Фазовый анализатор Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

(54) ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР

I Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для вычисления частоты и фазы широкополосных колебаний в реальном масштабе времени, в частности при анализе биотоков -мозга - электроэнцефалограм Известны анализаторы, используе мые для определения спектральных и амплитудных составляющих сигнала, в которых вычисление частоты и амплитуды колебаний сложной формы произво дится с использованием фильтров путем усреднения вычислений за конечные отрезки времени 1. Недостаток устройства заключается в невысокой точности анализа. Известен фазовый детектор, который содержит устройство для вычисле ния преобразования Гильберта в непр рывном аналоговом виде, осуществляю щем преобразование колебания вида S R-sin9 в колебание S R-cosS, два аналого-цифровых преобразовател колебаний, блоки логарифмирования анапизируемой и сопряженной выборок логарифмический сумматор и фазовый дискриминатор, причем оба аналогоцифровых преобразователя связаны с фазовым дискриминатором 2.Принципиальным недостатком указанного фазового детектора является то, что преобразование Гильберта, в непрерывном аналоговом виде возможно только для сравнительно узкополосных колебаний с соотношением верхней частоты UJB к нижней незначительно большим единицы. Кроме того, данный детектор осуществляет вычисление лишь совокупной фазы входного колебания и не предусматривает разделения отдельных составляющих частот широкополосного колебания. Цель изобретения - повышение точности анализа. Указанная цель достигается тем, что в фазовый анализатор, содержащий аналого-цифровой преобразователь и фазовый дискриминатор, дополнительно введены дискретный преобразователь Гильберта, вход которого соединён с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - со входом фазового дискриминатора, и блок управления, подключенный к преобразователю Гильберта, и последовательно соединенные частотный дискриминатор, интегратор и вычислитель, второй вход которого подключен ко второму выходу

частотного дискриминатора, а вход последнего - к выходу фазового дискриминатора.

Кроме того, дискретный преобразователь Гильберта выполнен в виде усройства сжатия, подключенных к его выходу буферного регистра сдвига и блока четных и нечетных выборок, последовательно соединенных периодичекого генератора коэффициентов и перемножителя, соединенных вторыми входами с блоком управления, а такж сумматора со сбросом, причем вход устройства сжатия соединен с выходо аналого-цифрового преобразователя, выход блока четных и нечетных выборок соединен со вторым входом перемножителя, выход которого подключен ко входу сумматора со сбросом, выхо последнего соединен с одним входом фазового дискриминатора, второй вход которого йоединен с выходом буферного регистра сдвига, а второй вход сумматора со сбросом,устройства сжатия и упомянутого блока буферного регистра - с выходами блока управления.

На чертеже представлена-блоксхема оптимального варианта фазового анализатора.

Предлагаемый фазовый анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, дискретный преобразователь 2 Гильберта, фазовый дискриминатор 3 и блок 4 управления. Дискретный преобразователь 2 Гильберта содержит устройство ,5 сжатия, блок 6 четных и нечетных выборок, буферный, регистр 7 сдвига, перемножитель 8, сумматор 9 со сбросом и периодический генератор 10 коэффициентов.

Анализатор работает следующим образом.

Анализируемое колебание поступае на вход аналого-цифрового преобразователя, осуществляющего преобразование непрерывного колебания в дискретный цифровой вид. Установленное за преобразователем 1 устройство 5 позволяет разместить 2п выборок из исходного колебания между двумя выборками. После устройства 5 сжатия выборки поступают в два канала, где формируются прямой и сопряженный сигналы. В канале сопряженного сигнала выборки с устройства 5 сжатия поступают в блок 6 четных и нечетных выборок, который может быть выполнен в виде логического элемента И, на второй вход которого подаются соответствующие управляющие импульс с блока управления 4. С выхода блок б сигнал поступает на перемножитель 8 и далее на сумматор 9, которые на интервале между двумя соседними выборками из входного колебания осуществляют операцию

(1)

I8ITV-7M)

которая является преобразованием Гильберта широкополосного колеба-ния. На перемножитель 8 с генератора 10 коэффициентов поступают также цифровые величины С JL ,

необходимые для вычисления сопряженных выборок в соответствии с выражением (1) .

В том, что.выражение (1) является

преобразованием Гильберта, нетруд-но убедиться, если, например, в качестве S выбрать cos ш mAt и взять пределы интегрирования от - со до +со В результате получим Sf sinuj niAt.

Конечные пределы интегрирования приводят к тому, что перед sin w mut появляется множитель

4 пsinuuiA t (2е+1) и S

jr 2Е+1

который означает, что амплитудная характеристика преобразователя Гильберта будет неравномерной в пределах полосы анализа. Можно показать что в пределах этой полосы неравномерность амплитудной характеристики будет не хуже 30%, если нижняя и верхняя частоты, определяются следующим образом

Т

,1

(4п-1) ,

г- 4НТЕ 4nit

причем полоса анализа да) - . 22lLi,

it 2п

Таким образом , приведенные оценки Q позволяют определить необходимый объем памяти для достижения заданной полосы анализа.

