Устройство для определения энергии сигнала гауссовой формы

(54) УСТРОРС ГИИ СИГНАЛА (57) Изобрет тике и вычис чп на ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ВТОРСКОМУ С 8 ИДЕ(7 1) Институт кибернетики с вьвгислительным центром Узбекского науч опроизводственного объединения "Кибер нетика" АН УэССР(56) Авторское свидетельство СССР У 1095199, кл, Г 06 С 7/18, 1984,Авторское свидетельство СССР Нф 545078, кл. Н 03 К 13/17, 1976,ВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРАУССОВОР КОРМИние относится к автомаительной технике и моИзобретение относится к автомати ке и вычислительной технике и может найти применение при разработке уст ройств для автоматизированной обработки низкочастотных пикообраэньм сигналов, приближающихся функцией нормального распределения Гаусса.Пель изобретения - повьппение то ности устройства.1 На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на Фиг. 2 - блок-схема арифметического блока; на фиг. 3 - временная диаграмма, поясняющая сущность процесса нахождения площади;фиг. 4 - временные диаграммы, гоясняюшие работу блок-схемы устройстжет быгь применено для автомат.1 зацниобработки низкочастотных пикообразных сигналов, Нелью изобретения является повьппение точности устройства,Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее аналогоцифровой преобразователь, блок определения экстремума сигнала, генератор импульсов, ключ, дополнительновводится два пифференцпатора, длаформирователя импульсов, компаратори арифметический блок, Арифметический блок содержит т;и вычитателя,три умножителя, элемент сложения,Учет асимметрии реальных вилообразньм сигналов и их дрейфа позволяетповысить точность устройства, 1 э.п,ф-лы, 4 ил Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 определения экстремума сигнала, генератор 3 импульсов, ключ 4, счетчик 5, первый 6 и второй 7 дидференциаторы, компаратор 8, первый 9 и второй 10 формирователи импульсов, триггер 11 и арифметический блок 12, причем вход аналого-цифрового преобразователя 1 является входом устройства, который также соединен через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 дифференциаторы с вхоом компаратора 8выход которого одключен к входам первого 9 и второго 10 формирователей импульсов, выход первого 9 иэ них соединен с единичным входом триггера 11 и первым вхо 1645977дом разрешения записи арифметического блока 12, поцключенного входом синхронизации к выходу указателя экстремума 2, соединенного входом с выходом аналого-цифроного преобразователя 1, второй вход разрешения записи арифметического блока 12 подключен к выходу второго формирователя 10 импульсов, соединенного также с нуле вым входом КЯ-триггера 11, единичный выход которого подключен к управляющему входу ключа 4, соединенного инФормационным входом с выходом генератора 3 импульсов, а выходом - с 15 входом счетчика 5выход которого подключен к второму информационному входу арифметического блока 12, соедийенного первым информационным входом с выходом аналого-циФрового преобра зователя 1, а выход арифметического блока 12 является выкодом устройства.Арифметический блок 12 содержит первый 13, второй 14 и третий 15 нычитатели, первый 16, второй 17 и тре тий 18 умножители и элемент 19 сложения, причем информационные входы первого 12 и второго 14 вычитателей соединены с первым входом арифметического блока 12, второй информацион- ЗО ный вход которого соединен с информационными входами третьего вычитателя 15 и первого умножителя 16, первый управляющий вход третьего вычитателя 15 и вход управления умножителя 16, а также первый вход управления второго вычитателя 14 и второй вход управления первого вычитателя 13 подключен к входу синхронизации арифметичес- КОГО блоки 12 р соединенноГО первым 40 входом разрешения записи с первым управляющим входом первого вычитателя 13, а вторым входом разрешения записи с управляющими входами второго 14 и третьего 15 вычитателей. Выкод пер ного вычитателя 13 подключен ко второму входу второго умножителя 17, соединенного первым входом с выходом третьего