Способ спектрального анализа с линейным предсказанием

(я)5 6 01 й 23/16 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Нижегородский политехнический институт(72) В,В.Савченко, Д,Ю.Акатьев и Г.В,Ерма(53) 621.317.757(088,8)58) Авторское свидетельство СССРВ 1275315, кл. О 01 й 23/16, 1986.(54) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА С ЛИНЕЙНЫМ ПРЕДСКАЗАНИЕМ (57) Изобретение относися к радиоизмерительной технике и может быть использовано для анализа энергетического спектра вусловияк малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности оценки спектра, Способ заключается в том, что аналоговый сигнал преобразуют в цифровую форму, результат запоминают и одновременно определяют дисперсию на входе, производят й итеративных вычислений, при этом каждая и-я Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для анализа энергетического спектра в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов.Цель изобретения - повышение точности оценки спектра по ограниченной выборке.На чертеже представлена структурная схема анализатора спектра с линейным предсказанием, реализующего способ. Ж 1691770 А 1 итерация включает вычисление ошибок прямого и обратного предсказания, коэффициентов частной корреляции, дисперсии и коэффициентов линейного предсказания.Фурье-преобразование производят на каждой итерации, получая квадраты амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказаний Кп Щ от первого до й-го включительно, после чего проводят ряд пошаговых вычислений массовых коэффициентов по приведенной формуле. Затем полученные весовые коэффициенты умйожают на соответствующие квадраты передаточных функций фильтров предсказания, суммируют эти произведения и производят оценку спектра по обратной функци результата суммирования. Благодаря испольэова-, 3 нию дополнительной информации об анализируемом процессе отбрасывается из рассмотрения множество реализаций оценки спектра, имеющих недопустимые отклонения от истинного спектра, вследствие чего обеспечивается повышение точности оценки спектра при огран;ченном времени анализа. 1 ил.О Анализатор спектра с линейным предсказанием содержит входной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, выход которого соединен с первыми входами элементов ИЛИ 2 и 3, выходы которых соединены с информационными входами блоков 4 и 5 памяти. Выходы блоков 4 и 5 памяти соединены с первым и вторым входами решетча гого фильтра 6 предсказания, а с третьим входом - выход вычислителя 7 частных корреляций. Выходы решетчатого фильтра 6 соединены с вторыми входами элементовИЛИ 2 и 3, 1 и 2-м входами вычислителя 7 частных корреляций. Выходы измерителя 8 дисперсии и квадратора 9 подключены к соответствующим входам блока 10 рекурсий, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока 11 формирования микрокоманд, к соответствующим выходам которого подключены управляющие входы решетчатого фильтра б.Первый выход блока 10 соединен с информационным входом Фурье-преобразователя 12. выход которого подключен через квадратор 13 к информационному входу блока 14 памяти, управляющий и адресные входы которого подключены к соответствующим выходам блока 11. Выход блока 14 соединен с входом блока 15 взвешивания и первым входом вычислителя 16 массовых коэффициентов. Блок 15 взвешивания может быть выполнен на стандартных микросхемах - умножителях. Второй выход блока 10 рекурсий подключен к информационному входу блока памяти, управляющий и адресный входы которого соединены с соответствующими выходами блока 11. Выход блока 17 соединен с вторым входом вычислителя 16, выход последнего подключен к второму входу блока 15 взвешивания, выход которого соединен с вторым входом сумматора 18. Выход сумматора 18 соединен с информационным входом блока 19 памяти, управляющие и адресный входы которого соединены с соответствующими выходами блока 11 формирования микрокоманд. Выход блока 19 памяти подключен к первому входу сумматора 18 и информационному входу блока 20 обращения, выход которого соединен с третьим входом вычислителя 16 массовых коэффициентов. Блок 20 обращения может быть выполненз стандартных микросхемах - постоянных запоминающих устройствах.