Устройство для определения взаимной корреляционной функции Советский патент 1979 года по МПК G06F17/15 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНСЙ КОРРЕЛЯЦИОННСЙ ФУНКиИИ

S ..,

Изобретение относится к корреляционному анализу и может быть использовано в системах автоматического управления и пассивных локационных системах для измерения задержки случайных сигналов. Для зтсазанных целей наиболее часто при меняют коррелометры параллельного и параллельно-последовательного действия, работающие по методу умножения.

Известен коррелометр l , который однако вносит большие погрешности при обработке сигналов, имеющих относительный допплеровский сдвиг по частоте.

Наиболее близким к данному изобретению является устройство, получившее название коррелометра Стилтьеса 2, Это устройство для определения взаимной корреляционной функции содержит первый и второй аналого-цифровые

преобразователи, входы которых явля-. ются соответственно первым и вторым

; входами устройства, а выходы подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока, выход

которого через экстремальный анализатор подклкэчен к первому входу первого элемента И и к первому входу блока сравнения кодов, выход которого подключен ко второму входу первого элемента И, выход которого через первый регистр соединен со вторым входом блока сравнения кодов, тактовый генератор, вход которого объединен с первьтм входом триггера и является управляющим вхоoдом устройства, выход тактового генератора соединен со входами первого, второго и управляемого делителя частоты, выход первого делителя частоты подключен к первому входу второго элемен5та И, второй вход которого соединен с первым выходом триггера, а выход второго элемента И соеднией со входом счетчика, выход которого соединен со вторым входом триггера, выходы второгб и управляемого делителя частоты .подключены соответствевно к управлнкущим входам первого и второго аналогоцифровых преобразователей. При использовании иавестных устройств предполагается, что исследуемые сигналы принадлежат одному частотному диапазону. Это ограничивает область применения таких устройств, так как во многих случаях источник сигналов перемещается от одного приемника к другому, следовательно возникает линейное частотное искажение сигналов - эффект Допплера. При этом происходит смещение по частоте спектра сигнала, полученного от одного из приемников относительно спектра сигнала, полученного дру гим приемником. Допплеровское смещение частоты при неподвижных приемниках может достигать, например, в акустике десятков и сотен процентов. Это приводит к декорреляции сигналов, искажению формы взаимной корреляционной функции, в частности, к уменьшению ее максимума и смещению его по оси аргумента. Цель изобретения - повышение точнос при работе с сигналами, подвергнутыми линейН1г1М частотным искажениям. Для достижения цели в предлагаемый коррелометр дополнительно введены третий, четвертый и пятый элементы И, еле Мент ИЛИ и второй регистр, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, входы которого подключены соот вётствен но к выходам счетчика и блока сравнения кодов, выход второго регистра соединен с первым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, вто рой вход которого соединен с выходом счетчика, а выход подключен к управляющему входу управляемого делителя час тоты, первый вход пятого элемента И со единен с выходом вычислительного блока вторые входы четвертого и Пятого эле- ментов И подключены ко второму выходу триггера. На фиг. 1 изображены эпюры напряжений, действующих в предлагаемом уст ройстве; на фиг. 2 - блок-схема устройства определения взаимной корреляционной функции. Устройство содержит генератор такто вых импульсов 1, дэлители частоты (сл дования импульсов) 2 и 3 с фиксирован- ными различными коэффициентами делени управляемый делитель частоты 4 следования импульсов с управлгеМым коэффициентом деления, аналого-цифровые преобразователи 5 и 6, элемент ИЛИ 7, вы числительный блок (коррелятор) 8, элеме

