Аналого-дискретный анализатор спектра Советский патент 1980 года по МПК G01R23/00 G06G7/52 

Изобретение относится к области специализированных средств вычислительной техника, предназначенной для автоматиза ции исследования случайных электрических сигналов и гфинятия решений по полу ченным оценкам вероятностных хлрактеристик, например в акустике, радиофизике, технической диагностике и др. Современные научные и технические эксперименты, в которых отсутствует или мала априорная информация о классе сигналов, подвергаемых обработке, часто проводятся в условиях, при которых требуется высокая скорость получения результатов измерений при высокой точнск ти оценки характеристик каждого из клас сов входных сигналов. Аппаратурное решение задачи анализа спектра с указанными требованиями может производиться как автоматическими цифровыми так и аналого-дискретными, анализаторами, использующими алгоритмы дискретного преобразования Фурье (ДПФ) для обработки непосредственно ВХОДНОГО случайного сигнала или предварительно вычисленной кс рел$щионной функции. При том для обеспечения высокой точности вычислений спектра различных классов сигналов производят предварительное временное сглаживание сигнала, т. е. умножение (в арифметическом устройстве) сигнала на.весовую функцию определенного класса, или производят частотное сглаживание - результат вычислений умножают на частотное OKHOI выборочные значения которого хранятся в табличной (постоянной) памяти 1. По основному авт. св. № 4335О5 известен многоканальный аналого-диск- . ретный анализатор, имеющий простую (по сравнению с цифровыми) процедуру синтеза рйда Фурье, описывающего различные оценки усеченного спектра. Получение ансамбля оценок усеченного спектра достигается благодаря тому, что к последовательно соединенным многоканальному коррелятору, блоку переключателей и блоку возбуждаемых контуров включен ряд канальных сумматоров, при.чем первый вход каждого из последующих сумматоров соединен с -выходом пре;дыду1цего, а вторые входы подключены к выходам соответствующих канальных возбуждаемых контуров, все сумматоры обьединены в блок суммирования. Такое вьтолнение устройства позволяет за один цикл измерений наиболее быстрым способом получить несколько оценок спектра, одновременно суммируя в ряде сумматоров колебания с выходов ряда канальных контуров, благодаря чему каждый из полученных результатов эквивалентен одной из оценок спектра с заданной точкой усечения весовой функцииГ/. Недостатками указанного анализатора являются ограничения, накладываемые на класс обрабатываемых сигналов. Априори должен быть известен класс сиг- нала с монотонным спектоом, гладким (шумоподобные сигналы), либо со спектром, содержащим периодические компоненты с небольшим отношением амплитуд, так как при прямоугольной весовой функции, используемой при анализе, первый боковой лепесток имеет уровень только - 13,2 дБ от основного, что при вело бы к значительным погрешностям вьиислений других классов сигналов. Незнание ожидаемого интервала коррекции приводит ко второму типу погрешностей спектра из-за влияния хвостов корреляционной функции (ординат не несущих инфсрмации) на оценку спектра. Выбор требуемой оценки спектра из ансамбля производится вручную, ориентировочно. Цель изобретения - повышение точности и расширение класса исследуемых прсцессов. Поставленная цель достигается тем, что в анализатор введены четьфе коммутатора, линия задержки, блок управления и блок принятия решений, первый вход соединен со входом анализатора спектра, а второй с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первым выходом блока принятир решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соот- вегственно второго и третьего коммутаторов, выходы второго третьего и четвер того коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходовоГЬ сумм матора, группа информационных входов первого коммутатора соединена с соответствующими выходами блока суммирования7 а вькод первого коммутатора подключен ко второму входу второго комму- raTqaa и ко входу линии задержки, первая группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информа- ционньк входов четвертого коммутатора. Кроме того, блок принятия решений содержит измеритель интервала корреляции, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами блока принятия решений, первый и второй выходы измерителя интервала v. корреляции подключены соответственно через первьй и второй счетчик к первому и второму дешифратору, выход первого дешифратора является первым выходом блока принятия решения, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и выходами второго деши4ратора. На фиг. 1 приведена блок-схема описываемого анализатора спектра; на фиг. 2 - выбор точек усечения корреляционных функций и.результаты сглаживания одного из спектров двумя типами спектраль- ных окон. Схема анализатора спектра содержит многоканальный коррелятор 1, выходы через блок 2 переключателей , соединены с блоком 3 возбуждаемых контуров 4, выходы которых соединены со входами блока 5 суммирования, содержащего канальные сумматоры 6, первые входы каждого из последующих сумматоров 6 соединены с выходом предыдущего, а вторые -входы являются входами блока 5 суммирования; блок 7 принятия решений содержащий подключенный ко входу Анализатора спектра измеритель 8 интервала корреляции, последовательно к первому выходу которого подключены первьй счетчик 9 и первый дешифратор 1О, ко второму выходу последовательно подключены второй счетчик 92 и второй дешифратор 11, к выходам канальных сумматоров б подключены входы первого коммутатора 12, общий выход которого . является первым выходом анализатора спектра и .