Анализатор спектра случайныхпРОцЕССОВ Советский патент 1981 года по МПК G01R23/00 

Анализатор спектра случайных процессов относится к специализированны средствам измерительно-вычислительно техники, предназначенным для исследования частотых свойств случайных электрических сигналов, характеризующих, например, биологические структуры в медицинских экспериментах или технические объекты промышленности. Анализ ряда ортогональных составляющих спектраможет производиться аппаратурой с использованием или одн из модификаций дискретного преобразования Фурье СДПФ) - с разложением сигнала в ряд Фурье (при использовании тригонометрических базисных функ ций) или с использованием разложения в ряд Уолша-Фурье (при использовании кусочно-постоянных базисных функций Уолша, простых для генерирорания и умножения) . Известен цифровой спектроанализатор Г1, содержащий аигшого-цифровой преобразователь, через переключатель последовательно соединенный с арифметическим устройством (умножитель с усреднителем) и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), выход которого соединен с вторым входом .арифметического устройства, а к второму входу умножителя подключен выход блока формирования базисных функций Достоянное запоминающее устройство-ПЗУ) , причем выходы устройства управления соединены с адресными входами оперативного ЗУ и ПЗУ. Недостаток такого анализатора: равный шаг между ординатами спектра обеспечивает высокую точность и раз- . решающую способность, но приводит к значительной избыточности информации при кусочно-монотонных спектрах или при наличии монотонных (гладких) участков спектра. Известен также цифровой анализатор спектра случайных процессов 12, содержавши аналого-цифровой преобразователь, к выходу которого подключены последовательно соединенные умножитель, усреднитель, ОЗУ, к второ- му входу умножителя подключен выход генератора базисных функций, а к второму входу усреднителя и к второму входу второго сумматора подключен выход оперативного запоминающего устройства, адресный вход которого соединен с выходом устройствауправления. Для повьаиения быстродействия анализатора к его входу подключено буферное запрлтнающее устройство,соединенное с входом пер1зого сумматора, а первый вход второго сумматора соединен с выходом умножителя. Такой анализатор имеет недостатки возникаюш,ие из-за постоянного шага между ординатами спектра (шага дискретизации спектра): информационная избыточность в результатах измерения, что также приводит к различной погрешности восстановления спектра на различных его участках; небольшой диапазон-частот при заданном количестве ячеек ПЗУ и ОЗУ. Этот цифровой анализатор спектра является наиболее близким по технической сущности к изобретению. Целью изобретения является расшире ние частотного диапазона анализа. Поставленная цель достигается тем что в анализатор спектра случайных процессов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом анализатора, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которогоподклю чен к выходу генератора базисных функций, выход блока умножения соединен с первым входом первого блока усреднения, второй вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти, первый вход которого подключен к выходу первого блока усреднения, введены блок анализа, второй блок усреднения, блок памяти аргумента, накапливающий сумматор, блок управления и преобразователь кода во временной интервал, вход которого объединен с входом генератора базисных функций и подключен к выходу накапливающего cyt iMaTOpa, а выход соединен с управляющим входо аналого-цифрового преобразователя, с входом блока управления и с управляю щим входом накапливающего сумматора информационный вход которого объединен с информационным входом блока памяти аргумента и подключен к выхо ду второго блока усреднения,первый и в рой входы которого подключены соответственно к выходам блока анализа и блока памяти аргумента, адресный вход которого объединен с адресным входом блока оперативной памяти и подключен к выходу блока управления выход блока оперативной памяти соединен с входом блока анализа. Блок анализа содержит два блока ключей, последовательно соединенные блок вы бора максимума и блок деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока ключей, регист числа и блок вычитания, первый гход которого объединен с входом регистр числа и блока выбора максимума и яв ляется входом блока анализа, второ вход блока вычитания подключен к выходу регистра числа , а выход со единен с информационным входом втор го блока ключей, управляющие входы блоков ключей соединены с выходом блока задания зоны не чувствительности, выходы первого и второго блоков ключей соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения , выход которого является выходом блока анализа. Блок управления содержит счетчик выборок, вход которого объединен с первым входом формирователя тактовых импульсов и является входом блока управления, второй и третий входы формирователя тактовых импульсов подключены соответственно к выходу тактового генератора и к первому входу счетчика выборок, а выход соединен с первым входом счетчика ординат, второй вход которого подключён к второму выходу счетчика выборок, разрядные выходы счетчика ординат подключены к соответствующим входам дешифратора, выход которого является выходом блока управления. На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого анализатора на фиг .2(а,б, в) - иллюстрация принципа принятия решения, т.