SU1718139A1 - Устройство дл анализа спектра случайных процессов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к аппаратурному спектральному анализу случайных процессов . Устройство содержит N каналов анализа, каждый из которых состоит из трехвходового сумматора 1, анализирующего фильтра 2, измерител  3 дисперсии и индикатора 4, а также N-входовой сумматор 5 и инвертор 6. За счет введени  блоков 1,5 и 6 достигаетс  уменьшение нестабильности формировани  АЧХ, что повышает точность анализа спектра. 2 ил.

Description

W

Ј

%

0Н

Ч 00

U О

Фиг.1

Изобретение относитс  к области аппаратурного спектрального анализа случайных процессов различного физического происхождени , например вибрационного, акустического и т.д., после предварительного преобразовани  известными методами в случайный электрический сигнал.

Известны устройства аппаратурного спектрального анализа, использующие метод линейной фильтрации, основанный на разбиении исходного широкополосного Случайного сигнала на р д узкополосных случайных сигналов и измерении энергии сигнала в каждой узкой полосе.

В устройстве при последовательном анализе используетс  один узкополосный анализирующий фильтр, перестраиваемый в диапазоне частот измер емого энергетического спектра.

В результате измерени  и усреднени  полученного результата по полосе пропускани  анализирующего фильтра на выходе измерител  дисперсии получают одну оценку измер емого энергетического спектра. Получаема  таким образом оценка измер емого спектра обладает погрешностью смещени . Кроме того, недостатком последовательного метода анализа  вл етс  большое врем  анализа, особенно дл  измерени  спектра широкополосных сигналов .

Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство, содержащее N параллельных каналов анализа, каждый из которых состоит из последовательно соединенных узкополосного анализирующего фильтра и измерител  дисперсии, к выходу которого подключен индикатор.

Однако в данном устройстве теоретически невозможно получить коэффициент пр моугольное™ анализирующих фильтров, равный единице, так как это приводит к бесконечным фазовым сдвигам, а, значит, и времени измерени . Соответственно реально ошибка смещени  определ етс  не только шириной полосы пропускани  анализирующего фильтра, но и его конечным затуханием вне полосы анализа. При значительных величинах второй производной измер емого спектра эта погрешность может быть доминирующей.

Цель изобретени  - повышение точности анализа без усложнени  устройства за счет увеличени  затухани  за пределами полосы пропускани  анализирующих фильтров .

Цель достигаетс  тем, что исходный сигнал разбивают на N узкополосных сигналов, измер ют дисперсию, при этом до разбиени  суммируют входной случайный сигнал с

сигналом, полученным после фильтровани  и вспомогательным сигналом, а дл  получени  вспомогательного сигнала все N процессов после фильтрации суммируют и

инвертируют.

В устройство, реализующее предложенный способ, содержащее N параллельных каналов анализа, в каждом из которых последовательно включены анализирующий

0 фильтр, измеритель и индикатор, дополнительно введены последовательно включенные N-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа трехвходовый сумматор , выход которого подключен к входу ана5 лизирующего фильтра, первый из входов - к выходу анализирующего фильтра, второй - к общему входу устройства, а третий - к выходу инвертора, при этом входы N-входо- вого сумматора подключены к выходам ана0 лизирующих фильтров.

В известном техническом решении преследуютс  аналогичные цели - увеличение конечного затухани  фильтров за пределами полосы пропускани . Это решаетс  с по5 мощью матрицы N х N дополнительных фильтров, включенных после анализирующих фильтров. Коэффициенты передачи матричных фильтров должны иметь точно рассчитанные как амплитудные, так и фазо0 вые значени .

В отличие от известного предлагаемое изобретение использует принцип суммировани  в каждом канале входного, вспомогательного и отфильтрованного

5 узкополосного сигналов.

Вспомогательный сигнал формируетс  из суммы всех отфильтрованных узкополосных сигналов путем инвертировани .

Недостатком известного технического

0 решени   вл етс  больша  нестабильность формируемых эквивалентных АЧХ каналов анализа, привод щих, к неприемлемым погрешност м .

Формирование любой АЧХ канала ана5 лиза производитс  путем суммировани  N сигналов, прошедших 2N-1 фильтров (N основных и N-1 матричных). При этом операци  суммировани  будет проводитьс  дл  увеличени  конечного затухани  за преде0 лами полосы пропускани , т.е. это будет вычитание .

Именно большое количество М-1) операций вычитаний,  вл ющихс  единственными операци ми, когда погрешность

5 выходной величины может на пор дки превышать погрешности входных, проводимых с сигналами, прошедшими большое (2N-1) число частотозависимых, а значит очень нестабильных блоков, приводит к значительным погрешност м.

В предлагаемом изобретении отсутствует матрица дополнительных фильтров и в операции формировани  участвует всего N фильтров, т.е. в N+1 раз меньше, что наивыгоднейшим образом сказываетс  на ста- бильности АЧХ, а значит и ошибках всего формировани  в целом.

Таким образом, введение операций суммировани  при разбиении отфильтрованного узкополосного и вспомогательного сигналов с формированием вспомогательного сигнала из суммы всех отфильтрован- ных узкополосным инвертированием позвол ет говорить о наличии существенных отличий. Новый принцип работы осно- ван на оригинальной схеме включени , а не на матрице из N N дополнительных фильтров . Уменьшение нестабильности формировани  АЧХ говорит о увеличении точности анализа спектра без усложнени  применен- ных фильтров.

На фиг. 1 представлена функциональна  схема устройства; на фиг. 2 - квадраты модулей передачи л-го канала анализа Кп {ft) за вл емого устройства и фильтра с обыкновенным резонансным видом АЧХ

Ап2НУстройство состоит из N каналов анализа , каждый из которых содержит последовательно включенные 3-входовой сумматор 1, анализирующий фильтр 2, измеритель 3 и индикатор 4.

Первый вход 3-входового сумматора 1 подключен к выходу анализирующего филь- тра, а вторые входы всех 3-входовых сумма- торов t подключены к входу устройства.

К выходу анализирующего фильтра 2 всех N каналов анализа подключены входы N-входового сумматора 5, выход которого подключен к входу инвертора 6. Выход ин- вертора 6 подключен к третьему входу 3- входового сумматора в каждом из N каналов анализа.. . :

Устройство работает следующим обра- зом (рассмотрим дл  примера первый канал анализа).

Сигнал с анализируемым спектром подаетс  сразу на вторые входы 3-входовых сумматоров 1 всех N каналов анализа, по- ступа  затем на анализирующий фильтр 2. На выходе анализирующего фильтра 2 спектр анализируемого сигнала можно най- ти, умножив исходный на квадрат модул  коэффициента передачи АЧХ. Из-за конеч- ной величины затухани  за п-ределами полосы пропускани  здесь будут присутствовать составл ющие, лежащие в районах частот анализа других каналов.

Этот сигнал вновь подаетс  на 3-входо- вый сумматор 1, на первый вход непосредственно , а на третий - в составе вспомогательного сигнала.

Однако, учитыва , что в цепи формировани  вспомогательного сигнала последовательно включенные N-входовой сумматор 5 и инвертор 6, производитс  инвертирование , то в 3-входовом сумматоре 1 происходит полна  компенсаци  собственно отфильтрованного узкопрлосного сигнала.

Таким образом, сигнал с выхода анализирующего фильтра 2 поступает со вспомогательным сигналом на третьи входы 3-входовых сумматоров Т остальных каналов . На выходе анализирующего фильтра 2 каждого из них выдел етс  узкополосный сигнал, который через N-входовой сумматор 5 и инвертор 6 поступает в первый канал анализа и за счет произошедшего инвертировани  скомпенсирует соответствующую часть узкополосногосигнала после анализирующего фильтра 2.

Эквивалентный квадрат модул  коэффициента передачи канала анализа с входа устройства на выход анализирующего фильтра 2 приобретает нули, а его общий вид станет аналогичен изображенному на фиг. 2. После измерени  дисперсии в блоке 3 оценка спектра индицируетс  в блоке 4.

Качественные изменени  квадрата модул  передачи можно подтвердить строгим математическим расчетом. Получим в общем виде

( . ,„, о)

ii-(ffl)iii:s,

Конкретный вид зависит от вида АЧХ примененных канальных фильтров 2 (в формуле(1) это член Ап(ш), однако достаточно легко сделать общие замечани  относительно поведени  Кп(со) на частотной оси).

