Статистический анализатор конечной разности фазы сигнала Советский патент 1990 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения статистических характеристик случайной фазы сигнала и является усовершенствованием изобретения по авт„, св« № 1422182.

Среднее значение случайной величины e)Vx называется характеристической функцией 9(v) случайной величины х, а именно

e(v)m,teJVX} A(v)+JB(v),(l)

где S(v) - характеристическая функция;

v

га.

A(v), B(v)

вещественный параметр

характеристической

функции;

знак математического

ожидания;

оценки соответственно действительной и мнимой частей характеристической функциио

Известно, что измерив оценки действительной и мнимой составляющих характеристической функции при различных значениях вещественного параметра v, можно определить ту или иную

СП

со

00

Јь СО

N)

31538143А

статистическую характеристику иссле-дуемого случайного процесса. Например

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и служит для определения статистических характеристик флуктуаций фазы сигнала. С целью повышения точности определения статистических характеристик исследуемого шага ΔV квантования вещественного параметра случайного процесса ΔV = φ/2F_M, где F_M - максимальное отклонение флуктуаций фазы от своего среднего значения, размах 2 F_M флуктуаций фазы измеряется в течение времени анализа введенным цифровым фазовым детектором и по таблице, записанной в постоянном запоминающем блоке, определяется значение оптимального шага квантования, которое используется в течение следующего времени анализа. Использование оптимального шага квантования вещественного параметра дает возможность снизить методическую погрешность определения статистических характеристик флуктуаций фазы сигнала до значений (10^-4 - 10^-5)%. 3 ил.

6- --- + 4 fr П A() Г 2f B(iav)V,,, 6- | + Н) - I - U J,(-) (2)

где С - среднеквадратическое отклонение исследуемого случайно го процесса;

UV - шаг квантования веществен- ного параметра v характеристической функции; i - целое число. Цель изобретения - повышение точности определения статистических ха- рактеристик исследуемого случайного процесса

На фиг о1 приведена структурная схема статистического анализатора конечной разности фазы сигнала; на фиг.2 - временные диаграммы работы статистического анализатора.

Статистический анализатор конечной разности фазы сигнала содержит аналоговый запоминающий блок 1, фор- мирователь 2 опорного колебания, цифровой пиковый детектор 3, постоянный запоминающий блок 4, буферный регистр 5, сумматор 6 кодов, управляемый генератор 7 тактовых импульсов, делитель 8 частоты, первый 9 и второй 10 элементы выборки и хранения, первый аналого-цифровой преобразователь 11, второй аналого-цифровой преобразователь 12, первый накапливаю

щий сумматор 13, второй накапливающий сумматор 14, первый отсчетный индикатор 15, второй отсчетный индикатор 16, формирователь 17 стробиру ющих импульсов о

Входом статистического анализатора конечной разности фазы сигнала служат объединенные входы аналогового запоминающего блока 1, Формирователя 2 опорного колебания и первый вход циф- рового пикового детектора 3, второй вход которого присоединен к выхоцу формирователя 2 опорного колебания. Выход цифрового пикового детектора 3 подключен к последовательно соединен- ным постоянному запоминающему блоку 4, буферному регистру 5, сумматору 6 кодовс Выход сумматора 6 кодов присоединен к входу управляемого генератора 7 тактовых импульсов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму тактовым входам аналогового запоминающего блока 1, у которого первый так

0

5

0

Q

товый вход объединен с тактовым входом формирователя 2 опорного колебания. Вход стробирования сумматора 6 кодов объединен с входом делителя 8 частоты и присоединен к цепи Время измерения. Выход делителя 8 частоты подключен к тактовому входу постоянного запоминающего блока 4, входу синхронизации цифрового пикового детектора 3 и к входам обнуления буферного регистра 5 и сумматора 6 кодов. Выход аналогового запоминающего блока 1 подключен к объединенным входам первого и второго каналов преобразования, в каждом из которых последовательно соединены соответственно первый 9 и второй 10 этементы выборки и хранения, первый 11 и второй 12 аналого-цифровые преобразователи первый 13 и второй 14 накапливающие сумматоры, первый 15 и второй 16 от- счетные индикаторы. Входы стробирования накапливающих сумматоров 13 и 14 присоединены к цепи Время измерения Объединенные входы стробирования элемента выборки и хранения и аналого- цифрового преобразования первого и второго каналов преобразования подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя 17 стробирующих импульсов, первый вход которого объединен с в кодом управляемого генератора 7 тактовых импульсов, а второй вход подключен к выходу формирователя 2 опорного колебания.