В канале прямого сигнала выборки , с устройства сжатия 5 поступают в буферный регистр 7 сдвига, на выходе которого формируются выборки, имеющие те же номера, что и выборки сопряженного сигнала. Прямые и сопряженные выборки с. выхода сумматора 9 и буферного регистра 7 поступают на вход фазового дискриминатора 3. Фазовый дискриминатор 3 осуществляет операцию

S. 1

(2)

4,- arctg

Si

то есть производит вычисление фазы анализируемого колебания.

Блок 4 управления вырабатывает

систему управляющих импульсов, обеспечивающих синхронную работу устройства 5 сжатия, буферного регистра 7 сдвига, блока б четных и нечетных выборок, периодического генератора

10 коэффициентов и перемножителя 8. Таким образом, широкополосный ди кретный преобразователь Гильберта совместно с фазовым дискриминатором позволяет получить зависимость непрерывной фазы широкополосного процесса от времени. Для получения чнформации из этой зависимости в ряде случаев необходимо провести дальней ший анализ. При исследовании таких например, широкополосных случайных процессов как биотоки мозга возникает необходимость в частотном разделении отдельных составляющих(ритмов колебаний), которые имеют сильно отличающиеся средние частоты и присутствуют в колебании одновремен но. Более того, амплитуды этих сос тавляющих сильно отличаются друг о друга. Для выделения основного тона (вы сок оамплитудной составляющей) и ра деления отдельных (низкоамплитудны составляющих дополнительного тона при анализе широкополосных сигнало с квазигармоническими включениями с различными средними частотами на выходе фазового дискриминатора установлены частотный дискриминатор 11, интегратор 12 и вычислитель 13 В этом случае сигнал в виде функци (2) с выхода фазового дискриминатора 3 поступает на вход частотного дискриминатора 11, который выполняет операцию .С выхода частотного дискриминатора сигнал в форме (3) поступает на выход интегратора 12 и первый .вход вычитателя 13. В интеграторе 12 про исходит усреднение сигнала и выделя ется частота основного тона fo,,-., которая поступает на выход анализатора. Для выделения частоты дополнительного тона f сигнал со второ го выхода интегратора 12 подается на второй вход вычитателя 13. Для иллюстрации эффективности реботы этого варианта анализатора рассмотрим ситуацию, когда во входном колебании содержатся две состав ляющие неизвестной частоты: одна с большой амплитудой, другая с малень кой (что имитирует ситуацию при анализе биотоков мозга;, когда два физиологических ритма присутствуют одновременно): S(t) А - cosuj..,t+AQ cosuJr2t, где АО. Фазовый дискриминатор вычисляет величину X -si + Аг SinuOot , , . nrr iff . { О) - uj.t+AiCOSajf t Разлагая последнее выражение в ряд Тейлора по степеням параметра с учетом первых двух членов раз ложения, получаем y(t)ai,,t -ь--cos - (и,.,) t После дифференцирования получаем мгновенную частоту CL(t):. г- ( -О, )Sin ijJf , Y: .( Из последующей фор1«1улы видно, что основной тон (частота foj-.) получается с помощью простого усреднителя (накопителя с нормировкой). После выделения основного тона можно путем вычитания его величины из (7) определить второе слагаемое (7), анализ которого .позволяет определить-частоту дополнительного тона (Яд у) . Таким образом, предлагаемое изобретение обладает рядом преимуществ перед известными техническими решениями, а именно тем, что оно позволяет выполнить фазочастотный анализ широкополосного случайного колебания в реальном масштабе времени, а также разделять по частоте квазигармонические составляющие, одновременно присутствующие в широкополосном колебании . Формула изобретения 1.Фазовый анализатор, содержащий аналого-цифровой преобразователь и фазовый дискриминатор, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения точности ансшиза, в него -дополнительно введены дискретный преобра.зователь Гильберта, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - со входом фазового дискриминатора, и блок управления, подключенный к преобразователю Гильберта, и последовательно соединенные частотный дискриминатор, интегратор и вычислитель, второй вход которого подключен ко второму выходу частотного дискриминатора, а вход последнего - к выходу фазового дискриминатора. 2.Анализатор по п. 1, о т л ичающийся тем, что дискретный преобразователь Гильберта выполнен в виде устройства сжатия, подключенных к его выходу буферного регистра сдвига и блока четных и нечетных выборок, последовательно соединенных периодического генератора коэффициентов и перемножителя, соединенных вторыми входами с блоком управления, а также сумматора со сбросом, причем вход устройства сжатия соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход блока четных и нечетных выборок соединен со вторым входом перемножителя, выход которого подключен ко входу сумматора со сбросом, выход последнего соединен с одним входом фазового дискриминатора.

второй вход которого соединен с выходом буферного регистра сдвига, а второй вход сумматора со сбросом, устройства сжатия и упомянутого блока буферного регистра - с выходами блока управления.

Источники .информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Патент Великобритании 1387078 кл. G 01 R, 1975.