Устройство для определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов Советский патент 1982 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к автомати ке и измерительной технике, в частности к устройствам для спектрального анализа квазипериодических сигналов, и найти применение при автоматизированных исследованиях сигналов, например, для определения частоты основного тона речевых сигналов.

Известны устройства для определения частоты следования первой гармоники квазипериодических сигналов, содержащие блок управления, фильтры, детекторы, порогсвые элементы, ключи tn.

Недостатком данных устройств является низкая достоверность из-за влияния шумов в исследуемом сигнале. Для уменьшения влияния шумов в данных устройствах необходимо использовать узкополоскые фильтры, что приводит к увеличению числа канахгов в устройствах и, следовательно к увеличению сложности устройств. Кроме того,- используемый в данных устройствах метод выбора канала, содержащего первую гармонику, основанный на сравнении уровней сигналов на выходах фильтров с некоторым заранее заданным порогом, в принципе дает недостоверные результаты при анализе

сигналов, в спектре которых уровень первой гармоники в ряде случаев меньше уровня высших гармоник, что имеет место для речевых сигналов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения частоты первой гармоники квазипериодических сигналов (выделитель основного тонс. речевых сигналов) с мутируемыми перестраиваемыми фильтрами, содержащее п фильтров, п--детекторов, п. пороговых элементов, блок управления ключами, блок управления фильтрами, частотомеры и клю15чи 21.

Недостатком известногс устройства является низкая достоверность определения частоты первой гар1моники исследуемого сигнала. Под достовернос20тью понимается вероятность правильности выбора канала, содержащего первую гармонику исследуемого сигнала. Главными факторами, приводящикш к ошибкам в работе устройства, являются изменение уровня исследуемого сигнала в процессе работы устройства, а также наличие низкочатотных шумов и высших гармоник сигнала. Устройство весьма критично к величине порогов,

30 устанавливаемых в пороговых эло енlax. Пороги опредег;Яются уровнями сигналов и шумов на выходах фильтро Цель изобретения - повышение дос товерности с-пределения частоты след вания периодов первой гармоники ква зипериодических .сигналов, при наличии в сигналах низкочастотных шумов и при изменении уровня сигналов в процессе работы устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство для определения ча тоты следования периода первой гармоники квазипериодических сигналов, содержащее п фильтров, п детекторов частотомер, блок управления фильтра ми и ключ, выход которого подключен к выходной шине и к первому входу блока управления фильтрс;ми, а информ ционный вход подключен к выходу част томера, вход которого подключен к . выходу первого фильтра и входу первого детектора, входы каждого i-ro из п детекторов () подключены к выходу соответствующего i-ro фильтра информационные входы п фильтров подключены к входной шине, а управляющи входы - к выходу блока управления фильтрами, введены сумматор и блок максимума, первый выход которого под ключен к управляющему входу ключа, второй выход - к второму входу блока управления фильтрами, первый вход блока максимума подключен к сумматора, а второй вход - к управляющим входам п фильтров и к выходу блока управления фильтров, :1-ый1 вход сумматора () подключен к выходу-i-ro детектора. На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 - спектры исследуемых квазипериодических сигналов; на фиг.4 - вид функции С (f), получаемой на выходе сумматора предлагаемого устройства при различном взаимном положении гармоник исследуемого сигнала и полос пропускания фильтров. Устройство (фиг.1) имеет вход и выход и содержит п фильтров 1-1,... l-i,..., 1-п, каждый из которых имеет информационный вход, управляющий вход и выход, частотомер 2, имеющий вход и выход, ключ 3, имеющий информационный вход, управляющий вход и выход, п детекторов 4-1,,.., 4-i,..., 4-п, каждый из которых имеет вход и выход, блок 5 управления фильтрами, имеющий два входа и выход сумматор б, имеющий п входов блок 7 максимума, имеющий два выхода и два входа. Информадионные входы всех п фильт ров 1-1,..., l-i,..., 1-п подсоединены ко входу устройства. Вход част томера 2 подсоединен к выходу фильт ра 1-1. Информационный вход ключа 3 подсоединен к выходу частотомера 2, выход ключа 3 подсоединен к выходу устройства. Вход i-ro () детектора 4-; подсоединен к выходу i-ro фильтра l-i. i-ый () вход сумматора 6 подсоединен к выходу i-ro детектора 4-1. Первый вход блока 7 максимума подсоединен к выходу сумматора 6, первый выход блока 7 максимума подсоединен к управляющему входу .ключа 3. Первый вход блока 5 управления фильтрами подсоединен к выходу устройства, второй вход ко второму выходу блока 7 максимума, выход блока 5 управления фильтрами подсоединен ко второму входу блока 7 максимума и к управляющим входам всех фильтров J- - f п f .f9Uff Предлагаемое устройство (фиг.1) является устройством для определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов, имеющий спектр вида (фиг.2 и 3), собранным на базе перестраиваемых узкополосных фильтров 1-1,.-.., 1-i,..., 1-п, резонансные частоты которых относятся как 1:2:...:i:i+1: 1, .. . :n Устройство работает следующим образом (фиг.1). Исследуемый квазипериодический сигнал S(t), имеющий спектр (фиг.2 или 3) и частотный диапазон fн-% подается на вход устройства, т.е. -на информационные входы всех п узкополосных перестраиваемых фильтров, 1-1,... l-i, ...,1-п, резонансные частоты которых относятся как 1: ...:i: ...:1-п. Фильтр 1-1 в исходном состоянии настроен таким образом, что в его полосу пропускания попадает нижняя граница возможных значений частоты первой гармони-, ки исследуемого сигнала. Сигналы с выходов всех фильтров детектируются соответствующими детекторами 4-1,..., 4-i,,.., 4-п л затем суммируются сумматором 6. Блок 7 максимума и блок 5 управления фильтрами имеет три такта работы. Па первом такте работы блок 5 управления фильтрами перестраивает фильтры 1-1, ..., l-i, ..., 1-п таким образом, чтобы резонансная частота первого фильтра прошла весь диапазон возможных значений первой гармоники исследуемого сигнала. Так как фильтры перестраиваются синхронно, то резонансная частота второго фильтра пройДет весь диапазон возможных значений частоты второй гармоники сигнала, резонансная частота третьего фильтра - диапазон возможных значений третьей гармоники и т.д. Функция C(fi), формирующаяся на выходе сумматора 6, имеет ряд максиг мов, один из которых является глобальным (фиг.4, д). Глобальный максимум функции свидетельствует о попадании п низших гармоник исследуемого сигнала в полосы пропускания соответствуюцих фильтров. Па первом такте раРоты блок 7 максимума определяет глобальный максимум функции C(f) и запоминает соответствующее ему значение синала управления фильтрами, т.е. значение резонансной частоты fj первого фильтра. На втором такте работы блок 7 максимума выдает в блок 5 управления фильтрами запомненное значение сигнала управления фильтрами, соотвествующее глобальному максимуму функции C(f). Блок 5 управления фильтрами на втором такте работы по данному сигналу настраивает фильтры 1-1,..., 1-i,..., 1-п на нужные частотные- диапазоны. Появление глобального максимума функции C(f-)) свидетельствует, в частности, о попадании первой гармоники исследуемого сигнала в полосу пропускания фильтра 1-1. Поэтому после настройки фильров на третьем такте работы блок 7 максимума на первый выход выдает управляющий сигнал, открывающий ключ 3, и сигнал с выхода частотомера 2 попадает на выход устройства. Блок 5 управления фильтрами на третьем такте работы по сигналам, поступающим на первый его вход с выхода устройства, управляет фильтрами в следящем режиме в течение времени определения частоты следования периодов первой гармоники исследуемого сигнала.

Таким образом, предлагаемое устроство по сравнению с известным имеет более высокую достоверность работы при исследовании сигналов, имеющих спектр (фиг.2 и 3),так как в основе работы предлагаемого устройства используется более достоверный критерий - глобальный максимум суммар-; ного уровня сигналов с выходом всех п фильтров. Местоположение глобального максимума не зависит от уровня и характера именения отдельных гармоник сигнала. В то же время логика работы известного устройства определяется уровнем сигнала с выхода одного фильтра, т.е. уровнем одной (первой) гармоники сигнала, что снижает достоверность известного устройства при наличии шумов в исследуемом сигнале или при изменении уроней отдельнвлх гармоник сигнала.