Анализатор спектра, реализующий способ, работает следующим образом,В исходном состоянии в блоке 11 формирования микрокоманд установлены начальные условия. Предварительно в блоке 10 рекурсий в регистр постоянно записан коэффициент аоо = 1,На первом этапе работы на вход анализатора подается исследуемый сигнал, а в блоке 11 на первом выходе вырабатывается тактовый сигнал, который поступает на управляющий вход АЦП 1. Полученный ряд отсчетов поступает через элементы ИЛИ 2 и 3 на информационные входы (В) соответствующих блоков 4 и 5 памяти. Одновременно с третьего выхода блока 11 поступают импульсы разрешения записи на соответствующие входы блоков 4 и 5. На синхровходы5 10 15 20 25 тров предсказания от 1-го до М-го порядков 30 35 40 45 50 55 и адресные входы последних поступают лмпульсы - микрокоманды с 4 и 5-го выходов блока 11. Блок 11 может быть выполнен на стандартных электронных элемента по известной схеме последовательного:оединения синхрогенератора, счетчика и постоянного запоминающего устройства, в котором записаны коды микрокоманд,Одновременно отсчеты сигнала с выхода АЦП 1 подаются в измеритель 8 дисперсии, в котором определяется дисперсия входного сигнала. Измеритель 8 может быть выполнен по схеме последовательного соединения квадратора и накапливающего сумматора, С второо входа блока 11 подается сигнал на управляющий вход измерителя 8, с выхода которого сигнал дисперсии поступает на первый вход блока 10 рекурсий.На втором этапе осуществляют итеративное вычисление коэффициентов личейного предсказания аде (и = 1,К - порядокфильтра, т - О, й - номер коэффициента вфильтре п-го порядка) и по ним определяютамплитудно-частотные характеристики фильвключительно, При этом каждая п-я итерация содержит четыре шага вычислений: фильтрацию ошибок линейного предсказания в решетчатом фильтре 6, вычисление коэффициента частной корреляции в вычислителе 7, определение кода линейного предсказания в блоке 10 рекурсий и вычисление амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказания в Фурье-преобразователе 12, На первой итерации (п = 1) последовательность отсчетов Х , записанную в блоки 4 и 5 памяти, считают соответственно последовательностью ошибок линейного предсказания "вперед" 1 о =: Х(1) и последовательностью ошибок линейного предсказания "назад" Ьо =. Х(1).По тактовым импульсам с четвергого выхода блока 11 формирования микрокаманд, с вцхода блоков 4 и 5 считцвакн последовательности кодов 1 о и Ьо соответственно на первый и второй входы решетчатого фильтра 6 предсказания, на вцходах которого формируются значения т 1 = то(1), Ь 1(1) = Ьо( - 1). Эти последовательности вновь записываются по тактовым импульсам и адресам (третий и пятый выходы блока 11) в те же ячейки блоков 4 и 5 и одновременно подаются на первый и второй входы вычислителя 7 частных корреляций,В вычислителе 7 последовательностиошибок 1 ф) и Ь 1 суммируются, возводятся в квадрат и снова попарно суммируются,образуя новые последовательности:1691770 10 30 35 50 52 1 ( 1 (1) + Ь 1(1)1 Г (1) Ь 1(1 ) = (2 (11 (1)Ь 1 (1))По команде с седьмого выхода блока 11 на выходе вычислителя 7 формируется значение коэффициента частной корреляции ц соответствующего итерации и = 1; ц 1 = =-Я 1,1/52,1. Коэффициент ц 1 по тактовому импульсу (восьмой выход блока 11) поступает на третий информационный вход решетчатого фильтра 6, одновременно подается на второй вход блока 10 рекурсий и через квадратор 9- на его третий вход, На первый вход блока 10 рекурсий поступает с выхода измерителя 8 оценка дисперсии Рс, В блоке 10 рекурсий осуществляется формирование коэффициентов линейного предсказания апщ и дисперсий Рп по соотношениям;а,п = ап,П + Цс ас,п-п,;Р. =- (1-ц. - ) Р. - ,2 1, гп=О где апп) =- Цл, гп = иО, п)п При этом на первой итерации (и = 1) коэффициенты линейного предсказания равны: а 1 о -- аоо + ц)ао 1 = аоо = 1.а 11 = ао 1 + ц 1 аоо = ц 1. По коду адреса, поступающего с две)1 адцатого выхода блока 11 на адресный вход блока 10, с первого выхода блока 10 на информационный вход преобразователя 12 поступают коэффициенты линейного предсказания. Фурье-преобразователь 12, работающий, например, по известной подпрограмме быстрого преобразования Фурье или по аппаратно-ориентированному принципу, осуществляет вычисление набора коэффициентов Фурье, Таким образом, с первого выхода преобразователя 12 на вход квадратора 13 подается код, соответствующий амплитудно-частотной характеристике фильтра предсказания К 1(т) с выхода квадратора 13, Полученный код поступает на информационный вход блока 14 памяти, на управляющие и адреснь)й входы которого поступают импульсы разрешения и адрес с тринадцатого, четырнадцатого и пятнадцатого вь)ходов блока 11 формирования команд. С второго выхода блока 10 рекурсий на информационный вход блока 17 памяти поступает оценка дисперсии Р 1, Одновременно с девятнадцатого, двадцатого и двадцать первого выходов блока 11 поступают импульсы разрешения записи, синхроимпульсы и адрес - на входы блока 17, Этими операциями завершается первая итерация (и = 1) второго этапа, Последующие итерации (и2,3 К) осущесвтляются аналогично. При этом полу)ают значения дисперсий и амплитудно-частотных харакгеристик фильтров предсказания 5 ошибки от 2-го до К-го порядков вкл(очительно.