое ожидание.

Если количество импульсов в пачке на выходе второго временного селектора 13 равно коэффициенту деления первого делителя 5 частоты (1111;- Кп), то на выходе первого делителя 5 частоты появляется импульс-, поступающий на вход триггера 19, на выходе которого формируется разре- шакщий потенциал. С приходом импульса с выхода формирователя 1 импульсов на выходе первого элемента И 6 появляется импульс, разрешающий поступление кода первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15. Импульс с выхода элемента 3 задержки устанавливает в исходное (нулевое) положение первый делитель 5 частоты и первый счетчик 14 сигналом с выхода блока 17 памяти. В.ис- 1ходное состояние триггер -19 возвращается первым импульсом умножения частоты, проходящим через второй временной селектор 13 в следующем такте работы.

Если Пь- 4 Кп, то на выходе первого делителя 5 частоты импульс не появляется и перезаписи кода с первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 не происходит. Первый счетчик 14 и первый делитель 5 частоты в конце цикла измерения устанавливаются в исходное (нулевое) положение. Если Пи- Кп + 1, то на вьрсоде первого делителя 5 частоты появляется импульс, который приводит к тому, что на выходе 19 появляется разрешающий потенциал для первого элемента И 6. Однако импульс, порядковый номер которого равен Пи. Ко + 1, с выхода второго временного селектора 13 возвращает триггер 19 в исходное состояние еще до появления очередного импульса с выхода элемента 3 задержки, т.е. в данном случае перезаписи кода с пер5 13

вого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 также не происходит.

Отношение числа импульсов, накопленных в первом накапливающем сум- маторе 15 за интервал измерения, к числу выборок N(. пропорционально оценке определенного условного математического ожидания

г-1 NC

т I qp,(t) Z1 К-п, /N

Изменяя коэффициент деления первого делит еля 5 частоты; можо измерить функцию регрессии случайной фа- вы сигнала. Коэффициент деления первого делителя 5 частоты устанавли- ва-ется согласно кoдyj образующемуся во втором счетчике 23 по команде, поступающей с выхода элемента 3 за- держки.

При измерении функции корреляции переключатели находятся в положении 3 (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкнуты соответст- венно с неподвижными контактами 5, 6,1 и 4), в результате чего включается блок 8 регулируемой задержки. Исследуемый сигнал x(t) подключается к входам обоих преобразователей 10 . и 11 фаза - временной интервал, а в делителе 5 частоты устанавливается коэффициент деления К а в соответствии с выбранным уровнем анализа, оптимальное (в смысле минимума про- должительности измерения)., значение для нормального закона распределения случайной фазы равно т(ср)±1,41 G (с|) . В блоке 8 регулируемой задержки устанавливается начальное значение ар- гумента функции корреляции Пц, (Т).

Устройство в этом режиме работает принципиально также,.как и при измерении условного математического ожидания. Но поскольку перезапись кода . с первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 производится только при наличии сигнала с выхода блока 8 регулируемой задержки-на третьем входе первого элемента И 6, TOj устройство определяет условное среднее значение фазы исследуемого сиг- нала ) относительно моментов выполнения условий (t,) К П, К-К..

Центрирование значений фазы исследуемого сигнала выполняется следующим образом.

10 -6

Перед каждым измерением в первом счетчике 14 устанавливается код среднего значения, как при измерении среднеквадратического отклонения,, но суммирование в первом накапливающем сумматоре 15 выполняется с учетом знака кода йсу; (t; + с ) в соответствии с подготовительном, управляющим сигналом на- входе первого накапливающего сумматора 15 с подвижного контакта третьего переключателя 16.

Импульс, поступающий с формирователя 1 импульсов, записывается в - блок 8 регулируемой задержки при наличии на его втором управляющем входе разрешающего сигнала, которьш поступает с триггера 19. Записанная информация перемещается в блоке 8 регулируемой задержки сигналом, поступающим с элемента 3 задержки- на первый управляющий вход блока 8-регулируемой задержки, и через интервал времени , равный аргументу при определении функции корреляции, появляется на выходе блока 8; раз- рещая перезапись кода с первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15. Значение интервала корреляции Т устанавливается в блоке 8 регулируемой задержки сигналом, поступающим на его первый информационный вход с выхода второго делителя 7 частоты. Дискретность изменений интервала сГ определяется сигналом, поступающим на первьй управляющий вход блока 8 регулируемой задержки с выхода элемента 3 задержки

Отношение числа L импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения vc in числу выборок Кц пропорционально оценке нормированной функций корреляции исследуемой случайной фазы су (t) при данном значении f .