соединен со вторым коммутатором 13 и линией 14 задержки, первая группа выходов которой соединена с третьим коммутатором 15, вторая группа выходов с четвертым коммутатором 57 16, а каждый , например, из двух выходов второго, третьего и четвертого коммутаторов 13, 15 и 16 соединен через соответствующие весовые элементы 17 на каждом из входов многовходового сум матора 18 .сглаженного спектра со входом усилителя 19, выход которого является выходом сумматора 18 сглаженного спектра и вторым выходом анализа тора спектра, при этом первый управляющий вход первого коммутатора 12 поаключен к выходу первбго дешифратора 10, второй управляющий вход к первому выходу устройства 20 управления, управ ляющие входы второго, третьего и четвертого коммутаторов 13, 15 и 16 под ключены к соответствующим выходам второго дешифратора 11, а управляющий вход измерителя 8. интервала коррекляции - ко второму выходу блока 20 упра ления. При аппаратурном анализе спектра не обходимо предпринять меры для автоматизации задания условий минимизации составл$пощих методической погрешности оценки спектра (J 5 () . вносят наиболее существенный вклад в суммарную погрешность измерений {со держащую также статистическую и аппаратурные составляющие). В случае использования сглаживающей функции V р СС-) -ф 1, в общем виде методическая погрешность может быть определена из следующего выражения для оценки спектра S(2jRC-t)h(-c)-c dxрр Н(плг)УЛд() Н(пдт:)ЬрСплс)с.,+ 1-1 (nuc)Tbo(nu-c)-h (гчлт:)|сЛ -i S({))}.()}, (1) л, - идеальная сглаживаю.щая функция, т. е. corvласованная с классом входных .сигналов; lip- реальная, используемая в аппаратуре, сглаживающая функция; 0 базисная функция (Cfi coskttiutr ); оценка корреляционной функции сигнала X (t). Отсюда следует, при априори нензсигналов x{t) оценка , вестном классе спектра S (i) может иметь существенные погрешностн:(; лч - погрешность на Фурье - преобразования некоррелированных ординат R ( корр Ь которые могут быть большой величины (фиг.2а}; Sff - погрешность от несоответствия сглажиЁающей функции tip (С) классу сигнала. Минимизация этих составляющих погрешностей может быть осуществлена при введении следующих трех циклов преобразований и задания параметров алгоритма ( 1 ): измерение интервала корреляционной функции; задание точки усечения tn и Фурье-преобразование ()n..(0; , Сглаживание усеченной оценки ш 5п f) функцией Ь„() В анализаторе спектра эти преобразования осуществляются следующим образом. Перед началом работы все блоки анализатора установлены в исходное состояние, переключатели 2 и ключи комк утато- ров разомкнуты. Исследуемый электрический сигнал x(-t) подается на вход коррелятора 1, в котором формируются . оценки ординат корреляционной функции К (ИдТ), и одновременно на вход блока 7 принятия решений для измерения интервала корреляции Т -т-ДГи формирова . ния в соответствии с этим управляющих команд для коммутаторов. Измерение Сц.орр измерителе 8 интервала корреляции, с накоплением pefзультата измерения в счетчиках 9 к 9 2 , производится с учетом заранее за- данной допустимой погрешности S , т. е. накладьтаются требования на число степеней свободы Л) результата измерения при заданных длительности сигнала TC н коэффициенте сглаживания d д/ С й(2) с .учетом известных соотношений V.f opv to гран 2Q л jueHHM погрешность измерений спектра в зависимости от ожидаемой ширины спектра (количества ординат спектра ) н типа сглаживающей функции. ((з) Таким образом, использование прямоугольной весовой функции, имеющей наименьший коэффициент сглаживания ,5, требует проведения после окончания Фурье-преобразования дополнитель ных операций сглаживания спектра для уменьшения погрешности Sf . При окончании 1 цикла преобразований в первом счетчике 9, с кэрмирован код, характеризующий величинуП р , а во счетчике 9 код, характери зующий значение 1/2С, которые подаются на первый деши4ратс Ю и второй дешифратор 1.1 для формирования соответствующих команд на выходе блока 7 принятия решений. Анализатор подг товлен для осуществления Фурье-преобра зования. Второй этап - Фурье - преобразование корреляционной функции производится по команде от устройства 2О управления. Переключатели 2 одновременно замьпсаются, подключая все входы блока 3 возбуждаемых контуров к канальны выходам коррелятора 1, при этом конту ры 4 одновременно возбуждаются и на входы блока 5 суммирования поступает ряд колебаний, образуя на выходе каждо го из канальных cyMMaTqjoB 6 определенную частичную сумму, пропорциональ ную (женке усеченного спектра (при p vi 1 ).На выходе hi -го ключа первого кo татора 12 имеем S(f).2.u-C -L R(n&C)h(nu-t:jl, (4 Л X COS

Згот результат через первый выход анализатора спектра подается на регистрацию (внешними устройствами) или в последующие цепи анализатора для высокоселективного сглаживания ( цикл 3).

