Анализатор спектра случайныхпроцессов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл. с присоединением заявки йо С 01 8 23/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В,А. Прянишников, В,И.Якименк Ленинградский ордена Ленина эуектрртехническийим.В.И,Ульянойа.(Ленина),мстит(54 ) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СЛУЧАЧНЫХ ПРОЦЕССОВ й Анализатор спектра случайных процессов относится к специализированным средствам измерительно-вычислительной техники, предназначенным для исследования частотых свойств случайных электрических сигналов, характеризующих,например, биологические структуры в медицинских экспериментах или технические объекты промышленности.Анализ ряда ортогональных составляющих спектра может производиться аппаратурой с использованием или одно из модификаций дискретного преобразования Фурье (ДПФ) - с разложением сигнала в ряд Фурье (при использовании тригонометрических базисных функций) или с использованием разложения в ряд Уолша-Фурье (при использовании кусочно-постоянных базисных Функций Уолша, простых для генерирования и умножения) .Известен цифровой спектроанализатор Г 1, содержащий аналого-цифро вой преобразователь, через переключатель последовательно соединенный с арифметическим устройством (умножитель с усреднителем) и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ 1, выход которого соединен с вторым входом арифметического устройства, а к второму входу умножителя подключен выход блока формирования базисных Функций (постоянное запоминающее устройство-ПЗУ), причем выходы устройства управления соединены с адресными входами оперативного ЗУ и ПЗУ.Недостаток такого анализатора: равный шаг между ординатами спектра обеспечивает высокую точность и разрешающую способность, но приводит к значительной избыточности информации при кусочно-монотонных спектрах или при наличии монотонных (гладких) участков спектра.Известен также цифровой анализатор спектра случайных процессов Г 21, содержащий аналого-циФровой преобразователь, к выходу которого подключены последовательно соединенные умножитель, усреднитель, ОЗУ, к второ му входу умножителя подключен выход генератора базисных функций, а к второму входу усреднителя и к второму входу второго сумматора подключен вы ход оперативного запоминающего устройства, адресный вход которого соединен с выходом устройства управления. Для повышения быстродействия анализатора к его входу подключено буферное запоминающее устройство,соеди 838600ненное с входом первого сумматора,а первый вход второго сумматора соединен с выходом умножителя,Такой анализатор имеет недостатки,возникающие из-за постоянного шагамежду ординатами спектра (шага дискретизации спектра);информационная избыточность врезультатах измерения, что такжеприводит к различной погрешности восстановления спектра на различных его участках;небольшой диапазон. частот при заданном количестве ячеек ПЗУ и ОЗУ.Этот цифровой анализатор спектраявляется наиболее близким по технической сущности к изобретению.Целью изобретения является расширение частотного диапазона анализа.Поставленная цель достигается тем,что в анализатор спектра случайныхпроцессов, содержащий аналого-цифро Овой преобразователь, вход которогоявляется входом анализатора, а выходсоединен с первым входом блока умножения, второй вход которогоподключен к выходу генератора базисных 25функций, выход блока умножения соединен с первым входом первого блока усреднения, второй вход которогоподключен к выходу блока оперативной памяти, первый вход которогоподключен к выходу первого блокаусреднения, введены блок анализа,второй блок усреднения, блок памятиаргумента, накапливающий сумматор,блок управления и преобразователькода во временной интервал, вход35которого объединен с входом генератора базисных функций и подключенк выходу накапливающего сумматора,а выход соединен с управляющим входоманалого-цифрового преобразователя, с 40входом блока управления и с управляющим входом накапливающего сумматора,информационный вход которого объединен с информационным входом блокапамяти аргумента и подключен к выходу второго блока усреднения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам блока анализа иблока памяти аргумента, адресныйвход которого объединен с адреснымвходом блока оперативной памяти иподключен к выходу блока управления,выход блока оперативной памяти соединен с входом блока анализа. Блоканализа содержит два блока ключей,последовательно соединенные блок выбора максимума и блок деления, выходкоторого соединен с информационнымвходом первого блока ключей, регистрчисла и блок вычитания, первый входкоторого объединен с входом регистра щчисла и блока выбора максимума и является входом блока анализа, второйвход блока вычитания подключен квыходу регистра иола, а выход соединен с информационнчм входом второ го блока ключей, управляющие входыблоков ключей соединены с выходомблока задания зоны не чувствительности, выходы первого и второго блоков ключей соединены соответственнос первым и вторым входами блока сравнения,выход которого является выходомблока анализа. БлОк управления содержит счетчик выборок, вход которого объединен с первым входом формирователя тактовых импульсов и является входом блока управления,второй и третий входы формирователятактовых импульсов подключены соответственно к выходу тактового генератора и к первому входу счетчикавыборок, а выход соединен с первымвходом счетчика ординат, второй входкоторого подключен к второму выходусчетчика выборок, разрядные выходысчетчика ординат подключены к соответствующим входам дешифратора,выход которого является выходомблока управления,На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого анализатора, на Фиг,2 а,б,в) - иллюстрация принципа принятиярешения, т.е. выработки корректирующего воздействия и конечный результат расположения спектра; на фиг.3Функциональная схема блока управления.Анализатор спектра случайных процессов содержит последовательносоединенные аналого-цифровой преобразователь 1, блок умножения 2, блок3 усреднения и блок 4 оперативнойпамяти (БОП), выход которого соединен с вторым входом блока 3, к второму входу блока 2 подключен генератор 5 базисных функций, а адресныйвход блока 4 соединен с выходом блока6 управления. В анализаторе используется второй блок 7 усреднения,включенный между выходом и входомблока 8 памяти аргумента 8, накапливающий сумматор 9, входом соединенныйс выходом блока 7, а выходом - свходами генератора 5 и преобразователя 10 кода во временной интервал,выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 1, накапливающего сумматора9 и блока 6 управления, выход которого подключен к адресному входублока .8 памяти аргумента.При этом между выходом БОП 4 ивторым входом блока 7 включен блок 11,анализа, который содержит блок 12 выбора максимума, к выходу которогоподключены последовательно соединенные блок 13 деления, а также блок 14задания зоны нечувствительности(БЗЗН), регистр 15 числа, блок 16 вычитания, первый блок 17 ключей, второй блок 18 ключей, выходы которыхсоединены с соответствующими входамиблока 19 сравнения. В блоке управления использован формирователь 20 тактовых импульсов, счетчик 21 выборок,счетчик 22 ординат, дешифратор 23 итактовый генератор 24. Первый входблока 18 соединен с выходом блока 16,а вторые входы блоков 17 и 18 соединены с выходом БЗЗН 14, причем выход регистра 15 соединен с вторымвходом блока 16, а выход блока 19является выходом блока 11 анализа.Анализатор спектра работает следующим образом.По команде от преобразователя 10аналого-цифровой преобразователь 1осуществляет выборки из исследуемогослучайного процесса и преобразуетих в код (Х(АЛЬТ), который подаетсяна первый вход блока 2, Одновременнона второй вход блока 2 от генератора 155 базисных Функций подаются выборкибазисных Функций. Результаты перемножения усредняются и хранятся в коль.це, образованном блоком 3 и блоком,4, вследствие чего н кольце производится синхронное накопление или"накопление по индексу",.описываемоевыражением0 й-Вф )= - С. Г х(1 ьс)сон(2 Т - Е ьУ ) .4110Полученные таким образом оценкиординат спектра после преобразованийкаждой очередной выборки сигнала поступают на блок 11 анализа, в котором производится определение действительнойпогрешности восстановления по заданной восстанавливающей функции, еесравнение с заданной погрешностьювосстановления и выработка корректирующего воздействия в соотнетстниис результатом сравнения каждых двухсоседних ординат спектра. Эти преобразования осуществляются следующимобразом,С выхода блока 11 анализа ординаты 4 Оспектра поступают в блок 12 выбора максимума, с выхода которого максимальное значение ординаты спектра подается в блок 13 деления, в которомформируется абсолютное значение пог 45решности восстановления, например,в соответствии с выражением" в(у)асс ---- , (1)Отйгде Год - относительная погрешностьвосстановления, заданнаякак коэффициент деления вблоке 13 деления.Одновременно ординаты спектра поступают на. входы регистра 15 числа иблока 16 вычитания, на выходе которого формируются разности между каждыми двумя соседними ординатами спектра, являющиеся действительной погрешностью восстановленияЕа .д(к) 9(к+.1). Ф) )Действительная и заданная погрешность восстановления через блокиключей 17 и 18 поступают на входыблока 19 сравнения, В зависимости 65 от заданной величины эоны нечувствительности Ь (установленной н блоке) 14 задания зоны нечувстнительности) при помощи блоков 17 и 18 регулирует. ся разрядность сравниваемых кодов, например- 0,00001111111111116 = 0,0000111111110111Ь = 1,1111111111110000 . (За)В этом случае на входы блока 19 поступают следующие коды:(36)Как: 0,0000111111110000Еъ = 0,0000111111110000 .При указанных значениях кодовблок 19 зафиксирует их равенство ина выходе блока не будет сформиронано корректирующее воздействие(фиг,2 в, 6 =О).Если в следующем цикле обработкисигнала будут сформированы коды(3 бне равные, то блок 19 вырабатываеткорректирующее воздействие на изменение величины аргумента соответству.ощих ординат (Фиг.2 в, д =+1 илиЭто изменение осуществляется дотого момента, когда коды (Зб) вновьбудут равны. Причем зона нечувствительности определяется количеством неучитынаемых раэрядон с учетом веса младшего разряда,В результате этих преобразований,н зависимости от знака корректирующего воздействия 6, изменяется содержимое блока 7 (приращение аргументамежду соседними ординатами) в добавляется +1 или - 1 или О, В накаплинакшемсумматоре 9 иэ приращений аргумента формируется полное значение аргумента, который определяет частоту выборки базис.ных функций из генератора 5 базисныхфункций и преобразованный н интервалвремени на преобразователе 10 кода10 регулирует частоту выборки аналогоцифрового преобразователя 1.После полного цикла обработкиочередной выборки преобразователь,10 кода производит следующую выборку, сброс накапливающего сумматора 9и дает команду блоку 6 управленияна начало нового цикла управленияблоком 4 оперативной памяти и блоком 8 памяти аргументаВ процесс вычитания оценки спектрапроисходит адаптивное регулированиеприращений аргумента Ь между соседними ординатами спектра. Процесс регулировки закончится тогда, когда вовсем диапазоне изменения аргумента(диапазоне частот анализа) дейстнительная и заданная погрешности восстановления с учетом зоны нечувствительности будут равны, что иллюстрируется на фиг. 2 в (6 =О),. Причем блок14 задания зоны нечувствительностиможет быть выполнен в виде переключателя, формирующего нужный код.Гаким образом, введение в анализатор .дополнительных блоков (относи 838600тельно прототипа) позволяет реализовать новые операции преобразования "сжатия" определенных .участков оси аргумента в зависимости от крутизны спектральной характеристики (фиг.2 б). Причем эти преобразования осуществляются в ритме поступления о случайном5 процессе,т.е. в реальном масштабе времени, Благодаря такой процедуре обеспечивается одинаковая погрешность измерений каждой ординаты спектра.Использование предложенной, измерительной процедуры целесообразно в следующих случаях;при заданном диапазоне частот анализа обеспечивается минимальное количество измеряемых ординат спек тра, вследствие чего исключается избыточность информации для последующих систем обработкипри заданном количестве ординат спектра (ячеек ОЗУ) обеспечивается более широкий диапазон частот анализа - в 2-10 раз, в зависимости от класса исследуемого сигнала.Следовательно, совокупный техни- ко-экономический эффект от предлагаемого анализатора спектра является существенным, а техническое решение - перспективным.формула изобретения1. Анализатор спектра случайных процессов, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом анализатора, а выход З 5 соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу генератора базисных функций, выход блока умножения соединен с первым входом первого блока 4 усреднения, второй вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти, первый вход которого подключен к выходу блока усреднения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в анализатор спектра введены блок анализа, второй блок усреднения, блок памяти аргумента, накапливающий сумматор, блок управления и преобразователь кода во временной интервал, вход которого объединен с входом генератора базисных функций и подключен к выходу накапливающего сумматора, а выход соединен с управляющим входом аналого-цифрового пре образователя, с входом блока управления и с управляющим входом накапливающего сумматора, информационный вход которого объединен с информационным входом блока памятиаргумента и подключен к выходу второго блока усреднения, первый и второйвходы которого подключены соответственно к выходам блока анализа иблока памяти аргумента, адреснымивход которого объединен с адреснымвходом блока оперативной памяти и подключен к выходу блока управления, выходблока оперативной памяти соединен свходом блока анализа.2. Анализатор по п,1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что блок анализасодержит регистр числа, блок вычитания, два блока ключей, блок заданиязоны нечувствительности и последовательно соединенные блок выборамаксимума и блок деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока ключей, первыйвход блока вычитания объединен с входом регистра числа и блока выборамаксимума и является входом блокаанализа, второй вход блока вычитания подключен к выходу регистра числа,а выход соединен с информационнымвходом второго блока ключей, управляющие входы блоков ключей соединены свыходом блока задания заны нечувствительности, выходы первого ивторого блоков ключей соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, выход которого является выходом блока анализа.3, Анализатор по пп. 1 и 2 о тл и ч а ю щ и й с я тем, что блокуправления содержит счетчик ординат,тактовый генератор, формировательтактовых импульсов, дешифратор, счетчик выборок, вход которого объединен с первым входом формирователятактовых импульсов и является входомблока управления, второй и третийвходы формирователя тактовых импуль.сов подключены соответственно к выходу тактового генератора и к первомувыходу счетчика выборок, а выход соЕдинен с первыМ входом счетчика ординат, второй вход которого подключенко второму выходу счетчика выборок,разрядные выходы счетчика ординатподключены к соответствующим входамдешифратора, выход которого являетсявыходом блока управления.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРУ 455293, кл. С 01 Р 23/00, 1973.2. Авторское свндетельство СССРР 537349, кл. С 06 Р 25/39, 1975