Способ анализа спектра сигналов Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

(54) СПОСОБ АНАЛИЗА СПЕКТРА СИГНАЛОВ

Изобретение относится к иам ительной технике и Может быть использовано для определения собственных и взаимны спектральных характеристик детерминированных и случайных сигналов. Известны способы анализа основанны на п иодической выборке мгновенных значений сигнала и весовом суМмировашш выборочных значений сигнала ft. Однако точность их анализа недостаточна, так как они i. ггозволя ют выделять амплитуду и фазу гармоник периодических сигналов и находить оценки взаимных спектров. Цель изобретения - повьпиение точности анализа. Указанная цель достигается за счет того, что в способе анализа спектра сиг налов, основанном на периодической выбо ке мгновенных значений исследуемого сигнала и весовом суммировании заданного числа выбираа ых значений при перестройке частоты анализа путем изменения периода выборки, производят дополнительную периодическую выборку мгновенных значений исследуемого сигнала с тем же периодом выборки, но сдвинутым по отношению к исходной выборке на отрезок времени, обратно пропорциональный учетверенной частоте анализа, раздельно суммируют с заданным весом полученные выборки, при этом период исходной и дополнительной выборок устанавливают кратным величине, офатно пропорциональной частоте анализа. На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предла- гаемый способ. Оно содержит два идентичных канала, работазсяпих синхронно и синфазно для входных сишалов, каждый из которых состоит из дискретиэаторов t и 2, сумматоров 3 и 4, сдвиговых регистров 5 и 6, преобразователя 7 и синхронизатора 8. Синхронизатор 8 настроен так, что на его выходе вьфабатываются пары управляющих сигналов, второй из которых будет появляться после первого через интервал времени f/V 4/4 ие . частчэга, на которой осуществляется анализ спектра. Период д сигналов устанавливается равным -л / или K/f i целое число.

На выходе 9 синхронизатора 8 вьфаб тывается серия управляющихся сигналов, определяемая видом преобразований, необходимых характеристик по действительной и мнимой составляющих оценок преобразования Фурье исследуемых сигналов. Эти сигналы появляются после того, как с помощью сумматора просуммируется заданное число N выбираемых значений исследуемых сигналов в каждом сигнальном канале.

Число N может задаваться либо из конструктивных соображений либо как целая часть отношения интервала времени Т на котором анализируются исследуемые сигналы, к пер|1оду выборки Д . В свою очередь, Т может определять из требований необходимого разрешения по частоте или других требований цо известным правилам..

Анализ спектра осуществляется следующим образом.

Перед началом анализа анализатор устанавливается в исходное состояние, при котором сумматоры 3 и 4, сдвиговые регистры 5 и 6, регистры преобразователя 7 обнулены, синхронизатор 8 настроен так, что период следования парных управляющих сигналов на выходе 9 ., равен Д . Значение коэффициента К выбирается, исходя из быстродействия элементов анализатора, инте)вала Т анализа сигнала, предельных или целесообразных значений числа N суммируемых выборочных значений исследуемых сигналов. ЕСЛИ анализируемый сигнал узкополосный то коэффициент кратности К выбирается так, чтобы при заданном интервале анализа Т -fff,

В простейшем случае Al/f . Затем задается число N . После этого анализатор готов к проведегапо анализа на частоте .

Исследуемые сигналы X(-t) , Jf(-t) подаются на вход своих дискретизаторов I и 2, запускается синхронизатор 8. Момент появления первого управляющего сигнала первой пары сигналов на выходе Ю синхронизатора 8 принимается за начало отсчета времени 0 . После появления первого сигнала первой пары управляющих сигналов на выходе 1О синхронизатора 8 дискретизаторы 1 и 2 осуществляют выборку мгновенных зна-чений. сигналов в момент времени . Поскольку для XC-t) и v/(tj работа пройсходит аналогично, далее рассмотрим только сигнал x(tj .

Полученное выборочное значение X (О)

посредством сумматора 3 суммируется с заданным весом tip с содержимым второго каскада сдвигового регистра 5 (в данном случае оно равно нулю, так

как перед началом анализа регистр был обнулен). Полученное значение суммы R(u)(|)(0) записывается в первый каскад регистра 5, содержимое которого (в данном случае нуль) переписывается

5 во второй каскад.

Через интервал времени v после первого сигнала на выходе 10 синхронизатора 8 появляется второй сигнал первой пары утфавляющих сигналов. Дискре0 тизатор I вырабатывает первое выборочное значение К v рполнительной периодическр выборки. Сумматор 3 получает .сумму X-}V(A)IQ Xfv) выбранного значения x(v) с заданным весом lip и

5 содержимого второго каскада регистра 5 (в данном случае нуль). Полученная сумма записывается в первый каскад регистра 5, из которого ранее полученная сумма () переписывается во второй каскад.

Через интервал времени X после первого сигнала первой пары управляющих сигналов на выходе Ю синхронизатора 8 появляется первый сигнал второй пары управляющих сигналов. Дискретиза тор I вырабатывает второе выборочное значение Х( Д), производится его взвешенное (с весом li ) суммирование со значением ((a) , содержащимся во втором каскаде регистра i, запись полученного

результата R,x( Я)(л)+Н(д)в

первый каскад регистра и переписьТ- СЛ из, первого каскада регистра во второй. Далее в момент времени по второму сигналу второй пары управляющих

сигналов на выходе Ю синхронизатора дискретизатор I производит выборку значения X ( Д v V) г которое с заданным весом hJJ суммируется со значением нием 1,у fд) . Полученное на выходе

50 сумматора 3 значение l:,j(A) (Д)-ь + hl.,(/J+V) записывается в первый каскад регистра 5, а его содержимое переписывается во второй каскад.

Указанные операции выполняются N

55 раз, в результате чего в первом каскаде регистра 5 будет значение суммы1| у( Д) а во втором каскаде - значение сум мы RNX(. Полученные значения Й..(д) Hj(fci) принимаются за действительную и мниму составляющие оценки преобразования Фурье исследуемого сигнала X(i| на участке Го,т Аналогично синхронно получаются R,( и (д), так что через N -t периодов парной выборки сигнала if(-t) во втором и первом каскадах регистра преобразователя 7 будут соаержаться значения RNV) и . После этого по управляющим сигналам с синхронизатора 8 значения Р(л) иЗi((д)пepeдaютcя -в преобразователь 7, где по сигналам с выхода 9 синхронизатора 8 производится их преобразование, необходимое для получения анализируемой спектральной характеристики. Например, если необходимо проанаь, лизировать на частоте значение спект ра мощности или энергии 1 (ш) сигнала X(i) |То в преобразователе 7 находитдя С , При анализе фазового спектра ф.,(из на частоте -f находится ф NX {lA). При анализе взаимных спектров Cxi/ ) сигналов X(-t) и v(tJB преобразователе 7 , находится опенка CMXVC - , Весовые коэффициенты 11,1; опреде-. ляются согласно требуемой весовой функции или из конструктивных соображений, например из условия наиболее дешевой реализации сумматора. Т.аким / образом, предлагаемый способ позволяет анализировать собствен. ные и взаимные спектральные характеристики детерминированных и случайных сигналов, значительно расширив возможности способа - прототипа и обеспечивея при этом уменьшение дисперсии оценок спектральных плотностей. Его реализация в технических устройствах позволит в несколько раз уменьшить объем оборудования и повысить быстродействие по сравнению с устройствами, основанными на использовании преобразования Фурье, в частности быстрого преобразования Фурье, за счет устранения умножителей и генераторов опорных гармонических сигналов и выбора cooiv ветствующего .значения коэффициента кратности К. Формула изобретения Способ анализа спектра сигна.пов, основанный на периодической выборке мгновенных значений исследуемого сигнала и весовом . суммированш задан-.- iного числа выбираемых значений при перестройке частоты анализа путем изменения периода выборки .отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа, производят дополнительную периодическую выборку мгновент ных значений исследуемого сигнала, с тем же периодом выборки, но сдвинутым по отношению к исходной выборке на отрезок времени, обратно пропорциональный учетверенной частоте анализа, раздельно суммируют с заданным весом полученные выборки, при этом период исходной и дополнительной выборок устанавливают кратным величине, обратно пропорциональной частоте анализа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Авторское свидетельство СССР № 253193, кл. &OIR 23/16, 1969.