вычитателя 15, выход второ" го нычитателя подключен к второму инФормационному входу первого умножителя 16, соединенного выходом с первым входом элемента 19 сложения, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя 17, а выход элемента 19 сложения соединен с одним из входов третьего умножителя, на втором входе которого установлено постоянное значение, а выход третьего умножителя 18 является выходом арифметическогоблока. Все блоки, входящие в состав арифметического блока 12, выполняют соответствующие вычисления только при условии наличия на их информационных входах обоих операционных членов, На входах каждого блока имеется пара регистров, в которые записывается необходимая информация. Причем разряды обоих регистров втретьем вычитателе 15 соединены с соответствующими разрядами счетчика 5, а разряды обоих регистров первого 13 и второго 14 нычитателей подключены к выходам разрядов выходного регистра аналого-цифрового преоораэователя 1. запись производится при поступлении управляющих сигналов на входы управления, которые соединены с соотнетствующими входами записи соответствующих регистров. В первом умножителе 16 один из сомножителей записывается аналогичным образом с выхода счетчика 5, а второй поступает непосредственно н регистр на второй вход с выхода второго вычитателя 14, Операционные члены второго 17 и третьего 18 умножителей и элемента 19 сложения записываются но входные регистры непосредственно с выходов соответствующих блоков, т.е, разряды обоих входных регистров умножителей 17-19 и разряды входного регистра первого умножителя 16 непосредственно подключены к соответствующим выходным разрядам соответствующих операционных блоков, Таким образом, информация на входы умножителей 17, 18, 19 и на один из входов умножителя 16 поступает с выходов соответствующих арифметических блоков после .окончания вычислений.Сущность определения энергии сигнала или площади под кривой Гаусса в предлагаемом. техническом решении поясняется на фиг, 3, Как известно, для кривой нормального распределения Гаусса существует однозначная взаимосвязь между ее амплитудой Б и среднеквадратичным отклонением 5 (фиг.За), В частности, на уровне 0,607 Н ширина пика соответствует двум среднеквадратичным отклонениям 26. Следо" вательно, отрезок высоты пика Ь (фиг, За) составляет 0,393 Н (Н при. нимается за 1), таким образом, зная величину этого отрезка можно легко1645977 иэм пф Н -Н+1Б(Нп -Нп, ) к=- - -- - ( + д 20 Отсюда 6 на + Н 1Ь=Ним 5 +С 25 30 д Н определить полную высоту пика Н посоотношению: ЬН=0,393 5П 1 ирина пика, равная 2(, соответствует точкам перегиба кривой ЬЬ (Фиг, Эа). Значит, зная точки перегиба и максимум функции можно най "10 ти величину отрезка выссты Ь, а затем всю высоту.При наличии дрейфа базисной линии задача несколько усложняется (Фиг.3 б), Отрезок находится следующим образом: В результате получают выражение для определения площади, Пля учета асимметрии 6 заменяют на (б + )/2 и=ф, (н-н,)+и (н,-н,),42 Й К- -) 0,786уровень, соответствующий максимальной точке пика; уровень, соответствуюп 1 ий точке перегиба на восходящей ветви пика,"уровень, соответствующий точке перегиба на нисходяшей40 ветви пикасреднеквадратичное отклонение левой половины пика (расстояние от точки перегиба и 1 до высоты пика); среднеквадратичное отклонение правой половины пика (расстояние от высоты пика до точки перегиба 1),50Для определения действительной высоты пика Н нет необходимости опреде-, лять начальную и конечную точки лика. В предлагаемом техническом решении для нахождения точек перегиба исполь 55 эуются двойное дифференцирован 1 е сигнала, Как известно, в точках перегиба вторая производная обращается в ноль. Ус",ройстно для ог,г.".ле.я энергии сиапа гауссовой Форы (Фиг, 1 гиб;- л. т следующим сбра см,В исходном состоянии к.:юч 4 заперт, тр ; гер 11 находится в иул ом состоянии, Геиерэор импульсов 3 эа. ускается вручную или автомати 1 ес .и при ;оступлен)г сигиала на вход устроиства Аналого-цифровой -,реобр"зоа - тель 1 преобразует псступичпь."; сигна н цифровую Фгрму, Рпнонреенно аналоговый сигнал (Фиг, 4 е) пГ двергае.