Цифровой измеритель уровня шума

(19 1)5 Н 04 В 3/46 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕТЕЛЬ ТВУ АВТОРСКОМУ еинженев. Цифрово . Электро ЛЬ УРОВ иного процесса х(1) Р нормированного вантиль уровня Р слу ОР - квантиль уровн луча йн ого процесса.Известно, что хнике элекпользовано например в О -- ХР еттель рвый ионвход етра ьтра емени изски изме- ровня Р. оцесса х(1)аааай ои юааа уСО личины Р в т на входе ели(заюктуируеыть значим временааааа а коло Р. ельна о змерени В пр3 случаитили при мерения ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕ 1ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫГИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Ленинградский институтлезнодорожного транспорта(56) Кузьмин В.С., Пискареваметод измерения уровня шсвязь, 1980, М 8, стр, 55-58,(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТШУМА Изобретение относится к тетрической связи и может быть исдля измерения уровня шума,каналах связи,Прототип содержит последователсоединенные компаратор, реверсивный счик, цифроаналоговый преобразова(ЦАП) и корректирующий фильтр, Певход компаратора является информацным входом устройства. Реверсивныйсчетчика является входом задания парамустройства. Выход ко ррек 1 ирующего филподключен к второму входу компаратоявляется информационным выходом устства,Недостатком прототипа является ниточность измерения уровня шумов из-за ннейности передаточной характеристикивисимости среднеквадратического знач(СКЗ) шума от измеренной квантили),Покажем, что зависимость СКного процесса от измеренной кванусловии ограниченного времени изнелинейна.Пусть х(1) - исследуемый случайныйцесс, центрирован и имеет СКЗ о; Х(57) Изобретение относится к технике электросвязи. Цель изобретения - повышение точности измерения, Цифровой измеритель уровня шума содержит цифроаналоговый преобразователь 1, компаратор 2, реверсивный счетчик 3, два регистра 4, 7, два вычитателя 5, 10, два вычислительных блока 8, 9, корректирующий фильтр 6. Введенные блоки позволяют учесть смещение оценки среднеквадратического значения исследуемого случайного процесса и тем самым повысить точность измерения, 1 ил,Вследствие ограниченного в мерения Т, в прототипе фактич ренным является квантиль ХР Для стационарного случайного пр справедливо 1 а Р= Р, (2) Т ю 00Следует отметить, что код ве роцессе измерения присутствуе адания параметра прототипа.На практике величина Р флРазность Р - Р может б собенно при небольшо ототипе СКЗ оцениваетмулеЬр = ХРИР, (3)где 1/ОР = сопзт.П реобразуем формулу (3) Хр Ор Опр = --ОФ ОР(5) 10 Целью изобретения является повышение точности цифрового измерителя уровняшума,Поставленная цель достигается тем, что 15в цифровой измеритель уровня шума, содержащий компаратор, счетчик, корректирующий фильтр, цифроаналоговыйпреобразователь, причем прямой вход компаратора является информационным входом 20устройства, а выход компаратора соединен сосчетным входом счетчика, введены два регистра, два вычитателя и два вычислителя и двавычислительных блока, причем выход цифроаналогового преобразователя соединен с инвертирующим входом компаратора, входстробирования которого является тактовымвходом устройства, информационные выходысчетчика соединены с информационнымивходами первого регистра, выходы которого 30подключены к входам уменьшаемого первоговычитателя и к первым группам входов первого и второго вычислительных блоков, входывычитаемого первого вычитателя являютсявходами задания параметра устройства, выходы первого вычитателя подключены к входам корректирующего фильтра, выходыкоторой соединены с информационнымивходами второго регистра и цифроаналогового преобразователя, вход сброса счетчика 40является входом сброса устройства, управляющие входы первого и второго регистровобъединены и являются входом выдачи устройства, выходы второго регистра подключены к вторым группам входов первого и 45второго вычислительных блоков, выходы которых соответственно подключены к входамуменьшаемого и вычитаемого второго вычитателя, выходы второго вычитателя являютсяинформационными выходами устройства. 