SU734740A1 - Аналого-дискретный анализатор спектра - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к области специализированных средств вычислительной техника, предназначенной дл  автоматиза ции исследовани  случайных электрических сигналов и гфин ти  решений по полу ченным оценкам веро тностных хлрактеристик , например в акустике, радиофизике , технической диагностике и др. Современные научные и технические эксперименты, в которых отсутствует или мала априорна  информаци  о классе сигналов , подвергаемых обработке, часто провод тс  в услови х, при которых требуетс  высока  скорость получени  результатов измерений при высокой точнск ти оценки характеристик каждого из клас сов входных сигналов. Аппаратурное решение задачи анализа спектра с указанными требовани ми может производитьс  как автоматическими цифровыми так и аналого-дискретными, анализаторами, использующими алгоритмы дискретного преобразовани  Фурье (ДПФ) дл  обработки непосредственно ВХОДНОГО случайного сигнала или предварительно вычисленной кс рел$щионной функции. При том дл  обеспечени  высокой точности вычислений спектра различных классов сигналов производ т предварительное временное сглаживание сигнала , т. е. умножение (в арифметическом устройстве) сигнала на.весовую функцию определенного класса, или производ т частотное сглаживание - результат вычислений умножают на частотное OKHOI выборочные значени  которого хран тс  в табличной (посто нной) пам ти 1. По основному авт. св. № 4335О5 известен многоканальный аналого-диск- . ретный анализатор, имеющий простую (по сравнению с цифровыми) процедуру синтеза рйда Фурье, описывающего различные оценки усеченного спектра. Получение ансамбл  оценок усеченного спектра достигаетс  благодар  тому, что к последовательно соединенным многоканальному коррел тору, блоку переключателей и блоку возбуждаемых контуров включен р д канальных сумматоров, при .чем первый вход каждого из последующих сумматоров соединен с -выходом пре;дыду1цего , а вторые входы подключены к выходам соответствующих канальных возбуждаемых контуров, все сумматоры обьединены в блок суммировани . Такое вьтолнение устройства позвол ет за один цикл измерений наиболее быстрым способом получить несколько оценок спектра, одновременно суммиру  в р де сумматоров колебани  с выходов р да канальных контуров, благодар  чему каждый из полученных результатов эквивалентен одной из оценок спектра с заданной точкой усечени  весовой функцииГ/. Недостатками указанного анализатора  вл ютс  ограничени , накладываемые на класс обрабатываемых сигналов. Априори должен быть известен класс сиг- нала с монотонным спектоом, гладким (шумоподобные сигналы), либо со спектром , содержащим периодические компоненты с небольшим отношением амплитуд, так как при пр моугольной весовой функции, используемой при анализе, первый боковой лепесток имеет уровень только - 13,2 дБ от основного, что при вело бы к значительным погрешност м вьиислений других классов сигналов. Незнание ожидаемого интервала коррекции приводит ко второму типу погрешностей спектра из-за вли ни  хвостов коррел ционной функции (ординат не несущих инфсрмации) на оценку спектра. Выбор требуемой оценки спектра из ансамбл  производитс  вручную, ориентировочно . Цель изобретени  - повышение точности и расширение класса исследуемых прсцессов. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в анализатор введены четьфе коммутатора , лини  задержки, блок управлени  и блок прин ти  решений, первый вход соединен со входом анализатора спектра, а второй с первым выходом блока управлени , второй выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первым выходом блока прин тир решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соот- вегственно второго и третьего коммутаторов , выходы второго третьего и четвер того коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходовоГЬ сумм матора, группа информационных входов первого коммутатора соединена с соответствующими выходами блока суммировани 7 а вькод первого коммутатора подключен ко второму входу второго комму- raTqaa и ко входу линии задержки, перва  группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора, втора  группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информа- ционньк входов четвертого коммутатора. Кроме того, блок прин ти  решений содержит измеритель интервала коррел ции , первый и второй входы которого  вл ютс  соответственно первым и вторым входами блока прин ти  решений, первый и второй выходы измерител  интервала v. коррел ции подключены соответственно через первьй и второй счетчик к первому и второму дешифратору, выход первого дешифратора  вл етс  первым выходом блока прин ти  решени , второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и выходами второго деши4ратора. На фиг. 1 приведена блок-схема описываемого анализатора спектра; на фиг. 2 - выбор точек усечени  коррел ционных функций и.результаты сглаживани  одного из спектров двум  типами спектраль- ных окон. Схема анализатора спектра содержит многоканальный коррел тор 1, выходы через блок 2 переключателей , соединены с блоком 3 возбуждаемых контуров 4, выходы которых соединены со входами блока 5 суммировани , содержащего канальные сумматоры 6, первые входы каждого из последующих сумматоров 6 соединены с выходом предыдущего, а вторые -входы  вл ютс  входами блока 5 суммировани ; блок 7 прин ти  решений содержащий подключенный ко входу Анализатора спектра измеритель 8 интервала коррел ции, последовательно к первому выходу которого подключены первьй счетчик 9 и первый дешифратор 1О, ко второму выходу последовательно подключены второй счетчик 92 и второй дешифратор 11, к выходам канальных сумматоров б подключены входы первого коммутатора 12, общий выход которого .  вл етс  первым выходом анализатора спектра и .соединен со вторым коммутатором 13 и линией 14 задержки, перва  группа выходов которой соединена с третьим коммутатором 15, втора  группа выходов с четвертым коммутатором 57 16, а каждый , например, из двух выходов второго, третьего и четвертого коммутаторов 13, 15 и 16 соединен через соответствующие весовые элементы 17 на каждом из входов многовходового сум матора 18 .сглаженного спектра со входом усилител  19, выход которого  вл етс  выходом сумматора 18 сглаженного спектра и вторым выходом анализа тора спектра, при этом первый управл ющий вход первого коммутатора 12 поаключен к выходу первбго дешифратора 10, второй управл ющий вход к первому выходу устройства 20 управлени , управ л ющие входы второго, третьего и четвертого коммутаторов 13, 15 и 16 под ключены к соответствующим выходам второго дешифратора 11, а управл ющий вход измерител  8. интервала коррекл ции - ко второму выходу блока 20 упра лени . При аппаратурном анализе спектра не обходимо предприн ть меры дл  автоматизации задани  условий минимизации составл$пощих методической погрешности оценки спектра (J 5 () . внос т наиболее существенный вклад в суммарную погрешность измерений {со держащую также статистическую и аппаратурные составл ющие). В случае использовани  сглаживающей функции V р СС-) -ф 1, в общем виде методическа  погрешность может быть определена из следующего выражени  дл  оценки спектра S(2jRC-t)h(-c)-c dxрр Н(плг)УЛд() Н(пдт:)ЬрСплс)с.,+ 1-1 (nuc)Tbo(nu-c)-h (гчлт:)|сЛ -i S({))}.