Способ спектрального анализа сигналов

"рррр ц 1г,; тн ОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВ ВТОВСНОМУ(21) 4223656/24-21 (22) 07,04.87 (46) 07,04,89. Бюл, (72) А,А,Плавильщик (53) 621.317,44(088 (56) Бендат Дж Пи ние корреляционного 13 в 8)сол А. Применеи спектрального1983, с.81-82,ализа, - М.: Мир,иг,2 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ И(54) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗАСИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к измерительной технике, к области измеренияхарактеристик импульсных случайныхсигналов, Цель изобретения - повышение точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектомГиббсаи некратностью длительностисигнала и времени анализа его отдельной секции. Способ спектрального анализа сигналов заключается в том,что в процессе разбивки сигнала на сек ции каждую секцию ограничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направлении, при этом длительность секции выбирают равной . ближайшей меньшей величине по отношению к времени анализа секции, измеря" ют длительность секции и определяют коэффициент коррекции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющих оценки спектральной плотности мощности секции. Устройство, реализующее.способ, состоит из двухканального измерительного магнитофона 1 временного селектора 2, двухканального осциллографа 3, спектрального ана- Я лизатора 4, измерителя 5 отношения .фн,рф временных интервалов, блока 6 вычис- в на ления, 2 ил.го окна, основанного на анализе переходов сигнала через нуль, При этом указанное окно ограничивается моментами перехода импульсного Вибрационного сигнала (ИВС) через нуль в одном и том же направлении таким образом, чтобы его длительность являлась ближайшей меньшей величиной по отношению к времени анализа секции. Так передний фронт окна Б 1 (фиг,2) формируется в момент времени Со начала ИВС а его задний фронт - в моментперехода ИВС через нуль в том же направлении и ближайший к моменту1 окончания анализа секции М 1 Для обеспечения смежности секций передний фронт окна Б 2 формируется в момент времени Е,.Задний фронт окна И 2 формируется в момент Сперехода ИВС через нуль в том же направлении и ближайший к моментуокончания анализа сек 2ции М 2, Остальные окна формируются аналогичным образом, В результате применения адаптивного секционирования на каждом -м этапе анализа на вход анализатора в течение времени Тпоступает секция КВС, имеющая нулевые значения на концах и в течение оставшегося времени (Т,1-Т с;). Такими образом уменьшается погрешность анализа, обусловленная эффектом Гиббса.Получение оценки СПК отдельной секции связано с использованием оператора усреднения Р, который при обработке сигнала в аналоговой форме представляет собой оператор интегрирования с нормированием по Т:Р= - -1(1)ТПри обработке сигнала в цифровой форме оператор Р представляет собойоператор суммирования с нормированиемпо И:йР1(2)Бгде Ю - объем выборки сигнала,При аппаратурном анализе величина Т принимает Фиксированное значение, равное времени анализа анализатора Тд В сВЯзи с этим В тех случаях, когда Т ,1 Тд(ТС,(Т, ), оценки СПМ получаются заниженньми, так как нормирование осуществляется не поТс в а по Т, Для исключения этой погрешности необходимо нормирование по Т Однако в процессе анализаэто требование физически нереализуеИзобретение относится к измерителЬной технике, в частности к областиизмерения характеристик импульсньйслучайных сигналов.5Одной из наиболее широко используемых характеристик случайного сигнала является его спектральная плотность мощности (СПМ). В исследовательской практике часто возникает задача 10измерения СПМ,не только стационарных,но и импульсных случайных сигналов,Такая задача возникает, например,приисследовании вибрации механизмов,работающих в импульсном режиме, а также различных механизмов в режиме ихпуска или остановки.Цель изобретения - повышение точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектом Гиб ,бса и некратностью длительности сиг"нала и времени анализа его отдельнойсекции.На фиг.1 представлена диаграммаразбиения сигнала на секции согласноспособу спектрального анализа; наФиг,2 - блок-схема устройства, реализующего способ.