Одно из решений задачи анализа спектра - получение высокой разрешающей спос.обности по частоте й обеспечивается командой от блока 2О управ лення, по11анной от его первого выхода: ко второму управляющему входу комму( i

(5)

.)На выходе усилителя 19 из этих грех слагаемых образуется сигнал, пропорциональный сглаженному спектру § V. )i как коэффициенты О , определяют степень сглаживания усеченно го спектра, т. е. аппроксимируют определенное спектральное окно Н () с небольшим уровнем боковых лепестков татсра 12. Блокируется команда от первого дешифратора 10 и вместо ключа in включается ключ ( N-1), пропуская на выход коммутатора 12 оценку спектра .Ьр (i), сформированную от всех ординат к (), через первый выход анализатора выводится спектр с Л f 1/2С .Далее происходит сглаживание получейной усеченной оценки спектра и задание параметров алгоритма (1) для обеспечения минимальной методической погрешности осуществляется следующей последовательностью работы устройства. От блока 20 управления на управл5пощий вход коммутатора 12 подается команда, разрешающая прохождение кода от выхода дешифратора Ю через первый управляющий вход коммутатора 12, открывается ключ, соответствующий спектру Г ,; где ). Фурье-преобразование б осуществляется аналогично циклу (1), но выходной сигнал с блока 5 суммирования поступает через открытый ключ Hi первого коммутатора 12 на входы второго коммутатора 13 и линии 14 задежки к первой и второй группе выходов, к которой соответственно подключены входы третьего коммутатора 15 и четвертого KOMK-iyraTopa 16, по одному из ключей в которых открыты командными сиг-налами от второго дешифратора 11 блока 7 принятия решений. Подключенные к выходам второго коммутатора 13, третьего коммутатора 15 и четвертого коммутатора 16 соответствующие весовые элементы 17 имеют значения, пропорциональные коэффициентам , благодаря чему усеченньй спектр S п () поступая в сумматор 18 сглаженного спектра подвергается следующему преобразованию S(i) 0 - на 20-30 дБ меньшим, чем при прямоугольной време шой функции F r.((i Вследствие этой процедуры из циклов преобразований возможен анализ спектра болеэ широкого класса входных сигналов и обеспечивается автоматическое изменение точки усечения временной фуйкции с последующим частотным сгла живанием спектра таким спектральным окном, в достаточной степени согласовано с классом входного сигнала. . Благодаря этому не решаемая аналитически задача обеспечивания условий минимизации относительной среднеквадра тической погрешности ГБМ)(И naVn (б) S()H(t) состоящей из смещенияи дисперсии и оценок спектра, решается аппаратурными средствами быстро и с небольшими затратами дополнительного оборудова ния. Таким образом, в отличие от известных автоматических анализаторов спектра в предложенном анализатс е удается управлять точкой усечения при вьгаолнении Фурье-преобразования. мула изобретен 1. Аналого-дискретный анализатор, спектра по авт. св. № 4335О5, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения класса исследуемых процессов, в анализатор спектра введены четьре коммутатора, линия задержки, блок управления, многовходовой сумматор и блок принятия решений, первый вход которого соединен СО входом анализатора спектра, а второй с первым вых,одом блока управления, втсрой выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первьпи выходом блока принятия решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соответственно BTqporo и третьего коммутаторов, выходы второго, третьего и четвертого коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходового сумматс а, группа информационных входов первого коммутатора соединена соответствующими выходами блока суммирования, а выход первого коммутатора подключен ко второму входу второго коммутатора и ко входу линии задержки, первая группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информационных входов четвертого коммутатора. 2. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что блок принятия решений содержит измеритель интервала корреляции, первый и втqэoй входы которого являются соответственно первым и вторым входами блока принятия решений, первый и втфой выходы измерителя интервала ксфреляции подключены соответственно через первый и второй счетчики к первому и второму дешифратору, выход первого деши4ратора является первым выходом блока принятия решения, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами второго деши |ратора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 455293, кл. Q 01 R 23/00, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 433505, кл. Q 06 Q 7/52, 1972.

Фиг. 4

,R (m-uf)

, К()

2

А 1

..

л

jU

m

Л-

:т

Vr/y/ /

V

(fw.2