Аналоговый запоминающий блок 1 предназначен для изменения вещественного параметра характеристической функции v путем умножечия фазы исследуемого сигнала. Для этого в аналоговый запоминающий блок сначала записываются дискретные значения входного напряжения за один период исследуемого сигнала, а затем происходит считывание данной информации с частотой импульсов считывания, в v раз Большей частоты импупьсов дискретизации Работа аналогового запоминающего блока идентична работе такого блока в известном анализаторе.

Формирователь 2 опорного колебания служит для формировавши опорного сигнала и представляет собой аналоговую

линию задержки. Причем постоянная времени линии задержки определяет параметр исследуемой конечной разности фазы сигнала

4(t) /Jv(t) f(t)- v(t-f). (3)

Цифровой пиковый детектор 3 предназначен для измерения размаха фазовых флуктуации. На выходе цифрового пикового детектора 3 формируется цифровой код, пропорциональный размаху фазовых флуктуации исследуемого сигнала.

В постоянном запоминающем блоке 4 записана таблица соответствия удвоенного значения мкксимального отклонения от среднего случайной величины ( и оптимального шага квантования dv вещественного параметра.

В таблице соответствия между размахом флуктуации исследуемого сигнала и оптимальным значением шага квантования параметр характеристичес- 25 том пересчета и одновибратор, форкой функции получен с помощью выражения

/Jv ff/( 2 К dO,

(4)

где Ь К

JP

среднеквадратическое значение исследуемого случайного процесса;

коэффициент, связывающий между собой максимальное отклонение от среднего значения флуктуации фазы cfmn 6, т.е. .ipm Kj.p.6- Экспериментально установлено, что методическая погрешность достигает своего минимума 10 4-1СГ % при так- ком определении значения шага квантования &v вещественного параметра. На вход блока 4 приходит цифровой код, соответствующий адресу ячейки памяти, в которой записан код значения шага квантования параметра характеристической функции. Считывание из памяти происходит при перепаде сигнала из единицы в нуль на тактовом входе блока.

Буферный регистр 5 служит для хранения кода шага квантования параметра характеристической функции &v в течение всего времени анализа (фиг.2) Сброс регистра происходит по перепаду из единицы в нуль на входе обнуления „ Сумматор 6 кодов служит для задания параметра характеристической

5381436

функции Y. Он состоит из сумматора, одновибратора, формирующего короткий отрицательный импульс при перепаде уровня сигнала на входе стробирования из нуля в единицу, и регистра памяти, запись в который производится при перепаде из единицы в нуль на выходе одновибратора. Сброс содержимого регистра памяти осуществляется при перепаде уровня сигнала на входе обнуления из единицы в нуль.

Управляемый генератор 7 тактовых импульсов формирует две последователь ности тактовых импульсов, одна - с частотой f -,, другая - с частотой

э

5

10

15

v . s Генератор управляется цифровым кодом и может быть реализован из последовательно соединенных гене- 2о раторов импульсов и управляемого кодом умножителя частоты.

Делитель 8 частоты формирует сигнал Время анализа и представляет собой счетчик с заданным коэффициен

5

0

5

0

5

мирующий короткий отрицательный импульс при перепаде уровня сигнала на выходе счетчика из единицы в нуль.

Формирователь 17 стробирующих импульсов формирует на своих выходах две сдвинутые относительно одна другой на четверть периода последователь ности импульсов, длительность которых равна половине периода сигнала на выходе аналогового запоминающего блока Работа формирователя основана на принципе умножения частоты в системе ФАПЧ и последующем формировании сдвига фаз на 90°, для чего коэффициент умножения выбирается равным 4 Vo

Элементы 9 и 10 выборки и хранения интегрирующего типа предназначены для интегрирования поступающего на их вход напряжения за время, равное длительности импульса, поступающего на вход стробирования. Элементы выборки и хранения представляют из себя аналогвые интеграторы со сбро- . сом. Сброс интеграторов происходит по по переднему фронту стробирующих им- - пульсов.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 11 и 12 любого типа дополнены одновибратором, формирующим начало цикла преобразования по заднему фронту импульса на выходе стробирования АЦП. По окончании цикла преобразования АЦП 11 и 12 формируют и 1

71

своем выходе синхронизации импульс конца преобразования.

