Устройство для определения спектральной плотности случайного процесса по его корреляционной функции

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ 1 ТЕЛЬСТВУ оц 792168(22) Заявлено 041278 (21) 2696201/18-24с присоединением заявки Йо(23) ПриоритетОпубликовано 30,12,80,бюллетень МЯ 48Дата опубликования описания 30.1280 Р 1 М. К .з а О 1 Н 2 З/ОО Государственный комитет СССР но делам изобретений н открытий(7) Заявитель Изобретение относится к областиизмерительной техники, предназначенодля определения спектральной плотности мощности случайных процессовпо их корреляционным функциям и может быть использовано в радиотехнике,автоматике и в вычислительной технике при проведении спектральногоанализа случайных процессов и сигналов,Известно устройство для вычисленияспектральныхплотностей случайныхпроцессов по их корреляционным функциям 1,В этом устройстве входной случайный сигнал поступает на вход цепочки, содержащей последовательно соединенные входной фильтр, преобразо"ватель частоты, анализирующий фильтри накопитель, выход которого подключен к первому входу интегратора, квторому входу интегратора подсоединен первый выход генератора линейноизменяющегося напряжения, второйвыход генератора линейно-изменяющегося напряжения через периодическиперестраиваемый генератор подключен .к второму входу преобразователячастот ОДнако это устройство имеет.ряд недостатков, В нем при опреде- ЗО лении спектральной плотности исследуемого случайного сигнала не предусмотрена возможность определения граничных частот, в интервале которых следует определять спектральную плотность. Кроме того, в результате периодического переключения частоты перестраиваемого генератора возникают дополнительные методические и инструментальные погрешности при определении спектральной плотности исследуемого сигнала. Практическая реализация анализирующего фильтра с высокой избирательностью имеет существенные технические трудности, а отклонение частотной характеристики анализирующего фильтра от идеальной вызывает дополнительные погрешности при определении спектральной плотности исследуемого сигнала.Перечисленные недостатки рассмотренного устройства для спектрального анализа случайных сигналов показывают, что данное устройство не отвечает современным требованиям, предьявляемым к аппаратуре для спектрального анализа случайных сигналов.Наиболее близким к изобретению по технической сущности и "пособу(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА ПО ЕГО КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИреализации является устройство для определения спектральной плотности случайного процесса 2), которое состоит из блока, измеряющего значения корреляционной функции, соединенного с вычислительным блоком и блоком вычисления спектральной плотности, Реализацию случайного процесса подают на вход блока, измеряющего значения корреляционной функции; значения корреляционной функции поступают на вход вычислительного блока, где подсчитывают число гересечений корреляционной функцией нулевого уровня и затем определяют среднюю частоту случайного процесса, а по ней затем определяют минимальную и максимальную частоты случайного процесса, значения которых подают на управляющий вход блока вычисления спектральной плотности, на сигнальный вход которого поступают значения корреляционной функции, при этом минимальную частоту принимают за начальную, а максимальную за конечную частоты анализа и вычисление спектральной плотности случайного процесса ведут в указанной полосе частот,Основными недостатками этого устройства является то, что определение граничных частот спектра исследуемого процесса осуществляется ло приближенной эмпирической формуле, что в принципе не позволяет получить с требуемой точностью значения граничных частот исследуемого процесса, а следовательно, под сомнение ставится и достоверность определения самой спектральной плотности случайного процесса. Кроме того, данное, устройство не приспособлено для определения спектральных плотностей случайных процессов, корреляционные функции которых не пересекают оси абсцисс, так как в этом случае не могут быть определены граничные частоты спектра.