691866 Ы и 9-13, счетчик числа импульсов 14, кстремальный анализатор 15, регистры 6 и 17, блок сравнения кодов 18, тригер 19. , Принцип работы устройства вытекает з следующих соображений. Вследствие постоянного допплеровского смещения спектра сигнала у(0, последний оказывается равномерно сжатым (или растянутым) по оси t относительно процесса xfty При этом связь между сигналами X(t) и y(t) ослабевает, их взаимная корреляционная функция (ВКФ) искажается вообще и, в частности, умег{ьщается по амплитуде. Для упрощения рассуждений, не умаляя их общности, положим, что Допплеровское смещение сжимает сигнал у ( есть вектор скорости источника сигналов направлен от приемника х к приемнику tJ . Положим также, что сигнал у(-ь) (фиг. 1а), спектр которого ограничен частотой среза f подвергается дискретизации с частотой { f- В результате дискретизации получается последовательность отсчетов, расположенных с интервалом -7- из которых можно восстановить исходный процесс при помощи функции отсчетов. Увеличим частоту дискретизации в k раз. При этом получим новую последовательность отсчетов (фиг. 1б) и эти новые отсчеты расположим с интервалом -г , Если восстановить теперь непрерывны сигнал, то вновь полученный процесс y(t) будет равномерно растянут по оси t относительно исходного процесса y(t) в k раз. Таким образом, подвергая процессx(t) дискретизации с часто-; той {д и процесс yCt) - дискретизации с частотой kfp ,а затем располагая отсчеты сигнала y(t с интервалами у можно скомпенсировать исходное доп 1леровское смещение. Полная компенсация произойдет при выполнении равенства k.j.i , где V - скорость передвижения источника сигналов от приемника X к приемнику у ; С - скорость распространения сигналов в данной среде. Выбор частоты дискретизации ив условия теоремы Котельникова не является обязательным и использован только для наглядности рассуждений. В предлагаемом устройстве частота f выбирается в зависимости от необходимого ин.тёрвала дискретизации коррелограммы, а при использовании в корреляторе ме- некоррелированных выборок - еще и в зависимости от величины интервала корреляции процессов K(t) и yft). Устройство для определения взаимно корреляционной функции работает следую щим образом. В исходном состоянии счетчик 14. триггер 19 и регистры 16 и 17 обнулены. На управляющий вход делителя частоты 4 от счетчика 14 через элемент ИЛИ 7 поступает слово, состоящее из логических нулей, при этом коэффициенты деления частоты импульсов блоков 2 и 4 равны между собой. Фиксирова ный коэффициент деления блока 3 выбирвется таким, чтобы в интервале между его выходными импульсами произощло построение коррелограммы вычислительным блоком 8, определение максимальной ординаты корреляционной функции экстремальным анализатором 16 и сравнение кодов блоком 18. Нулевой цикл работы устройства начинается с приходом запускающего импульса, который включает генератор так товых импульсов 1 и устанавливает три гер 19 в состояние . Тактовые импульсы, проходя через делители частоты 2 и 4, поступают на синхронизирующие входы аналого-цифровых преобразователей (AUn) 5 и 6, бла годаря чему входные сигналы x(t) и y(-fc) подвергаются дискретизации с одинаковой частотой, определяемой фиксированным коэффициентом деления блока 2. От счеты процессов (т) и y(t) поступают в вычислительный блок 8, который определяет их ВКФ, Выход блока 8 при этом отключен от выхода всего устройства, так как элемент И 13 присутствием логического О на нулевом выходе триггера 19. Поэтому значения всех ординат коррелограммы поступают только в экспериментальный анализатор 15, который выдает код максимальной ордина- ты ВКФ на входблока 18 сравнения кодов. Этот блок сравнивает коды, поступающие от экстремального анализатора 15 и регистра 16. Если вновь прступившие от экстремального анализатора число превышает код, хранящийся в регистре 16, то на выходе блока сравнения появляется уровень логической I, который открывает элементы 11 и 12. При этом в регистр 16 хранения записывается новое максимальное значение ординаты, а в регистр 17 содержимое счетчика 14, то есть номер цикла. 666 Таким образом, в нулевом цикле роботы блок сравнения 18 проиаводит сравнение максимальной ординаты ВКФ ,и нулевого содержимого регистра 16. Ма выходе блока 18 появляется логическая I, открываются элементы И 11 и 12 и в регистр 16 записывается значение максимзма ВКФ, полученное в нулевом цикле, т.е. при одинакойых частотах дискрети1зации процессов xfi) и y(t). В регистр 17 заносится нулевое значение содержимого счетчика 14. По окончании этих операций на выходе делителя частотьг 3 следования импульсов появляется первый импульс, который через открытый элемент И 9 проходит на вход счетчика 14. Код этого Состояния счетчика через элемент ИЛИ 7 поступает на управляющий вход делителя 4, благодаря чему коэффициент деления частоты следования импульсов управления делителя становится меньшим. Импульсы на синхронизирующий вход А ЦП 6 поступают чаще и частота дискретизации сигнала Kft) увеличивается. Теперь она выще частоты дискретизации сигнала на величинуд t . Коррелятор теперь определяет .