На третьем этапе осуществляют расчетнабора из (К+1)-го весовых коэффициентов, исходя из системы И+1 уравнений; Расчет проводят в вычислителе 16 итеративно по соотношению где и = 1,М, 1 = 1,1.В момент)=-1 задают начальные значения гч) (1) = 1/Рс, Ап (1) = 0 (и - 2,Н), а величина уфиксируется постоянной из условия сходимости итераций к искомым корням системы уравнений (1).По тактовым импульсам с тринадцагого выхода блока 11 формирования к)икрокоманд с выхода блока 14 памяти на вход вычислителя 16 поступают отсчегы квадраторов амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказания Кп (Й (и =- 1,М), При этом на синхровход вычислителя 16 с выхода 18 блока 11 поступает та.товый импульс, После поступления синхроимпульса с девятнадцатого выхода блока 11 на вход блока 17 памяти и вход вычислителя 16 на его инфоомационном выходе формируется коэффициент 4 (1), который поступает на второй информационный вход блока взвешивания, На 1-й итерации заканчивается вычисление массовых коэффициентов.На четвертом этапе вычисляют текущую оценку спектра по итерациям 1 -- 1,1(чб=1/Г Х Л Я К;1)и =1При этом вычисление произведения п (1)Кс Я происходит в блоке 15 взвеши. гвания, сумма с накоплением - в сумма-оре 18 и блоке 19 памяти, обращение - в блоке 20, По тактовому импульсу, поступающему с девятнадцатого выхода блока 11 формиро 1691770вания микрокоманд на вход вычислителя 16 массовых коэффициентов, с информационного выхода последнего коэффициенты 4 (1) поступают на второй вход блока 15 взвешивания, При этом с четырнадцатого выхода блока 11 синхросигнал поступает на вход блока 14 памяти и синхровход блока 15 взвешивания, С выхода блока 15 произведения 2(1) К Щ поступают на входсуммагтора 18, а с его входа - на информационный вход блока.19 памяти, на управляющий и адресный входы которого поступают импульсы с четырнадцатого, шестнадцатого, семнадцатого выходов блока 11 формирования микрокоманд, Совокупность сумматора 18 и блока 19 образует накапливающий сумматор. С выхода блока 19 результат суммиМ2рованияЙ 0-1) Кп Щ поступает наи =,1второй вход сумматора 18 и информационный вход блока 20 обращения, На управляющий вход блока 20 поступают импульсы с шестнадцатого выхода блока 11, на выходе блока 20 формируется оценка спектра л й6 Щ = 1/(, Яп (1-1) Кл 2 Щ),которая на пои =1следней 1-й итерации является результирующей оценкой спектра 6. В момент окончания М-й итерации послевычислений по схеме (1) полученная оценка спектра с высокой точностью отвечает априорным данным соотношения (2), тем самым обеспечивая высокую степень близости к истинному спектру ОЩ.Формула изобретения .Способ спектрального анализа с линейным предсказанием, заключающийся в гом, что аналоговый сигнал преобразуют в циф ровую форму, результат запоминают и одновременно определяют дисперсию на входе, производят й итеративных вычислений, при этом каждая п-я итерация включает вычисление ошибок прямого и обратного предска зания, коэффициентов частной корреляции, дисперсии Р и коэффициентов линейного предсказания, производят Фурье-преобразование коэффициентов линейного предсказания, отл ич а ю щи йся тем, что, с целью повышения 15 точности оценки спектра, Фурье-преобразование производят нэ каждой итерации, определяют квадраты амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказания К, Щ от первого до Й-го включительно, после чего 20 производят пошаговые вычисления массовых коэффициентов по соотношениюи =1 при заданных начальных величинах Я и постоянном коэффициентеу для всех номеров 30 и от 0 до й, затем полученные массовые коэффициенты умножают на соответствующие квадраты передаточных функций фильтров предсказания, суммируют эти произведения и производят оценку спектра по 35 обратной функции результата суммирования,1691770Составитель В,Величкин Редактор М,Келемещ Техред М.Моргентал Корректор О.Кундрик аказ 3925 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открцтиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул,Гагарина, 101