Устройство для определения корреляционных и спектральных функций Советский патент 1978 года по МПК G06F17/15 

1

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и предназначено для адаптивного корреляционно-спектрального анализа нестационарных случайных процессов вида аддитивной суммы центрированного шума и медленно изменяющегося неслучайного сигнала с априорно неизвестными параметрами.

Устройство относится к адаптивным средствам корреляционно-спектральных измерений параллельного и параллельно-последовательного действия и может использоваться в адаптивных информационно-измерительных радиотехнических и управляющих системах, а также автономно для анализа нестационарных случайных процессов с априорно неизвестными параметрами.

Известны устройства для измерения корреляционной функции, в которых автоматически измеряются абсолютный интервал корреляции, время измерения корреляционной функции, полоса частотного анализа входных фильтров, адаптивные шаги параллельно или параллельно-последовательно измеряемых ординат корреляционной функции 1, а также устройство для измерения спектральной плотности. Известно также устройство, :1аиболее близкое по технической реализации 2.

Это устройство для определения корреляционных и спектральных функций, содержащее блок формирования интервала, выход которого подключен к первым входам блока образования разности, второй вход которого является входом устройства, коррелометра блока временной развертки и блока управления, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки, коррелометра и третьим входом блока образования разности, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения и блока задания ошибок, к третьему входу коррелометра и выходу блока временной развертки, третий вход которого соединен с выходом коррелометра, а управляющий вход с первым выходом блока управления и с управляющими входами коррелометра и управляющего фильтра, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности и вторым входом блока текущего усреднения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра, пятый вход которого соединен с .выходом управляющего фильтра, третий вход блока управления соединен с первым выходом

34

блока текущего зсреднения, второй выходформировання случайных интервалов, выход

которого подключен к входу блока формиро-которого соединен с третьим входом блока

вания интервала, управляющий вход которо-формирования частот и фаз, с щестым вхого соединен с четвертым выходом блока уп-дом коррелометра, четвертым входом блока равления и с управляющим входом бло- 5 текущего усреднения и пятым входом блока

ка задания ощибки, второй вход кото-образования разности, выход блока выбора

рого подключен к третьему выходу бло-диапазона частот соединен со вторым вхока текущего усреднения, третий вход ко-дом управляющего фильтра и с четвертым

торого соединен с выходом блока зада-входом блока формирования частот и фаз,

ния ощибки. Недостатками аналогов и про- 1 выход которого подключен к входу блока

тотипа являются низкая помехозащищенностьформирования синусно-косииусных коэффиции низкая точность корреляционно-спектраль-ентов и к седьмому входу коррелометра, ных измерений нестационарных по математи-На чертеже приведена блок-схема устройческому ол иданию случайных процессов вства.

