Устройство для спектрально-временного анализа сигналов

(51)5 6 01 Ч 100 БРЕТЕНИВУ КА Г.Риммар и А.Ф,Х е: Справоч, с, 431-. ГосуяАРствен 1 ый комитетПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНО- ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА СИГНАЛОВ (57) Изобретение предназначено для измерения спектральных характеристик сигналов волновых процессов различной природы: акустических, сейсмических и др. и может быть использовано, в частности, при исследовании неоднородных сред, геологических съемках. Цель изобретения - повышение разрешающей способности и Изобретение предназначено для измерения спектральных характеристик сигналов волновых процессов различной природы; акустических, сейсмических и других и может быть использовано, в частности, при исследовании неоднородных сред, геологических съемках. Существуют различные устройства измерения характеристик спектра сигналов, в том числе и устройства-анализаторы спектра, где спектральные характеристики получаются как результат воздействия исследуемого процесса на,избирательный четырехполюсник, который реализуется либо набором полосовых фильтров, параллельно или последовательно соединенных, либо с помощью дисперсионных линий задержки,информативности устройства эа счет обеспечения воэможности более точного и однозначного выделения наблюдаемых мод, Записанный на магнитном носителе в аналоговой форме сигнал пропускается через набор полосовых частотных фильтров и воспроизводится с использованием регистраторов спектра в координатах частота - амплитуда - время, дополнительно получаемый аналоговый сигнал преобразуют в цифровой код, переводят в модифицированный масштаб в емени в виде Т(10+А). - т 2 ( То - время задержки прихода сигнала от момента синхронизации, г - текущее время длительности сигнала, отсчитываемое от начала прихода сигнала), производят запоминание в модифицированном масштабе времени, затем производят обратное преобразование сигнала в аналоговую форму для последующего отфильтровывания спектральных компонент и воспроизведения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. либо на цифровом фильтре, либо на сочетании цифровых и аналоговых устройств,Такая же методика измерений использована и в известном устройстве, в котором записанный на магнитной ленте сигнал в электрическом аналоговом виде подается на вход электриЧеской схемы, содержащей переменные полосовые фильтры, где последовательно отфильтровываются спектральные компоненты, которые регистрируются на индикаторе в координатах частота - время - амплитуда. Указанное устройство содержит последовательно соединенныв блок воспроизведения записи анализируемого сигнала,узкополосный перестраиваемый частотный фильтр, усилитель, регистратор Спектра в координатах частота - амплитуда - время,Недостатком данного устройства является то, что получаемые спектрограммы хотя и позволяют обнаруживать наличие характерных мод и дают воэможность проследить за развитием изучаемого процесса 5 во времени, но обладают недостаточной разрешающей способностью для исследования и оценки параметров модовой структуры изучаемого поля, т.е. не обладают достаточной информативностью, 10Целью изобретения является повышение разрешающей способности и информативности устройства за счет обеспечения возможности более точного и однозначного выделения наблюдаемых мод. 15Указанная цель достигается тем, что в устройство для спектрально-временного анализа сигналов, содержащее блок воспроизведения записи анализируемого сигнала, блок согласования напряжения и 20 последовательно соединенные узкополосный перестраиваемый частотный фильтр, усилитель, регистратор спектра в координатах частота - амплитуда - время, подключенный вторым входом к первому выходу 25 блока синхронизации считывания, вторым выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а входом - выход задатчика периода считывания, между блоком воспроизве дения записи анализируемого сигнала и блоком согласования напряжения введены аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, блок пороговой селекции, задатчик уровня порога, дешифратор, счетчик 35 времени задержки, счетчик длительности сигнала, задатчик периода выборки отсчетов, блок выполнения функции вида Т+7 ддт 7:д д д- д- дд ки прихода сигнала от момента синхрониза ции, т - текущее значение длительности . сигнала блок управления записью, блок памяти и цифроаналоговый преобразователь, причем вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом 45 блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, а выход - с первым входом блока сопряжения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления записью, подключенного вторым 50 выходом к первому входу блока памяти, вторым входом которого