Если на входы устройства в этом режиме измерения подключить два сигнала x(t) и y(t) to;стационарно связанными флюктуирующими фазами, то за интервал Т|, получаем оценку произведения нормированной функции взаимной корреляции на отношение среднеквадратических отклонений первого и второго случайных процессов q- (t) и q)y (t).

G, I ,

()

Pf

(t) L . D

В пятом положении всех переключателей- (подвижные контакт переключа- телей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 1,4,5 и 6) получаем опенку плотности вероятности распределения случайной фазы сигнала. При этом сигнал с исследуемой случайной фазой подключается на вход второго преобразова-, теля 11 фаза - временной интервал.. Формируемые на выходе второго временного селектора 13 пачки импульсов в выбранном масштабе-определяют значения фазы в момент времени

t,-, q (t;) К Пх; .

Импульсы с выхода второго временного селектора 13 поступают на. нуле- вой вход триггера 19 непосредственно, а на единичный вход-триггера 19 через первый делитель 5 частоты. Коэффициент деления первого делителя 5 частоты выбирается в соответствии с выбранным уровнем анализа плотности вероятности. Интервал анализа &q равняется интервалу дискретизации случайной фазы, т.е. 360 F/f.

Дальше измерение выполняется так- же, как и при определении условного математического ожидания (или функции регрессии) за исключением того, что импульсы на вход первого счетчика 14 поступают с формирователя 1 импульсов (первый неподвижньй контак переключателя 4).

Таким образом, первьй накапливающий сумматор 15 фиксирует число п наступления события Cf™ -uCfscf(t) utf, гдеср„ К- Kq, )

n,

Г

Через интервал первом накапливающем сумматоре 15 формируется код, пропорциональньй оценке плотности вероятности случайной фазы сигнала при заданном уровне анализа

W(co ) -1 h Ь- .

Atf NH KN

Для получения оценки функции распределения все переключатели ставятся в положение 6 (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 2,5,7 и 7). Устройство работает в этом режиме аналогично, только перезапись кода с первого счетчика 14 выполняется по команде с первого элемента И 6 при появлении сигнала переполнения на выходе первого делителя Ь частоты.

За время Т в первом накапливающем сумматоре 15 формируется код, пропорциональньй оценке функции распределения

F, (c;,).,,(t) ;

FA((-p ) -- Кл

где d - число импульсов, соответствующих случаям.

Для получения оценки спектральной плотности случайной фазы сигнала все переключатели устанавливаются в положение 7 (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 7,7,2 и 2). Процесс измерения состоит из двух циклов. Во время первого цикла производится измерение среднего значения фазы иссле- д-уемого сигнала, а во втором - оценка спектральной плотности. Измерение среднего значения фазы выполняется аналогично описанному. С появлением на выходе второго делителя 7 частоты сигнала переполнения первый цикл измерения заканчивается. В следующем цикле измерения оценка математического ожидания случайной фазы сигнала используется для центрирования значений фазы исследуемого сигнала. Значение оценки математического ожидания поступает в блок 17 памяти и на выходе второго элемента И 26 появляется импульс, который устанавливает второй триггер 25 в единичное состояние. При этом на выходе третьего элемента И 28 появляется рез- решанщий потенциал. I

Во втором цикле измерения спектральной плотности Gg, (9) перед каждым тактом измерения в первый счетчик 14 в дополнительном коде вводится значение оценки математического ожидания с блока 17 памяти по команде управляющего сигнала Считыва-. ние, т.е. в счетчике 14 сравнивается текущее значение фазн Cf(t) с ее средним значением. При этом, в зависимости от того ср (t) m (Cf) или q (t) ; m (cpx) , на входе третьего элемента И 28, связанного с пер

9 1

вым счетчиком 1, появляется нуль или единица. Сигнал (нуль или единица) с выхода третьего элемента И 28 поступает одновременно на первые входы элементов 29 и 30 равнознач- ности и элементов 31 и 32 неравнозначности, на вторые входы первых элементов 29 и 31 равнозначности и неравнозначности поступает сигнал с прямого выхода формирователя 2t) ме- андровых функций, т.е. sp,n , а на вторые входы вторых элементов 30 и 32 равнозначности и неравноз-; начности поступает сигнал с инверсного выхода формирователя 20 меанд- ровых функций sgn sin.5;t;. При совпадении нулей или единиц на выходах элементов 29 и 30 равнозначности появляется единица, при несовпадении - единица появляется на выходах элементов 31 и 32 неравнознач- иости. Выходные сигналы с элементов равнозначности 29 и 30 и неравнозначности 31 и 32 поступают на реверсивные счетчики 21 и 22. При появлении сигнала переполнения на выходе второго делителя 7 частоты реверсивные счетчики 21 и 22 зафиксируют разность числа совпадений и несовпадений, код которой затем возво- дится в квадрат квадраторами 33 и 34 и поступает во второй накаплива- ЮЙ5ИЙ сумматор 35. На выходе формирователя 20 меандровых функций устанавливается новое, значение частоты 5 и начинается определение следующей ординаты спектральной плотности G(О (2). Количество измеренных орди- ват спектральной плотности определяется объемом второго счетчика 23, При ж явлении на его выходе сигнала переполнения второй триггер 25 устанавливается в нулевое состояние. На этом второй цикл измерения спектральной плотности Gq, (2)- оканчивается.