Достоверность работы известного и предлагаемого шестиканального устройства оценивается при исследовании сигнала, уровень первой гармоники которого в два раза меньше уровня второй гармоники, а, начиная со второй гармоники, спектр сигнала спадает на 6 дБ/ октаву, т.е. уровень последующей гармоники в 2 раза меньше уровня предидупсГ fтакую характеристику может , наиримор, речевой сигнал). Причем уровень шестой гармоники за 1 , тогда уровни первых шести гар14оник относятся как 8:16:8:4:2:1.

.Величина порога Un в пороговых элементах известного устройства равна 6. При изменении уровня гармоник исследуемого сигнала на 50% уровень первой гармоники изменяется от Uimin ДО U,. Если в процессе исследования сигнала его уровень из-иеняется по paвнo 1epнo распределен0ному закону, то вероятность Р появления уровня первой гармоники меньшего величины порога, определяемая по формуле Pi (Uj,-Uim,-r)/(U,) равна Рл(6-4)/(12-4) 0,25, т.е.

5 в 25% экспериментов известное устройство дает сбои, так как уровень первой гармоники меньше порога и к выходу устройства подключается канал, содержащий вторую гармонику сигнала

0 (минимальный Уровень второй гармоники равен 8, т.е. U-imin-Un).

При уменьшении величины порога на работу известного устройства начинают влиять низкочастотные шумы, имеющиеся в реальном сигнале.

5

Экспериментальный подбор оптимальной величины порогов и нормирование уровня исследуемого сигнала уменьшают количество сбоев известного устройства, но не устраняют их полнос0тью.

Устройство для определения частоты следования гармоники кназипсриодических сигналов работает следующим образом.

5

При поминальном уровне исследуемого сигнала в случае попадания первой гармоники сигнала в полосу пропускания второго фильтра (фиг.4, а и 4,6), значение функции С(}

0 (фиг.4,д) равно сумме уровней первых п/2 гармоник, т.е. C(fi)8-H6-b . При попадании первой гармоники сигнала в полосу пропускания первого фильтра (фиг. 4, а и 4, в) C(fi) равно суГ1ме первых шести гармоник,

5 т.е. C() 8+16-f8-b4+2 + l 39. В случае попадания второй гармоники в полосу пропускания первого фильтра (фиг.4,а и 4,г) С() содержит сумму шестичетных гармоник

0

Отсюда имеет неравенства fC(f;) C(f,)

|c(f;) C(f,); (1) показывающее, что C(f,) является глобальным максимумом функции C(fi).

5

Изменение уровней гармоник исследуемого сигнала равноценно умножению C(f)r C(fV), C(f) на один и тот же положительный коэффициент. При этом неравенства (1) сохраняют свою силу,

0 т.е. положение глобального максимума функции C(f) не меняется.

Предлагаемое устройство работает достоверно и не требует предварительного нормирования исследуемого

5 сигнала.

Формула изобретения

. Устройство для определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов, содеря ацее п. фильтров, п детекторов, частотомер, блок управления фильтрами и ключ, выход которого подключен к выходной шине и к первому, входу блока управления фильтрами, а информационный вход подключен к выходу частотомера, вход которого подключен к выходу первого фильт а и входу первого детектора, входы каждого 1-го из п детекторов () подключены к выходу соответствующего i-го фильтра, информационные входы п фильтров подключены к входной шине, а управляющие входы - к выходу блока управления фильтрами, о т личающ.ее ся тем, что, с

целью повышения достоверности определения частоты следования периодов первой гармоники квазипериодических сигналов, в него введены сумматор и блок максимума, первый выход которогр подключен к управляющему входу ключа, второй выход - к второму входу блока управления фильтрами, первый вход блока максимума подключен к выходу сумматора, а второй вход - к управляющим входам п фильтров и к выходу блока управления фильтрами, 1-ый вход сумматора () . подключен к выходу 1-го детектора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Сапожков Н.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. М., Связьиздат, 1963, с. 185-199.

2.Пирогов А.А. Вокодерная телефония. Связь, 1974, с. 113-139.

/ д

I I I

fi

Фиг.г.