Коррелометр Советский патент 1980 года по МПК G06G7/19 

(54) КОРРЕЛОМЕТР

1

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может , быть использовано для измерения функции взаимной коррелящш между двумя случайными процессами, задержанными один относительно другого.

На практике часто параметры функции взаимной корреляции априорно не известны. В то же время анализ исследуемых сигналов требуется . вести в темпе их поступления. Поэтому для указанных целей наиболее часто применяют коррелометры параллельного действия, работающие по методу умножения 1 .

Особенно часто 1 сложненные аппаратурно коррелометры, к которым относятся коррелометры 1, необходимы для акустических измерений, когда задержка между исследуемыми процессами априорно не известна и может находиться в пределах от очень малых величин до очень больших, во много раз превосходящих интервал корреляции между исследуе- . мыми процессами. При этом все ординаты функции взаимной корреляции должны быть посчитаны за олну реализацию ввиду трудgr-.-.. -.-,.. .-X-.

2 t- .. ..- --.- -

ности, а чаще невозможности повторения условий акустического эксперимента.

Увеличение аппаратурных затрат в рассмотренных случаях приходится на следующие узлы схемы известного коррелометра Ц: схему, обеспечивающую задержку исследуемого сигнала относительно другого, схемы перемножения мгновенных значений задержанного и незадержанного сигналов и схемы усредне1ШЯ результатов перемножения. Прттчем количественный состав указанных узлов растет прямо пропорционально максимально требуемому времени задержки, в то время как для вычисления информативного участка коррелограммы количество узлов перемножения и усреднения требуется пропорциональное интервалу корреляции между исследуемыми сигналами.

Кроме аппаратурных затрат при применении известных схем коррелометров возникают трудности, связанные с обработкой полученных результатов измерения.

Действительно, для оператора, работающего с аппаратурой, измеряющей функцию взаимной корреляции, как правило представляет интерес наблюдение не всей коррелограммы, ординаты которой имеют аргумент, принимающий значения от О до , (S макс - ai симальная ожидаемая величина задержки), а только ее участка, длительностью t (Сц интервал корреляции между исследуемыми сигналами).

При априорной неизвестности свойств исследуемых сигналов оператору часто необходимо несколько наблюдений коррелограммы длительностью последовательно во времени, чтобы принять решение, какой же из участков длительностью ТГ,, является информативным. Другими словами, выделить информативный участок коррелограммы оператору помогает наблюдение динамики процесса измерения.

Обеспечить же наблюдение динамики процесса измерения больших участков коррелограммы, измеренных перечисленными методами технически очень сложно. Кроме того, приведение масштаба коррелограммы по оси абсцис к размеру, удобному для ее наблюдения оператором, настолько сузит информативный участок, что оператор может его просто не заметить.

Известен коррелометр 2, в котором аппаратурные затраты по сравнению с рассмотренными сокращены пропорционально отношению максимально ожидаемого времени задержки к требуемому времени усреднения. Однако применение этого коррелометра, содержащего линию задержки, блоки умножения, блоки усреднения, эффективны в случаях, когда требуемое время усреднения меньше максимально о Ю1даемой задержки.

Кроме того, в рассматриваемом случае, когда отношение требуемого времени усреднения к интервалу корреляции много больше единицы, этому коррелометру присущи те же недостатки, что и рассмотренным известным коррелометрам.

Целью изобретения является упрощение и, следовательно, повышение надежности коррелометра, предназначенного для измерения функции взаимной корреляции между процессами, задержанными один относительно другого на интервал времени, превышающий . интервал корреляции исследуемых сигналов. Эта цель достигается тем, что в коррелометр, содержащий многоотводную линию задержки, каждый выход которой, кроме последнего соединен с первым входом соответствующего блока умножения, вторые входы блоков умножения объединшы и являются первым входом коррелометра, а выходы блоков умножения подключены ко входам блоков усреднения, введены дополнительная линия задержки, блок сложения и блок вычитания, входы которого подключены соответственно к выходам многоотводной линии задержки и дополнительной линии задержки, выход блока вычитания подключен к первому входу блока сложения, выход которого соединен со входом многоотводной линии задержки, второй вход блока сложения объединен со входом дополнительной линии

задержки и является вторым входом коррелометра.

На чертеже изображена схема предлагаемого коррелометра.

Он содержит блок 1 алгебраического суммировакия мгновенных значений сигналов (блок сложения), линию 2 задержки, многоотводную линию 3 задержки, блок 4 вычитания мгновенных значений сигналов, блоки 5 умножения и блоки 6 усреднения. Каждый

t-й отвод многоотводной линии 3 задержки подключен к первому входу i-ro блока 5 умножения. Вторые входы блоков умножения объединены и подключены ко второму входу коррелометра - y(t). Выход каждого i-ro

блока умножения подключен ко входу i-ro блока 6 усреднения. Вход линии 2 задержки и первый вход блока 1 суммирования объединены и подключены к первому входу коррелометра - x(t). Выход блока 1 суммирования подсоединен ко входу многоотводной линии 3 задержки, выход которой подключен к первому входу блока 4 вычитания, второй вход которого соединен с выходом линии 2 задержки. Выход блока вычитания подключен ко второму входу блока 1 суммирования.

Выходами коррелометра являются выходы блоков 6 усреднения.

В описываемом коррелометре корреляционной обработке подвергаются один из входных и сформированный из др)того вспомогательный сигналы. Вспомогательный сигнал формируют путем алгебраического суммирования текущего значения одного из исследуемых сигналов (на чертеже сигнал x(t) со всеми его предшествующими значениями, следующими через интервал времени, больший интервала корреляции и отстоящими во времени от текущего значения не более чем на максимально ожидаемую задержку между исследуемыми