является первый выход блока сопряжения, вторым своим выходом соединенного с первым входом блока пороговой селекции, второй вход ко торого подключен к выходу задатчика уровня порога, а первый - третий выходы блока пороговой селекции подключены соответственно к первому входу счетчика временизадержки, первому входу блока управления записью и первому входу счетчика длительности сигнала, вторым входом которого является первый выход задатчика периода выборки отсчетов, подключаемого вторым выходом к второму входу блока управления записью, третий вход которого соединен с выхо ом блока выполнения функции вида(1 о + т) 2 - т , первый и второй входы которого соединены с выходом счетчика длительности сигнала и выходом счетчика времени задержки, соединенного вторым входом с выходом дешифратора, подключенного своим входом к второму выходу блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, выход блока памяти подключен к входу блока согласования напряжения, соединенного своим выходом с первым входом цифроаналогового преобразователя, выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а с вторым входом цифроаналогового преобразователя соединен третий выход блока синхронизации считывания, четвертый выход которого подключен к третьему входу блока памяти.Блок выполнения функции вида Тд д )фд, ддд дд.-дд тельно соединенные сумматор, первый квадратор,. вычитатель, блок извлечения корня, буферный регистр и подключенный к второму входу вычитателя второй квадратор, причем первый вход сумматора соединен с выходом счетчика длительности сигнала, а второй вход сумматора и вход второго квадратора соединены с выходом счетчика времени задержки, выход буферного регистра является третьим входом блока управления записью.На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема блока выпол неддд тддд дддд-д - ,т.д, фиг.3 - то же, вариант.Устройство (фиг,1) содержит блок 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, блок Э сопряжения, блок 4 пороговой селекции, задатчик 5 уровня порога, де-. шифратор 6, счетчик 1 времени задержки, блок 8 выполнения функции вида Т = 7 д.7 Сд,д,да дддт -. писью, счетчик 10 длительности сигнала, задатчик 11 периода выборки отсчетов, блок 12 памяти, блок 13 согласования напряжения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, узкополосный перестраиваемый частотный фильтр (УПФ) 15, усилитель 16, регистратор 17, блок 18 синхронизации считывания и эадатчик 19 периода считывания.;Первый выход блока 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала через АЦП 2 соединен с первым входом блока 3 сопряжения, второй вход которого соединен с первым выходом блока 9 управления записью, соединенного вторым выходом с первым входом блока 12 памяти, вторым входом которого является первый выход блока 3 сопряжения, соединенного вторым выходом с первым входом блока 4 пороговой селекции, второй вход которого подключен к задатчику 5 уровня порога, а первый - третий выходы подключены соответственно к первым входам счетчика 7 времени задержки, блока 9 управления записью и счетчика 10 длительности сигнала, вторым входом которого является первый выход задатчика 11 периода выборки отсчетов, подключенного своим вторым выходом к второму входу блока 9 управления записью, третий вход которого соединен с выходом блока 8 выполнения нкции вида Т(1 О + у)- 1, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами счетчика 10 длительности сигнала и счетчика 7 времени задержки, соединенного вторым входом с выходом дешифратора 6, подключенного своим входом к второму выходу блока 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала, Блок 12 памяти подключен своим выходом к последовательно соединенным блоку согласования 13 напряжений, ЦАП 14, УПФ 15, усилителю 16 и регистратора 17, а третий вход блока 12 памяти и вторые входы ЦАП 14, УПФ 15 и регистратора 17 подключены. к соответствующим выходам блока 18 синхронизации считывания, подключенного своим входом к выходу эадатчика 19 периода считывания,Блок 8 выполнения функции вида Т = ТРл)щследовательно соединенные сумматор 20, первый квадратор 21, вычитатель 22, блок 23 извлечения корня, буферный регистр 24 и подключенный к второму входу вычитателя 22 второй квадратор 25, гБлок 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала предназначен для воспроизведения записанного на магнитном носителе (ленте, кассете, диске) исследуемого сигнала и опорного синхроимпульса и получения на выходе электрического анало- гового сигнала, В качестве этого блока может быть использован магнитофон, с первого выхода которого снимается напряжение, соответствующее сигналу, а с второго - опорному синхроимпул ьсу.