Каждый из накапливающих сумматоров 13 и 14 состоит из сумматоров, регистра памяти, запись в который происходит при появлении импульса на входе синхронизации накапливающего сумматора и при наличии логической единицы на входе стробирования, и одновибратора, формирующего сброс содержимого регистра памяти при появлении переднего фронта импульса на входе стробированияо

Отсчетные индикаторы 15 и 16 обеспечивают цифровую индикацию отсчетов характеристической функции A(v) и B(v) и состоят из дешифратора и цифрового индикатора,,

В исходном состоянии отсчетные индикаторы 15 и 16, накапливающие сумматоры 13 и 14, буферный регистр 5 и сумматор 6 кодов обнулены, па выходе цифрового пикового детектора 3 находится нулевой код,а на выходе, делителя 8 частоты - потенциал логического нуля. Нулевой код с выхода сумматора 6 кодов запрещает работу управляемого генератора 7 тактопых импульсов, который, в свою очередь, запрещает работу аналогового запоминающего блока 1. Данное положение сохраняется до появления логической единицы в любом разряде кода на выходе цифрового пикового детектора 3

Статистический анализатор конечной разности фазы сигнала работает следующим образом.

Исследуемый сигнал поступает на вход анализатора и дальше следует на вход формирователя 2 опорного колебания и на первый вход цифрового пикового детектора 3. Задержанный во времени сигнал с выхода формировател 2 опорного колебания поступает на второй вход цифрового пикового дете тора 3, который в течение времени анализа (фиг.2в) измеряет 2tfm- разма флуктуации конечной разности 1-го порядка фазы сигнала. В конце времени анализа (фиг.2в), после измерения на выходе цифрового пикового детектора 3 появляется цифровой код,, соответствующий значению , к примеру равного 360°о

Измерение, уже непосредственно отсчетов характеристической функции начинается с появления переднего фрота второго импульса Время анализа

0

5

0

5

81438

(фиг„2в) на выходе делителя 8 частоты При этом происходит считывание в буферный регистр 5 информации из ячейки памяти, адресом которой является цифровой код на выходе цифрового пикового детектора 3, Таблица соответствия размаха флуктуации фазы и оптимального значения шага квантования AV вещественного параметра характеристической функции записана в блоке 4о Таким образом, в буферном регистре 5 находится в течение всего времени анализа () цифровой код оптимального значения шага квантования &v вещественного параметра, в данном примере Av 0,5.

По переднему фронту импульса на входе Время измерения происходит обнуление накапливающих сумматоров 13 и 14 и прибавление содержимого буферного регистра 5 к содержимому регистра сумматора 6 кодов. Сумматор

6кодов работает в накапливающем режи-4- ме„ Таким образом, на выходе сумматора 6 кодов находится код текущего значения вещественного параметра v

i 4v, где I - номер этапа (фиг.2б) или номер импульса на входе Время измерения в течение времени анализа (фиг.2в). Смысл коэффициента i совпадает с его обозначением в формуле (2) и i изменяется от 1 до п, где п - необходимое количество отсчетов характеристической функции и коэффициент деленения делителя 8 частоты. Например, п 10.

Рассмотрим, например, измерение отсчетов характеристической функции на третьем этапе () при оптимальном шаге квантования dv 0,5„ В этом случае с выхода сумматора 6 кодов на вход управляемого генератора

7тактовых импульсов поступает цифровой код числа v zsv-i 1 ,5. На выходе управляемого генератора 7 тактовых импульсов формируется две последовательности импульсов: одна с частотой f, другая с частотой

vf j l,5fg. Обе эти последовательности импульсов поступают на тактовые входы аналогового запоминающего блока 1.

Исследуемый сигнал (фиг„2а) поступает на вход анализатора. Период ис- .следуемого сигнала записывается в аналоговый запоминающий блок 1 с частотой дискретизации, равной частоте fЈ сигнала, поступающего на первый

0

5

0

5

0

5

915

тактовый вход с первого выхода управляемого генератора 7 тактовых импульсов, а считывается с частотой сигнала, поступающего с второго выхода управляемого генератора 7 тактовых импульсов (v-f3 1,5fg), Та ким образом t на выходе блока 1 формируется кусочно-импульсный сигнал с фазой и частотой, умноженными в v (1,5) раз (фиг.2г)„ Из сигнала, поступающего с выхода формирователя 2 опорного колебания, формирователь 17 стробирукщих импульсов формирует две сдвинутые одна относительно другой на 90° последовательности импульсов, управляющих работой элементов 9 и 10 выборки и хранения. Причем длительность импульсов равна половине периода сигнала, считываемого с аналогово- го запоминающего блока (фиг.2г,д,е)„

Элементы 9 и 10 выборки и хранения интегрируют поступающий с аналогового запоминающего блока 1 сигнал за время действия импульсов, поступаю- щих на входы стробирования с формирователя 17 стробирующих импульсов

В результате интегрирования на выходах элементов 9 и 10 выборки и хранения получают две оценки, пропорцио- нальные значениям

V( dv.i,t)cos(dv. i-if(t), (5)

V f4v-i,t)sin(dv i-q(t)), (6) I

Для данного случая

V(0,5-3,t) cos(0,5-3-4(t)),

V(0,5-3,t) sin(0,5-3-cf(t)).

