Способ измерения экстремумов электрического сигнала Советский патент 1993 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для анализа случайных электрических сигналов на фоне помех.

Известен способ измерения экстремумов электрических сигналов, основанный на дифференцировании сигнала, реализованный в устройствах. Существенный недостаток этого способа-аналога - низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что из-за дифференцирования сигнала

уменьшается отношение сигнал-шум на входе измерителя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения экстремумов электрического сигнала, основанный на индикации изменения знака разности между текущим и предыдущим кодированными значениями исследуемого сигнала, реализованный в устройстве. Этот способ рассматривается как прототип.

Недостатком известного способа является невысокая точность измерения экстремумов сигнала, особенно низкая при малых

N

со со

(Л

|

отношениях сигнал-шум на входе измерителя: 3/1 ... 5/1. Такие условия характерны для работы бортовой аппаратуры воздушных и морских судов, других подвижных объектов.

Цель изобретения - повышение точности измерения экстремумов электрического сигнала при малых отношениях сигнал/шум за счет того, что используется не дифференцирование, а интегрирование сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения экстремумов электрического сигнала, заключающемся в том, что производят выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т, определяемые периодом импульсов эталонной последовательности, подсчитывают количество импульсов п, эталонной последовательности на интервале времени от начала измерения ti до момента экстремума, причем о достижении экстремума судят по изменению знака разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала, с указанной выше целью первый цикл измерения начинают в момент равенства исследуемого сигнала Y(t) пороговому значению U, одновременно с подсчетом импульсов ги эталонной последовательности суммируют выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, вычисляя значение первой суммы Si 2 YH. в момент г0 изменения знака разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала запоминают количество импульсов m и первую сумму Sr, a также предпоследнее значение выборки исследуемого сигнала Yni Y( T0 - т ), после чего начинают второй цикл измерения, для чего запоминают следующее значение выборки исследуемого сигнала Y21 Y( r0 + + r) Y(m + 1) r , подсчитывают количество импульсов П2 эталонной последовательности и суммируют выборки исследуемого сигнала, одновременно вычисляя значение второй суммы $2 2 Y2i, до момента времени t2, когда значение второй суммы сравняется со значением первой суммы, причем о равенстве Si и 52 судят по выполнению условия

Si - AS $2 Si + AS, где AS - заданная абсолютная погрешность сравнения, запоминают значения П2, S2. а искомые координаты экстремума определяют по формулам косвенных измерений

52/П2

tm

Si/m + 52/П2

(П1 + П2) Г ,(1)

0

5

Ym $1/щ2+52/п2 Yn1 +

Si/m

Y21 +

Si/m +52/П2 - 52/П2

Y21

(Ynl-Y2i),(2)

Sl/fll + 52/П2

для чего в прямых измерениях пороговое значение U устанавливают соответствующим условию:

О U/ а к { h /2,

(3)

где (Ц - среднеквадратическая погрешность средств прямых измерений, h - отношение сигнал-шум в прямых измерениях.

Период т импульсов эталонной последовательности выбирают из условия

1 v г/ Дт| Ти/Дт. ,(4) где t и 12 - ti - продолжительность измере0 ний

интервал корреляции помехи.

Абсолютную погрешность A S сравнения значений сумм Si, S2 выбирают из условия:

ASЈ

1 U

.(5)

На фиг. 1 дана иллюстрация основных параметров способа, используемых в формулах (1), (2) косвенного измерения коор- динат максимума (минимум определяют аналогично), на фиг. 2 - иллюстрация баланса моментов, используемого для помехоустойчивого оценивания момента ь, экстремума Y m сигнала Y(t) (звездочками обозначены оценки координат экстремума), на фиг. 3 - структурная схема устройства, реализующего способ.

Фундаментальное соотношение для получения формул косвенного измерения (1). (2) найдено методом баланса моментов -U

J.Y(t)dt Sl/ni (tm-tl) 52/П2 (t2-tm)

tl

45 -Jv(t)dt,

(6)

где среднее значение сигнала yi° Si/ni на интервале ti, tm и среднее значение сигнала у2° 52/П2 на интервале tm, TV играют

0 роль сил, а длины временных интервалов ь, - ti и 12 - tm - роль длин рычагов (см. фиг. 2). Момент ti 0, момент t2 определяют из условия равенства сумм Si, $2, а момент экстремума тт из уравнения (6). Момент 0

5 окончания первого суммирования и величина Yni определяются как и в прототипе по изменению знака разности Yni - Y2i.