Известные из теории случайных процессов соотношения для определения ширины спектра исследуемого процессагде Б(04 - спектральная плотность исследуемого случайного процесса;ЬО 3 - ширина спектра исследуемогпроцесса;ОЗ - частота,имеют определенные трудности при ап паратурной реализации, так как шири на спектра исследуемого процесса выражается непосредственно через спектральную плотность этого процесса5 О 55 6 О 65 5 10 15 2 О 25 ЗО 35 Цель изобретения - повышение точности и быстродействия получаемыхрезультатов спектрального анализа.Укаэанная цель достигается тем,что в устройство для определенияспектральной плотности случайногопроцесса по его корреляционной функции, содержащее блок преобразованияФурье и блок вычисления энергиикорреляционной функции, информационные входы которых объединены и являются входом устройства, а такжеблок вычисления энергии спектральнойплотности, вход которого соединенс выходом блока преобразования фурье,введены блок задания частоты и блоквычисления относительной погрешности, входы которого подключенысоответственно к первому выходу блока вычисления энергии корреляционнойфункции и к выходу блока вычисленияэнергии спектральной плотности, входы блока задания частоты соединенысоответственно со вторым выходомблока вычисления энергии корреляционной функции и с выходом блока вычисления относительной погрешности,выход блока задания частоты соединенс управляющим входом блока преобразования Фурье,Преимущества описываемого технического решения, составляющие положительный эффект, по сравнению с аналогами и прототипом, прежде всегосостоят в том, что, используя впроцессе вычисления спектральнойплотности случайного процесса балансэнергией корреляционной функциислучайного процесса и его спектральной плотности, т.е.Т Я)ф) дЪ= 5(Ф сО, (2)оо где КЯ - корреляционная функция случайного процесса;коэффициент связи междуэнергией корреляционнойфункции случайного процессаи энергией его спектральной плотности;Т и 2 - границы областей определения корреляционной функции случайногопроцесса и его спектральной плотности соответственно, можно максимально использовать информацию, содержащуюся. в заданной корреляционнойфункции исследуемого случайного процесса, и на ее основе найти граничную частоту, определяющую областьсуществования достоверных значенийспектральной плотности исследуемогослучайного процесса,На чертеже приведена блок-схемаустройства для определения спектральной плотности случайного процессапо его корреляционной функции,Устройство содержит блок 1 преобразования Фурье (блок вычисления(3) и одновременно, в первом приближении, определяют высшую граничную частоту 4 О спектральной плотности по формуле т 6цн" 1 Э т)(4),45 С выхода блока 3 вычисления энергии корреляционной функции значение Ю поступает на первый вход блока 2 задания частоты, где суммируется с приращением частоты ЬОЭ (следует отметить, что для первого приближения ЬЦ= О), и с его выхода подается на управляющий вход блока 1 преобразования Фурье, одновременно с второго выхода блока 3 вычисления энергии корреляционной функции значение Э (Т) поступает на первый вход блока 4 анализа. С входа блока 1 текущие значения спектральной плотности исследуемого процесса, определенные в интервале частот О +Ь), поступают на вход блока 5 . вычисления энергии спектральной плотности, на выходе которого формируется вигнал, пропорциональный энергии текущих значений спектраль 5 О 40 текущих значений спектральной плотности), сигнальный вход которогосоединен с входом устройства, управляющий вход - с входом блока 2 задания частоты, а выход - с выходомустройства; блок 3 вычисления энергиикорреляционной функции, вход которого соединен с входом устройства,а выход соответственно - с первымвходом блока 2 .задания частоты ипервым входом блока 4 вычисленияотносительной погрешности (блока 1 Оанализа), который осуществляет вычисление относительной погрешностивычисления спектральной плотностислучайного процесса и сравнение полученной относительной погрешности с15допустимой погрешностью, определяющей требуемую точность вычисленияспектральной плотности; блок 5 вычисления энергии спектральной плотности, вход которого соединен с выхо Одом блока 1 преобразования Фурье, авыход - с вторым входом блока 4,выход которого связан с вторым входом блока 2 задания частоты.