Проинтегрированные значения напря жений с выходов элементов 9 и 10 выборки и хранения поступают на входы АЦП 11 и 12. Запуск АЦП И и 12 производится по заднему фронту импуль- сов, поступающих на вход стробирова- ния с формирователя 17 стробирующих импульсов, . сразу после окончания интегрирования. После окончания аналого-цифрового преобразования АЦП 11 и 12 формируют импульс на выходе Конец преобразования. Данный импульс поступает на вход синхронизации соответствующего накапливающего сумматора 13 или 14, что вызывает прибавление кода, сформированного на выходе АЦП, к коду, записанному в регистре памяти накапливающего сумматора 13 ипи 14.

43 0

Измерение 1-х (трех) отсчетов характеристической функции заканчивается по завершении действия 1-го (третьего) импульса Время измерения в данном цикле анализа (фиг,2б,в).

Таким образом, в накапливающих сум маторах 13 и 14 будут получены цифровые коды чисел, пропорциональных действительной и мнимой составляющим характеристической функции:

А;(йУ-1} (7)

В, (ду i) Ј2 V (avi.t). N Р ° s l

(8)

где N - количество кодов, просуммированных накапливающим сумматором за время действия импульса Время измерения на входе стробирования. Для рассматриваемого примера

А3(0,5-3) 1 iS (0,5-3,t)

5

0

5

0

5 0 5

Вэ(0,5-3) Ј 1 (0,5 3,t). Е О

Результаты измерения, находящиеся в регистрах памяти накапливающих сумматоров 13 и 14, индицируются в отсчетных индикаторах 15 и 16., По заднему фронту импульса Время анализа (фиг,2в) происходит обнуление буферного регистра 5 и сумматора 6 кодов о Таким образом, статистический анализатор конечной разности фазы сигнала готов к новым измерениям.

Наличие оценок характеристической функции, измеренных при различных значениях вещественного параметра v, позволяет в аналитическом виде установить необходимые статистические характеристики конечной разности фазы сигнала. Выбор оптимального шага квантования av вещественного параметра позволяет уменьшить методическую погрешность анализатора и нормировать при этом количество необходимых отсчетов характеристической функции, что приводит к выигрышу либо в быстродействии, либо в статистической точности измерения отсчетов характеристической функции.

Таким образом, введение цифрового пикового детектора, постоянного запоминающего блока, буферного регистра, сумматора кодов и делителя частоты позволяет повысить точность опреде- деления статистических характеристик исследуемого сигнала,Формула изобретения

Статистический анализатор конечной разности фазы сигнала по авт. св0 № 1422182, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения статистических характеристик фазы сигнала, в него введены последовательно соединенные цифро-ю вой пиковый детектор, постоянный запоминающий блок, буферный регистр и сумматор кодов, а также делитель частоты с подключенной к его входу цепью Время измерения, первый вход цифро- 15

вого пикового детектора соединен с входом, а второй вход - с выходом формирователя опорного колебания, выход делителя частоты соединен с входом синхронизации цифрового пикового детектора, тактовым входом постоянного запоминающего блока и с входами обнуления буферного регистра и сумматора кодов, выход последнего соединен с входом управляемого генератора тактовых импульсов, а вход стробирова- ния сумматора кодов - с входом делителя частоты и входами обнуления на- капливаюпдех сумматоров.

WV VWWWV УХЛММЛЛЛЛАЛЛ/

a .

,,W

0

H

ifWa «4pr./ Lrtf,y9 Г «ляотГЛгУ

W8 АУ-0&2этап. .

Выход ДЧ 8 ЛУ-03

.,,. аТ анализа,

ЪыХодЮ

-9

t

iл.

V- V-VV Т/ 1/

п пп пппг пп п ппппппп nnnnnnnnn t

е

г П ППППП ППП ППППППП ППППП П

фиг. 2

-9

t