Устройство для анализа спектра случайных процессов Советский патент 1992 года по МПК G01R23/16 

W

Ј

Изобретение относится к аппаратурному спектральному анализу случайных процессов. Устройство содержит N каналов анализа, каждый из которых состоит из трехвходового сумматора 1, анализирующего фильтра 2, измерителя 3 дисперсии и индикатора 4, а также N-входовой сумматор 5 и инвертор 6. За счет введения блоков 1,5 и 6 достигается уменьшение нестабильности формирования АЧХ, что повышает точность анализа спектра. 2 ил.

%

0Н

Ч 00

U О

Фиг.1

Изобретение относится к области аппаратурного спектрального анализа случайных процессов различного физического происхождения, например вибрационного, акустического и т.д., после предварительного преобразования известными методами в случайный электрический сигнал.

Известны устройства аппаратурного спектрального анализа, использующие метод линейной фильтрации, основанный на разбиении исходного широкополосного Случайного сигнала на ряд узкополосных случайных сигналов и измерении энергии сигнала в каждой узкой полосе.

В устройстве при последовательном анализе используется один узкополосный анализирующий фильтр, перестраиваемый в диапазоне частот измеряемого энергетического спектра.

В результате измерения и усреднения полученного результата по полосе пропускания анализирующего фильтра на выходе измерителя дисперсии получают одну оценку измеряемого энергетического спектра. Получаемая таким образом оценка измеряемого спектра обладает погрешностью смещения. Кроме того, недостатком последовательного метода анализа является большое время анализа, особенно для измерения спектра широкополосных сигналов.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее N параллельных каналов анализа, каждый из которых состоит из последовательно соединенных узкополосного анализирующего фильтра и измерителя дисперсии, к выходу которого подключен индикатор.

Однако в данном устройстве теоретически невозможно получить коэффициент прямоугольное™ анализирующих фильтров, равный единице, так как это приводит к бесконечным фазовым сдвигам, а, значит, и времени измерения. Соответственно реально ошибка смещения определяется не только шириной полосы пропускания анализирующего фильтра, но и его конечным затуханием вне полосы анализа. При значительных величинах второй производной измеряемого спектра эта погрешность может быть доминирующей.

Цель изобретения - повышение точности анализа без усложнения устройства за счет увеличения затухания за пределами полосы пропускания анализирующих фильтров.

Цель достигается тем, что исходный сигнал разбивают на N узкополосных сигналов, измеряют дисперсию, при этом до разбиения суммируют входной случайный сигнал с

сигналом, полученным после фильтрования и вспомогательным сигналом, а для получения вспомогательного сигнала все N процессов после фильтрации суммируют и

инвертируют.

В устройство, реализующее предложенный способ, содержащее N параллельных каналов анализа, в каждом из которых последовательно включены анализирующий

0 фильтр, измеритель и индикатор, дополнительно введены последовательно включенные N-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа трехвходовый сумматор, выход которого подключен к входу ана5 лизирующего фильтра, первый из входов - к выходу анализирующего фильтра, второй - к общему входу устройства, а третий - к выходу инвертора, при этом входы N-входо- вого сумматора подключены к выходам ана0 лизирующих фильтров.

В известном техническом решении преследуются аналогичные цели - увеличение конечного затухания фильтров за пределами полосы пропускания. Это решается с по5 мощью матрицы N х N дополнительных фильтров, включенных после анализирующих фильтров. Коэффициенты передачи матричных фильтров должны иметь точно рассчитанные как амплитудные, так и фазо0 вые значения.

В отличие от известного предлагаемое изобретение использует принцип суммирования в каждом канале входного, вспомогательного и отфильтрованного

5 узкополосного сигналов.

Вспомогательный сигнал формируется из суммы всех отфильтрованных узкополосных сигналов путем инвертирования.