Способ спектрального анализа сигналов заключается в том, что сигналразбивают на смежные секции путемумножения на прямоугольное временноеокно, определяют в течение фиксированного времени анализа оценку СПМ для каждой секции и усредняют оценки 35 СПМ секций для получения оценки СПМ сигнала, причем в,процессе разбивки сигнала на секции каждую секцию огра- ничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направ ленин, при этом длительность секции выбирают равной ближайшей меньшей величине поотношению к времени анализа секции, измеряют длительность секции и определяют коэффициент коррек ции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющих оценки СПМ секциие 50Рассмотрим подробнее способ спектрального анализа. Обычное секционирование приводит к разрывам функции Я(й)э описывающей сигнал. В способе, иллюстрируемом на фиг,1, использует-55 ся секционирование сигнала, исключающее указанные разрывы; Это Обеспечивается в результате формирования адап;ивного прямоугольного временно 147114635 мо, так как величина Т,; является неизвестной априори. Кроме того, величина Тможет принимать бесчисленноемножество значений, в то время как5анализатор может иметь ограниченныйряд фиксированных значений временианализа Тд,Уменьшение указанной погрешностиобеспечивается соответствующей коррекцией результатов анализа. Указанная коррекция заключается в умножении значений спектральных составляющих оценки СПМ 1.-й секции на коэффициент коррекции К;. Коэффициент коррекции К,. определяется в результатеизяерения длительности -й секции Т,и деления на эту величинс временианализа секции ТК;= (3)20ТИз (1) и (3) видно, что применение указанной коррекции эквивалентнонормированию по Т,в операторе усреднения Р при определении оценки 25СПМ,Указанная коррекция автоматическиисключает также погрешность, обусловленную некратностью длительности ИВСи времени анализа отдельной секцииТя, Это обеспечивается за счет того,что при определении оценки СПМ последней, укороченной секции ИВС нормирование в операторе усреднения осуществляется с учетом длительностипоследней,Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из двухканального измерительного магнитофона 1, временного селектора 2, двухканального 40осциллографа 3, спектрального анализа 4, измерителя 5 отношения временных интервалов и блока 6 вычислений.Первый и второй входы устройствасоединены соответственно с первым и 45вторым входами магнитофона 1, первыйвыход которого подключен к первымвходам селектора 2 и осциллографа 3,второй вход которого соединен с первым выходом селектора 2 и первым50входом анализатора 4, второй выходмагнитофона 1 подключен к второмувходу селектора 2, второй выход которого соединен с вторым входом анализатора 4 и первым входом измерителя 5, второй вход которого подключенк первому выходу анализатора 4,вто. рой выход которого соединен с первымвходом блока 6, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу измерителя 5 и выходу устройства,Исследуемый ИВС поступает с первого входа устройства на первый вход магнитофона 1 и далее по первому каналу записывается на магнитную ленту,склеенную в бесконечную петлю, С второго входа устройства на второй входмагнитофона 1 поступает импульсныйсигнал синхронизации, который записывается на магнитную ленту по второму каналу. После записи сигналов магнитофон переводится в режим воспроизведения, При этом на первый и второй выходы магнитофона 1 периодически поступают соответственно исследуемый ИВС и импульс синхронизации. Указанные сигналы поступают далее на первый и второй входы селектора 2, который реализует оператор секционирования ИВС,Селектор 2 в течение определенного времени - временного окна подключает к своему первому выходу сигнал со своего первого входаа в остальное время - нулевой потенциал, В результате этого на первый выход селектора 2 поступает соответствующая часть ИВС, Кроме того на э тором выходе селектора . 2 формируется прямоугольный импульс с временными параметрами, идентичными параметрам вре" менного окна, Параметры временногоокна (длитель нос ть и задержка о тносительно импульса синхронизации, поступающего на второй вход селектора 2),программируются оператором.,При этом указанные параметры выоираются таким образом, чтобы секпии ИВС были смежными и ограничивались моментамиперехода ИВС через нуль в одном и том же направлении а их длительность была ближайшей меньшей величиной по отношению к времени ачализа Т, Так на первом этапе анализа привыделении первой секции задержка временного окна выбирается такой, чтобы начало секции совпало с моментом начала ИВС(фиг,1) а длительность временного окна выбирается равной Т.