Анализатор спектра с линейным предсказанием

(19) Ш) 15 01 223 16 тротехничесльянова (ЛеЯкимен и ьство СССР 3/16, 1982 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ленинградский элекий институт им. В.И.нина)(57) Изобретение относится к средствам электроизмерительной техникии может быть использовано для анализа спектральных характеристик в усло.виях малой априорной информации оклассе или параметрах исследуемыхслучайных процессов. Цель изобрете-.ния - повышение точности измеренияДля этого в устройство, содержаЩееаналого-цифровой преобразователь Г,элементы ИЛИ 2 и 3, блок 4 памяти,измеритель 8 дисперсии, квадратор9, блок 10 рекурсий, блок 11 формирования микрокоманд, Фурье-преобразователь 12, введены блок 5 памяти,вычислитель 7 частотных корреляций,Цель достигается также эа счет тогочто в структуру анализатора введенрешетчатый адаптивный фильтр дляпоследовательного вычисления коэф 1275315фициентов частной корреляции (КЧК) .Использована новая процедура вычислений, которая позволяет за одну итерацию выполнить Фильтрацию ошибок предсказания и вычислить КЧК, вычислить коэффициенты линейного предсказания, по которым формируется спектр сигнала. В материалах изобретения приведен вариант исполнения блока 10 рекурсий. 1 з.п. Ф-лы, 2 ил.Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и может быть использовано для анализа спектральных характеристик в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов, например, при обнаружении гармоник в шуме.Цель изобретения - повышение точности измерения спектра за счет то го, что в структуру анализатора вводится решетчатый адаптивный Фицътр для последовательного вычисления коэффициентов частной корреляции (КЧК) и используется новая процедура вычис лений, которая позволяет за одну итерацию выполнить фильтрацию ошибок предсказания и вычислить КЧК, вычислить коэффициенты линейного предсказания (КЛП). по которым формируется 20 спектр сигнала.На Фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора; на Фиг, 2 - то же, блока рекурсий.Анализатор спектра с линейным пред сказанием содерждт входной аналогоцифровой преобразователь 1, выход которого через элементы ИЛИ 2 и 3 соединен с входами блоком 4 и 5 памяти, выходы которых соединены с первым и ЗО вторым входами решетчатого фильтра 6 предсказания, а третий вход - с выходом 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, а выход соединен с информационным входом Фурье-преобразователя 12.Блок 10 рекурсий содержит регистр 13 коэффициента, Ы идентичных ячеек 14 . 1-14 .М преобразования, (И+1) ячейку 15 преобразования, Ячейки 14.1-14.М содержат последовательно соединенные регистр 16 сдвига, умножитель 17 и накапливающий сумматор 18. Ячейка 15 преобразования содержит последовательно соединенные умножитель 19, элемент ИЛИ 20 и накапливающий сумматор 21, причем выходы регистра 13 коэффициента и накапливающих сумматоров 18 соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ 22, (И+1)-й вход которого соединен с выходом элемента И 23, выход элемента И 24 - с выходом блока 10 рекурский, а выход элемента И 25 - с входом первой ячейки 141 преобразования.Анализатор произ. водит измерение спектра эа три этапа: запись в блоки памяти реализации процесса, вычисление коэффициентов линейного предсказания (КЛП); вычисление спектра.Анализатор спектра работает следующим образом.В исходном состоянии в блоке 1 1 Формирования микрокоманд установлены начальные условия. Предварительно также в блоке 10 рекурсий в регистр 13 постоянно записан коэффициент о =1.ооНа первом этапе измерений на вход анализатора подается исследуемый сигнал, а в блоке 11 Формирования микрокоманд вырабатывается такто. вый сигнал, который поступает на управляющий вход аналого-цифрового пре.1275315 и 4 10 00 + 10 5=;Се,иь ь,(е)3 Гх,(е)-ь,(с, =,-4 к Ге) ь(е 155ния формируется оценка 1-го порядкач5 т,щи 1.,(Г)8,(1 Ц ЦЕ) 9 Щ )-91 Цтй,(С Умнаннтене 9 астщестеннетсн пеаемнаобразователя 1. Полученный ряд отсчетов поступает через элемент ИЛИ 2 и 3 на информационные входы б соответствующих блоков 4 и 5 памяти. Одновременно с выхода блока 11 посту пают импульсы-микрокоманды разрешения записи на входы С 2 блоков 5 и 4 памяти.При этом отсчеты сигнала с выхода аналогб-цифрового преобразователя 1 подаются также в измеритель 8 дисперсии, в котором определяется дисперсия сигнала. С 12-го выхода блока 11 формирования микрокоманд подается сигнал на управляющий вход измерителя 8 дисперсии, осуществляя ее считывание с его выхода на 1-Й вход блока 10 рекурсий.