50Блок-схема цифрового измерителяуровня шума приведена на чертеже,На чертеже приняты следующие обозначения; цифроаналоговый преобразователь 1, компаратор 2, реверсивный счетчик 553, первый регистр 4, первый вычитатель 5,корректирующий фильтр (КФ) 6, второй регистр 7, вычислительные блоки 8 и 9, второйвычитатель 10, входы установки 11, инфор э ХфО(Р)(6) где О(х) - функция, обратная к функции распределения случайного процесса х(т),мационный вход 12, тактовый вход 13, вход сброса 14, управляющий вход 15, информационные входы устройства 16.Компаратор 2, реверсивный счетчик 3, первый регистр 4, первый вычитатель 5, КФ 6 и ЦАП 1 соединены последовательно. Выход ЦАП 1 соединен с инвертирующим входом компаратора 2, прямой вход которого подан на информационный вход 12, Тактовый вход 13 подключен к входу стробирования компаратора 2, Входы установки 11 подключены к входам вычитаемого первого вычитателя 5. Вход сброса 14 подан на вход сброса реверсивного счетчика 3, Выходы КФ 6 соединены также с информационными входами второго регистра 7. Выходы первого регистра 4 подключены также к первым группам входом вычислительных блоков 8 и 9. Выходы второго регистра 7 соединены с вторыми группами входов вычислительных блоков 8 и 9. Выходы вычислительных блоков 8, 9 поданы на входы уменьшаемого и вычитаемого второго вычитателя 10, соответственно, Выходы вычитателя 10 соединены с информационными выходами устройства 16. Управляющие входы первого и второго регистров 4, 7 объединены и подключены к управляющему входу 15 измерителя,На входы установки 11 подан код вероятности Р, квантиль которой измеряют (например, Р = 0,93). На информационный вход 12 подан исследуемый гауссовский центрированный случайный процесс х(т), На тактовый вход 13 подан тактовый сигнал, на вход сброса 14 - сигнал сброса, на управляющий вход 15 - сигнал управления, С информационных выходов устройства 16 снимается измеренное СКЗ п.КФ 6 предназначен для выработки нового значения Хр так, чтобы разность Р- Р стремилась к нулю. Тип и параметры следует выбирать, исходя из характера изменений КСЗ исследуемого случайного процесса, с учетом требований физической реализуемости и устойчивости устройства, КФ 6 выполнен, например, на базе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) серии К 573,Вычислительные блоки 8, 9 выполнены, например, на базе ПЗУ, однокристальной микроЭВМ или специализированных вычислителей, Вычислительный блок 8 производит расчет оценки СКЗ по формуле.р. Ф ыяВычислительный блок 9 производитрасчет оценки смещения СКЗ Я по формуле1 Р 1-Р Ф где и - число опытов, по которым производится оценка вероятности Р, т(х) - плотность вероятности случайного процесса х(1).Разрядность всех узлов выбирается, исходя из требуемой точности вычислений,В начальном состоянии на входы установки 11 подан код вероятности Р (например, Р = 0,93), квантиль которой измеряют. На информационный вход 12 подан исследуемый случайный процесс. На входах 13 - 15 присутствует значение логического нуля. В реверсивном счетчике 3 и регистре 4 хранится оценка вероятности Р, вычисленная в предыдущем цикле измерения, На выходах вычитателя 5 присутствует разность Р - Р, На выходах КФ 6 в цифровой форме, а на выходе ЦАП 1 в аналоговой форме присутствует новое значение Хр. В регистре 7 хранится старое значение Хр, вычисленное в предыдущем цикле измерения. На выходах вычислителя 8 присутствует значение с , вычисленное по формуле (6) в предыдущем цикле измерения, На выходах вычислителя 9 присутствует значение оценки смещения 3, вычисленное по вышеприведенной формуле (7) в предыдущем цикле измерения, На выходах вычитателя 10 и информационных выходах устройства 16 присутствует несмещенное значение оценки СКЗ случайного процесса х(т), вычисленное в предыдущем цикле измерения:он = у- Я. (8)Рассмотрим работу устройства в динамике.В начале нового цикла измерения на вход сброса устройства 14 подается импульс, обнуляющий реверсивный счетчик 3. В течение цикла измерения на тактовый вход 13 подаются и тактовых импульсов. Сигнал на выходе ком паратора 2 втакте (а;) принимает одно из двух дискретных значений; 1, если х(с)Хр,й = О, если х(т)= Хр,где Хр - значение порога, вычисленное впредыдущем цикле измерения, х(т) - значение случайного процесса х(т) втакте. Перепишем выражение (9)= 1, если х(т)ф 4 Хр/аа. = 5 О, если х(б)/5= Хр/ст где о - СКЗ случайного процесса х(т),Через п.