е. выработки корректирующего воздействия и конечный результат расположения спектра; на фиг.З функциональная схема блока управления. Анализатор спектра случайных процессов содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 1, блок умножения 2, блок 3 усреднения и блок 4 оперативной памяти СБОП), выход которого соединен с вторым входом блока 3, к вто;рому входу блока 2 подключен генера тор 5 базисных функций, а адресный вход блока 4 соединен с выходом блока 6 управления. В анализаторе используется второй блок 7 усреднения, включенный между выходом и входом блока 8 памяти аргумента 8, накапливающий сумматор 9, входом соединенный с выходом блока 7, а выходом - с входами генератора 5 и преобразователя 10 кода во временной интервал, выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 1, накапливающего сумматора 9 и блока 6 управления, выход которого подключен к адресному входу блока .8 памяти аргумента. При этом между выходом БОП 4 и вторым -входом блока 7 включен блок 11 ганализа, который содержит блок 12 выбора максимума, к выходу которого подключены последовательно соединенные блок 13 деления, а также блок 14 задания зоны нечувствительности (БЗЗН), регистр 15 числа, блок 16 вычитания, первый блок 17 ключей, второй блок 18 ключей, выходы которых соединены с соответствующими входамиблока 19 сравнения. В блоке управления использован формирователь 20 так товых импульсов, счетчик 21 выборок. счетчик 22 ординат, дешифратор 23 и тактовый генератор 24. Первый вход блока 18 соединен с выходом блока 16 а вторые входы блоков 17 и 18 соединены с выходом БЗЗН 14, пр-ичем выход регистра 15 соединен с вторым входом блока 16, а выход блока 19 является выходом блока 11 анализа. Анализатор спектра работает следу ющим образом. По команде от преобразователя 10 аналого-цифровой преобразователь 1 осуществляет выборки из исследуемого случайного процесса и преобразует их в код (X(iut) , который подается на первый вход блока 2. Одновременно на второй вход блока 2 от генератор 5 базисных функций подаются выборки базисных функций. Результаты перемножения усредняются и хранятся в кол це, образованном блоком 3 и блоком ,4, вследствие чего в кольце производится синхронное накопление или накопление по индексу,.описываемое выражением ПгЯ, )-со5(21г|-Е::д д). Полученные таким образом оценки орди.чат спектра после преобразований каждой очередной выборки сигнала посту пают на блок 11 анализа, в котором производится определение действительной погрешности восстановления по заданной восстанавливающей функции, ее сравнение с заданной погрешностью восстановления и выработка корректи рующего воздействия в соответствии с результатом сравнения каждых двух соседних ординат спектра. Эти преобразования осуществляются следующим образом. С выхода блока 11 анализа ординаты спектра поступают в блок 12 выбора макс мума, с выхода которого максимальное значение ординаты спектра подается в блок 13 деления, в котором формируется абсолютное значение погрешности восстановления, например, в соответствии с выражением ()| imax. , где отц - относительная погрешность восстановления, заданная, как коэффициент деления в блоке 13 деления. Одновременно ординаты спектра пос тупают на.входы регистра 15 числа и блока 16 вычитания, на выходе которо го формируются разности между каждыми, двумя соседними ординатами спек тра, являющиеся действительной погреш ностью вoccтaнoвлeния6a, : (fJ-(fK.,)l. () : Действительная и згщаиная погрешность восстановления через блоки ключей 17 поступают на входы блока 19 сравнения. В зависимости от заданной величины зоны нечувствительности Л (установленной в блоке 14 задания зоны нечувствительности) при помощи блоков 17 и 18 регулируется разрядность сравниваемых кодов, например gsK 0,0000111111111111 6j 0,0000111111110111 Д 1,1111111111110000. (За) В этом случае на входы блока 19 поступаиот следующие коды: 0,0000111111110000 (36) j 0,0000111111110000 При указанных значениях кодов блок 19 зафиксирует их равенство и на выходе блока не будет сформировано корректирующее воздействие (фиг.2в, 9 0). Если в следующем цикле обработки сигнала будут сформированы коды(36. не равные, то блок 19 вырабатывает корректирующее воздействи.