Этап вычисления КЛП осуществляется итеративно, причем каждая ш-я ите О рация содержит три шага вычислений- Фильтрацию ошибок линейного предсказания (в Фильтре 6), вычисление КЧК (в вычислителе 7), вычисление КЛП (в блоке 10 рекурсий).25На первой итерации (ш = 1, и = 2) последовательность выборок Х 1,1), записанная в блоки 4 и 5 памяти, считается соответственно последовательностью ошибок линейного предсказа- ЗО ния "Вперед" Г, Й.) = х(1) и последовательностью ошибок линейного предсказания "Назад" В,(1) = х(1).По тактовым импульсам с 3-го выхода блока 11 формирования микрокоманд З 5 с блоков 4 и 5 памяти считываются последовательности кодов Г, (1) и В (1) соответственно на первый и втоорой входы решетчатого фильтра 6 предсказания, на выходах которого форми О руются значения Г(1) = Х, (1), В (1)= = В (1-1)Эти последовательностиовновь записываются по тактовым импульсам С 2 и адресам (выходы блока 11) в те же ячейки блоков 4 и 5 па мяти и одновременно подаются на первый и второй входы вычислителя 7 частных корреляций, в котором эти последовательности суммируются, возводятся в квадрат и снова попарно 5 О суммируются, образуя новые последо- вательности По команде СЗ с выхода блока 11на выходе вычислителя формируетсязначение коэффициента частной корреляции с, соответствующего итерации ш = 1; с 1, = -д, Коэффициент с,8по тактовому импульсу С 4 (14-й выход блока 11 формирования микрокоманд) считывается в регистр решетчатого фильтра 6 предсказания (вход В 3) и одновременно подается на 2-й вход блока 10 рекурсий и через квадратор 9 на его 3-й вход, т.е, в умножители 17 ячеек 14.1, 14.2, , 14.И поступает коэффициент сЕ , а в умножитель 19 ячейки 15 поступает коэффициенткоторый перемножается с коэффицйентом Р , считанным из накапливающего сумматора 2 1.Одновременно с операциями считывания кодов хс, формирования сумм з 1,и В , и коэффициента Ч , выполняемыми соответственно в блоках 4 и 5 памяти, решетчатом фильтре 6 предсказания и вычислителе 7 частных корреляций, в блок 10 рекурсий подаются тактовые импульсы С 5 (с 7-го выхода блока 11) для записи кодов, считанных с регистра 13 коэффициента и накапливающих сумматоров 18 в соответствии с адресами Лформируемыми блоком 11.Одновременно импульс С р с 6-го выхода блока 11 формирования микро- команд поступает на управляющий вход умножителей 17 и умножителя 19. Обозначим коэффициенты, записанные в регистры 16 индексами 4 , т.е. при первой итерации в регистрах 16 ячеек 14. 1 и 14, 2 образуется инвертированный вектор КЛП нулевого порядка с 1, , с 1 Значения КЛП д перемножаются в умножителях 17 скоэффициентом сЕ, а полученные произведения поступают в накапливающие сумматоры 18, в которых суммируются с предыдущими коэффициентами, формируя оценку вектора КЛП первого порядка в соответствии с выражением5 1275315 бжение кода числа Ч, с кодом числагэкспериментов, УвР (считанным из накапливающего сум- оценки спектра опрматора 21), а их произведение полным использованчерез элемент ИЛИ 20 подается в на- содержащейся в реакапливающий сумматор 21 с отрица.тель" 5 благодаря процедурным знаком, формируя оценку нейным п е с 20 25 30 35 40 50 Этими операциями завершается первая итерация (ш=1) процедуры вычисления КЛП.Последующие итерации (ш=2, 3, И) осуществляются аналогично, отличаясь тем, что в регистры 16 сдвига записываются соответственно 3, 4. (И+1) значений вектора КЛП (на единицу больше числа ш), что иллюстрируется в таблице преобразований,Этап вычисления спектра начинается в момент окончания Б-й итерации преобразований: с выхода блока 11 поступает потенциал, открывающий элементы И 23 и 24, и потенциал, закрывающий элемент И 25 в блоке 10 рекурсийПри этом прекращается форми. рование кодов адресов и тактовых импульсов на выходах блока 11 формирования микрокоманд, кроме выхода,по которому тактовые импульсы начинают поступать на управляющий вход фурье- преобразователя 12.В соответствии с адресами А = 0,1,2 (И+1), формируемыми в блоке 11, на информационный вход Фурье-преобразователя 12 считываются коэффициенты с и 0 1 соответственно из регистра 13 и накапливающих сумматоров 18, а также коэффициент Р иэ накапливающего сумматора21 - через элемент И 23, элемент ИЛИ 22 и элемент И 24.Фурье-преобразователь 12, который работает, например, по известной подпрограммеябыстрого преобразования Фурье (БПФ) или по аппаратно-ориентированному принципу (аналогично серийному Фурье-преобразователю "Х 6-8") осуществляет вычислениеряда коэффициентов Фурье аналогичноизвестному анализатору. Таким образом, на выходе Фурье-преобразователя 12 поступает оценка спектра исследуемого случайного процесса, полученная на интервале анализа, как и в известном анализаторе, но с точ ностью более высокой до 2 раз, что является существенным для многих еличение точностиеделяется болееием информации,лизации сигнала,е, называемой ли-,р д казанием "Вперед" иНазадОсновные достоинства предлагаемо"го анализатора состоят в большой точности измеряемой оценки спектра, устойчивости оценки при любых порядках МЕ, большей разрешающей способностью, однородности структуры(что особенно перспективно при построении анализатора на основе матричных БИС).