Спектроанализатор шумовых сигналов Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

- -&п %S

.e-t&f-t

tei,1

s ins

,Sijt&aa as- ш . , vu s b - r;- r i-jj a .

Изобретение предназначено для аппаратурного анализа характеристик н стаЦио- нарных случайных сигналов, может быть использовано при обработке сигналов в различн ыҐ радиЬсистемах и являетгся усо- вершенствованием известного устройства по ast. свид. N 1277008.

- Целью изобретения является повышение точности пр едбказай ия значенШ с ред- ней мощности нестгщионарного шумового сигнала.

. iч

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

-.Устройство содержит широкополосный фильтр 1, детектор 2, усреднитель 3, линию задержки с М отводами 4, М блоков вычитания 5-15-М, КМ+1 одновходовых блоков

умножения 6-1, , б-(КМ+1), К+1 М-входовых сумматоров 7-1, . ., 7-(К+1), К двухвходовых

(«

f ,feЈ

- -Г V ч - А1дам&

блоков умножения 8-1,.. , 8-К, блоки tM, где

р 2, 3,. , К 9-19-(К-1), источник регулируемого напряжения 10, (К+1)-входовый сумматор 11, первый 12-1 и второй 12-2 пе- ре ча е йя %гуТй р ежм ьТйТёнерато р шума 4 13, двухвходовый сумматор 14, измеритель эффективного напряжения шума 15, третий переключатель 12-3, К+1 ключей Тб:1, .., 16-(К+1), К+1 элементов памяти 17-1. ., 17-(К+1), первый формирователь 18- 1, генератор пилообразного напряжения 19, формирователь 18-2, счетчик импульсов 20, цифроаналоговый преобразователь 21, блок деления 22, первый 23-1 и второй 23-2 лементы задержки, блок выборки и запоминания 24, от К+1 до 2К

умножителей 8-(К+1)8-2К, второй многовходовый сумматор 25, блок извлечения квадратного корня 26, от К до 2(К-1) блоков tp, 9-K, , 9-2(К-1)

4

О

сл

XI

XI

00

N5

Устройство работает следующим образом.

Шумовой сигнал после усиления поступает на вход измерителя эффективного на- пряжения шума 15 и на вход широкополосного фильтра 1, поскольку вначале переключатель 12 находится в первом положении.

Эффективное напряжение шума фиксирует оператор,

Сигнал с выхода фильтра 1 поступает на детектор 2 и затем на усреднитель 3. На выходе усреднителя 3 в каждый момент времени получаем оценку средней мощности шумового сигнала.

С выхода усреднителя 3 сигнал поступает на линию задержки 4 с М отводами, на которых получаем соответственно оценки средней мощности LH Uj , ..., Um в моменты времени titjtm.

Если изменение средней мощности шумового сигнала описывается некоторой гладкой функцией, что обычно имеет место, то ее можно разложить в ряд Тейлора с конечным числом членов

U2(t) а+ /Зм + + ... /V O)

где а, 1/3k - неизвестные коэффициенты разложения.

Оценку средней мощности на выходе усреднителя 3 можно представить в виде суммы, зависящей от времени неслучайной функции (1) и случайной компоненты Z(t), отражающей влияние флуктуации

U2(t) a+ /Sit + #t2 + .- /fok + ZW. (2)

Имея на отводах линии задержки 4

оценки средней мощности U12 Uj2

Um , можно определить значения коэффициентов а, , ...Д.

Оптимальное определение коэффициентов в выражении (2) производится в задаче оценки коэффициентов параболической регрессии по методу наименьших квадратов.

Оценка коэффициента а получается на выходе одновходового блока умножения 6- (КМ+1) в виде

где -гт - коэффициент умножения в блоке

6-(КМ+1).

Оценка коэффициента /3 получается на выходе сумматора 7-i в виде

Д § Aji(Uj2- О), j 1

(4)

где AJI - постоянные коэффициенты, зависящие от значений tj , J 1, 2М; , 2К.

Коэффициенты AJI определяют коэффициенты умножения в блоках 6-1, ... б-КМ..

Оценки коэффициентов /ИД .... Д с

выходов сумматоров 7-17-К поступают

на один вход соответствующего двувходо- вого блока умножения 8-1,..., 8-К.

На второй вход каждого блока умножения 8-1, ...,8-К поступает напряжение, пропорциональное величине tn

Напряжение, пропорциональное времени tn, поступает с выхода источника регулируемого напряжения 10 на вход блока умножения 8-1 и входы всех блоков 9-1, ..., 9-(К-1). С выходов блоков 9-19-(К-1) сигналы поступают на соответствующие блоки умножения 8-2, ..,,8-К.