С На втором этапе анализа при выделении второй секции, задержка временного окна увеличивается на величину Т (фиг,1), а длительность временного окна выбирается равной Т. При выдедении остальных секций ИВС параметры временных окон выбираются аналогич50 где С 55 5 147114 ным образом (фиг,1), Контроль процедуры секционирования осуществляется по экрану двухлучевого осциллографа 3 на первый, вход которого ИВС по 95 дается полностью, а на второй вход подается только его отдельная секция. Каждая секция ИВС последовательно вводится в спектральный анализатор 4, Запуск анализатора 4 осуществляется ,передним фронтом импульса с второго выхода селектора 2, т,е. в момент начала вводимой секции ИВС . В течение времени анализа Т анализатор 4 опре. - деляет оценку СПМ вводимой секции ИВС . Значения спектральных составляющих оценки выдаются в цифровой форме на второй выход анализатора 4 и далее на первый вход блока 6 вычислений. На первом выходе анализатора 4 форми О .руется прямоугольный импульс с длительностью, равной Т, который поступает на второй вход измерителя 5, с второго выхода селектора 2 поступает прямоугольный импульс с длительностью,25 равной длительности анализируемой . секции ИВС. Измеритель 5 определяет частное от деления временного интер" вала, поступающего на его второй вход, на временной интервал, поступающий 30 на его первый вход, т.е. определяеткод коэффициента коррекции значений СПМ анализируемой секции. Результат измерения в цифровой форме с выхода измерителя 5 поступает на второй35 вход блока 6, В качестве блока 6 могут быть использованы специализированный процессор, микроЭВМ или другие средства вычислительной техники. Блок б выполняет коррекцию значений СПМ анализируемой секции путем умножения их на соответствующий коэффици- ент коррекции. Кроме того, блок 6 выполняет усреднение оценок СПМ отдельных секций, определяя текущую ус редненную оценку СПМ в соответствии с рекурсивным алгоритмом вида(4) 1,1 1,1 значение 1-й спектральнойсоставляющей текущейсредней оценки СПМзначение 1-й спектральнойсоставляющей усредненнойоценки СПМ при усреднении оценок 1-1) секций 6 6С ; - значение 1-й спектральнойсоставляющей оценки СПМ1-й секции ИВС;х=1,п- текущее значение номерасекции ИВС,Значения текущей усредненной оценки СПМ в цифровой форме поступаютна выход блока 6 и далее на выходустройства. Полученные данные могутбыть поданы на графопостроитель, цифропечатающее устройство, графическийдисплей и другие средства отображения измерительной информации,Предлагаемый способ обеспечиваетположительнный эффект, заключающийсяв повышении точности анализа за счетуменьшения погрешностей., вызванныхэффектом Гиббса и некратностью длительности ИВС и времени анализа егоотдельной секции. Предлагаемый способ является эффективным не толькопри анализе импульсных сигналов илисигналов конечной длительности (переходных процессов); применение этогоспособа является целесообразным ипри анализе непрерывных сигналов,так как и в этом случае повышаетсяточность анализа за счет уменьшенияпогрешности, вызыванной эффектомГиббса,формула изобретения Способ спектрального анализа сигналов, заключающийся в том, что сигнал разбивают на смежные секции путем умножения на прямоугольное временное окно, определяют в течение фиксированного времени анализа оценку спектральной плотности мощности для каждой оценки и усредняют оценки спектральной плотности мощности сек- ции для получения оценки спектральной плотности мощности сигнала, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектом Гиббса и некратностью, длительности сигнала и времени анализа его отдельной секции, в процессе разбивки сигнала на секции каждую секцию ограничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направлении, при этом длитель. ность секции выбирают равной ближайшей меньшей величине по отношению к времени анализа секции, измеряют длительность секции и определяют коэф1471146 фициент коррекции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющихоценки спектральной плотности мощности секции. Составитель В.Смолиактор Е.Папп Техред Л.Олийнык Корректор Э.Лончакова 605/4 ак раж 11 одписное комитета по изобретенияМосква, Ж, Раушская м тк наб.,издательский комбинат "Патент", г. Ужгород оизводстве Гагарина,101 осударственно 11303иям при ГКНТ СС 5