Анализатор может быть реализован на серийных блоках-приборах (АЦП,БПФ, блоки памяти), а также на известных микросхемах серий 155, 176 и дрФормула из о брет ения 1. Анализатор спектра с линейным предсказанием, содержащий входной аналогоцифровой преобразователь, блок формирования микрокоманд, измеритель дисперсии, квадратор, блок рекурсий, Фурье-преобразователь, блок памяти, первый и второй элементы ИЛИ, причем вход измерителя дисперсии соединен с выходом аналого-цифрового преобразования, а выход - с первым входом блока рекурсий, выход которого соединен с входом Фурье-преобразователя, первый выход блока формирования микрокоманд подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя и измерителя дисперсии, второй, третий и четвертый выходы - соответственно к входам записи, считывания и адресации блока памяти, а пйтый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, и двенадцатый выходы блока формирования микрокоманд подключены к соответствующим управляющим входам блока рекурсий, Фурье-преобразователя и измерителя дисперсии, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения спектра, в неговведены последовательно соединенные второй блок памяти, решетчатый фильтр. предсказания и вычислитель частных корреляций, при этом второй вход решетчатого фильт8 315 второму и третьему управляющим входам блока рекурсий, четвертый управляющий вход которого является адресной шиной считывания, к которой подключены управляющие входы регистракоэффициента и накапливающих сумматоров соответствующих (Й+1) ячеекпреобразования, пятый управляющийвход блока рекурсий подключен к первым входам первого и второго элементов И, шестой управляющий вход -к первому входу третьего элемента И,выход которого соединен с вторымвходом первой ячейки преобразования,а втброй вход каждой и-й из первыйМ ячеек преобразования соединен свыходом предыдущей ячейки преобразования, при этом выход регистра коэффициента и первые выходы И ячеекпреобразования подключены к соответствующим входам выходного элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, второй вход первого элемента И соединен с выходом (И+1) -йячейки преобразования, а выход подключен к соответствующему входу выходного элемента ИЛИ, при этом(И+1)-й ячейки преобразования содержит последовательно соединенные умно- житель, элемент ИЛИ и накапливающий сумматор, включенные между первым входом и выходом (И+1)-ой ячейки преобразования, второй вход которой соединен с вторым входом элемента ИЛИ и является первым входом блока рекурсий, второй вход умножителя подключен к выходу накапливающего , сумматора, а тактовый вход соединен с первым управляющим входом блока рекурсий, второй информационный вход которого подключен к первым входам первых И ячеек преобразования, третий информационный вход подключен к первому входу (И+1)-й ячейки преобразования, а выход второго элемента И является выходом блока рекурсий. 20 7 1275ра предсказания соединен с выходомпервого блока памяти, третий входобъединен с входом квадратора, свторым входом блока рекурсий и с выходом вычислителя частных корреляций, второй вход которого соединенс вторым выходом решетчатого фильтра предсказания, а выход квадратора соединен с третьим входом блокарекурсий, первый и второй входы вы Очислителя частных корреляций подключены также к первым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы которыхобъединены и подключены к выходу 15аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с информационными входами соответственно первого ивторого блоков памяти, причем управляющие входы записи считывания и адресации второго блока памятиобъединены с соответствующими управляющими входами первого блока памяти, а управляющие входы вычислителя частных корреляций и решетчатого 25 фильтра предсказания соединены соответственно с вторым и тринадцатым, пятым и четырнадцатым входами блока формирования микрокоманд.2. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что блок рекурсий содержит регистр коэффициента, выходной элемент ИЛИ, первый, второй и третий элементы И и (И+1) ячеек преобразования, причем первые И ячеек преобразования содержат регистр сдвига и последовательно соединенные умножитель и накапливающий сумматор, включенные между первым входом и первым выходом ячейки преобра О зования, между вторыми входом и выходом которой включен регистр сдвига, второй вход умножителя соединен с выходом регистра сдвига, а тактовый вход умножителя, вход обнуления .и тактовый вход регистра сдвига подключены соответственно к первому,