жестких условиях дефицита информации об 15 Блок формирования интервала 1, выход основных параметрах. Это следует из отсут-которого подключен к первым входам блока ствия возможности рещения задачи одновре-образования разности 2, второй вход котороменно адаптивного выбора ряда основных па-го является входом устройства, коррелометраметров: абсолютных ощибок аппроксима-ра 3, блока временной развертки 4 и блока ции бн - измеряемой корреляционной функ- 20управления 5, второй вход которого соединен ции и бт - неслучайного сигнала m(t); адап-со вторыми входами блока временной pasтивных щагов по задержке {Ат|,а ; опти-вертки 4, коррелометра 3, третьим входом мального интервала аппроксимации сиг-блока образования разности 2, четвертый нала m(t); текущего абсолютного интервалавход которого подключен к первым входам корреляции Tfta; оптимальных значений верх- блока текущего усреднения 6 и блока заданих границ частотных поддиапазонов { Д/, }ния ощибки 7, к третьему входу корреломет, ,ра 3 и выходу блока временной развертки 4, фильтров; оптимальных границ формирова- .третий вход которого соединен с вььходом ния случайных пауз { АфАц}-/ о, тка.коррелометра 3, а управляющий вход - с Целью изобретения является повышение 30первым выходом блока управления бис упточности и помехозащищенности корреляци-равляющими входами коррелометра 3 и уцонно-спектральных измерений устройством сравляющего фильтра 8, первый вход котороограниченными аппаратурными возмол :ностя-го соединен с выходом блока образования ми широкого класса нестационарных случай-разности 2 и вторым входом блока текущего ных процессов с авдиорно неизвестными па- 35усреднения 6, управляющий вход которого раметрами.соединен со вторым выходом блока управлеПоставленная цель достигается за счетния 6, третий выход которого подключен к решения задачи одновременного адаптивногоуправляющему входу блока формирования выбора ряда основных параметров в процес-синусно-косинусных коэффициентов 9, выход се оптимальных измерений корреляционной 40которого соединен с четвертым входом коррефункции и спектральной плотности. Аппара-лометра 3, пятый вход которого соединен с турно для достижения поставленной цели ввыходом управляющего фильтра 8, третий устройство введены дополнительно генераторвход блока управления 5 соединен с первым случайных чисел, блок формирования случай-выходом блока текущего усреднения 6, втоных .интервалов, блок выбора диапазонов 45рой выход которого подключен к входу блочастрт, блок формирования частот и фаз ика формирован1)я интервала 1, управляющий блок формирования участков аргумента, пер-вход которого соединен с четвертым выходом вый вход которого соединен с третьим выхо-блока управления 5 и с управляющим входом блока текущего усреднения, втopJDЙдом блока задания ошибки 7, второй вход вход - с выходом блока формирования ин- 50которого подключен к третьему выходу блотервалов, входом генератора случайных чи-ка текущего усреднения 6, третий вход котосел и первыми входами блока формированиярого соединен с выходом блока задания случайных интервалов и блока формирова-ощибки 7, первый вход блока формирования ния частот и фаз, второй вход которого сое-участков аргумента 10 соединен с третьим динен со вторыми входами блока формиро- 55выходом блока текущего усреднения 6, втования случайных интервалов, коррелометра,рой вход - с выходом блока формирования входом блока выбора диапазонов частот и синтервала 1, входом генератора случайных выходом блока формирования участков аргу-чисел 11 и первыми входами блока формиромента, управляющий вход которого подклю-ваиия случайных интервалов 12 и блока форчен к четвертому выходу блока управления 60мирования частот и фаз 13, второй вход кои управляющим входам блока формированияторого соединен со вторыми входами блока частот и фаз, блока формирования случай-формирования случайных интервалов 12, кориых интервалов, блока выбора диапазоноврелометра 3, входом блока выбора диапазочастот и генератора случайных чисел, выходнов частот 14 и с выходом блока формировакоторого подключен к третьему входу блока 65ния участков аргумента 10, управляющий

вход которого подключен к четвертому выходу блока управления 5, и управляющим входам блока формирования частот и фаз 13, блока формирования случайных интервалов 12, блока выбора диапазонов частот 14 и генератора случайных чисел 11, выход которого подключен к третьему входу блока формирования случайных интервалов 12, выход которого соединен с третьим входом блока формирования частот и фаз 13, с шестым входом коррелометра 3, четвертым входом блока текущего усреднения б и пятым входом блока образования разности 2, выход блока выбора диапазонов частот 14 соединен со вторым входом управляющего фильтра 8 и с четвертым входом блока формирования частот и фаз 13, выход которого подключен к входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов 9 и к седьмому входу коррелометра 3.

Устройство работает следующим образом.

Перед измерением по априорно заданному числу то параллельно измеряемых ординат АКФ в блоке нормирования участков аргумента 10 выбирается, например, первый участок о. Т, Т1 т0Дто. Начальный щаг Дто выбирается в блоке формироваиия интервала 1. В соответствии с TI по команде с выхода блока формирования участков аргумента 10 через вход в блоке выбора диапазона частот 14 выбирается первый диапазон частот Afi, на который по команде с выхода блока 13 -переключается через второй вход управляющий фильтр 8. В соответствии с TI также через второй вход в блоке формирования случайных интервалов 12 задается диапазон о, TI случайных фаз {Aфkl}.