Недостатком известного технического

0 решения является большая нестабильность формируемых эквивалентных АЧХ каналов анализа, приводящих, к неприемлемым погрешностям.

Формирование любой АЧХ канала ана5 лиза производится путем суммирования N сигналов, прошедших 2N-1 фильтров (N основных и N-1 матричных). При этом операция суммирования будет проводиться для увеличения конечного затухания за преде0 лами полосы пропускания, т.е. это будет вычитание.

Именно большое количество М-1) операций вычитаний, являющихся единственными операциями, когда погрешность

5 выходной величины может на порядки превышать погрешности входных, проводимых с сигналами, прошедшими большое (2N-1) число частотозависимых, а значит очень нестабильных блоков, приводит к значительным погрешностям.

В предлагаемом изобретении отсутствует матрица дополнительных фильтров и в операции формирования участвует всего N фильтров, т.е. в N+1 раз меньше, что наивыгоднейшим образом сказывается на ста- бильности АЧХ, а значит и ошибках всего формирования в целом.

Таким образом, введение операций суммирования при разбиении отфильтрованного узкополосного и вспомогательного сигналов с формированием вспомогательного сигнала из суммы всех отфильтрован- ных узкополосным инвертированием позволяет говорить о наличии существенных отличий. Новый принцип работы осно- ван на оригинальной схеме включения, а не на матрице из N N дополнительных фильтров. Уменьшение нестабильности формирования АЧХ говорит о увеличении точности анализа спектра без усложнения применен- ных фильтров.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - квадраты модулей передачи л-го канала анализа Кп {ft) заявляемого устройства и фильтра с обыкновенным резонансным видом АЧХ

Ап2НУстройство состоит из N каналов анализа, каждый из которых содержит последовательно включенные 3-входовой сумматор 1, анализирующий фильтр 2, измеритель 3 и индикатор 4.

Первый вход 3-входового сумматора 1 подключен к выходу анализирующего филь- тра, а вторые входы всех 3-входовых сумма- торов t подключены к входу устройства.

К выходу анализирующего фильтра 2 всех N каналов анализа подключены входы N-входового сумматора 5, выход которого подключен к входу инвертора 6. Выход ин- вертора 6 подключен к третьему входу 3- входового сумматора в каждом из N каналов анализа.. . :

Устройство работает следующим обра- зом (рассмотрим для примера первый канал анализа).

Сигнал с анализируемым спектром подается сразу на вторые входы 3-входовых сумматоров 1 всех N каналов анализа, по- ступая затем на анализирующий фильтр 2. На выходе анализирующего фильтра 2 спектр анализируемого сигнала можно най- ти, умножив исходный на квадрат модуля коэффициента передачи АЧХ. Из-за конеч- ной величины затухания за п-ределами полосы пропускания здесь будут присутствовать составляющие, лежащие в районах частот анализа других каналов.

Этот сигнал вновь подается на 3-входо- вый сумматор 1, на первый вход непосредственно, а на третий - в составе вспомогательного сигнала.

Однако, учитывая, что в цепи формирования вспомогательного сигнала последовательно включенные N-входовой сумматор 5 и инвертор 6, производится инвертирование, то в 3-входовом сумматоре 1 происходит полная компенсация собственно отфильтрованного узкопрлосного сигнала.

Таким образом, сигнал с выхода анализирующего фильтра 2 поступает со вспомогательным сигналом на третьи входы 3-входовых сумматоров Т остальных каналов. На выходе анализирующего фильтра 2 каждого из них выделяется узкополосный сигнал, который через N-входовой сумматор 5 и инвертор 6 поступает в первый канал анализа и за счет произошедшего инвертирования скомпенсирует соответствующую часть узкополосногосигнала после анализирующего фильтра 2.

Эквивалентный квадрат модуля коэффициента передачи канала анализа с входа устройства на выход анализирующего фильтра 2 приобретает нули, а его общий вид станет аналогичен изображенному на фиг. 2. После измерения дисперсии в блоке 3 оценка спектра индицируется в блоке 4.