Результат измерения вероятностной характеристики поступает через коммутатор 27, управляемый вторым триггером 25, при измерении спект- ральной Плотности фазы с второго на- капливающего сумматора 35, а при измерении других вероятностных характеристик - с первого накапливающего сумматора 15 на информационньш вход устройства 24 отображения информации Значение аргумента измеряемой вероятностной характеристики (уровня анализа, частоты и др.) поступает с

0

5

05

f5 35 0 45

50 -55

10- . 10 разрядных выходов второго счетчика- 23 на вход задания аргумента устп . ройства 24 отображения информации.Таким образом, предложенное устройство наряду с измерением условного и безусловного математического ожидания, среднеквадратических отклонений и их отношений, функции регрессии, нормированных корреляционных функций, функции и плотности распределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот позволяет измерять спектральную плотность мощности фазовых флюктуации и автоматизировать процесс измерения и отображения информации.

Формула изобретения

Устройство для определения вероятностных характеристик фазы случайного процесса по авт.св. № 1112377, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных воз- можностей устройства путем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы в реальном масштабе вр емени, в него введены формирователь меаидровых сигналов, второй и третий элемент И, второй триггер, первый и второй элементы равнозначности, первый и второй элементы неравнозначности, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй кВсЩраторы, второй накапливаю- . щий сумматор, второй счетчик, коммутатор, блок отображения информации, причем шестой и седьмой неподвижные контакты первого переключателя соединены между собой, второй неподвиж- ный контакт третьего переключателя соединен с входом элемента задержки и с импульсным входом формирователя меандровых сигналов, второй неподвижный контакт четвертого переключения соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, с входами считывания результата первого и второго реверсивных счетчиков и с счетным входом второго счетчика, разрядные вькоды которого соединены с входом задания частоты формирователя меандровых сигналов, с входом задания коэффициента деления первого делителя частоты и с входом задания аргумента блока отображения информации, выход сигнала переполнения второго счетчика соединен с

Г 1

входом установки в О второго триггера, вход установки в 1 которого соединен с выходом второго элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с подвиж- ными контактами третьего и четвертого переключателей, выход второго триггера соединен с управлякяцим входом коммутатора и с первым входом третьего элемента И второй вход ко- торого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключате- ля, а выход соединен с первыми входами первого, второго элементов равнозначности, первого, второго эле- ментов неравнозначности, вторые входы первого элемента равнозначности и первого элемента неравнозначности соединены с прямым выходом формирователя меандровых сигналов, вторые входы второго элемента равнозначнос- ти и второго элемента неравнозначности соединены с инверсньм выходом

10 -12

формирователя меандровых сигналов , выходы первого элемента равнозначности и первого элемента неравнозначности соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого реверсивного счетчика,- выходы второго элемента равнозначности и второго элемента неравнозначности соединены соответственно с суммирующим и вычитывающим входами второго реверсивного счетчика, выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно через первый и второй квадраторы с первым и вторым входами второго накапливающего сумматора., выход которого соединен с первым,информационным входом коммутатора, второй информационный вход которого соединен с выходом первого накапливакяцего сумматора, выход коммутатора соединен с информационным входом блока отображения информации.

nSi

MI

а

. /

фие.2

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, может быть использовано при создании приборов для измерения вероятностных характеристик фаз квазигармонических сигналов .и является дополнительным к авт.св. СССР № 1112377. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени. Устрс йст- во содержит формирователь импульсов, умножитель частоты, элемент задержки, четыре переключателя, два делителя частоты, первый элемент И,, блок регулируемой задержки,- два преобразователя фаза - временной интервал, два временных селектора, первый счетчик, первый накапливающий сумматор, блок памяти, первьй триггер, формирователь меандровых функций, два реверсивных счетчика, второй счетчик, второй триггер второй и третий элементы И, два устройства равнозначности, два устройства неравнозначности, два квадратора, второй накапливающий сумматор, коммута тор и блок отображения информации. Наряду с измерением условного и безусловного математического ожидания,- среднеквадратических отклонений и их отношений, функции регрессии, нормированных корреляционных функций, функций и. плотности распределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения еще одной характеристики - спектральной плотности мощности -фазовых флюктуации и автоматизирует процесс измерения. 2 ил. I (Л ел N)