Адаптивный анализатор плотности распределения амплитуд

Оп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СояетскнкСоциалистическихРеспублик(23) Приоритет -Опубликовано 28.02,83.Бюллетень Фт 8 Дата опубликования описания 28.02.83 в делам кзебретеккй и етарытнй(088.8) В, А, Прянишников, Т, Н, Прянишникова, В. И. Якименко-и Ц. Б. ЭпштейнЛенинградский ордена Ленина электротехническийинституг им. В. И. Ульянова (Ленина)(54) АДАПТИВНЫЙ АНАЛИЗАТОР ПЛОТНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД 1Изобретение огносигся к специализированным срецсгввм автоматики и вычис,лительной техники, прецназначенным цляопрецеления характеристик случайныхпроцессов в условиях нецостагка априорной информации, например в океанологии,метеорологии и других областях,Извесген анализатор с адаптивнымвыбором диапазона анализа, содержащийустройства выделения и фиксации наиболь:шего и наименьшего значения сигнала, соединенные через блоки запоминания с контактными реле режима работы, подключенными через потенциометр к блоку анализаГ 11 .т 5Нецоствгком анализатора являетсянизкое быстроцейсгвие, обусловленноенеобходимостью прецварительного определения интервала корреляции цля заданияшага временной дискретизации, 20Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является цимровой ацаптивйый анализатор плотностираспределения амплитуд, содержащий анв 2лого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и сумматор, соединенные последовательно, выхоц сумматоралсоеаинен с информационным входом запоминаюшего устройства, усрецнитель, регисгр числа, блок сравнения, регулируемый целитель частоты и блок управления,состояший из генератора такговтих импульсов и счегчика выборок, причем выхоцгенератора тактовых импульсов соединен,с тактовым входом регулируемого делителя частогы, выхоц которого соединенс управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, сумматора и счетчика выборок. Дополнительно анализаторсоцержиг блок вычитания Г 21,Нецостагком известного анализатораявляется необхоцимосгь априорного знания амплигуцных свойсгв исследуемогосигнала цля рационального выбора порогасравнения Ьтт, определяющего, в своюочередь, точность вычислений и скоростьсхоцимосги алгоритма поиска шага времен-,ной дискретизации, Эти факторы в сово1001110 55Кроме гого, блок распрецеления размаха соцержит вычитагель и цва канала опрецеления экстремума, каждый из кокупносги снижают быстродействие анализатора,Цель изобретения - повышение быстродействия за счет уменьшения необходимого объема априорной информации о5свойствах исследуемого сигнала.Поставленная цель достигается тем,что адаптивный анализатор, содержащийблок сравнения, регисгр числа, усрецнитель, блок управления, состоящий из 16счетчика выборок и генератора тактовыхимпульсов, выхоц которого соединен стакговым вхоцом целителя частогы, выход которого соецинен с управляющимивходами аналого-цифрового преобразователя, счетчика выборок и сумматора, информационный вход которого подключенк выходу яапоминаюшего устройства иявляется соответствующим выходом анализатора, а адресный вхоц запоминающе- рвго устройства соединен с выхоцом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входоманализатора, содержит первый и вгоройблоки опрецеления размаха, целитель 25кодов и ключ, при этом информационныевходы усрецнителя и первого блока определения размаха, поцключены к выходу,аналого-цифрового преобразователя, выход усрецнителя соединен с информацион- щным входом вгорого блока опрецеленияразмаха, выхоц которого, а также выхоцвгорого блока определения размаха, поцключены к соответствующим входам целителя коцов, при этом выход первогоблока определения размаха является со 35ответствующим выходом анализатора, выход делителя коцов соецинен с первымвходом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу регистра чис 46ла, а выход соединен с информационнымвходом ключа, выход которого соециненс управляющим