Нестационарный случайный процесс x(t) по второму входу поступает в блок образования разности 2, формирующий на выходе разностный процесс &.v(t) с интервалом вида

Д(1);с (г) л: (/ + &f,) - x(t).(1)

С блока 2 процесс ) поступает через первый вход управляющего фильтра 8 на пятый вход коррелометра 3 и непосредственно на второй вход блока текущего усреднения 6.

Коррелометр 3 за Л циклов измеряет то ординат автокорреляционной функции (АКФ) иа иервом участке {о, TI по мультипликативному алгоритму:

R (-,) - 7V-I 2 ( + ) А() X

й 1

X( + %; + ,(2)

где /(т,и-)-i-ая ордината /(т)х-го (в данном случае 1-го) участка о,

, mo;

Aфkl- -ая случайная пауза между (k-1)ый и -ый циклами усреднения;

т,,г - сдвиг по аргумеиту.

Случайные паузы Aфkl формирует блок формирования случайного интервала 12 с выхода на вход щесть коррелометра 3. Для этого через первый вход в блок 6 с блока формирования 1 поступает Ато, а через третий вход в блок 6 поступают случайные числа 5ki с выхода геиератора случайных чисел 11. Ограничение диапазона случайных пауз {A9ki} до величины участка , TI) через

второй вход осзществляет блок формирования участков аргумента 10.

Параллельно с работой коррелометра 3 за N циклов блок текущего усреднения 6 через второй вход измеряет начальную оценку

среднего значения разностного процесса.

§я, |А((Д-о + Дп1)|. (3)

Оценка (оилибка аппроксимации сигнала m(t)8m с третьего выхода блока 6 записывается через второй вход в блок задания ошибки 7.

Ординаты АКФ R(tii) с выхода коррелометра 3 поступают через блок временной развертки 4 в блок образования разности 2 через четвертый вход, который совместно с блоком текущего усреднения 6, блоком задания ошибки 7, блоком формирования интервала 4 определяют оценку шага Атю

л-,,.я-Д-о« §п 1Аа);(Дт,,)1,,„,,-5),

(4)

где ATi,n-fb ATI, и - текущие оценки шагов, формируемые в блоке 1;

|А(Ат1г)1-разностный процесс, формируемый в блоке 2 с интервалом ATI,; Ато - щаг коррекции;

sign {...} - знаковая функция, определяемая в блоке 6.

бй 7н (О)-абсолютная ошибка аппроксимации АКФ R (т), формируемая по заданной относительной приведенной ошибке fn в блоке задания ошибки 7. Для этого нулевая ордината КФ поступает в блок задания ошибок 7 по первому входу с коррелометра 3 через блок временной развертки 4 и сдвигается в задатчике ошибок 7 на задаииую величину дПоиск щага Ат1а по алгоритму (4), заканчивается, иапример, в (z-fa)-OM цикле, когда знаковая функция будет в первый раз больше нуля.