Исходным представл етс  вид АП(У) типа стандартной резонансной кривой с максимумом на частоте ом, равным единице и спадающим при удалении от этой частоты.

Общий избирательный характер К.п(ш) определ ет член Ап(ш) в числителе формулы

0).

На всех частотах о) а)т (т 1 N)

станет равен единице один из коэффициентов передачи канальных формирующих фильтров Am(w), а это значит, что станет равен нулю знаменатель одного из слагаемых, сто щих под знаком суммы в знаменателе формулы (1).

Это приведет к тому, что одно из слагаемых станет равно бесконечности, а значит в целом Кп(й) равен нулю. Таким образом, на

всех других частотах (Ют, кроме частоты сап , коэффициент Кп(ю) будет равен нулю.

Сложнее дело обстоит . В этом случае станет равно нулю содержимое операций в первых квадратных скобках знаменател . В результате перемножени  этого значени  на содержимое вторых квадратных скобок равными нулю станут все слагаемые , кроме случа  m п, когда произойдет сокращение с аналогичным членом в знаменателе под знаком суммы/Общий знаменатель формулы (1) будет равен An(ft), a Knftu) равен единице.

Таким образом, учитыва  избирательный характер Кп(й)), нулевое значение на частотах О) (От и единичное значение на частоте со (On, получаем коэффициент передачи п-го анализирующего канала, приведенного на фиг. 2.

Дл  бо ее полного сравнени  с обычной резонансной характеристикой учтем вли ние хвостов по следующей методике определени  ошибки

00

Ok

/ Kn2O)dw Wpn

ОА

/ Kn2(w)du

(tin oo

/ An2(ft)do)

.COpn

00

/ An2(ftj)d(W «п

где (Ор.п - среднегеометрическа  частота между (On и ftjvM

(.УоД, 0)n+1 )

При непосредственном расчете зададимс  такой полосой пропускани , чтобы на среднегеометрической частоте (Орп между двум  частотами анализа квадрат модул  передачи был равен 0,5 обоих анализируюк& ),-л5м

ШП-1 Мпн ЫШ2 Фиг.2

0

5

0

щих фильтров. Это рекомендуемый равно- добротный метод.

Расчет проводилс  на ЭВМ и дал следующие результаты: ОА 0,4;ок 0,2.

Видно, что за пределами полосы пропускани  предлагаемого изобретени  находитс  двадцать процентов интегральной площади анализирующего фильтра, в то врем , как у известного устройства - сорок процентов, т.е. в два раза больше, хот  исходные фильтрующие схемы построени  идентичны.

Техническа  реализаци  не представл ет трудностей. Анализирующие фильтры 2 реализованы,на ИС284СС1, сумматоры 1 и 5, инверторы б и измерители 3 - на операционных усилител х серии 140.

Схемотехника блоков стандартна. Это позвол ет говорить о доступности конкретного выполнени , а реализаци  предлагаемого изобретени  позвол ет снизить погрешность измерени  спектра случайных процессов.

Фор м у л а и з о б р е т е н и   Устройство дл  анализа спектра случайных процессов, содержащее N параллельных каналов анализа, в каждом из которых последовательно включены анализирующий фильтр, измеритель дисперсии и инди-- катор, о т л и ч а ю щ е е с   тем, что, с целью повышени  точности, введены последовательно включенные N-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа - трех

входовой сумматор, выход которого подключен к входу анализирующего фильтра, первый из входов- к выходу анализирующего фильтра, второй - к общему входу устройства , а третий - к выходу инвертора, при

этом входы N-входового сумматора подключены к выходам анализирующих фильтров всех каналов,

К(ы)

Claims (1)

1. Фор мул а и з о б ретен и я

   Устройство для анализа спектра случайных процессов, содержащее N параллельных каналов анализа, в каждом из которых последовательно включены анализирующий фильтр, измеритель дисперсии и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, введены последовательно включенные N-входовой сумматор и инвертор, а в каждый канал анализа - трехвходовой сумматор, выход которого подключен к входу анализирующего фильтра, первый из входов - к выходу анализирующего фильтра, второй - к общему входу устройства, а третий - к выходу инвертора, при θτοινί входы N-входового сумматора подключены к выходам анализирующих фильтров всех каналов,