гя двойнодид.фернцир,не ю в ернлм 6 и втором 7 дФереииагор х (Фиг, 4 б,н, Компаратор 8 сраба-,. - нает га орицате.ьную волну си-:,э:.а (фиг, 4 г), по.упившего с выхо г ; т.; - рого 7 диФФеренцнатора. При Ьи.гади;У перной точки перегиба п, (Фдг, ) вторая троиз Вобле я обращается В уез (точка ин:. Фиг, 4 в), срабатывает компаратор 8, Формирователь 9 импульсов на отрицательный перепад н.ряжения с выхода компаратора 8;1;нл- рует импульс (Фиг, 4 д). Эти:; импу.ьсом триггер 11 переключаетсн з ; циничное состояние, отпирается ключ 4, счетчик 5 начинает заполняться импуьсми с выхода генератора импэль с в 3, Одновременно с.-ал г выхода первого Форро ателя 9 н стпа. т иа нервьп вход упрагленин ариметическсго блока 12 Информация с вьх, да аналого-цифрового преобраэонателя 1 поступает на пергьп н 1 рационный вход арифметического блока 12 и одновременно на вход блока 2 определения экстремума сигнала, Сигнал о зафиксированном экстремуме с выхода последнего поступает на второй управгяюпий вход арифметического блока 12, на третий вход управления которого поступает сигнал с выхопа второго Формирователя 10 импульсов (Фиг, 4) в момент Фиксации второй точки перегиба и (Фиг. 4 а), Вторая производная при -том вновь обращается в нуль и на ьиг. 4 н) на голоктелььп пе " фреиад напряжения с выхода компара" тора 8 Формирователь 10 Форжрует импульс, которым триггер 11 переводится в нугевое состояние, ключ 4 размыкается счетчик 5 прекращает заполняться, Код с выхода скетчка 5 поступает на второй и 1 Формационный вход арифметического блока 12. Рас 1645977смотрим подробнее работу арифметического блока 12,11Лрийметический блок 12 (Фиг. 2)вычисляет площадь пика. При поступлении сигнала с момента Фиксации первой точки перегиба на первый входразрешения записи вычислительногоблока 12 содержимое выходного регистра аналого-цифрового преобразователя1 переписывается во входной регистр(вход вычитаемого) первого вычитателя 13, Поступившая кодовая комбинация соответствует уровню Н и, (на15Фиг, Зб) первой точки перегиба. Следующий управляющий сигнал поступаетна вход синхронизации блока 12 в момент обнаружения максимума пика. Поэтому сигналу содержимое счетчика 5, 20соответствующее среднеквадратичномуотклонению левой половины пика ( 6на Фиг, 36) переписывается во вход- ной регистр (вход вычитаемого) третьего 15 вычитателя и в один из вход ных регистров первого умножителя 16. Одновременно с этим сигналом содержимое выходного регистра аналого-цифрового преобразователя 1,соответствующее уровню максимума сигнала "иЗМ 30 (на дшг, Зб) переписывается во входной регистр первого 13 и второго 14 вычитателей (входы уменьшаются). В первом 13 вычитателе в обоих входных регистрах которого записана информация, осуществляется операция вычитания, Полученный результат поступает на второй вход второго умножителя 17, На второй вход разрешения записи арифметического блока 12 поступает сигнал 40 формирующийся в момент Фиксации второй точки перегибаПо этому сигналу во второй входной регистр третьего вычитателя 15 записывается содержимое счетчика 5, соответствующее интервалу между точками перегиба б+ б(нафиг, Зб), Одновременно во второй входной регистр второго вычитателя 14 (вход уменьшаемого) записывается содержимое выходного регистра аналогоцифрового преобразователя 1, соответствующее уровню второй точки перегиба Н (на фиг. Зб), Во втором вычитателе 14 производится операция вычитания НдН 1, а в третьем вычитателе 13 определяется значение среднеквадратич- ного отклонения правой половинь пика (Я на Фиг, Зб) путем вычитания значения среднеквадратичного отклонения левой половины пика из интервала между точками перегиба з -6).