()}, (1) л, - идеальна  сглаживаю .ща  функци , т. е. corvласованна  с классом входных .сигналов; lip- реальна , используема  в аппаратуре, сглаживающа  функци ; 0 базисна  функци  (Cfi coskttiutr ); оценка коррел ционной функции сигнала X (t). Отсюда следует, при априори нензсигналов x{t) оценка , вестном классе спектра S (i) может иметь существенные погрешностн:(; лч - погрешность на Фурье - преобразовани  некоррелированных ординат R ( корр Ь которые могут быть большой величины (фиг.2а}; Sff - погрешность от несоответстви  сглажиЁающей функции tip (С) классу сигнала . Минимизаци  этих составл ющих погрешностей может быть осуществлена при введении следующих трех циклов преобразований и задани  параметров алгоритма ( 1 ): измерение интервала коррел ционной функции; задание точки усечени  tn и Фурье-преобразование ()n..(0; , Сглаживание усеченной оценки ш 5п f) функцией Ь„() В анализаторе спектра эти преобразовани  осуществл ютс  следующим образом. Перед началом работы все блоки анализатора установлены в исходное состо ние , переключатели 2 и ключи комк утато- ров разомкнуты. Исследуемый электрический сигнал x(-t) подаетс  на вход коррел тора 1, в котором формируютс  . оценки ординат коррел ционной функции К (ИдТ), и одновременно на вход блока 7 прин ти  решений дл  измерени  интервала коррел ции Т -т-ДГи формирова . ни  в соответствии с этим управл ющих команд дл  коммутаторов. Измерение Сц.орр измерителе 8 интервала коррел ции, с накоплением pefзультата измерени  в счетчиках 9 к 9 2 , производитс  с учетом заранее за- данной допустимой погрешности S , т. е. накладьтаютс  требовани  на число степеней свободы Л) результата измерени  при заданных длительности сигнала TC н коэффициенте сглаживани  d д/ С й(2) с .учетом известных соотношений V.f opv to гран 2Q л jueHHM погрешность измерений спектра в зависимости от ожидаемой ширины спектра (количества ординат спектра ) н типа сглаживающей функции. ((з) Таким образом, использование пр моугольной весовой функции, имеющей наименьший коэффициент сглаживани  ,5, требует проведени  после окончани  Фурье-преобразовани  дополнитель ных операций сглаживани  спектра дл  уменьшени  погрешности Sf . При окончании 1 цикла преобразований в первом счетчике 9, с кэрмирован код, характеризующий величинуП р , а во счетчике 9 код, характери зующий значение 1/2С, которые подаютс  на первый деши4ратс Ю и второй дешифратор 1.1 дл  формировани  соответствующих команд на выходе блока 7 прин ти  решений. Анализатор подг товлен дл  осуществлени  Фурье-преобра зовани . Второй этап - Фурье - преобразование коррел ционной функции производитс  по команде от устройства 2О управлени . Переключатели 2 одновременно замьпсаютс , подключа  все входы блока 3 возбуждаемых контуров к канальны выходам коррел тора 1, при этом конту ры 4 одновременно возбуждаютс  и на входы блока 5 суммировани  поступает р д колебаний, образу  на выходе каждо го из канальных cyMMaTqjoB 6 определенную частичную сумму, пропорциональ ную (женке усеченного спектра (при p vi 1 ).На выходе hi -го ключа первого кo татора 12 имеем S(f).2.u-C -L R(n&C)h(nu-t:jl, (4 Л X COS