АЦП 2 обеспечивает преобразованиеэлектрического напряжения сигналов, по 5 10 15 20 25 30 35 ступающих с первого выхода блока 1, в соответствующий цифровой код.Блок 3 сопряжения предназначен для согласования параметров сопряжения и обеспечения взаимодействия АЦП с блоками 4 и 12, для приема и хранения данных, поступающих от АЦП в течение одного цикла преобразования аналоговой информации, и выдачи их в блоки 4 и 12.Блок 4 пороговой селекции предназначен для выделения полезного сигнала и определения момента его прихода, что обеспечивается путем сравнения поступающего из блока 3 кода с заданной с помощью блока 5 величиной уровня порога, При первом превышении и по окончании превышения этого порога из блока 4 выдаются сигналы в счетчики 7 и 10 и блок 9.Задатчик 5 уровня порога обеспечивает воэможность задания определенного уровня порога и преобразование этой величины в соответствующий код для выдачи в блок 4.Дешифратор 6 служит для выделения опорного синхроимпульса, выработки в момент его прихода управляющего импульса и выдачи его на счетчик 7,Счетчик 7 времени задержки обеспечивает определение времени прихода (задержки) сигнала от. момента синхронизации 1 о и выдачу его значения в АЦП 2. Запуск этого счетчика производится импульсом, поступающим иэ дешифратора 6, а останов - импульсом иэ блока 4, вырабатываемым в первый момент прихода сигнала (превышения установленного порога).Блок 8 выполнения функции вида ТЖ обеспечивает выполнение укаэанных операций над величинами то и т, поступающими соответственно из счетчиков 7 и 10, и выдачи полученного значения Т - модифицированного времени в блок 9,Блок 8 содержит (фиг.2) сумматор 20, обеспечивающий выполнение операции сложения над данными Ю и г, поступающими из счетчиков 7 и 10 соответственно, и выдачу полученного результата в квадрэтор 21, обеспечивающий выполнение операции возведения в квадрат величины, поступающей из сумматора 20, и выдачу полученного результата в вычитатель 22, обеспечивающий выполнение арифметической операции вычитания над величинами (со + т) и 1 о, поступающими из квадраторов 21 и 25 соответственно, и выдачу полученного результата в блок 23 извлечения квадратного корня, обеспечивающий выполнение указанной операции над величиной, поступающей из вычитателя 22, и выдачу результата в ре50 гистр 24, служащий для промежуточногохранения данных, поступающих из блока23, и выдачи их в блок 9, второй квадратор25, обеспечивающий выполнение операциивозве,цения в квадрат значения величинывремени М, поступающего из счетчика 7, ивыдачу полученного результата в вычитатель 22,Блок 9 управления записью предназначен для органиэации и синхронизации работы блоков 3,4,8, задатчика 11 и блока 12памяти и обеспечивает прием из блока 4импульса начала сигнала, из блока 8- зна чений модифицированного времени Т, иззадатчика 11 - заданного периода выборкиотсчетов, а также выработку управляющихсигналов и выдачу в блок 3 команды на выдачу кода сигнала в блок 12 и в последний -команды на прием и обеспечение записипоступившего из блока 3 кода сигнала вячейку памяти, адрес которой определяетсяв блоке 9 В соответствии со значениями полученного из блока 8 параметра Т.Счетчик 10 длительности сигнала обеспечивает определение текущих значенийвремени т, отсчитываемого от начала прихода сигнала до его прекращения (или пре, рывания), и Выдачу этих значений в блок 8 всоответствии с заданным в задатчике 11 периодом выборки отсчетов.Запуск и останов этого счетчика производится по командам блока 4.Задатчик 11 периода выборки отсчетовобеспечивает возможность задания определенного периода дискретизации, преоб разование этой величины Всоответствующий код и выдачу его в счетчик10 и блок 9,Блок 12 памяти представляет собой запоминающее устройство, Обеспечивающее по команде из блока 9 прием и хранение .кодов сигналов, поступающих из блока 3, вячейках памяти В соответствии с указанными из блока 9 адресами, а также прием из блока 18 команд на считывание и выдачу хранимых кодов в ЦАП 14 через блок 13.Блок.33 согласования напряжения обеспечивает сопряжение блока 12 и ЦАП 14 и согласование их электрических параметров. ния поступающих кодов в напряжения, пропорциональные значениям кодов, и выдачу ,их в фильтр 15,УПФ 15 предназначен для выделения сигналов в назначенной полосе пропускания и обеспечивает плавное изменение полосы пропускания при переходе на новый цикл считывания. УПФ разработан на основе активного фильтра с независимой регулировкой частоты и добротности, в нем 5 1 О 15 20 25 30 35 обеспечивается возможность коррекции зависимости коэффициента передачи фильтрав целом от частоты его настройки,Согласующий усилитель 16 обеспечивает стыковку по электрическим параметрамфильтра 15 и регистратора 17 и позволяетрегулировать величину входной мощностисигнала, поступающего на вход регистратора 17.