Количество импульсов m и П2 определяется длиной интервалов tm - ti, ts - tm и длительностью У периода генератора калиброванной последовательности импульсов. Оценка Y m значения Ym экстремума определяется как средневзвешенное значение выборок Yni и Y2i:

Y tm/t2 Yn1 + Y21 Y21 + + tm/t2 (Yn1 - Y21).(7)

Из (7) после простейших преобразований следует (2).

Математическое ожидание и дисперсия оценки (7) определяются соотношениями

a + (1 -a ),

+.(1 -a ), (8) где параметр а ni/(m + n2).

Если измерительный сигнал

Y(t) X(t) + |(t),(9) где X(t) - полезный сигнал (см. пунктир на фиг. 1).

Ј (т.) - стационарный гауссов шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией D Ј (t) o| , тогда

- а + (1 - « ) , (10)

Dry 1- M2r|1n2 л,2

m J - L1 -----)(% (m +П2)

Изобретение осуществляется с помощью устройства, представленного на фиг. 3.

Устройство, реализующее способ, содержит источник измерительного сигнала 1. блок выборки и хранения 2, источник пороговых значений сигнала 3, блок формирования меток времени 4, блок счетчиков 5, блок сумматоров 6, микропроцессорные контроллеры (МПК) 7, 8, которые совместно управляют работой всех функциональных блоков и осуществляют обработку результатов косвенных измерений по формулам (1), (2).

Устройство работает следующим образом. МПК 7 дает команду начала измерения на ИС 1 и на ИП 3. По этой команде на БФМ 4 поступают измерительный сигнал Y(t) и сигнал U. На первом выходе БФМ 4 в момент ti первого совпадения текущего значения Y(ti) с порогом U, когда Y(n) U, формируется импульс запуска ГКПИ БВХ 2 и начинается взятие отсчетов Yj сигнала Y(t) в моменты времени ti, ti + т , ti + 2 т , ..., ti + i г . Импульсы счета с БВХ 2 поступают на БСЧ 5, в первом счетчике которого формируется число ni, параллельно отсчеты YJ сигнала поступают на БСМ 6, где на первом сумматоре накапливаются в виде суммы Si S YI. Одновременно отсчеты Yi поступают на БФМ 4, где из них формируется разность Д YJ YI + i - YI определяется знак этой разности sig AYj. При смене знака разности в момент Ј0 знакоразличитель БФМ 4 дает команду первому счетчику БСЧ

5 прекратить счет и число m записать в первый регистр памяти МПК 7. Одновременно этой же командой заканчивается суммирование отсчетов в первом сумматоре БС б, сумма Si и последний отсчет в ней Yni записываются во второй и третий регистры памяти МПК 7. На следующем такте, когда т г+г0, включается второй счетчик БСЧ 5, где

начинает формироваться число п2 и в БС б с отсчета Y21. который с начала записывается в четвертый регистр памяти МПК 7, начинается второе суммирование на втором сумматоре БС 6. Текущее значение суммы S2

поступает в ОЗУ МПК 7 и сравнивается по- тактно со значением суммы Si. Когда на определенном п2 такте S2 Si±&S, знакоразличитель МПК 7 дает команду БФМ 4 выработать метку т2 конца счета и завершения цикла формируются все исходные данные косвенных измерений, то есть результаты прямых измерений: Yni. Y2i. m. n2, Si, S2. МПК 7 и МПК 8 переходят в режим согласованной обработки результатов измерений по формулам (1) и (2). Кодированные значения Гт и Y т снимают с шины данных МПК 7 и МПК 8.