е на изменение величины аргумента соответству:яцих ординат (фиг.2в, 9 +1 или -1) Это изменение осуществляется до того момента,когда коды (Зб) вновь будут равны. Причем зона нечувствительности определяется количеством неучитываемых разрядов с учетом веса младшего разряда. В результате этих преобразований, в зависимости от знака корректирующего воздействия 9, изменяется содержимое блока 7 (приращение аргумента между соседними ординатами)- добавляется +1 или -1 или О . В накапливающем сумматоре 9 из приращений аргумента формируется полное значение аргумента, который определяет частоту выборки базисных функций из генератора 5 базисных функций и преобразованный в интервал времени на преобразователе 10 кода 10 регулирует частоту выборки аналогоцифрового преобразователя 1. После полного цикла обработки очередной выборки преобразователь .10 кода производит следующую выборку, сброс накапливающего сумматора 9 и дает команду блоку 6 управления на начало нового цикла управления блоком 4 оперативной памяти и блоком 8 памяти аргумента.. В процесс вычитания оценки спектра происходит адаптивное регулирование приращений аргумента д между соседкими ординатами спектра.Процесс регулировки закончится тогда, когда во всем диапазоне изменения аргумента (диапазоне частот анализа) действиельная и заданная погрешности востановления с учетом зоны нечувствиejjbHOCTH будут равны, чт;о иллюстриуется на фиг. 2 в (9 0) . Причем блок 14 задания зоны нечувствительности ожет быть выполнен в виде переклюателя, формирующего нужный код. образом, введение в анализаор .дополнительных блоков (относительно прототипа) позволяет реализо вать новые операции преобразования сжатия определенных .участков оси аргумента в зависимости от крутизны спектральной характеристики (фиг.2б) Причем эти преобразования осуществля ются в ритме поступления о случайном процессе,т.е. в реальном масштабе вр мени. Благодаря такой процедуре обеспечивается одинаковая погрешнос измерений каждой ординаты спектра. Использование предложенной. изме рительной процедуры целесообразно в следующих случаях: при заданном диапазоне частот анализа обеспечивается минимальное количество измepяe lыx ординат спек тра, вследствие чего исключается избыточность информации для последующих систем обработки; при заданном количестве ординат спектра (ячеек ОЗУ) обеспечивается более широкий диапазон частот анализа - в 2-10 раз, в зависимости от класса исследуемого сигнала. Следовательно, совокупный технико-экономический эффект от предлага емого анализатора спектра является существенным, а техническое решение - перспективным. Формула изобретения 1. Ан.злизатор спектра случайных процессов, содержащий аналого-цифро вой преобразователь, вход которого является входом анализатора, а выхо соединен с первым входом блока умно жения , второй вход которого подклю чен к выходу генератора базисных функций, выход блока умножения соед нен с первым входом первого блока усреднения, второй вход которого по ключен к выходу блока оперативной памяти, первый вход которого подклю чен к выходу блока усреднения, от личающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в анализатор спектра введены блок анализа, второй блок усреднения, блок памяти аргумента, накапли вающий сумматор, блок управления и преобразователь кода во временной интервал, вход которого объединен с входом генератора базисных функций и подключен к выходу накапливающего сумматора, а выход соединен с упра ляющим входом аналого-цифрового пре образователя , с входом блока управления и с управляющим входом накапливающего сумматора, информаци онный вход которого объединен с-информационным входом блока памяти аргумента и подключен к выходу второго блока усреднения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам блока анализа и блока памяти аргумента, адресныр вход которого объединен с адресным входом блока оперативной памяти и подключен к выходу блока управления ,выход блока оперативной памяти соединен с входом блока ангшиза. 2.Анализатор по п.1, отличающийся тем, что блок анализа содержит регистр числа, блок вычитания, два блока ключей, блок задания зоны нечувствительности и последовательно соединенные блок выбора, максимума и блок деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока ключей, первый вход блока вычитания объединен с вхцдом регистра числа- и блока выбора максимума и является входом блока анализа, второй вход блока вычитания подключен к выходу регистра числа, а выход соединен с информационным входом второго блока ключей, управляющие входы блоков ключей соединены с выходом блока задания заны нечувствительности, выходы первого и второго блоков ключей соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, выход которого является выходом блока анализа. 1 и 2., 3.Анализатор по пп. личающийся тем, что управления содержит счетчик ординат, тактовый генератор, формирователь дешифратор, счеттактовых импульсов, которого объедичик выборок, вход формирователя нен с первым входом тактовых импульсов и является входом блока управления, второй и третий входы формирователя тактовых импульсов подключены соответственно к выходу тактового генератора и к первомувыходу счетчика выборок, а выход соединен с nepBbiii входом счетчика ординат, второй вход которого подключен ко второму выходу счетчика выборок, разрядные выходу счетчика ординат подключены к соответствующим входам дешифратора, выход которого является выходом блока управления. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 455293, кл. С 01 Р 23/00, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 537349, кл. С 06 Р 25/39, 1975 (прототип) .

$(f)

iMt., .

),,)

J