Результат вычитания с выхода второго вычитателя 14 поступает на второй вход первого умножителя 16, где умножается на 5, т,е. (Н 1 Нп)6,. Полученное значение поступает йа первый вход элемента сложения 19, Во втором умножителе 17 производится операция умножения б (Н 1-Ня,), а результат поступает на второй вход элемента сложения 19, где складывается с 6,(Н 1 -Н п). Результат сложения умножается в третьем умножителе 19 на постоянный коэффициент. На выходе третьего умножителя получают значение площади пика. Возврат схемы в исходное состояние, т,е. обнуление счетчика 5, может быть произведен задержанным сигналом с выхода второго Формирователя 10 импульса (цепь на схеме не показана).Изобретение позволяет повысить точность определения энергии сигнала гауссовой формы не только за счет уче" та асимметрии реальных пикообразных сигналов и дрейфа базисной линии, но и за счет исключения операции нахождения начальной и конечной точек пика, что является наиболее трудоемким при проектировании и создании устройств подобного типа. Достоинство устройства в простоте алгоритма вычисления площади, в простой технической реализации. Повышение точности с одновременным упрощением операции определения площадей пиков, приближающихся кривой нормального распределения Гаусса, повышает эффектив" ность спектрального анализа, результатом которого являются сигналы подобного типа.Формула изобретения1, Устройство для определения энергии сигнала гауссовой формы, содержащее аналого-циФровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен с входом блока определения экстремума сигнала, генератор импульсов, выход которого подключен к информационному входу ключа, соединенного управляющим входом с единичным выходом триггера, а выход ключа соединен с входом счетчика, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышенияточности устройства, в него введеныдва дифференциатора, два Формирователя импульсов, компаратор и арифметический блок, причем вход первогодифАеренциатора соединен с входоманалого-циФрового преобразователя,а выход через второй дифференциатор -с входом компаратора, подключенноговыходом к входам формирователей импульсов, выход первого из которыхсоединен с первым входом разрешениязаписи арифметического блока и с единичным входом установки триггера,нулевой вход установки которого подключен к выходу второго формирователяимпульсов, соединенного также с вторым входом разрешения записи арифметического блока, вход синхронизацииподключен к выходу блока определенияэкстремума сигнала, а первый и второй информационные входы соединены свыходом аналого-цифрового преобразователя и с выходом счетчика соответственно, установочный вход и выходарифметического блока являются установочным входом и выходом устройства. 2, Устройство по п. 1о т л ич а ю щ е е с я тем, что арифметический блок содержит три вычитателя, три умножителя и элемент сложения, причем первый управляющий вход первого еычитателя является пегвьм гхс,сразрешения записи арифметическогоблока, первые управляют вкла ды второ"5 го и третьего вьчитателе; управляющий вход первого умножителя и второйуправлякзцнй вход первого вычитателяобъединены и являются входом синхронизации арифметического блока, инфор 10 мационные входы первого и второго вычитателей объединены н являются первым информационным входом арифметического блока, вторым информационным входом которого является информационный15 вход третьего вычитателя и первый информационньй вход первого умножителя,вторые управляющие входы второго итретьего вычитателей объединены и являются вторым входом разрешения запи 20 си арифметического блока, второй инормационный вход первого умножителясоединен с выходом второго вычитателя а выход - с первым входом элементаЭсложения, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя,соединенного первым и вторым входамис выходами первого и третьего вычитателей соответственно, выход элементасложения подключен к первому входу30 третьего умножителя, второй вход которого является установочным входомарифметического блока, а выход - выходом арифметического бчока,дых для алых ЮюУГЮиюй Ю в Корректор Л,Патай Составитель А.Краор Л,Пчолинская Техред Л.Олийнык а Заказ 1351 ирак 3 писноеоткрытиям при ГКНТ СССР ВНИИПИ Государственно 11303комитетА по изобретениям Москва, Ж, Раушская н 4/5 на, 10 иэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород,