Время-импульсный анализаторСигНАлА Советский патент 1981 года по МПК G06F17/10 

Изобретэние относится к спёциали зированным средствам вычислительной техники, предназначенным для исследований вероятностных функций случай ных сигнсшов в задачах распознавания идентификации свойств ряда биомедицинских или океанологических данных. Вычисление корреляционной функции сигнала может производиться, например, по алгоритму Стильтьеса, а спек тра - с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ) с разложением сигнала в ряд Фурье (при три гонометрических базисных функциях) или с использованием разложения в ряд Уолша-Фурье (при кусочно-постоян ных базисных функциях Уолша, простых для генерирования и умножения) .Времяимпульсные анализаторы сочетают преимущества этих методов при достаточно высокой точности и быстродействии вычислений. Известен время-импульсный анализатор, содержащий последовательно соедиценные время-импульсный модулятор и регистр-квантователь, выходы которого через переключатель подключены к входу ширсртно-импульсного модуля-, тора, соединенного с управлякидим входом ключе: ого умножителя, выход которого соединен со входом блока накопителей, при этом вход анали-затора соединен со входом время-импульсного модулятора и входом ключевого умножителя,, а управляющие входы время-импульсного модулятора и регистра-квантователя соединены с выходами делителя частоты, подключенного к выходу тактового генератора l. Однако указанный анализатор имеет ограниченные функциональные возможности, позволяя вычислять только одну интегральную характеристику случайного сигнала - корреляционную функцкю. Известен также анализатор для вычисления спектральных функций, содержащий линию задержки, генератор сетки гармонических функций с однополосными модуляторами и генератором гармоник, а также ключи, первые входы которых соединены с выходами линии задержки, вторые входы - с выходом генератора гармоник,выходы ключей соединены с входами блоков затягивания импульсов (широтно-импульсных модуляторов), подключенных к первым, входам функциональных умножителей, к входам которых подключены выходы генератора сетки гармонических функций. при этом функциональные умножители имеют общий выход, на котором формируется модель комплексного спектра сигнала, т.е. сложная временная функ ция, имитирующая спектр 2. Но такая структура анализатора не позволяет вычислять спектр в широком диапазоне частот и с высокой точностью. . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является корреляционно-спектральный анализатор, использующий подобный метод фор мирования -спектра - синтез ряда Фурь описывающего (имитирующего) спектр, и алгоритм Стильтьеса для вычисления корреляционной функции. Анализа тор содержит последовательно соединенные регистры (линию задержки), блок ключевых умножителей и блок накопителей, ко второму входу блока умножителей и через первый переключатель ко входу линии задержки подключен вход анализатора, а ко второму входу первого переключателя под- ключены последовательно соединенные генератор шаговой частоты, второй переключатель и гармонический модулятор, второй вход которого соедине со входом тактирующего устройства и через третий пepeкJшчaтeль с выходом линии задержки Тз. Недостатки данного анализатора ограниченный диапазон частот а;нализ из-за трудностей аналогрвого формир вания или выделения на выходе модуляторов ряда близко расположенных по частоте гармонических функций (не более 30-50); сложность многократных перезаписей непрерывных функций в линию задержки из-за амплитудных и фазовых искажений и нестабильностей, а также необходимост фильтрации выделяемой частоты определенного шага .(и соответствующем цикле вычислений);невозможность фор мирования гармонических инфранизкочастотных функций (сотые-десятые до ли Гц и даже единицы Гц). Цель изобретения - упрощение, ана лизатора и расширение частотного ди апазона входных сигналов. Поставленная: цель достигается те что в анализатор сигналов, содержащий блок накопления, блок синхронизации, первый выход которого соединен со входом генератора базисных функций, блок умножения, вход которого является первым входом анализа тора, время-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу ге нератора базисных функций и являетс вторЕЛй входом анализатора , регистры переключатели и ключ, введены первы и второй коммутаторы, группа элемен тов И, интегратор, управляемый инвертор, дополнительный элемент И, вход интегратора соединен с первым . входом анализатора, а выход подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен со вторым входом синхронизации, а выход подключен к информационному входу ключа, выход которого соединён с информационным ; входом первого коммутатора, выходы которого объединены с выходами блока умножения и подключены к соответствующим входам.блока накопления, управляющий вход ключа соединен с выходом первого переключателя, первый вход которого соединен со входами первого регистра, выходом время,-импульсного модулятора и первым выходом второго переключателя, второй вход первого переключателя соединен со вторым выходом второго переключателя, со входом второго регистра и с первым выходом третьего переключателя, вторые выходы второго и третьего переключателей соединены соответственно со входами второго и третьего регистров, входы второго и третьего переключателей соединены соответственно с выходами последних разрядов iiepвого и второго регистров, выходы первого, второго и третьего регистров подключены к группе входов блока умножения, третий выход блока синхронизации объединен с выходом второго коммутатора и соединен с управляющими входами четвертого и пятого регистров и с первыми входами элементов И группы, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам пятого регистра, выход последнего разряда которого подключен к его установочному входу, выходы пятого и шестого регистров подключены соответственно к первой и второй группе входов второго коммутатора, четвертый выход блока синхронизации соединен с установочным входом четвертого регистра, пятый выход блока синхронизации под-. ключен-к установочным входам пятого и шестого регистров, а шестой - к первому входу дополнительного элемента И, второй вход которого соединен с выходом.последнего разряда пятого регистра, а выход подключен к управляющему входу .шестого регистра, выход которого соединен с. установочным входом того же регистра, выходы блока умножения подключены к соответствующим входам блока накопления. На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого время-импульсного анализатора сигналов; ца фиг.2 - иллюстрация преобразования исследуемого сигнала; на фиг.3 - схемаблока синхронизации L4 . Время-импульсный анализатор сигналов содержит генератор 1 базисных функций, время-импульсный модулятор 2, соединенный с первым входом анализатора, блок 3 регистров, регистр 4, переключатель 5, регистр б, переключатель 7, регистр 8, блок 9 умножения и блок 10 накопления, переклю чатель 11, блок 12 синхронизации, второй вход анализатора соединен со вторым входом блока 9 умножения, блок 3 регистров содержит три регис тра 4,6 и 8, последовательно соединенных через первый и второй переключатели 5 и 7, вторые входы которых соединены соответственно со вхо дом первого и второго регистров 4 и бис входами третьего переключателя 11, к первому и второму выходам блока 12 синхронизации подключены соответственно вход начальной установки и управляющий вход четвертого регистра 13, элемент И 14, регистр 15, выходы регистра 13 соединены со входами первого коммутатора 16, управляющие входы которого соединены с выходами пятого регистра 15.Общий выход первого коммутатора 16 соединен с входом начальной установки четвертого регистра 13, с управляющим входом шестого регистра 17 и с первыми входами элементов И 18, вто рые входы которых соединены с выходами шестого регистра 17, интегратор 19., управляемый инвертор 20, ключ 21,. второй коммутатор 22, входы которого соединены с выходами эл ментов И 18, а выходы подключены к соответствующим входам блока 10 накопления, управляющий вход ключа 21 соединен с выходом третьего переклю чателя 11, а упр ляющие входы гене ратора 1 базисных функций и управля емого инвертора 20 подключены к соответствующим выходам тактирующего устройства 12, управляющий вход пятого регистра 15 соединен с выходом (N+I)-ro элемента И 14, первыйвход которого подключен к выходу тактирующего устройства 12, второй вход к N выходу шестого регистра 17, причем N-ые выходы пятого и шестого регистров 15 и 17 соединены со своими входами начальной установки. В блоке синхронизации использован генератор 23 импульсов, делители 24 частоты и разрядная цепь 25. Время-импульсный анализатор сигна лов работает в двух режимах - вычисления корреляционной функции и вычис ления амплитудного спектра при М дискретных значениях аргумента.Вычисление корреляционной функции В исходном состоянии переключатели 5,7 и 11 установлены в положение а, соединяя последовательно регистры 4, 6 и 8 ключи 21 коммутатора разомкну ты. Выполнение последовательности пре образований сигнала производится ана лизатором в соответствии с алгоритмом Стильтьеса: R() х()- гЛ1-п1ат;ат (i) о Исследуемый непрерывный электрический сигнал X(L) подается на входы Х и Y анализатора. Со входа X сигнал подается непосредственно в блок 9 умножения, а со входа Y поступает на вход время-импульсного модулятора 2, в котором осуществляется преобразование мгновенного сигнала в определенные моменты времени (через интервал дискретизации At) в эквивалентное количество импульсов Zp , которые поступают в блок 3 регистров, содержащий регистры 4,6 и 8 (свяэй управляющих входов модулятора 2 и блока 3 регистров с соответствующими выходами блока 12 синхронизации не показаны). По мере поступления пачек импульсов Ze,, с выходов блока 3 регистров в блоке 9 умножения формируются произведения их с сигналом x(t) , которые подаются на соответствующие О, 1,2,... (N-1) входы блока 10 накопления. После окончания реализации сигнала х(t) в блоке 10 в реальном масштабе времени.будет сформирована корреляционная функция при дискретных значениях аргумента в соответствии с выражением (l). По команде с блока 12 синхронизации полученная информация выводится .на регистраторы. ВЕЛЧисление спектра. Перед обработкой сигнала X(t) переключатели 5,7 11 устанавливаются в положение а, блок 3 регистров и блок 10 установлены в исходное состояние j(обнулены), блок 9.умножения отключен. Генератор 1 базисных функций, подключенный ко входу время-импульсного ьюдулятора 2, по команде от блока 12 синхронизации формирует гармоническую функцию основной частоты f(j , которая через интервалы времени лf преобразуется время-импульсным модулятором 2 в пачки импульсов 2,, где m - номер пачки,п - количество импульсов в пачке (). Тактовые импульсы от тактирующего устройства 12 проталкивают эти пачки импульсов последовательно в регистры 4 и 6, причём каждый из них предназначен оответственно для ряд.. о - - - 1 j и ряда - - -J тсчетов гармонической базисной фунции (фиг.26). После заполнения регистров 4 и б ереключатели 5 и 7 устанавливаются положения б. Регистры подготовлены ля циркуляции пачек импульсов по цеи выход регистра - переключатель ход регистра,, которые одновременно оступают через первый или второй онтакт переключателя 11 на управлящий вход ключа 21. В это время входной сигнал x(t) одается через вход X на вход интегатора 19, который осуществляет днекретизацию и запоминание выборки .x(l«At) сигнала. Выход интегратора 19 соединен с ключом21, играющим роль, ключевого умножителя, через управляемый инвертор 20 (формирователь знака)/ коэффициент передачи .которого в начале первого цикла обработки (q 1) установлен равным 1 в соответствии со знаком первой полуволны базисной функции (фиг.2д). По команде от блока 12 начинается циркуляция пачек импульсов Z в регистре 4. После одной циркуляции на выходе ключа 21 образуется -j произведений каждой из пачек уп,г с дискретой x(l-At), которые подаются на информационный вход,коммутатора 22 с тактовой частотой т м-дТ где Н - количество ячеек в одной секции д регистров 4,6 и 8. Одновременно с началом циркуляции в регистре 4 с блока 12 подается единичный импульс начальной установки на информационные входы регистров 13 .15 и 17 (входы 1 на фиг.1).При этом на управляющий вход регистра 13 подается последовательность импульсов , . - с тактовой частотой F-f , а на управляющий вход регистра 15 - с частотой FO.F - F р-1 qM т т.е. в первом цикле () , -JT- Первый управлякадий .импульс сдвигает единичный импульс в регистре 15 в первую ячейку, а так как этот выход соединен с управлянадим входом первого ключа коммутатора 16, то единичный импульс регистра 13 поступит через первый ключ на общий выход комму татора 16 и вновь на вход регистра 13, т.е. регистр 13 будет работать в режиме циркуляции через первый ключ коммутатора 16. Каждой очередной его выходной импульс является управлшощи для регистра 17, в котором производится сдвиг единичного импульса на следующий шаг (выходы 1,...Ы),благодаря чему срабатывает один из элемен тов И 18, осуществляя селекцию определенной выборки из потока циркулиру ющих в блоке 3 регистров пачек импул сов и распределения их при помощи кол®1утатора 22 в соот тствующие яче ки блока 10 накопления. , после одной циркуляции пачек импульсов в регистре 4 переключатель 1 устакавл1|вается во второе положение, а в управляемом .инверторе 20 устанав ливается коэффициент Передачи равным -1. Благодаря этому на управляющий ахрд ключа 21 подаются пачки импульсОв, циркулирующие в регистре 6, а на выходе ключа 21 формируются сигналы, эсвивалентные соответствующим произведениям выборки х (l-At) на OT ицательную полуволну базисной функ- . ии (фиг.2д), Через N периодов импульсов F, на входы элемента И 14 поступят импульс от тактирующего устройства 12 и импульс с N-ro выхода регистра 17, вследствие чего на управляющем входе регистра 15 сформируется импульс, сдвигающий единичный импульс в нем во вторую ячейку: откроется второй ключ коммутатора 16, создавая кольцо циркуляции второй выход регистра 13 второй ключ коммутатора 16 - вход регистра 13. Благодаря этому на управляющий вход регистра 17 будут посту- пать импульсы с тактовой ЧастотЙй Рт/2 сдвигая единичный импульс с N-ro выхода на первый, после чего он вновь будет продвигаться в регистре 17 с первого до N-ro выхода. Одновременно с этим интегратор 19 осуществляет вторую выборку из входного сигнала x(2-At), запоминая ее на время второго цикла вычислений, в течение которого на выходе ключа 21 формируются произведения аналогично первому циклу, но элементы И 18 производят селекцию каждой второй пачки импульсов (так как Рд -5- FT) и распределение их в Го,1,2,... (Н-1)| ячейки блока 10 накопления, что эквивалентно умножению выборки х(2-д1) на базисную функцию частоты 2fо (фиг.2е). Аналогично производится обработка после получения каждой из выборок -,---, -входного сигнала до х(Мд1) , в результате чего в блоке 10 накопления формируютсяординаты функции, пропорциональной спектру исследуемого сиг«ала и описываемой выражением fvM/.VB, vf , ,- /l(m tVBj x«v/A a S СН) (С-т(), . at/В.- основная частота баО AL/D.J. зисной функции; -номер выборки входно го сигнала (номер цикла обработки); -номер перехода базисной функции через нулевой уровень; -импульс, определяющий селекцию требуемой пачки импульсов Z, , из циркулирующей последовательности. Таким образом, формирование сетки частот базисных функций осуществляется благодаря использованию в анализаторе свойства периодичности тригонометрических функций, при котором определенные выборки кратных частот равны. Благодаря этому становится целесообразным введение циркуляции выборок. При этом формирование произведений выборок согласно выражению (2) и селекция требуемых пачек импульсов производится ключевым умножителем и регистрами,включенными при вычислении спектра в режим циркуляции (первым, вторым, а также четвертым, пятым и шестым регистрами).

