Устройство для определения автокорреляционной функции узкополосного случайного процесса Советский патент 1980 года по МПК G06G7/19 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВТОКОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ УЗКОПОЛОСНОГО СЛУЧАЙНОГО Изобретение относится к области аппаратурного определения основных статистических характеристик стационарньЬс случайных процессов и может бьсть использовано в системах радиосвязи, радиолокации, при исследовании систем автоматического управления, биологических систем/ акустичес ких явлений и в других областях, име щих связь со случайными процессами. Известно устройство 1, содержащее блок регулируемой задержки, смеситель, модуляторы, блок умножения, . блок усреднения, генератор гармонии. Недостаток аналога 1 связан с отсутствием возможности непосредстве ного анализа ширины спектра Известно устройство 2 для определения автокорреляционной функции узкополосного с.г(учайного процесса. Это устройство 2 основано на ис пользовании широко распространенного принципа умножения. Оно состоит из последовательно соединенных аттенюатора, блока умножения частоты, преоб раэователя частоты, второй вход ко.торого через блок автоподстройки час тоты подключен к выходу аттенюатора, блока умножения, блока усреднения и блока регистрации, причем второй вхо ПРОЦЕССА блока умножения подключен к,выходу блока регулируемой задержки, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты. Известное устройртво позволяет опред елить оценки ординат автокорреляционной функции (АКФ) k(c) исследуемого случайного процесса (t) при различных задержках. Особенностью известного устройства является осуществляемое в нем предварительное нелинейное преобразование исследуемого процесс а. Такое преобразование дает возможность значительно сократить время корреляций исследуемого процесса (или, что то же самое, расширить, спектр исследуемого процесса) и сохранить при этом подобие формы его автокорреляционной функций. В свою очередь это позволяет снизить требования, предъявляемые к |блоку регулируемой задержки, и упростить техническую реализацию устройства. Однако известное устройство имеет недостатки. Как правило, при проведении корреляционных измерений возникает ряд дополнительных вопросов. В первую очередь к такимвопросам относятся: вопрос о количестве ординат АКФ, которыене.обходимо определить при измерениях; вопрос о величине ин:Т«р8ал.а Лтг между измеряемыми ордина тлми, т.е. вопрос о шаге измерений. Ответ на эти вопросы может быть дан лишь при наличии данных о характере исследуемого случайного процесса fe, (t), в частности о ширине спектра исследуемого процесса. Известное ycTpoactBo не позволяет получать такие данные до приведения основных измерений. Априорное получени даже грубых оценок ширины спектра играет большую роль в практике статистических измерений, так как это непосредственно связано с сокращение избыточности, временем измерений и вопросами точности проводимых измерений. Желательно, чтобы такая оценкаосуществлялась перед анализом АКФ и сравнительно простыми средствами, Это особенно важно при исследовании узкополосннх процессов, так как для них характерны большие значения времёни координации. .- . . ;

Целью данного дополнительного изо бретения является расширение функциональных возможностей известного устройстйа путем оценивания ширины процесса и, как следствие, сокращение времени анализа АКФ за счет возможного уменьшения избыточности измерений.,

Указанная цель достигается введением в известное устройство последовательно сеединенных расстроенного по частоте резонансного усилителя и первого формирователя импульсов, второго формирователя импульсов, реверсивного счётчика и блока индикации, вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, входы которого соединены соответствено с выходами первого и второгоформирователя импульсов, причем вход расстроенного. по частоте резонансного усилителя соединен с выходом преобразователя частоты, а вход второго формирователя импульсов.подключен к выходу аттенюатора.

Введениеэтих блоков позволяет непосредственно (без промежуточных вычислений) оценить зна.ченйе второго центрального. спектральн6г6 момёнта, являющегося обобщенной характеристикой ширины спектра исследуемого процесса. Содной стороны, это расширяе Функциональные возможности известного измерителя, а с ;п1ругой стороны, позеоляет по полученным данным рационально (обоснованно) выбрать шаг измерений АКФ и за счетэтого сократить избыточность измерений (а следовйтельно, и время, затрачиваемое на. определение корреляционной функции) .

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Устройство ДЛЯ «определения автокорреляционной /функции узкополосного случайного процесса (фиг. 1) содер жйт аттенюатор 1, блок 2 умножения частоты, преобразователь 3 частоты, блок 4 автоподстройки частоты, блок 5 умножения, блок б регулируемой задержки, блок 7 усреднения и блок 8 J регистрации. К выходу аттенюатора 1 подключен формирователь 9 импульсов, а к выходу преобразователя 3 частоты подключены также поледовательно соединенные расстроенный по частоте реQ зонансный усилитель 10, формирователь 11 импульсов, реверсивный счетчик 12 и блок 13 индикации, причем второй йход реверсивного счетчика 12 подключен к выходу формирователя 9 импульсов.

Работа описываемого устройства осуществляется следующим образом.