Таким образом, на выходе каждого блока умножения 8-18-К получаем сигналы,

пропорциональнее соответственно произведениям /3Vtn, .tn2 Д.т.гЛ

Суммирование в сумматоре 11 сигналов с выходов блоков 8-18-К, а также с выхода блока 6-(КМ+1) дает предсказанное на момент tn значение средней мощности шумового сигнала в виде

U2(tn) a+ .tn + /К2 + ... + Atnk. (5)

Поскольку оценки параметров в параболической регрессии в выражении (2) получены методом наименьших квадратов, предсказанное значение (5) будет наиболее точной предсказанной оценкой средней мощности шумового сигнала, определяемой по его единственной реализации.

Вместе с тем в ряде случаев необходимо иметь предсказанное значение с повышенной точностью, чего не достигнуть, располагая единственной реализацией шумового сигнала. В этом случае необходимо создать представительную выборку предсказанных значений средней мощности шумового сигнала и, используя эту выборку, повысить в каждом последующем моделируемом такте точность предсказанного значения средней мощности нестационарного шумового сигнала.

Представительная выборка предсказанных значений средней мощности формируется следующим образом.

После получения первой оценки предсказанного значения средней мощности шумового сигнала оператор переключает переключатель 12 во второе положение.

фг В этом случае плата 12-1 подвижным контактом подключает генератор шума 13 к

, измерителкГэ ффёктивного напряжения шума 15. На выходе генератора шума 13 оператор уЈтан1Шлйвает Напряжение, равнЪе зафиксированному напряжению шума в аналйз ируемой первой реализации шумо -ЗуХъ ь.-, -At

во го сигнала.

|$9 Подвйжный контакт платы переключа- тетш 12-3 подает положительный перепад нап ря&ёРКля на Ґход пёрТзбго фЬрмировате- ля 18-1, на выходе которого формируется имЪульС/б кТ йШЬЩйй ключи 16-1, ..., 16- (К+1).

гл В результате этого напряжения, про- п о р ци о ц а л ь н ы е о Ц §Н ё и н ьгм к бэ фф и ц ие нтам a, pi,..., , поступают на входы

со бтветству бщих элёмеятов памяти 17-1, ...,

Т7-(К+1).

«Ия Таким образом, в элементах памяти 17117-(К-Н) оказываются зафиксирова нным1И оценки коэффициентов а, Д,

которые яв/гяются несмещеййьТми, состо- и эффективными, поскольку

б нТ по Яуч еньГм годом н5и меньших квадратов Г

-S Указанное обстоятельство дает основание предполагать, THTO оценки преДскШШ- ного значения средней мощности шумового сигнала принадлежат генеральной совокупности, а их среднее значение будет несмещенной, состоятельной и эффективной оценкой математического ожидания предсказанного значения.

c.-t, Напряжения, пропорциональные оцен- рч. ... Д, с выходов элементов памяти 17-1, ..., 17-К поступают на соответствующие входы дв ухШоДбвых блоков умножения 8-(К+1)8-2К. На вторые входы этих блоков умножения, кроме блока 8-(К+1), поступают сигналы соответственно б вых б Д ов

блоков tp9-K9-2(К-1).

ts Сигнал на вход блока 8-(К+1) и входы блоков 9-К,.,., 9-2(К-1) поступает с выхода генератора пилообразного напряжения 19. Изменение напряжения на выходе генератора 19 в течение одного периода пропорционально временному интервалу от ti догм.

В результате на выходах блоков умножения 8-(К+1),..,, 8-2К будем получать напряжения, пропорциональные произведениям /Jit. pzt2 ktk.

Указанные напряжения поступают на К входов сумм атора 25, на (К+1)-й вход которого поступает сиТнЭлГпрб брцЩн альный коэффициенту а с выхода элемента памяти 17-(К+1).

Таким образом, на выходе сумматора 25 получаем сигнал, изменяющийся во време- ни в А .

U2(t) a+ /Sit +yS2t2 + ... + y5ktk, (6)

где t изменяется в пределах от ti до tM.

Сигнал с выхода сумматора 25 поступа- ётг йа в 6д блока извлечения корня 26, на выходе которого получаем сйгна/Гв виде

U(t) 4z +A2t2 +... . (7)

Сигнал с выхода блока извлечения корня 26 поступает на второй вход сумматора

14, на выходе которого образуется шумовой сигнал, средняя мощность которого изменяется согласно выражению (1).

Каждая реализация шумового сигнала со средней мощностью, описываемой выражекием (1), поступает через плату 12-2 на вход широкополосногб фильтра 1 и далее на детектор 2, усреднитель 3, линию задержкм 4 11-- Г... 1.,, В блоках 5, ...,11 в каждом такте работы

генератора 19Х происходит оценка коэффи циё нтов a, piД и предсказание на

момент tp значения средней мощности в каждой см о дел и ров а н н ой реализаций шумового сигнала.