Технико-экономический эффект от предлагаемого анализатора состоит в том, что по сравнению с известным упрощаются требования к блокам анализатора: основные преобразования не только сигноша, но и базисных функций производятся на дискретных элементах, стабильных и простых в управлении, не требующих частотной фильтрации формируемых гармоник и частотныхмодуляторов с перестраиваемыми параметрами, а также более простых в изготовлении и промышленной эксплуатации. При этом частотный диапазон анализа увеличен более, чем в 3-5 раз (до 200 и более ординат вычисляемых функций).

Формула изобретения

Время-импульсный анализатор сигналов, содержащий блок накопления, блок синхронизации, первый выход которого соединен со входом генератора базисных функций, блок умножения, вход которого является первым входом анализатора, время-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу генератора базисных функций и является вторым входом анализатора, регистры, переключатели и ключ, отличающийся тем, что, с целью упрощения анализатора и расширения частотного диапазона входных сигналов, в анализатор введены первый и второй коммутаторы, группа элементов И, интегратор, управляемый инвертор, дополнительный элемент И, вход интегратора соединен с первым входом анализатора, а выход подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока синхронизации, а выход подключен к информационному входу ключа, выход которого соединен с информационным входом первого коммутатора,вы- . ходы которого подключены к соответствующим входам блока накопления, управляющий вход ключа соединен с выходом первого переключателя, первый вход которого соединен со входами первого регистра, выходом время-импульсного модулятора и первым выходом второго переключателя, второй вход первого переключателя соединен со вторым выходом второго переключателя, со входом.второго регистра и с первым выходом третьего переключателя, вторые выходы второго и третьего переключателей соединены

10 соответственно со входами второго и .третьего регистров, входы второго и третьего переключателей соединены соответственно с выходами последних разрядов первого и второго рех-ист

15 ров, выходы первого, второго и третьего регистров подключены к группе входов блока умножения, третий выход блока синхронизации объединен с выходом второго коммутатора и соединен с управляющими входами четвертого и

20 пятого регистров и с первыми входами элементов И группы, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам пятого регистра, выход последнего разряда которого подключен

5 к установочному входу того же регистра, выходы пятого и шестого регистров подключены соответственно к первой и второй группе входов второго коммутатора, четве ртый выход блока

0 синхронизации соединен с установочным вход ом -четвертого регистра, пятый выход блока синхронизации подключен к установочным входам пятого и шестого регистров,а шестой - к пер5вому входу дополнительного элемента И, второй вход которого соединен с выходом последнего разряда пятого регистра, а выход - подключен к управлякяцему входу шестого регистра,выход которого соединен с установоч0ным входом того, же регистра, выходы блока умножения подключены к соответствующим входам блока накопления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5

1.Авторское свидетельство СССР № 355630, кл.С 06 G 7/52, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР № 291160, кл.С 06 R 23/00, 1969.

3.Авторское свидетельство СССР

0

№ 389524, кл.С 06 G 7/52, 1971 (прототип) .

4.Мирский Г.Я. Апп.аратурное определение характеристик случайных процессов. М., - Энергия, 1979,

с.133.

5

О rrlL :

г .А

K6noKij20 кэлепент /11/