Измеренный шаг Атш подается иа иервый вход блока управления 5, на первый вход

блока временной развертки 4, на второй вход блока формирования участка аргумента 10, вход генератора случайных чисел И, на первый вход блока формирования случайных интервалов 12, на первый вход блока формирования частот и фаз 13. По шагу Ат1а в данном зстройстве автоматически определяются масштаб основных параметров корреляционно-спектральных измерений по участку аргумента, по полосе частот анализа, по диапазону случайных интервалов. Это позволяет автематически поддерживать точность измерения на втором участке без существенного увеличения времени измерения. |По командам с блока управления 5 существенные ординаты -i c(fAToi) } .первого участка {о, TI подаются с коррелометра 3 через блок временной развертки 4 на первый вход блока текущего усреднения 6. Последний определяет сумму модулей из moi модулей существенных ординат А 1-21 ЛДО1.(5) С блока задания ошибок 7 вызывается величина ошибки аппроксимации бл, и в блоке текущего усреднения 6 определяется разность вида (). Если sign()0, то по команде с первого выхода блока текущего усреднения 6, поступающей на третий вход блока управления 5, начинается измерение ординат АКФ 2-го участка TI, та, где Т2- -TI тоАтю. При этом в блоке выбора диапазона частот 14 изменяется предыдущая частота fsi на новую /В2 2Ат1а . По команде с выхода блока 14 в соответствии с /В2 в управляющем фильтре 8 через второй вход задается новая полоса пропускания А/2. В блоке формирования случайного интервала .12 через первый вход задается новый диапазон случайных пауз о, Т2, Т2 тоАТа1+Т1. Ограничение до тз осуществляется через второй вход блока 12 по команде с блока 10. Измерение на 2-ом и следующих участках аргумента происходит аналогично первому, описанному выше, за исключением того, что параллельно с измерением на втором участке А.КФ производится коррекция начального интервала аппроксимации , tkm - максимальный интервал корреляции x(t). Для этого аналогично определению АтюЗлоками текущего усреднения 6, формирования интервала 1, задания ошибок 7, определяется новая оценка интервала X((i)()U,,(6) где A/n.f.b A/n - оценки интервала, формируемые в блоке определения интервала t; Atjio -шаг измерения на участке -с,, sign i ...I - знаковая функция, формируемая в блоке 6. |п4-1 -текущая оценка модуля феднего значения разностного процесса (t), определяемая в блоке 3 по ординаам разностного процесса AW.Aff), поступаюцим с блока I по второму входу. Таким образом шаги Атца } и оптимальшй интервал определяется с автоматиlecKH измеренными ошибками 8т и бл. В случае если, например, на р-ом, pel,л частке тр-ь т сумма модулей ви{а (5) будет меньше или равной величине бл, т. е. sign( -бв)0, то с первого выхода блока текущего усреднения б через третий вход в блок управления 5 подается команда «Конец измерения АКФ. С этого момента уточняется значение абсолютного интервала коррекции Tka АКФ R(T:). Для этого с коррелометра 3 на третий вход блока временной развертки 4, на блок текущего усреднения 6 по первому входу подаются измеренные существенные ординаты АКФ Р-ГО участка и формируется текущая сумма существенных ординат вида ,.,+1 + )1С и из текущей суммы ,/ вычитается ошибка аппроксимации бл и формируется в блоке 3 знаковая функция. sign(Д/.,-д.(8) В момент, когда, например, при , sign (...) в (7) будет в первый раз больше нуля, в блоке формирования участка аргумента 10 по первому входу с третьего выхода блока 6 фиксируется число , и в блоке формирования участка аргумента определяется абсолютный интервал корреляции (,i + 5Atp - Дто . Ото -f +«э2Ча+5Ат а(9) где ,1, ..., р-1, р, ..., л -участки аргумента. В соответствии с Tko по команде с выхода блока 10, в блоках образования разности 2 по третьему входу, временной развертки 4 по второму входу, формирования случайного интервала 12 по второму входу, выбора диапазона частот и фаз 14 и коррелометра 3 по вторым входам задаются, соответственно, ограничения по интервалу тка, диапазону случайных фаз {о, тр ; нижней границе частотного диапазона А/в. Таким образом в данном устройстве адаптивно определяются выборки существенных ординат { сОАт,.