Зти значения предсказанной средней мощности смоделированных реализаций шумового сигнала накапливаются в блоке выборки и запоминания 24 в моменты поступления управляющих импульсов с выхода первого элемента задержки 23-1. Импульс на вход элемента задержки 23-1 поступает с выхода формирователя 18-2. Этот же импульс поступает на вход счетчика импульсов 20, в котором подсчитывается общее число смоделированных реализаций

ШумЗвоТоЪ гнал аГ

Импульсы на выходе формирователя 18- 2 формируются от заднего фдоита импульсов с выхода генератора пилы 19.

Выходной сигнал блока выборки и запоминания 24 поступает на вход делимого блока деления 22, на вход Делителя которого поступает напряжение, пропорциональное числу смоделированных реализаций шумового с ифала, с выхода цифроаналогового преобразователя 21, входы которого подсоединены к выходам двоичного счетчика

20. . ,

-я В результате на выходе блока деления

22 образуется напряжение, пропорциональное следующему значению

Uq2(t)-i..i.OjW.

(8)

Использование: для аппаратурной обработки нестационарных шумовых сигналов, а таюке пр обработке сигналов в различных радибсистемах. Сущность изобретения: содержит фильтр, детектор, усреднитель, лии : , Х а, а х ои.. П хдйма ЯИН8СКе( нию задержки, М блоков вычитания, М блоков умножения, К+1 сумматоров, К блоков умножения, блоки tp, где р 2, 3,. ., К, блоки умножения, источник напряжения 10, (К+1)- входовый сумматор, генератор шума, сум- мато рТпереключатель, изме ритеЯь шума, формирователи, ключи, элементы памяти, генератор пилы, блоки tp, блоки умножения, блок извлечения корня, счетчик импульсов, цифроанало гЬвый преобразователь элементы задержки, блок деления, блок выборки и запоминания Особенностью изобретения является получение в каждом последующем моделируемом такте самокорректирующейся оценки предсказанного значения средней мощности нестационарного шумового сигнала 1 и/Г

4 Л

. Я

где q - число смоделированных реализаций шумового сигнала.Лл

Предсказанные значения Ui2(t)Uq2(t),

входящие в сумму (8), предположительно принадлежат генеральной совокупности, и их среднее значение будет несмещенной, состоятельной и эффективной оценкой математического ожидания предсказанного значения средней мощности шумового сигнала. Поэтому при увеличении числа q смоделированных реализаций шумового сигнала будем получать все более точную оценку предсказанного значения средней мощности нестационарного шумового сигнала.

Указанный процесс продолжается до тех пор, пока точность данной оценки не станет удовлетворять предъявленным требованиям.

Формула изобретения Спектроанализатор шумовых сигналов по авт. св. № 1277008, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет предсказания значения средней мощности нестационарного шумового сигнала, введены первый и второй переключатели, первые входы которых объединены и являются входомспектроанализатора, регулируемый генератор шума, выход которого соединен последовательно с двухвходовым сумматором и вторым входом второго переключателя, выход которого соединен с входом широкополосного фильтра, измеритель эффективного напряжения шума, вход которого соединен с выходом первого переключателя, второй вход первого переключателя соединен с выходом регулируемого генератора шума, третий переключатель, второй вход которого является клеммой для подключения положительного напряжения, К+1 .параллельных цепей, каждая из которых включает последовательно соединенные ключ, вход которого является входом параллельной цепи, и элемент памяти, выход которого является выходом параллельной цепи, причем К-входы параллельных цепей соединены с К-выходами соответствующих

М-входовых сумматоров, а К+1 вход соединен с вторыми входами М блоков вычитания, первый формирователь, вход которого соединен с выходом третьего переключателя, а выход - с управляющими входами К+1

ключей К+1 параллельных цепей, генератор пилообразного напряжения, второй формирователь, счетчик импульсов, цифро- аналоговый преобразователь, которые соединены последовательно, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом введенного блока деления, выход которого соединен с входом К+2 ключа, выход которого является выходом спектроанализатора шумовых сигналов, первый и

второй элементы задержки, соединенные последовательно, причем вход первого элемента задержки соединен с выходом второго формирователя, а выход второго элемента задержки соединен с управляющим входом К+2 ключа, блок выборки и запоминания, первый вход которого соединен с выходом первого многовходового сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого элемента задержки, а выход

которого соединен с первым входом блока деления, от К+1 до 2К умножителей, входы которых соединены с выходом К параллельных цепей, а выходы которых, а также К+1 выход параллельной цепи соединены с входами введенного второго многовходового сумматора, выход которого через введенный блок извлечения квадратного корня соединен с вторым входом двухвходового сумматора, от К до 2(К-1) блоков tp, где р

2, 3К, входы которых соединены с выходом генератора пилообразного напряжения и вторым входом К+1 умножителя, а выходы соединены с вторыми входами соответствующих умножителей.

Перекл.

.- .ЛП /5-7

vrii Уст. т-

ура$нПИ. шума