Исследуемый узкополосный случайный процесс (t) через аттенюатор 1

0 (а при необходимости усилитель) подается на блок 2 умножения частоты. В общем случае на входе блока 2 исследуемый процесс характеризуется средней частотой и коэффициентом

5 корреляции R(t) RQ(-C) COSIA/QT. Блок 2 умножения частоты имеет коэффициент умножения k, и с его выхода снимается сигнал со средней частотой kWoH корреляционной функцией, характеризуеj, мой коэффициентом корреляции RX (t) R(-r-)cos . Показатель степени m определяется здесь номером выделяемой спектральной полосы, т.е. коэффициентом умножения блока 2. Средняя частота kw процесса, подвергшегося

умножению, вновь понижается до исходной частоты U)o с помощью преобразователя 3 частоты, гетеродин которого синхронизируется средней частотой исследуемого процесса (t) с помощью

0 блока 4 автоподстройки частоты. Таким образом случайный процесс на выходе блока преобразования частоты будет иметь среднуюю частоту о , а . коэффициент корреляции К (тг)

с RoVtr) cosvA oTT. Проводимое умножение частоты с последующим преобразованием частоты, позволяет примерно в k раз уменьшить время корреляции ис , следуёмОгО узкополосного процесса, а

л следбвательно, во столько же раз снизить требования, предъявляемые к блоку б регулируемой задержки. Предва. рительно преобразованный случайный процесс с блока 3 поступает на блок 5 умножения, а также на вход блока б

регулируемой задержки. После перемножения мгновенных значений прямого и задержанного процесса, а также усреднения в блоке 7, блок 8 регистрации автоматически региштрирует одно

0 значение ординаты k(t:() АКФ исслед емого узкополосного случайного процесса. Учитывая, что блоками 5, 6, 7 ведется обработка предварительно преобразованного процесса, блок 8 ре5 гист|)аДйи по значениям автокорреляционной функции преобразованного про цесса должен автоматически вычислять значение ординаты k(r|) АКФ. Эта опе рация при известном значении показа теля степени m может осуществляться (в простейшем случае) с помощью соответствующей градуировки щкалы блока регистрации. Первая ордината Кх(т:) АКФ обычно определяется при нулевых значениях задержки, вторая ордината ks (ti) сни мается при и т.д. Выеор шага измерений дтг непосредственно влияет на точность определения АКФ, на избы точность измерений и на время измере ний. Для обоснованного выбора шага измерений необходимо определить шири ну спектра исследуемого процесса. В предлагаемом устройстве для этого служат блоки 9, 10, 11, 12, 13. На вход блока 10 подается предварительно преобразованный случайный процесс коэффициент корреляции которого равен R (тг) , а средняя частота WP может быть выражена через спектральную плотность (си) этого процесса, как o )c ou/56(oo)dcu , о ° о Блок 10 представляет собой расстроенный по частоте резонансный усилитель. Его параметры выбираются таким образом, чтобы частоты uj находилась в середине приближенно линейного участка одной из ветвей его амплитуд но-частотной характеристики А (bj) . Пр этом процесс на выходе блока 10 будет иметь спектральную плотность () Pi, (ш)6 (uj) и среднюю частоту (и/)6(оо)о1со/ А {а|)б(ш)с1а1 °о .На реверсивный счетчик 12 подаются импульсы с первого формирователя 11 импульсов и второго формирователя 9 импульсов. При этом среднее число им пульсов в единицу времени, поступающих с блока 11, характеризуют среднюю частоту ujo, а импульсы с блока 9 характеризуют среднюю частоту ю исследуемого процесса. Реверсивный счетчик 12 выдает показания, проборциональные разности частот ОУ-ШО-ШО. При использовании в блокеЮ приближенно линейного участка амплитудночастотной характеристики значение А(ш) может быть представлено как л (ш) ао+ а значениес 1х) ujj-Шо-рм-(.6) где р - постоянный коэффициент, определяемый по характе ристике А (tu) , а ) - второй цент ральный спектральный момент (ВЦСМ). Второй центральный спектральный м мент характеризует спектральную дисперсию процесса и является обобщенно характеристикой ширины спектра случа него процесса. Кроме того, значение ВЦСМ однозначно связанно с временем корреляции Сцор процесса, так как )( const. Использую это, бло 13 индикации по величине cfui может выдавать данные как о значении ВЦСМ, так и о значении Скор Следует заметить, что измерение ВЦСМ блоками 10, 11, 12, было произведено для предварительно преобразованного процесса. Это целесообразно по той причине, что прербразованный процесс имеет в k раз шире энергетический спектр и измерения величины ВЦСМ будут проводиться с меньшими погрешностями. Кроме того, блоками 5, 6, 7 обрабатыва ется также предварительно преобразо- ванный процесс. Приизвестном значении показателя степени m величина ВЦСМ преобразованного процесса (при желании) всегда может ыть выргжена ,через ВЦСМ исходного процесса. Определив, значение ВЦСМ (или значение ) и задавшись необходимой точностью определения АКФ, можно рационально выбрать шаг измерений Ат: . Таким образом, описанное устройство позволяет достаточно просто получать дополнительную информацию о статистических свойствах исследуемого случайного процесса, что расширяет его функциональные овзможности. Определение второго центрального спектрального момента позволяет при заданной точности измерений автокорреляционной функции сократить избы-. точность измерений и, следовательно, значительно сократить время, требующееся для определения автокорреляционной функции. Формула изобретения Устройство для определения автокорреляционной функции узкополосного случайного процесса по авт. св. № 485464, о т л ич ающее с я тем, что с целью расширения функциональных возможностей за счет определения ширины спектра процесса, в устройство введены последовательно соединенные расстроенный по частоте резонансный усилитель и первый формирователь импульсов, второй формирователь импульсов, реверсивный счетчик и блок индикации, вход которого . подключен к выходу реверсивного сче чика, входа которого соединены соот- ветственно с выходами первого и второго формирователя импульсов, причем ;вход расстроенного по частоте резо|нансного усилителя соединен с выходом преобразователя частоты, а вход второго формирователя импульсов подключен к выходу аттенюатора. Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 174851, кл. G Об G 7/19, 1964. 2.Авторское свидетельство СССР I 485464, кл. G 06 G 7/19, 1975.