а } АКФ (т) шума x(t) и их шаги {Атра }, интервал абсолютной корреляции тьа шума x(t); оптимальный интервал Tkd формирования разностного процесса А(%(); оптимальные значения верхних частот поддиапазонов А/и }, пропорциональные минимальным шагам поддиапазонов -lATmini.a }е АТ|ла На участках I T|j.i, т, по аргументу; оптимальные границы случайных пауз, пропорциональные (T sx-fi- 1 тоАт„ах м,Ат„ад,а- шаг, максимальный из шагов {Air,,a на ц-ом участке по аргументу. Все это за счет одновременного измерения повышает точность и помехозащищенность корреляционно-спектральных измереНИИ. Измерение спектральной плотности GC/) с заданной точностью производится следующим образом. Блоки синусно-косинусных коэффициентов 9, формирования частот и фаз 13 подключаются к четвертому и седьмому входам коррелометра 3, через третий вход в коррелометр 3 через блок временной развертки 4 через его третий вход с выхода коррелометра 3 подаются существенные ординаты / сСгАтд.а ) } АКФ с их шагами Ат|,а}. Блок 13 управляется с блоком формирования интервала 1 через первый вход по AT 110 , формирования участков аргумента 10 через второй вход по .-i, ix 6 выбора диапазона частот 14 через четвертый вход по f,j.a (2Ат1ш ); формирования случайного интервала 12 через третий вход по о, т . Таким образом, блок формирования частот и фаз 13 преобразует оптимальные параметры измерения АКФ в оптимальные параметры измерения спектральной плотности (через Фурье-преобразование по АКФ). Блок 13 может состоять из набора преобразователей код-интервала: шага в частоту Ат,)а в fij.a (2AT,ia ); кодов участков tiJ в диапазоны частот Afaa интервала абсолютной корреляции Tka в интервал затухания G(f), разбитый по частоте на р-а участков, синхронизатора-распределителя и набора схем перезаписей для стыковки с другими блоками. Измерение G(f) на базе узлов адаптивного коррелометра происходит по параллельнопоследовательным алгоритмам вида: G(/)-iG(/,);(9а) G (f ,} (0) + 4Ат, S S с X X (гATjJ cos (2itATj + ); (9б) G (f,; c () COS X X(2-Av4a- --/-Vi) где G(fij), G()-спектральные плотности на участках 1-ом (J,-OM, , 2,..., р - участки по частоте; р - номер участка последнего аргумента , тз , на котором измерен Tka; Rc(), сОАТ|Аа )-существенные ординаты АКФ на 1-ом и |л-ом участках; со8(2яАт1аХА/1аХгХ/) и соз(2лАТ|ш-t-/- -il5p.-i ) - (i-j) - не косинусоиды с 1-го и fi-ro участков по частоте o,f), fy.-i, Afio, А/,,а - щаги по частоте, равные (2Ат1а) и (2Ат1,а ); фр.-1 -начальная фаза |л-го участка fv.-b fn по частоте, пропорциональные 2я- ( ), граница (JL-1)-го участка по аргументу; G(f)-спектральная плотность шума x(t) АКФ (т) на интервале о,т а Таким образом в предлагаемом устройстве реализован адаптивньгй выбор основных параметров измерения корреляционно-спектральных функций нестационарных процессов с априорно-неизвестными параметрами. Причем, адаптивный выбор параметров измерения АКФ К(т:) позволяет оптимально в режиме вторичной обработки измерить спектральную плотность G(f) теми же узлами, что и измерение АКФ. Это позволяет существенно повысить точность и помехоустойчивость корреляционно-спектральных измерений в жестких условиях дефицита априорной информации и ограниченных возможностей аппаратуры. Формула изобретения Устройство для определения корреляционных и спектральных функций, содержащее блок формирования интервала, выход которого подключен к первым входам блока образования разности, второй вход которого является входом устройства, коррелометра, блока временной развертки и блока управления, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки, коррелометра и третьим входом блока образования разности, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения и блока задания ошибки, к третьему входу коррелометра и выходу блока временной развертки, третий вход которого соединен с выходом коррелометра, а управляющий вход - с первым выходом блока управления и с управляющими входами коррелометра и управляющего фильтра, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности и вторым входом блока усреднения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра, пятый вход которого соединен с выходом управляющего фильтра, третий вход блока управления соединен с первым выходом блока текущего усреднения, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и с управляющим входом блока задания ошибки, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности устройства, в него введены дополнительно генератор случайных чисел, блок формирования случайных интервалов, блок выбора диапазонов частот, блок формирования частот и фаз и блок