Регистратор 17 предназначен для регистрации и воспроизведения в наглядном виде в координатах частота - время -амплитуда результатов спектрально-временного анализа сигналов, В устройствеприменен самописец с яркостной записью(с помощью электрической искры), которыйобеспечивает запись уровня сигнала, принятого из усилителя 16, развертку пера (вобе стороны) и протяжку электротермическОЙ бумаГи по командам, поступающим изблока 18.Блок 8 синхронизации считывания организует синхронную работу блоков 12, ЦПА14, фильтра 15, регистратор 17 и обеспечивает выработку управляющих импульсов всоответствии с заданным из блока 19 циклом и выдачу в блок 12 команды на считывание и выдачу хранимой в нем информации,в ЦАП 14 - команды на его запуск, в фильтр15 - команд на переключение фильтров, врегистратор 17 - команд на управление работой регистратора.,Задатчик 19 периода считывания обеспечивает воэможность задания значенияцикла считывания, а также значений исследуемого частотного диапазона, полосы пропускания фильтров, опорной частотынастройки, преобразование этих значений Вкоды и выдачу их в блок 18,Устройство работает следующим образом.Записанный на магнитной ленте сигналвоспроизводится в блоке 1. При этом опорНЫЙ СИНХРОИМПУЛЬС С ОДНОГО Иэ ВЫХОДОВмагнитофона через дешифратор 6 поступает на вход счетчика 7 и не запускает его наотсчет времени 1 о, а сигнал, преобразованный в цифровой код в АЦП 2, через блок 3сопряжения подается на вход блока 4 пороговой селекции, где производится его сравнение с заданным из блошка 5 пороговымзначением, В момент превышения этого порога в блоке 4 вырабатывается сигнал, которой, поступая на вход счетчика 7,останавливает его, поступая на вход счетчика 10, запускает его на отсчет длительностисигнала т, а поступая на вход блока 9 управления записью, дает информацию о необходимости подготовки к приему и записикода сигнала в память (из блока 3 в блок 12).блоком согласования напряжения введены аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, блок пороговой селекции, задатчик уровня порога, дешифратор, счетчик времени задержки, счетчик длительности 5 , сигнала, задатчик периода выборки отсчетов блок выполнения функции вида Т(то +т)- т , гдето-время задержки прихода сигнала от момента синхронизации, г - текущее значение длительности 10 сигнала, блок управления записью, блок памяти и цифроаналоговый преобразователь, и ричем вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом блока воспроизведения записи анализируемого 15 сигнала, а выход - с первым входом блокасопряжения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления записью, подключенной вторым выходом к первому входу блока памяти, вторым вхо дом которого является первый выход блока сопряжения, вторым своим выходом соединенного с первым входом блока пороговойселекции, второй вход которого подключен к выходу эадатчика уровня порога, а первый 25 - третий выходы блока пороговой селекцииподключены соответственно к первому входу счетчика времени задержки, первому, входу блока управления записью и первому входу счетчика длительности сигнала, вто рым входом которого является первый выход задатчика периода выборки отсчетов, подключаемого вторым выходом к второму входу блока управления записью, третийвход которого соединен с выходом блока выполнения нкции вида Т(, +т)- т , первый и второй входы которого соединены с выходом счетчика длительности сигнала и выходом счетчика времени задержки, соединенного вторым входом с выходом дешифратора, подключенного своим входом к второму выходу блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, выход блока памяти подключен к входу блока согласования напряжения, соединенного своим выходом с первым входом цифроаналогового преобразователя, выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а с вторым входом цифроаналогового преобразователя соединен третий выход блока синхронизации считывания, четвертый выход которого подключен к третьему входу блока памяти.2,Устройство по п,1,отл ич а ю щеес я тем, что блок выполнения функции вида -ЪИ +и Гд, п а тельно соединенные сумматор, первый квадратор, вычитатель, блок извлечения корня, буферный регистр и подключенный к второму входу вычитателя второй квадратор, причем первый вход сумматора соединен с выходом счетчика длительности ,сигнала, а .второй вход сумматора и вход вгорого квадратора соединены с выходом Счетчика времени задержки, выход буферного регистра является третьим входом блока управления записью,1711109 Составитель А, АлешинТехред М.Моргентал орректор А. Осауленко ктор на изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 338 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушскэя наб., 4/5