тактов (при условии и = 2, где1- разрядность счетчика) в реверсивном10 счетчике 3 формируется оценка Р уровняквантили Хр: Если отсчеты случайного процесса х(б)и х( независимы при , тогда 20 ( ) ( о) О(Р) = Р(Хр/ о)(1 - Е(Хр/о)/п, (13) где Р(х) - функция распределения случайно 25 го процесса х(т).Оценка 0(Р) может быть вычислена поформуле 0(Р) = Р(1 - Р)/и.(14)30 На управляющий вход 15 подается импульс, который инициирует перезапись величины Р из реверсивного счетчика 3 в регистр 4 и порога Хр с выходов Кф 6 в регистр 7. По истечении времени, необходимого для срабатывания вычислителей 8 и 9, на.выходах вычислителя 8 появляется оценка СКЗб, вычисленная по формуле (6), а на выходах вычислителя 9 - оценка смещения 40 Я, вычисленная по формуле (7),Определим математическое ожидание6", Для этого переобозначим оценку Р, вычисленную по формуле (11) через т, а математическое ожиданием через Р. Разложим функцию о(т) в ряд Тейлора в окрестности точки М(т) = Р. Ограничимся, например, тремя членами ряда о+(т) = а(Р) + (т - Р) о+(Р) +5011734218 Определим математическое ожиданиеЯ. На основании выражения для математического ожидания функции случайной величины запишем: М(Я(Р = Я(М(Р.5 Учитывая (7), (12) имеем 10(23) На информационных выходах устройства 16 появляется несмещенная оценка СКЗ сгн = 0- Я, Вычислим математическое ожидание он;20 б 1/ВЦ 12 ПЕЙ или с учетом (22), (23) 25 М(Он") = О(25)(1 8) или М ХР с 1у(,) с Параллельно с работой вычислителей 8,9 и вычитателя 10 на выходах вычитателя 5появляется значение разности Р - Р, кото 30 рая подается на входы КФ 6. По истечениивремени, необходимого для срабатыванияКФ 6, на ее выходах появляется новое значение порога,По окончании всех переходных процес 35 сов в устройстве можно начинать новыйцикл измерения,(19) э ХрФ(т)1(ф)(20) Формула изобретения Цифровой измеритель уровня шума, со держащий цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные компаратор, первый вход которого является информационным входом измерителя, и реверсивный счетчик, корректирующий 45 фильтр, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности, введены первый и второй регистры, первый и второй вычислительные блоки, первый и второй вычитатели, выход реверсивного счетчика соединен 50 с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с первыми входами первого и второго вычислительных блоков и первым входом первого вычитателя, выход которого соединен с входом кор ректирующего фильтра, выход которогосоединен с входом цифроаналогового преобразователя и информационным входом второго регистра, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго вычислительных блоков, выходы которых соедиф фР( - ,Х 1 - Р( - ,)1,2 п( - )т( - )(Ъ)г Переходя в выражении (15) к математическому ожиданию, получаем М( ст+)= о+ М(т- Р 1 о (Р)+ М( 0") = сг + 2 0(с) и (Р). (17) Определим сг (Р). Для этого вычислим сначала ст"(т): Используя известное правило для вычисления производной обратной функции, получаем 1Выражение для ст (т) получим дифференцированием по с функции сто(т), Опуская промежуточные вычисления, приведем конечный результат: Для нормального распределения1(х)/1(х) = -х и с учетом (12) формула (17)принимает вид Р(У - Р( - )Рр Хр Хр М(Я) - с , (2 -2 п( - ) тг( - ) ХРР 3 ХР10 1734218 входом "Сброс" которого является вход установки в ноль реверсивного счетчика, управляющие входы первого и второго регистров объединены и являются управля ющим входом измерителя, входом установки которого является второй вход первого вычитателя. 10 15 50 Составитель И,Гелинактор М.Бокарева Техред М.Моргентал нчакова Коррек аз 1676 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по изо113035, Москва, Ж, Ра Производственно-издательский комбинэ город, ул. Гагарина. 1 Патент",нены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход которого является информационным выходом измерителя, выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом компаратора, вход стробирования которого является тактовым входом измерителя,Подписноеетениям и открытиям при ГКНТ С ская наб 4/5