Способ определения постоянной составляющей сложного сигнала Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в радиотехнике при определении постоянной составляющей сложного сигнала, в том числе и на фоне помех.

Известны способы определения постоянной составляющей сложного сигнала, в том числе и на фоне помех, заключающиеся в усреднении исследуемого сигнала на интервале наблюдения.

Частотная характеристика этого способа описывается выражением

Gi(X)sinX/X.(1)

где X-обобщенная частота, причем X-JtfT;

f-частота сигнала X(t);

Т - интервал наблюдения.

Однако данным способом обеспечивается минимальная дисперсия лишь при оценке постоянной составляющей на фоне

помех с равномерно распределенным спектром. Наличие окрашенных участков спектра помех приводит к возрастанию дисперсии оценки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения постоянной составляющей сложного сигнала, заключающийся в предварительном усреднении исследуемого сигнала, перемножении результата ус- реднения на линейно изменяющееся напряжение вида (2t/T-1) и окончательном усреднении.

Частотная характеристика Этого способе описывается выражением

Gi(X)- slnX/X-cosX 2/X.(2)

. . - Наличие в данном выражении составляющей вида 2/Х позволяет уменьшить влияние высокочастотных помех на оценку

41

чэ

Ел

so ел

постоянной составляющей. Однако, при спектре помех, равномерно распределенных по оси частот, оценка постоянной составляющей сигнала, обеспечиваемая известным способом, не будет эффективной.

Классические способы (и устройства) для определения эффективного значения напряжения включают последовательные операции возведения в квадрат исследуемого сигнала и определения среднего значения (постоянной составляющей) результата кеадрирования. Известный способ измерения эффективного значения также содержит операции квадрирования и определения постоянной составляющей, причем при исключении операции квадрирования такая обработка обеспечит определение среднего значения (постоянной составляющей) исследуемого сигнала. Этот способ единственный, который бы полностью соответствовал одному из двух алгоритмов усреднения. Другой алгоритм усреднения - классический.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет дополнительного выбора одной из оценок постоянной составляющей сигнала с минимальным средним квадратам отклонения переменной составляющей сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что по способу определения постоянной составляющей сложного Сигнала, заключающемуся в первом усреднении исследуемого сигнала, перемножении результата усреднения на линейно изменяющееся напряжение вида (2t/T-1) и втором усреднении, определяют средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала, средний квадрат результата первого усреднения переменной составляющей исследуемого сигнала, сравнивают их между собой по величине и за оценку постоянной составляющей исследуемого сигнала принимают результат окончательного усреднения, если средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала больше среднего квадрата результата усреднения переменной составляющей сигнала, в противном случае за оценку постоянной составляющей сигнала принимают результат первого усреднения,

На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство для определения постоянной составляющей сложного сигнала содержит подключенные к входу устройства последовательно соединенные-первый усреднитель 1. основной перемножитель 2,

0

0

второй усреднитель 3, коммутатор 4, второй вход которого подключен к выходу первого усреднителя 1, а выход является выходом устройства, а также формирователь пилообразного напряжения вида (2t/T-1), выходом подключенный к второму входу основного перемножителя 2, к входу устройства подключены последовательно соединенные первый квадратор б, третий усреднитель 7, первый вычитатель 8, компаратор 9, выходом подключенный к управляющему входу коммутатора 4, к выходу первого усреднителя 1 подключены последовательно соединенные четвертый усреднитель 10, 5 дополнительный перемножитель 11, второй вычитатель 12, выходом подключенный к второму входу компаратора 9, к выходу первого усреднителя подключены также последовательно соединенные второй квадратор 13, пятый усреднитель 14, входом соединенный с вторым входом вычитателя 8, а выхо-. дом подключенный к второму входу второго .вычитателя 12, причем второй вход дополнительного перемножителя 11 подключен к выходу второго усреднителя 3, выход которого через третий квадратор 15 подключён к третьему входу второго вычитателя 12.

В качестве всех элементов устройства могут быть использованы типовые узлы. Так, в качестве усреднителей 1, 3, 7, 10 и 14 могут быть использованы, например, микросхемы К140УД1, включенные по схеме интегратора.Формирователь5 пилообразного напряжения также может быть выполнен на этой микросхеме, включенной согласно схеме. На этой же микросхеме с дифференциальным включением могут быть включены вычитатели 8, 12 и 15. В качестве перемножителей 2 и 11 могут быть использованы микросхемы К140МА1, включенные по.схеме. Квадраторы б и 13 тоже могут быть выполнены на этой микросхеме К554САЗ, коммутатор 4 - на микросхеме К590КН5.