вхоцом целителя частотывыход которого соецинен с управляющимвхоцом первого и первым управляющим45входом вгорого блоков опрецеления раздмаха, управляющим входом усрецнителяи первым управляющим входом запоминаюшего усгройсгва, первый выход счегчикавыборок подключен к управляющему входуключа и к вгорому управляющему входузапоминающего устройства, а второй выход счетчика выборок соецинен с вгорымуправляющим вхоцом вгорого блока определения размаха,торых сосгоиг из регистра, схемы сравнения и элемента И, выход когорого соединенс первым управляющим вхоцом регистрасвоего канала, выхоц регистра в каждомканале соединен с первым входом схемысравнения и соответствующим вхоцомвычитагеля, выход которого являетсявыходом блока, выхоц схемы сравнениясоединен с информационным входом элемента И своего канада, управляющиевхоцы элементов И первого и второгоканалов обьецинены и являются первымуправляющим вхоцом блока, второй входсхемы сравнения и информационный входрегистра в обоих каналах объединеныи являются информационным входом блока,вторые управляющие входы регистров обоих каналов обьединены и являются вторым управляющим вхоцом блока.На фиг. 1 представлен адаптивныйанализатор, структурная схема; нафиг, 2 - амплитуцные соотношенияопределяемых характеристик сигнала,на фиг 3 - блок опрецеления размаха,функциональная схема,Адаптивный анализатор плотностираспределения амплитуд содержит аналого-цифровой преобразователь 1, запоминающее устройство 2, сумматор 3, усреднитель 4, блоки 5 и 6 опрецеленияразмаха, целитель 7 кодов, регистр 8числа, блок 9 сравнения, ключ 10, блок11 управления, состоящий из генератора12 тактовых импульсов и счетчика 13выборок, целигель 14 частоты. Блок 5 (6) определения размаха соцержиг цва канала 15 определения экстремума и вычитатель 16, Канал 15 опрецеления экстремума содержит регистр 17, схему 18 сравнения и элемент И 19. Ацаптивный анализатор работает следующим образом.В исхоцном состоянии запоминающее устройство 2, сумматор 3, усрецнигель 4 блоки 5 и 6 определения размаха и счетчик 13 выборок обнулены, а целитель 14 частоты установлен в начальное положение, Обычно до начала эксперимента известно значение интервала корреляции 7,О, поэтому зацавая шаг временной дискретизации исслецуемого сигнала Ь 1 из условия д 1)ьо, по известным соотношениям определяют необхоцимый сбьем М некоррелированной выборки цля обеспечения зацанной сгатисгической точнослти искомой оценки Ю(Х). Если априорной информации цля выполнения указанногоусловия нецостаточно, то в этом случаепровоцят ряц пробных эксперименгов цляопрецеления интервала корреляции, В отличие ог неацаптивных анализагоров впрецлагаемом анализаторе также квк ив анализаторе-прототипе осуществляетсяавтоматическое обеспечение некоррелированности огсчетов сигнала, однако этипроцецуры существенно отличаются,При поцключении исслецуемого сигнала в аналого-цифровом преобразователе 1 формируются отсчеты Х(61) сначальным шагом цискретизации й 1зацаваемым целителем 14 часготы. Изэтих отсчетов в усрецнителе 4 опрецеляегся оценка срецнего значения Вситнала, например, с реализацией алгоригма"скользящего срецнего", а в блоке 6опрецеления размаха формируется размахЙХ вхоцного сигнала, как разность межцу 20наибольшим и наименьшим значениямиотсчетов. После прохожцения М выборокв блок. 5 опрецеления размаха поступаетот счетчика 13 выборок уйрввляюшийимпульс, разрешающий формирование ра 25маха оценки срецнего значения К наслецующем объеме М огсчетов.1Блок 5(6) опрецеления размаха работаег слецуюшим образом (фиг. 3). Оъ 30счеты вхоцного сигнала поступают в кана-лы 15 опрецеления экстремума, гцеосуществляется вьщеление наибольшегои наименьшего значений, из которых ввычигателе 16 формируегся значение размаха, Наибольшее (наименьшее) значение35опрецеляется путем текущего сравненияв схеме 18 сравнения значений вхоцныхотсчетов с значением, хранящимся в регистре 17, Причем схема 18 сравнения40огкрывает элемент И 19 тогца, когцазначение вхоцного огсчега больше (меньше), чем значение, хранящееся в регистре 17, при эгом в него осушествляегсязапись нового значения экстремума,Полученные значения РХ и Р поступаюг45пна вхоцы целителя 7 копов, Резульгагцеления д. =Р /Р поцаегся на вхоц блот ю хка 9 сравнения в котором он сравнивается с величиной Д, хранящейся в регисгре 8 числа, Значения д и д являют.