Качественные изменения квадрата модуля передачи можно подтвердить строгим математическим расчетом. Получим в общем виде

( . ,„, о)

ii-(ffl)iii:s,

Конкретный вид зависит от вида АЧХ примененных канальных фильтров 2 (в формуле(1) это член Ап(ш), однако достаточно легко сделать общие замечания относительно поведения Кп(со) на частотной оси).

Исходным представляется вид АП(У) типа стандартной резонансной кривой с максимумом на частоте ом, равным единице и спадающим при удалении от этой частоты.

Общий избирательный характер К.п(ш) определяет член Ап(ш) в числителе формулы

0).

На всех частотах о) а)т (т 1 N)

станет равен единице один из коэффициентов передачи канальных формирующих фильтров Am(w), а это значит, что станет равен нулю знаменатель одного из слагаемых, стоящих под знаком суммы в знаменателе формулы (1).

Это приведет к тому, что одно из слагаемых станет равно бесконечности, а значит в целом Кп(й) равен нулю. Таким образом, на

всех других частотах (Ют, кроме частоты сап , коэффициент Кп(ю) будет равен нулю.

Сложнее дело обстоит . В этом случае станет равно нулю содержимое операций в первых квадратных скобках знаменателя. В результате перемножения этого значения на содержимое вторых квадратных скобок равными нулю станут все слагаемые, кроме случая m п, когда произойдет сокращение с аналогичным членом в знаменателе под знаком суммы/Общий знаменатель формулы (1) будет равен An(ft), a Knftu) равен единице.

Таким образом, учитывая избирательный характер Кп(й)), нулевое значение на частотах О) (От и единичное значение на частоте со (On, получаем коэффициент передачи п-го анализирующего канала, приведенного на фиг. 2.

Для бояее полного сравнения с обычной резонансной характеристикой учтем влияние хвостов по следующей методике определения ошибки

00

Ok

/ Kn2O)dw Wpn

ОА

/ Kn2(w)du

(tin oo

/ An2(ft)do)

.COpn

00

/ An2(ftj)d(W «п

где (Ор.п - среднегеометрическая частота между (On и ftjvM

(.УоД, 0)n+1 )

При непосредственном расчете зададимся такой полосой пропускания, чтобы на среднегеометрической частоте (Орп между двумя частотами анализа квадрат модуля передачи был равен 0,5 обоих анализируюк&),-л5м

ШП-1 Мпн ЫШ2 Фиг.2

0

5

0

щих фильтров. Это рекомендуемый равно- добротный метод.

Расчет проводился на ЭВМ и дал следующие результаты: ОА 0,4;ок 0,2.

Видно, что за пределами полосы пропускания предлагаемого изобретения находится двадцать процентов интегральной площади анализирующего фильтра, в то время, как у известного устройства - сорок процентов, т.е. в два раза больше, хотя исходные фильтрующие схемы построения идентичны.

Техническая реализация не представляет трудностей. Анализирующие фильтры 2 реализованы,на ИС284СС1, сумматоры 1 и 5, инверторы б и измерители 3 - на операционных усилителях серии 140.

Схемотехника блоков стандартна. Это позволяет говорить о доступности конкретного выполнения, а реализация предлагаемого изобретения позволяет снизить погрешность измерения спектра случайных процессов.

Фор м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для анализа спектра случайных процессов, содержащее N параллельных каналов анализа, в каждом из которых последовательно включены анализирующий фильтр, измеритель дисперсии и инди-- катор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, введены последовательно включенные N-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа - трех

входовой сумматор, выход которого подключен к входу анализирующего фильтра, первый из входов- к выходу анализирующего фильтра, второй - к общему входу устройства, а третий - к выходу инвертора, при

этом входы N-входового сумматора подключены к выходам анализирующих фильтров всех каналов,

К(ы)