5

0

5

Реализация способа заключается в еле- дующем,

Сложный сигнал s(t), содержащий как постоянную а, так и переменную X(t) cocfав- ляющие, посяе предварительного усреднения (на выходе усреднения формируется в сигнал вида

ih(t)4 } sWd.

1 о

(3)

Этот сигнал после перемножения с сиг- иалом

U5(t) (2t/T-1)(4)

окончательно усредняется и будет иметь

вид

U3(t)l } |(2y/T-1)x 1 о

У х / s(z).

U14(T)4 } Ui3(t)dt 1 о

1 / 4 / Ui(T).

Т J0 LT 0

(11)

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Для этого предварительно усредняют исследуемый сигнал, перемножают результат усреднения и линейно изменяющееся напряжение, а результат также усредняют, при этом дополнительно определяют средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала и средний квадрат результата предварительного усреднения исследуемого сигнала и средние квадраты сравнивают между собой, а по результату сравнения выбирают оценку постоянной составляющей, которой может быть либо результат окончательного, либо предварительного усреднения исследуемого сигнала. 1 ил. 3 сл с

В результате к концу интервала наблюдения Т после окончательного усреднения (на выходе второго усреднителя формируется оценка постоянной составляющей исследуемого сигнала вида т .1

U3(t) / tH2t/T-1)x о

х J s(z) dr} dt a.

(6)

где а - оценка постоянной составляющей.

Частотная характеристика этой оценки описывается выражением (2),

После предварительного усреднения (на выходе первого усреднителя 1) к концу интервала наблюдения Т формируется классическая оценка постоянной составляющей сигнала

U1(T) 1 / U(z)dr.

I n

Оценки постоянной составляющей (6) и (7) сравниваются и на выход пройдет та оценка, которая будет выбрана при анализе переменных составляющих сигнала соответственно, на выходе и входе первого усреднителя 1.

Средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала формируется на выходе вычитателя 8, причем на один вход вычитателя исследуемый сигнал поступит через квадратор 6 и третий усреднитель 7 в виде

U7(T Y / s2(t)dt.(8)

i о

На второй вход вычитателя 8 поступает сигнал с выхода квадратора 13

Ui3(T) Ui(T):

F-4 /

1 о

s(t) . (9)

В результате на выходе вычитателя 8 формируется оценка среднего квадрата отклонения переменной составляющей исследуемого сигнала

U8ff) U7(T)-Ui3(T)

4 } s2(t)dt-U / s(t)(10)

1 о о

и поступает на один из входов компаратора 9,- .

Одновременно сигнал (13) с выхода квадратора 13 через пятый усреднитель 14 поступает на один из входов второго вычитателя 12

15

На второй вход второго вычитателя 12 с выхода дополнительного перемножителя 11 поступает продукт перемножения оценки постоянной составляющей с выходом вто- Ю рого усреднителя 3 и усредненной на интер- вале наблюдения Т оценки постоянной составляющей оценки с выхода четвертого усреднителя 10

Uii(T) U3(T)Uio(T)

изГО/ Ui(t)dt.

(12)

25

. На вычитатель 12 через квадратор 15 посту-1 пэеттакже выходной сигнал усреднителя 3. Напряжение на выходе второго вычита- 20 теля 12 имеет вид

Ui2(T) Ui4(T) - Un(T) -1 Ui5(T). (13)

С учетом соотношений (3) и (6) выражение (13) можно представить

«,4{т.

Ттт

|-т№ш - 1и.{Ы(7 j.(2t/(Tо . .1 о . о

30- )U,(t)dt -T- ufHWt-f jtuI{tJdt,l

о. о-

fYJu.Wd Ukuidff-.

оо..

35-l jVt/T-.Vu.dt}2

Выражение (13) может быть представно также в виде

,2

40Ui2(t) / Ui(t) - dt,

1 о

(15

где а ,.(16).

что характеризует средний квадрат отклонения переменной составляющей исследуемого сигнала на выходе первого усреднителя 1. При этом постоянная составляющая исследуемого сигнала характеризу- ется линейно нарастающим напряжением на выходе первого усреднителя 1, причем

ФУ™зна нарастания определяется величиной постоянной составляющей исследуемого сигнала.

Напряжение с выхода второго вычитателя 12 поступает на второй вход компаратора 9, на котором осуществляется сравнение с величиной сигнала с выхода первого вычитателя 8. В результате уровень логического сигнала на выходе компаратора 9 будет определяться соотношением сигналов с выходов вычитателей 8 и 12 и поступает на управляющий вход коммутатора 4, пропуская на выход последнего такую оценку постоянной составляющей сигнала, кото рая характеризуется минимальным средним квадратом переменной составляющей этого сигнала.