Згот результат через первый выход анализатора спектра подаетс  на регистрацию (внешними устройствами) или в последующие цепи анализатора дл  высокоселективного сглаживани  ( цикл 3).

Одно из решений задачи анализа спектра - получение высокой разрешающей спос.обности по частоте й обеспечиваетс  командой от блока 2О управ ленн , по11анной от его первого выхода: ко второму управл ющему входу комму ( i

(5)

.)На выходе усилител  19 из этих грех слагаемых образуетс  сигнал, пропорциональный сглаженному спектру § V. )i как коэффициенты О , определ ют степень сглаживани  усеченно го спектра, т. е. аппроксимируют определенное спектральное окно Н () с небольшим уровнем боковых лепестков татсра 12. Блокируетс  команда от первого дешифратора 10 и вместо ключа in включаетс  ключ ( N-1), пропуска  на выход коммутатора 12 оценку спектра . Ьр (i), сформированную от всех ординат к (), через первый выход анализатора выводитс  спектр с Л f 1/2С .Далее происходит сглаживание получейной усеченной оценки спектра и задание параметров алгоритма (1) дл  обеспечени  минимальной методической погрешности осуществл етс  следующей последовательностью работы устройства . От блока 20 управлени  на управл5пощий вход коммутатора 12 подаетс  команда, разрешающа  прохождение кода от выхода дешифратора Ю через первый управл ющий вход коммутатора 12, открываетс  ключ, соответствующий спектру Г ,; где ). Фурье-преобразование б осуществл етс  аналогично циклу (1), но выходной сигнал с блока 5 суммировани  поступает через открытый ключ Hi первого коммутатора 12 на входы второго коммутатора 13 и линии 14 задежки к первой и второй группе выходов, к которой соответственно подключены входы третьего коммутатора 15 и четвертого KOMK-iyraTopa 16, по одному из ключей в которых открыты командными сиг-налами от второго дешифратора 11 блока 7 прин ти  решений. Подключенные к выходам второго коммутатора 13, третьего коммутатора 15 и четвертого коммутатора 16 соответствующие весовые элементы 17 имеют значени , пропорциональные коэффициентам , благодар  чему усеченньй спектр S п () поступа  в сумматор 18 сглаженного спектра подвергаетс  следующему преобразованию S(i) 0 - на 20-30 дБ меньшим, чем при пр моугольной време шой функции F r.((i Вследствие этой процедуры из циклов преобразований возможен анализ спектра болеэ широкого класса входных сигналов и обеспечиваетс  автоматическое изменение точки усечени  временной фуйкции с последующим частотным сгла живанием спектра таким спектральным окном, в достаточной степени согласовано с классом входного сигнала . . Благодар  этому не решаема  аналитически задача обеспечивани  условий минимизации относительной среднеквадра тической погрешности ГБМ)(И naVn (б) S()H(t) состо щей из смещени и дисперсии и оценок спектра, решаетс  аппаратурными средствами быстро и с небольшими затратами дополнительного оборудова ни . Таким образом, в отличие от известных автоматических анализаторов спектра в предложенном анализатс е удаетс  управл ть точкой усечени  при вьгаолнении Фурье-преобразовани . мула изобретен 1. Аналого-дискретный анализатор, спектра по авт. св. № 4335О5, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  класса исследуемых процессов, в анализатор спектра введены четьре коммутатора, лини  задержки, блок управлени , многовходовой сумматор и блок прин ти  решений , первый вход которого соединен СО входом анализатора спектра, а второй с первым вых,одом блока управлени , втсрой выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первьпи выходом блока прин ти  решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соответственно BTqporo и третьего коммутаторов, выходы второго , третьего и четвертого коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходового сумматс а, группа информационных входов первого коммутатора соединена соответствующими выходами блока суммировани , а выход первого коммутатора подключен ко второму входу второго коммутатора и ко входу линии задержки, перва  группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора , втора  группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информационных входов четвертого коммутатора. 2. Устройство по п. 1 отличающеес  тем, что блок прин ти  решений содержит измеритель интервала коррел ции, первый и втqэoй входы которого  вл ютс  соответственно первым и вторым входами блока прин ти  решений, первый и втфой выходы измерител  интервала ксфрел ции подключены соответственно через первый и второй счетчики к первому и второму дешифратору, выход первого деши4ратора  вл етс  первым выходом блока прин ти  решени , второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами второго деши |ратора. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 455293, кл. Q 01 R 23/00, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 433505, кл. Q 06 Q 7/52, 1972.

Фиг. 4

,R (m-uf)

, К()

2

А 1

..

л

jU

m

Л-

:т

Vr/y/ /

V

(fw.2

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Аналого-дискретный анализатор, спектра по авт. св. № 433505, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения класса исследуемых процессов, в анализатор спектра введены четыре коммутатора, линия задержки, блок управления, многовходовой сумматор и блок принятия решений, первый вход которого соединен со входом анализатора спектра, а второй с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, второй вход которого соединен с первым выходом блока принятия решений, второй и третий выходы которого подключены к первым входам соответственно второго и третьего коммутаторов, выходы второго, третьего и четвертого коммутаторов соединены с соответствующими входами многовходового сумматора, группа информационных входов первого коммутатора соединена соответствующими выходами блока суммирования, а выход первого коммутатора подключен ко второму входу второго коммутатора и ко входу линии задержки, первая группа выходов которой соединена соответственно с группой информационных входов третьего коммутатора, вторая группа выходов линии задержки подключена соответственно к группе информационньЕХ входов четвертого коммутатора.
2. 2. Устройство по π. 1 отличающееся тем, что блок принятия решений содержит измеритель интервала корреляции, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами блока принятия решений, первый и второй выходы измерителя интервала корреляции подключены соответственно через первый и второй счетчики к первому и второму дешифратору, выход первого дешифратора является первым выходом блока принятия решения, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами второго дешифратора.