сигналами. 0

Выходная информация предлагаемого коррелометра представляет собой сумму отрезков общей коррелограммы, каждый - из которых имеет длину ц которые просуммированы по принципу -- начало и конец первого отрезка соответственно с началом и концом каждого из остальных отрезков. Формирование вспомогательного сигаала осуществляют следующим образом. Линии 2 и 3 задержки обеспечивают задержку входного сигнала на интервал времеТд и tT-j соответствен О так, чтобы выполнялись условия 1,®г где It;, интервал корреляции исследуемы сигналов; . - максимально ожидаемая задержк между исследуемыми сигналами. Благодаря этому каждое мгновенное значение сигнала x(-t) -циркулирует в лишш 3 задержки (по цепи выход блока 1 сумми рования, линия 3 задержки, блок 4 вычитания, второй вход блока 1 суммирования) N раз, пока не появится на выходе линии задержки равное ему значение и не вычтетс в блок 4 вычитания из циркулирующего. Пусть в исходном состоянии линии 2 и 3 задер ки обнулены .Тог да от момента времени t О до t То, линия 2 задержки частично, а ли ния 3 задержки полностью залолняются мгновенными значениями сигнала x(t) с аргу ментами от О до Т 5 . Начиная с момента времени t -Cj до момента времени t 2t в блоке 1 суммирования к текущему значению сигнала x(t) начинают прибавляться задержанные линией 3 его значения. Так чт в произвольный момент времени t t;3- -1A-fc (где i - может принимать значе1ше от 1 до п а д t ) на выходе блока 1 суммирования, и тем самым на входе линии 3 задержки значение вспомогательного сигнала z(t) равно сумме z(t) x(;iAt) + х(+ш Таким образом, от момента времени t T-j до момента времени t 2Cj линия 3 задержки будет заполняться суммами текущего значения сигнала x(t) с его предществующим значением, отстоящим во времени на интервал tr-i,. Очевидно, что в каждом новом цикле длительностью C-j количество слагаемых в мгновенном значении сигнала z(t), циркулирующего, в линии 3 задержки, будет увеличиваться на единицу и в произвольный момент времени, например t 1 л t + k t-j (где к может принимать значения от к 1 до К « N), сигнал z(t) будет равен сумме zCO-.Sxiic t jt;) Процесс увеличения с каждым новым циклом количества cJiairiCMi ix в сигнале z(t) ,4 окончится, когда значение сигнала x(t), измеренное в момент времени t О, появится на выходе линии 2 задержки, т.е. в момент времени t Сг. -г N Т. Начиная с этого момента времени из суммы слагаемых, генерируемой на выходе линии 3 задержки, в блок 4 вычитания будет вычитаться первое слагаемое, а вместо него в блоке 1 суммирования будет добавляться новое слагаемое, равное текущему значению сигнала x(t). В произвольный момент времени t значение вспомогательного сигнала z(t), генерируемого на входе линии 3 задержки, можно представить в виде N zCt)-Sjcct-et;) где x(t) - текущее значение сигнала x(t). На i-M отводе таши 3 задержки в этот же момент времени будет генерироваться сигнал (t) в виде: Z - L Л(1--1л-Ь-мСх) На выходе i-ro блока 5 умножения в каждый момент времени будут формироваться частные произведения А| вида А 2)(.), где y(t) - текущее значение сигнала y(t). В i-M блоке 6 усреднения происходит суммирование этих частных произведешп в виде Р SA,- а на i-M выходе коррелометра появляется сумма значений измеряемой функции взаимной коррел.яции с аргументами, отличающимися на величину Сз N ILR (лЧ-Ы-ууГС-х) У«-0 Такнм образом, выходная информация в описываемом коррелометре представляет собой сумму N отрезков общей коррелограммы, каж дый из которых имеет длину , которые просуммированы по принципу - начало и конец первого отрезка соответственно с началом и концом каждого из остальных отрезков. При задержке между исследуемыми сигналами, равной, HanpHMep,63-i t tKtj, где к - может принимать значения от О до N, а i - от О до п, о наличии корре.г1яции между исследуемыми сигналами можно судить по превыщению результата Р., , полученного на выходе i-ro блока 6 уфедненкя, над результатами Р( 1 t - ) лежащими за интервалом корреляции и полученными на выходах ( i - )-го или ( 1 4 - )-го блоков усреднения. Чтобы получить отаошение полезного сигнала к шуму на выходе коррелометра (или, другими словами, отношение максимума функции взаимной корреляции к ее значению за пределами -интервала корреляции) таким же как и на выходе коррелометра, построенного по традицио1шым методам, время усреднения необходимо брать во столько раз больишм, во сколько раз оказывается свернутой общая коррелограмма. Это недостаток описьгааемого коррелометра, который ограничивает область его применения случаями,когда длина реализации исследуемых сигналов больше необходимого времени уфеднения. Однако в этих случаях применение описыва,емого коррелометра Позволяет резко уменьшить аппаратурные затраты. Для его реализаци необходимо в N раз меньше блоков умножени и усреднения. Указанный вь1игрыш в оборудов нии вполне оправдан дополнением схемы коррелометра узлами, оговоренными в отличитель ной части формулы изобретения, и некоторым увеличением разрядности блоков умножения и усреднения. Описанный коррелометр позволяет вести анализ поступающих реализаций в темпе реаль ного времени, оператор при этом имеет возможность следить за всей обстановкой, складывающейся в процессе измерения, анализируя коррелограмму вполне приемлемой длины. Формула изобретения Коррелометр, содержащий многоотводную линию задержки, каждый выход которой, кроме последнего, соединен с первым входом соответствующего блока умножения, вторые входы блоков умножения объединены и являются первым входом коррелометра, а выходы блоков умножения подключены ко входам соответствующих блоков усреднения, о т личающийся тем, что, с целью упрощения коррелометра, в него введены дополнительная линия задержки, блок сложения и блок вычитания, входы которого подключены соответственно к выходам многоотводной линии задержки и дополнительной линии задержки - выход блока вычитания подключен тс первому входу блока сложения, выход которого соединен со входом многоотводной линии задержки, второй вход блока сложения объединен со входом дополнительней линии задержки и является вторым входом коррелометра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Грибанов Ю. И. и др. Автоматические цифровые корреляторы. М., Энергия, 1971, с. 148-149. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2485767/18-24, кл. G 06 G 7/19, 1977 (прототип).