Для оценки положительного эффекта от применения предлагаемого способа по сравнению с прототипом используется следующий индексный показатель увеличения точности измерения (в разах)

W 1

П1 + П2

,

С - П|-1У|/ V1MrVo.lAl7

1 2 m

(11)

(П1+П2)2

0Испытания показали, что даже при высоких уровнях зашумленности гармониче|-1 .(7Х

ского сигнала-|г 1,73 - обеспечивается

относительная устойчивость измеренных 5 значений и уменьшение погрешности измерения по сравнению с прототипом в 1,21 - 1,8 раза. Результаты испытаний в различных условиях показывают, что предлагаемый способ полезен как из-за повышения точно- 0 сти измерения в условиях помех, так и из-за устранения систематической погрешности, которая характерна для прототипа. Положительный эффект достигается по существу фильтрацией отсчетов измерительного сиг- 5 нала на интервалах ti, tm, tm. 12. Для случайных полезных сигналов положительный эффект растет по мере роста ширины полосы спектра помехи относительно полосы спектра сигнала, а также по мере увеличения номера периода измерений. Так, например, относительная погрешность

измерения нулей и экстремумов гармонического колебания на фоне гауссовой помехи при h 3 на первом периоде измерений составляет (-8,49 ... 10,8) %, а на шестом (-0,983 ... 1,06)%.

Формула изобретения 1. Способ измерения экстремумов электрического сигнала, заключающийся в том, что производят выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т , определяемые периодом импульсов эталонной последовательности, подсчитывают количество импульсов щ эталонной последовательности на интервале времени от начала измерения Т1 до момента экстремума, причем о достижении экстремума судят по измерению знака разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений координат экстремума исследуемого сигнала при малых отношениях сигнал-шум, первый цикл измерения начинают в момент равенства исследуемого сигнала Y(t) пороговому значению U, одновременно с подсчетом импульсов ni эталонной последовательности суммируют выборки мгновенных значений исследуемого сигнала, вычисляя значение первой суммы Si

YH, в момент т0 изменения знака

разности между текущим и предыдущим значениями выборок мгновенных значений исследуемого сигнала запоминают количество импульсов щ и первую сумму Si, a также предпоследнее значение выборки исследуемого сигнала Yni Y (Т0 - т ), после чего начинают второй цикл измерения, для чего запоминают следующее значение выборки исследуемого сигнала: Y21 Y( Г0 + г ) Y(n + 1) т, подсчитывают

количество импульсов эталонной последовательности па и суммируют выборки исследуемого сигнала, одновременно вычисляя

значение второй суммы Sa У2 , до момента времени ta. когда значение второй суммы сравняется со значением первой суммы, причем о равенстве Si и S2 судят по выполнению условия Si- AS 82-$ 81+ ДЗ,

0 где AS-заданная абсолютная погрешность сравнения, запоминают значения П2, 82, a искомые координаты экстремума сигнала определяют по формулам

tm о. у-.2, о. У- (П1 + П2) Г

5

Yn

Sl/ni +52/П2

32/П2v

Si/m+S2/n2 Yn1 Sl/ni -Y21 Sl/ni + 32/П2

0s /n

Y21+ fr7ni+S2/n2 (Yn1-Y2l)

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что пороговое значение U устанавливают соответствующим условию 50 h/2.

гдео -среднеквадратическая погрешность средств измерения;

h - отношение сигнал-шум, д 3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что период 2 импульсов эталонной последовательности выбирают из условия

1 т / ДгЈ tn/Arj. ; 5 где хи - продолжительность измерений (t2 - ti);

интервал корреляции помехи. 4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что абсолютная погрешность срав- 0 нения значений первой Si и второй S2 суммы выбирают из условия 1 U

Д5

В

Ок-Ш

Использование: изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в измерительно- информационных системах. Сущность изобретения: способ измерения экстремумов электрического сигнала, заключающийся в том, что в момент равенства текущего значения с пороговым значением начинают первый цикл измерения, одновременно подсчитывая количество импульсов эталонной последовательности и суммируя выборки мгновенных значений исследуемого сигнала через равные промежутки времени т, определяемые периодом импульсов эталонной последовательности. В момент изменения знака разности между двумя соседними отсчетами запоминают первое число m подсчитанных импульсов, предпоследнее значение выборки -Yni и накопленную первую сумму Si. Затем начинают второй цикл измерения, запоминая следующее значение выборки исследуемого сигнала Y21, одновременно подсчитывая количество импульсов эталонной последо- вательности и суммируя выборки мгновенных значений, пока значение второй суммы S2 не станет равным значению первой суммы Si, в этот момент заканчивают измерение, запоминая $2 и П2. Координаты экстремумов определяют по формулам, приведенным в описании изобретения.3 з.п.ф- лы, 3 ил. СП С