При отсутствии помех оба алгоритма приводят к одинаковому результату. При наличии помех появляется ошибка измерения. За критерий выбора алгоритма усреднения выбран минимум среднего квадрата отклонения переменной составляющей исследуемого сигнала (помехи). Классический алгоритм усреднения основан на минимизации дисперсии оценки и выливается (при одинаковых временах усреднения) в определении дисперсии помех (переменной состав л я кшщй. с и гнала)

Dx X2ft)-/X(t)A(17)

где X(t) - исследуемый сигнал (черта означает усреднение по времени).

В устройстве операции (17) выполняют усреднители 1 и 7, квадраторы б и 13 и вычитатель 8. В усреднителях 1, 7, 3 и 14 используется алгоритм

X(t)

4 3 X(t)

n

dt,

(18)

где Т - время обработки.

Известный алгоритм усреднения минимизирует средний квадрат Р отклонения продукта интегрирования переменной составляющей сигнала (помехи) от продукта интегрирования постоянной составляющей

ti2

/ Ui(t)

п

(19) 35

f i .. (T)l Ui(t) - результат интегрирования суммы постоянной составляющей и помехи;

а - оценка постоянной составляющей.

Выражение(19) может быть представлено в виде

Р -4 / Ui(t) dt- ЦЈ f Ui(t) dt +

1 о о

,2

+ ( dt.(20)

J (-l)Ui(t)dt

(a)2

2f }f Ui(t)dtIо

a

Ґ/ Ui(t)dt

In

(21)

Используя соотношение (6), можно редставить

,2t

.или, что то же самое 2 a

/ Ui(t)df

n I

(а)2 + } 4ui(t)dt.(22)

о Т

Выражение (20) с учетом (22) принимает вид

(er-fju,wjt(a: 1 ,(°ч2

Vf Л

4ju,WeHn

5

0

5

0

5

0

5

0

55

Этот алгоритм обработки обеспечивают блоки: первое слагаемое - квадратор 13 и усреднитель 14, второе слагаемое - усреднитель 10 и перемножитель 11, третье слагаемое - квадратор 15 и вычитатель 12. Оценка а при этом формируется на выходе усреднителя 3.

В результате в зависимости of спектра помех выбирается один из алгоритмов усреднения. Конкретный расчет выигрыша применения каждого из алгоритмов определения постоянной составляющей зависит от спектра помех и проводится с учетом соотношений (1) и (2).

При преобладании низкочастотных помех более эффективна оценка среднего значения, при преобладании высокочастотных помех - на основе известного алгоритма.

Предлагаемый способ в зависимости от характера переменной составляющей сигнала (помех) обеспечивает выбор такой оценки постоянной составляющей, которая характеризуется наименьшим средним квадратом отклонения оценки этой величины, что не может обеспечить ни один из известных методов. Например, при распределении переменной составляющей сигнала по спектру, близкому к равномерному, данный способ обеспечит оценку постоянной составляющей по классическому алгоритму с равномерным усреднением. Если же в спектре переменной составляющей сигнала будут выделяться высокочастотные составляющие, то лучшие результаты оценки постоянной составляющей сигнала обеспечивает известный алгоритм. Дополнительная обработка сигнала позволяет выбрать наилучший в каждом конкретном случае алгоритм оценки.

Любое изменение совокупности рассматриваемых признаков приводит к потере возможности выбора алгоритма оценки, обеспечивающего минимальную погрешность этой оценки.

Таким образом, дополнительные операции обработки сигналов выполняют присущие им функции и в совокупности с другими

заявляемыми признаками позволяют существенно повысить точность измерения постоянной составляющей сигнала на фоне переменной составляющей произвольного характера,

Формула изобретения Способ определения постоянной составляющей сложного сигнала, заключающийся в первом усреднении исследуемого сигнала, перемножении результата усреднения на линейно изменяющееся напряжение вида (2t/T-1), где Т - интервал наблюдения, и втором усреднении, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа за счет дополнительного выбора одной из оценок постоянной составляющей сигнала с минимальным средним квадратом отклонения переменной составляющей сигнала, до0

5

полнительно определяют средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала, средний квадрат результата первого усреднения переменной составляющей исследуемого сигнала, сравнивают их между собой по величине и за оценку постоянной составляющей исследуемого сигнала принимают результат второго усреднения, если средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала больше среднего квадрата результата усреднения переменной составляющей исследуемого сигнала, если средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала меньше среднего квадрата результата усреднения переменной составляющей сигнала, за оценку постоянной составляющей принимают результат предварительного усреднения.