ВКФ между сигналом X(t) и несколько растянутым сигналом y(-t . После окончания измерения максимальная ордината этой ВКФ поступает на вход блока сравнения кодов 18 и, если она превыщает максимум предыдущей ВКФ, то заносится в регистр 16, а в регистр 17 записывается соответст вующий ей номер цикла, в данном случае - первый В завершение первого цикла на выходе делителя частоты следования импульсов 3 появляется второй (от начала работы) импульс, который через элемент И 9 прохоДчИт на счетчик 14., В этот момент начинается второй цикл, в котором, как и во всех последующих, работа устройства протекает аналогично: изменяется коэффициент деления частоты импульсов блока 4, частота дискретизации увеличивается до значения + ( - номер цикла). Коррелятор определяет ВКФ между сигналом x(t) и еще более растянутыми сигналами yfti), экстремальный анализатор 15 выделяет максимальную орпинату очередной ВКФ, а экстремальный нализатор, состоящий из элемента И 13 блока 18, заносит в регистр 16 макимальную из множества вычисленных оа f циклов ординат ВКФ, а в регистр 17 - соответствующий номер цикла. Устройство работает в описанном режиме п циклов, причем а выбирается ив соотношения(п-1)-л{р DMOKC i-Q- заранее известный максималь нЬтй доплеровский сдвиг, пересчитанный в частоту дискретизации.; Таким образом, в течение п циклов были получены ВКФ между сиг 1алом vft) и семейством смещенных в частотной области относительно сигнала yft) сигналов y(tj). При этом направлейие смещения было противоположным исходному допплеровскому смещению спектра сигнала yft). Иными словами исходноедопплеровское смещение сигнала i.|(-t) относительно )) компенсировалось шагами величиной л и при некотором 1д- с|/4п) было ском пенсировано с точностью до uti , При этом статистическая связь между сигналами х и у стала максимальней и максимум -ой ВКФ превысил максимумы эсех остальных ВКФ. К моменту поступления на вход счетчика 14 п -го импульса от делителя частоты 3, в регистре 16 хранится наибольший ий ряда максимумов ВКФ, т.е. максимум ВКФ цикла, в котором допплеровское смещение было скомпенсировано, а в регистре 17 - номер этого цикла. При этом номер цикла, очевидно, совпадает с кодом, которьШ управлял церестра йваемым делителем 4 через элемент ИЛИ в Том же цикле. . Емкость счетчика 14 равна п . По окончании (n-i )-rd цикла работы бт делителя частоты 3 через элемент И 9 поступает импульс, который переполняет счетчик 14. При этом счетчик переходит в нулевое состояние, а сигНал с его выхода устанавливает триггер 19 в нулево состояние, Благодаря этоМу запирается элемент И 9 и последующие импульсы с выхода делителя 3 не изменяют состояние счетчика 14. КроМе этого открыва ются элементы И 10 и 13, Через элемент И 10 и элемент ИЛИ 7 код номе-„ ра цикла, в котором было скомпенсировано допплеровское смещение, поступает из регистра 17 на управляющий вход делителя частоты 4. устанавливая тот коэффициент деления, которьй был в упомяну-gj том цикле. Благодаря этому дискретизация процесса y(-t) происходит с той частотой, которая необходима для компенсации его допплеровского смещения. 66 Результаты измерения ВК-Ф теперь поступают от вычислительного блока 8 на выход устройства через элемент И 13 и могут использоваться для последующего анализа до тех пор, пока величина допплеровского смещения не изменится. Когда это произойдет следует подать сигнал Запуск и устройство в течение п циклов настроится на новую величину смещения. Предлагаемое устройство для измерения ВКФ может работать и при противоположном знаке допплеровского смещения, а также при неизвестном направлении смещения, однако в последнем случае режим настройки продолжается 2 п циклов, Формула изобретения Устройство для определения взаимной корреляционной функции, содержащее первый и второй аналого-цифровые преобразователи, входы которых являются соответственно первым и вторым входами устройства, а выходы подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока, выход которого через экстремальный анализатор подключен к первому входу первого элемента И и к первому входу блока сравнения кодов, выход которого подключен ко второму входу первого элемента И, выход которого через первый регистр соединен со вторым ВХОДОМ блока сравнения кодов, тактовый генератор, вход которого объединен с первым входом триггера и является управляющим входом устройства, выход, тактового генератора соединен со входами пер-вого, второго и управляемого делителя частоты, выход первого делителя частоты подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом триггера, а выход Второго элемента И соединен со входом счетчика, выход которого соединен со вторым входом триггера, выходы второго и управляемого делителя частоты подключены соответственно к управляющим входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повы- шения точности, в устройство дополнительно введёйы третий, четвертый и пятый элементы И, элемент ИЛИ и второй регистр, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, входы кото|)ого подключены соответственно к выходам счетчика и блока сравнения кодов выход второго регистра соединен с.первым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом счетчика, а выход подключен к управляющему входу.управляемого делителя частоты, первый вход цятого элемента И соединен с выходом вычислительного блока, вторые входы

четвертого и пятого элементов И подключены ко второму выходу триггера.

Источники информация, принятые Во внимание при экспертизе

2. Мирский Г. Я., Аппаратурное определение характеристик случайных процесов, Энергия , М.л, 1972, с. 132-134.