Работает предлагаемое устройство 25следующим образом,Сигналы, пропорциональные значениям корреляционной функции исследуемого случайного процесса, одновременно поступают на сигнальный входблока 1 вычисления текущих значенийспектральной плотности и на входблока вычисления энергии корреляционной функциивычисляют величину,пропорциональную ее энергии Э(7)по формуле35тнОй плотности э 2(Оз) В соОтветствии с формулой2 . Э 2 М,)-ф 1,5Мсо, (5)о гдето =Ш+(М - верхний предел интегрирования;ЬОЗ - приращение частоты;ь=0,1,2,. " номер приближения,С выхода блока 5 вычисления энергии спектральной плотности сигнал, пропорциональный Э 2(Ы), поступает на второй вход блока 4 анализа, в котором организовано вычисление относительной погрешности вычисления спектральной плотности Х по формуле(б)Зт) и сравнение полученной относительной погрешности Б с допустимой по решностью вычисления спектральной плотности случайного процесса - д, при этом возможны два случаяУъ,дС выхода блока 4 анализа через блок 2 задания частоты на управляющий вход блока вычисления текущих значений спектральной плотности значения исследуемого сигнала заключены в интервале частот О -Юи определенном на первом приближении. Если ф фь) т,е, в определенном на данном приближении интервале частот 0 -ш;, заключены не все эффективные значения искомой спектральной плотности и диапазон частот определения спектральной плотности необходимо расширить, В этом случае с выхода блока 4 анализа на второй вход блока 2 задания частоты поступает сигнал, по которому в блоке задания частоты генерируется приращение частоты ьгО Это приращение частоты суммируется в блоке задания частоты с гран. чным значением частоты о 3, , определенным на предыдущем приближении, в результате чего на управляющий вход блока 1 вычисления текущих значений спектральной плотности поступает новое, скорректированное значение граничной частоты, расширяющее частотный диапазон работы блока вычисления Текущих значений спектральной плотности, Блок.5 вычисления энергии спектральной плотности определяет энергию текущих значений спектральной плотности в новом, расширенном диапазоне частот,В дальнейшем логика и последовательность работы блоков устройства, за исключением блока 3 вычисления энергии корреляционной функции,который в процессе определения эффективных значений спектральной плотности исследуемого процесса вклюЗаказ 10146/44 Тираж 1019 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, 3-35, Раушская наб д, 4/5филиал ППП Патент, г, Ужгород,:ул, Проектная, 4 чается в работу один раз на первомприближении, циклически повторяетсядо тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность вычисленияспектральной плотности исследуемогопроцесса,Описанное устройство для определения спектральнойплотности случаййого процесса в отличие от известныхустройств аналогичного назначенияпозволяет за счет более полногоиспользования информации, содержащейся в исходной корреляционнойфункции исследуемого случайного процесса, автоматизировать процесс определения граничных частот спектрального анализа, не налагая при этомкаких-либо ограничений на характери параметры исходных корреляционныхфункций.Используемый в процессе спектрального анализа и определения граничныхчастот, в диапазоне которых заключены эффективные значения искомойспектральной плотности исследуемогослучайного процесса, быстросходящийся баланс энергией позволяет также на 25-30 сократить аппаратурноевремя спектрального анализа и получить практически предельную теоретическую точность оценки максимального правдоподобия при определенииспектральной плотности исследуемогорроцесса,Формула изобретенияУстройство для определения спектральной плотности случайного процесса по его корреляционной функции,содержащее блок преобразования Фурьеи блок вычисления энергии корреляционной функции, информационные входы которых объединены и являютсявходом устройства, блок вычисленияэнергии спектральной плотности, входкоторого соединен с выходом блокапреобразования Фурье, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия,в устройство введен блок заданиячастоты и блок вычисления относительной погрешности, входы которого под-ключены соответственно к первомувыходу блока вычисления энергии кор 15 реляционной функции и к выходу блока вычисления энергии спектральнойплотности, входы блока заданиячастоты соединены соответственносо вторым выходом блока вычисленияЩ энергии корреляционной функций и свыходом блока вычисления относительной погрешности, выход блока задания частоты соединен с управляющимвходом блока преобразования Фурье,25 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Воллериер Н,Ф, Аппаратурныйспектральный анализ сигналов, М., ЗО Сов, радио, 1977, с, 90-130,2, Авторское свидетельство СССР9 463930, кл, 6 01 В 23/16, 1973