ся соответсгвенно зацанным и текущим(контролируемыы) значениями относительной погрешности опрецеления оценки срецнего значения. При о" 7 о блок 9 сравнения формирует микрокоманцу несоотвеъствия, когорая в вице управляющего импульса поступаег через ключ 10, стробируемый счетчиком 13 выборок, на уп 10 6равляюший вхоц регулируемого целителя14 часгогы цля увеличения коэффициента,целения. Счегчик 13 через кажцые й огсчетов попеременно сбрасывает в нулевоесостояние блок 5 опрецеления;размахаили запоминающее устройство 2 и. стробирует ключ 10,После нескольких циклов корректировки шага цискретизации цостигаегся обеспечение условия некоррелированностиотсчетов, вслецствие чего получаемаяоценка 4 (х )статистически аосговерна снеобхоцимой точностью. При этом оценкаЙ(Х) формируется по классическому алгоритму: кажцый очерецной отсчет, пос, тупающий с выхоца аналого-цифровогопреобразователя 1 на ацресный вхоц запоминающего устройсгва 2, вызывает сацержимое соответствующей ячейки запоминающего усгройства 2 в сумматор 3,в котором к нему цобавляется ециница(такговый импульс от регулируемого целителя частоты 14), Полученная суммазаписываегся в гу же ячейку запоминающего устройства 2.Механизм осушесгвления такой вцаптивной процецуры основан на стремлениианализагора обеспечить некоррелированносгь огсчегов сигнала. Это цосгигаетсявыполнением слецующих математическихзависимосгей межцу параметрами вхоцного сигнала и параметрами измеряемойплотности распрецеления Ф.Из соотношения межцу цисперсиейвхоцного сигнала Э Х и цисперсией оценкиматематического ожицания Й(гп х ) этоголсигналаСледуют соотношения цля срецнеквацратичных огклонений 4 и ЙХ и пропорциональных им размахов%и Рх (фиг. 2) ооой. ветственно цля плотности распрецеления оценки математического ожицания % и36 плотности распрецеления амплигуц сигна ла ФХ .Р)ЖОцнако выражения (1) и (2) спра вецливы только цля случая некоррелиро ванных отсчетов сигнала, поэтому запавшая объем выборок (в счетчике 13) и конгролируя значение отношения размахов- =-тХ7 ,10011 можно контролировать (блоком сравнения 9 ) и адаптивно регулировать степень коррелированности отсчетов сигнала до обеспечения, их некоррелированности.Это возможнс за счет того, что при коррелированности выборок погрешность . определения 3)(пх ) зависит не только ог значений Й и 0 Х, но и от величины (характера) корреляционной функции, которая на интервале дискретизации не равна 16 нулю, А при некоррелированности выборок эта погрешность зависит только от значений 1 Ч и Вх (выражение (1),Поэтому при заданном (в регистре 8) пороговом (допустимом) значении от 15 носительной погрешности о определениялоценки тх и известном Й, можно производить автоматическое регулирование шага й 1 дикретизации сигнала к такому значению Д 1 , при котором цля определяемых в блоках. 5 6 и 9 значений величин (2) и (3) начинает выполнятьсяусловиеТаким образом, выполнение в адаптивном анализаторе условия (4) является выполнением условия некоррелированности отсчетов сигнала, вследствие чего минимизация погрешности измерений функ ции %( осуществляется быстрее, чем в, анализаторе-прототипе.В анализаторе-прототипе в регистре устанавливается величина абсолютной35 погрешности д которая зависит от дисперсии ЗК, что, в свою очередь, приводит к необходимости априорных знаний дисперсии (размаха) исследуемых случайных процессов, т,е. проведения предварительных экспериментов для их определения, В предлагаемом адаптивном анализаторе, благодаря новой структуре и новым связям блоков, стало возможным задавать относительную погрешность, что исключает необходимость предварительных экспериментов для определения дисперсии сигнала, за счет чего уменьшается общая длительность экспериментов по определению плотности рас 56 пределения амплитуд, т.е. соответственно увеличивается быстродействие анализа.Кроме того, одновременно с определением искомой оценки плотности распределения амплитуд %, в предлагаемой структуре анализатора определяется ряд, других параметров сигнала - размахвходного сигнала, размах оценки среднего 10значения и скользящая оценка среднего значения сигнала, что существенно расширяет функциональные возможности анализатора. Это является дополнительным преимушеством адаптивного анализатора в сложных комплексных экспериментах.Технико-экономический эффект предлагаемого адаптивного анализатора состоит в значительном сокрашении времени экспериментов, а также в более простой аппаратурной реализации такой структуры и в несложной эксплуатации (и, соответ- ственно, меньшей квалификации обслуживающего персонала - что особенно важно в морских судовых и самолетных лабораториях ),формула изобретения1. Адаптивный анализатор плотности распределения амплитуд, содержащий блок сравнения, регистр числа, усреднитель, блок управления, состоящий из счетчика выборок и генератора тактовых импульсов выход которого соединен с тактовым входом целителя частоты, выход когорого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, счетчика выборок и сумматора, информационный вход которого подключен к выходу запоминающего устройства и является соответствующим вы ходом анализатора, а адресный вход запоминающего устройст-. ва соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входом анализатора, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, он содержит первый и второй блоки определения размаха делитель кодов и ключ, при этом информационные входы усреднителя и первого блока определения размаха подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя выход усреднителя соединен с информационным входом второго блока определения размаха, выход которого, а также выход второго блока определения размаха подключены к соответствующим входам делителя кодов, при этом выход первого блока определения размаха является соответствующим выходом анализатора, выход целителя кодов соединен с первым входом блока сравне ния, второй вход которого подключен к выходу регистра числа, а выход соединен с информационным входом ключа,9 10011 выход которого соединен с управляющимвходом целителя частоты, выход которого соединен с управляющим входом первого и первым управляющим входом второго блоков определения размаха, управляющимвходом усрецнителя и первым управляющим входом запоминающего устройства, первый выход счетчика выборок подключен к управляющему входу ключа и к второму управляющему вхоцу запоминающего уст ройства, а второй выхоц счетчика выборок соецинен с вторым управляющим входом второго блока опрецеления размаха.2, Анализаторпо п. 1, о т л и ч аю ш и й с я тем, что блок определения размаха содержит вычитатель и цва канала определения эксремума, кажцый из которых состоит из регистра, схемы сравнения к элемента И, выход которого соецинен с первым управляющим входом. О регистра своего канала, выход регистра в кажцом канале соединен с первым вхоцом 10 10схемы сравнения и соответствуюцим вхоцом вычитателя, выход которого является выходом блока, выход схемы сравнения соединен с информационным входом эльмента И своего канала, управляющие входы элементов И первого и второго каналов обьецинены и являются первым управляющим входом блока, второй вход схемы сравнения и информационный вход регистра в обоих каналах объединены и являются информационным вхоцом блока, вторые управляющие входы регистров обоих каналов обьецинены и являются вторым управляющим входом блока.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР