Адаптивный цифровой измеритель параметров сигнала

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕ СИИ ХРЕСПУБЛИН 3 Ш 6 01 К 23/О ГОСУДАРСТВЕПОДЕЛАМ НЫЙ КОМИТЕТ СССРОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ьство СС 1980. тво СССРсое- прок выходу блока прорежи ресечений, элемент сра .группы входов которой выходаи счетчика числа ний и ячейки памяти со п 1 цепочек иэ последов ненных элементов ИЛИ и .счетным входом, выходы ания нуль-пенения, двеодключены к нуль-пересечетветственно, тельно соедитриггеров со оторых являют(21) 3373425/18-21(71) Харьковскийордена Ленина авиационный институт им.Н.Е.Жуковского(56) 1, Авторское свидетел СР9 700842, кл. С 01 В 23/002. Авторское свидетельспо заявке Р 3270928/18-21,кл. С 01 В 23/00, 09.04.81.(54)(57) 1. АДАПТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРИ 1 ЕТРОВ СИГНАЛА, содержащийпоследовательно соединенные блок прореживания нуль-пересечений, Формирователь. чисел и решающий блок, о т л ичающий с я тем, что, с цельюувеличения быстродействия, в неговведены генератор Функций уолша,подключенный входом к выходу блока прореживания нуль-пересечений, 1 п -канальный блок Формирования статистик, каждый канал которого содержит последовательно соединенные сумматоро .вой 2, комбинационный сумматор и универсальнйй сдвиговый регистр, причеминформационные входы каждого из сумматоров по под 2 подключены к выходам формирователя чисел, выходы каждого иэ универсальных сдвиговых регистров соединены с входами решающего блока и с вторыми входами комбинационных сумматоров этих каналов, управляющие входы сумматоров попзой 2каждого канала соединены с соответствующими выходами генератора ФункцийУолша, которые также подключены квходам переноса единицы младшегоразряда комбинационных сумматоровэтих каналов, управляющие входы универсальных сдвиговых регистров объединены и подключены к: выходу блокапрореживания нуль-пересечений, входымладших разрядов последовательного,80,11013867 переноса универсальных сдвиговых регистров.блока формирования статистик объединены и подключены к соответствующему выходу Формирователя чисел, цепочка из последовательно соединенных квадратора, подключенного входами к выходам формирователя чисел, комбинационного, сумматора и универсального сдвигового регистра, вход младщегоразряда последовательного переноса которого соединен с соответствующим- выходом формирователя чисел, а управ-. ляющий вход, подключен к выходу блОка прореживания нуль-пересечений, выходы универсального сдвигового регистра соединены с входами решающего блока и вторыми входами комбинационного сумматора этой цепочки, управляющий вход квадратора подключен к выходу блока прореживания нуль-пересечений, а также м 3 триггер и элемент, за держки, причем вход элемента задержки соединен с вторым служебным выхо- Я дом генератора функций Уолша, а выходподключен к управляющему входу решающего блока и Й -входу триггера,5-вход которого подключен к первомуслужебному выходу генератора ФункцийУолша,выход триггера соединен с 4 ф квходами выбора режима всех универ-:,сальных сдвиговых регистров.2. Цифровой измеритель по п,1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, чтогенератор Функций Уолша содержитсчетчик числа нуль-пересечений,диненный входом с выходом блокареживания нуль-пересечений,. ячейкупамяти, подключенную адресным входомв1013867 ния подключен к обьединенным первымвходам элементов ИЛИ, то -й выход элемента сравнения подключен к объединенным входам установки нуля триггеров с 9 счетным входом. ся выходами генератора функций Уолша,1-й и гп-й выходы элемента сравненияявляются первым и вторым служебнымивыходами генератора функций Уолша,причем первый выход элемента сравне 2Изобретение относится к радиоизме- ко входу блока управления, последоварительной технике и может быть ис- Мельно соединенные формирователь стапользовано в радио- и гидролокацион- , тистик, блок матричного, умножения, ных системах траекторных измерений формирователь отношения сигнал / шум для определения параметров движения 5 и второй блок сравнения, выходы кото- излучающих объектов в условиях огра- рого соединены со входами решаюцего ниченной априорной информации относи- блока, выходы формирователя статистик тельно их динамики. соединены с выходами формирователяИзвестно устройство для измерения чисел, выходы блока матричного умножечастоты (периода) сигнала, содержащее 10 ния также подсоединены к соответствупоследовательно соединенные счетчик ющим входам второго блока сравнения, чисел, умножитель и сумматор, счетчик а вторая группа выходов формироватечисла нуль-пересечений, вход которого ля статистик соединена со второй соединен с первым входом счетчика группой входов формирователя отношечисел, генератор эталонных меток вре ния "сигнал/шум", выходы блока памяти мени, соединенный выходом со вторым соединены с соответствующими входа- входом счетчика чисел, блок вычита- ми формирователя статистик, блока ния, ячейку памяти, делитель, при матричного умножения, формирователя этом выход счетчика чисел нуль-пере- отношения "сигнал/шум" и решаюцего сечений и первый выход ячейки памяти блока управляющие входы которых сое 20Вподключены к;, входам блока вычитания, динены с выходами блока управления 2 выход которого соединен со вторым Это устройство обладает суцественвходом блока умножения, второй выход . но большими функциональными возможячейки памяти и выход сумматора под- ностями по сравнению с первым, так ключены ко входам делителя Г 1 .как не только позволяет устранитьДанное устройство позволяет изме- смещение оценок периода и начальной25рить частоту (период) сигнала с точ- фазы, обусловленных сложным (отличиностью, близкой к теоретически пре- ем от равномерного и прямолинейного) дельной, так как формирует оптималь- характером движения объекта, и изменую (по методу наименьших квадратов) рить производные периода, но и огоценку периода сигнала, излучаемого З 0 раничить рост флюктуационной ошибки объектом при равномерном и прямоли- оценок информационных параметров,свянейном его движении на интервале на- занного с увеличением числа оцениваблюдения. еьвх параметров.Н едостатком этого устройства явля- Недостатки известного устройства ется низкая точность в практике тра обусловлены большими аппаратурными екторных измерений при сложных закс- затратами и большим временем обработах движения наблюдаемых объектов. ки.Наиболее близким к изобретению по целью изобретения является умень- технической сущности является адап- шение, аппаратурных затрат и увеличетивный измеритель параметров сигнала, 40 ние быстродействия при измерении содержащий последовательно соединен-. -параметров сигналов, излучаемых двиные блок прореживания нуль-пересече- жуцимся объектом, при наличии априорний, формирователь чисел, счетчик чис- ной неопределенности относительно дила нуль-пересечений, вход которого намики движения объекта. соединен,с выходом блока прорежива Поставленная цель достигается ния нуль-пересечений, первый блок тем, что в устройство, содержацее посрайнения, блок памяти, блок управ- следовательно соединенные блок прореления и решающий блок, причем выхо- живания нуль-пересечений, формировады счетчика числа нуль-пересечений тель чисел и решающий блок, введены подсоединены к первой группе входов 50 генератор функций уолша, поцключенблока сравнения и к адресным входам, ный входом к выходу блока прорежиблока памяти, вторая группа входов вания нуль-пересечений, щ -канальный блока сравнения соединена с выходами блок формирования статистик, каждый блока памяти, а ее выход подключен , канал которого содержит последоваФтельно соединенные сумматор по щой 2,комбинационный сумматор и универсальный сдвиговый регистр, причем информационные входы каждого из сумматоров,по гпос 7 2 подключены к выходам Формирователя чисел, выходы каждого изуниверсальных сдвиговых регистров соединены с входами решающего блока ис вторыми входами комбинационных сумматоров этих каналов, управляющиевходы сумматоров по гдов 2 каждогоканала соединены с соответствующимивыходами генератора Функций Уолша,которые также подключены к входампереноса единицы младшего разрядакомбинационных сумматоров этих каналов, управляющие входы универсальных сдвиговых регистров объединеныи подключены к выходу блока прореживания нуль-пересечений, входы младших разрядов последовательного переноса универсальных сдвиговых регистров блока формирования статистик объединены и подключены к соответствующему выходу формирователя чисел, цепочка из последовательно соединенныхквадратора, подключенного входамик выходам формирователя чисел, комбинационного сумматора и универсального сдвигового регистра, вход младшегоразряда последовательного переносакоторого соединен с соответствующйм,выходом формирователя чисел, а управляющий вход подключен к выходу блокапрореживаний нуль-пересечений, выходыуниверсального сдвигового регистрасоединены с входами решающего блока 35и вторыми входами комбинационногосумматора этой цепочки, управляющийвход квадратора подключен к выходублока йрореживания нуль-пересечений,а также йтриггер и. элемент за Одержки, причем вход элемента задержки соединен с .вторым служебным выходом генератора функций Уолша, а выходподключен к управляющему входу решающего блока и й-входу триггера,Э-вход которого подключен к первомуслужебному выходу генератора функцийУолша, выход триггера соединен с входами выбора режима всех универсальныхсдвиговых регистров,Генератор функций Уолша содержитсчетчик числа нуль-пересечений, соединенный входом с выходом блока прореживания нуль-пересечений, ячейкупамяти, подключенную адресным входомк выходу блока прореживания нуль-пересечений, элемент сравнения, двегруппы входов которой подключены квыходам счетчика числа нуль-пересечений и ячейки памяти соответственно,п цепочек из последовательно соединенных элементов ИЛИ и триггеров сосчетным входом, выходы которых являются выходами генератора функцийУолша, 1-й и т -й выходы элементасравнения являются первым и вторым б 5 служебными выходами генератора функций Уолша, причем первый выход элемента сравнения подключен к объеди-.ненным первым входам элементов .ИЛИ,.1 п.-й выход элемента сравнения подключен к объединенным входам установкинуля триггеров со счетным входом,На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг.2 - структурная электрическая схема генератора функций Уолша.Измеритель содержит последовательно.соединенные блок 1 прореживания нуль-пересечений и формирователь 2 чисел, генератор 3 функций Уолша, подключенный входом к выходу блока 1 прореживаниянуль-пересечений, Ф -ка нальный блок 4 формирования статистик, каждый канал которого содержит последовательно соединенные сумматор 5 по поВ 2, комбинационный сумматор б и универсальный сдвиговый регистр7, причем информационные входы каждого из сумматоров 5 по гдов 2 подключены к выходам формирователя 2 чисел, выходы каждого из универсальных сдвиговых регистров 7 лодключены ко вторым входам комбинационных сумматоров б, управляющие входы сумматоров 5 по тпой 2 каждого канала соединены с соответствующими выходами генератора 3 функций Уолша, которые также подключены ко входам переноса единицы младшего разряда комбинационных сумматоров б этих каналов,уп= равляющие входы универсальных сдвиговЫх регистров 7 объединены и подключены к выходу блока 1 прореживания нуль-пере- сечений ,входы младших разрядов последовательного переноса универсальных сдвиговых регистров 7 блока 4 Формирования статистик объединены и подключены к соответствующему выходу формирователя 2 чисел, цепочка иэ последовательно соединенных квадраторов 8, подключенных входами к выхооду формирователя 2 чисел, комбинационного сумматора 9 и универсального сдвигового регистра 10, вход младшего разряда последовательного переноса которого соединен с соответствующим . выходом Формирователя.2 чисел, а уп.равляющий вход подключен к выходу блока 1 прореживания нуль-пересечений, выходы .универсального сдвигового регистра 10 соединены со вторыми входами комбинационного сумматора 9, управляющий вхоц квадратора 8 подключен к выходу блока 1 прореживания нуль-пересечений, а также йтриггер 11, элемент 12 задержки и решающий блок 13, причем выходы всех универсальных сдвиговых регистров и универсального сдвигового регистра 10 подключены к информационным входам решающего блока 13, последовательностьимпульсов нуль-пересечений исследуе .мого сигнала поступает на вход 14блока 1 прореживания нуль-пересечений, вход элемента 12 задержки соединен со вторым служебным выходом 15генератора 13 функций Уолша и своимвыходом подключен к управляющему входу решающего блока 13 и Й -входутриггера 11, В -вход которого подключен к первому служебному выходу16 генератора 3 функций Уолша, выход . 1 О17 триггера 11 соединен со входамивыбора режима универсальных сдвиговыхрегистров 7 и 10,Генератор 3 функций Уолша (Фиг.2)содержит счетчик 18 числа нуль-пересечений, соединенный входом с выходом блока 1 прореживаиия нуль-gересечений, ячейку 19 памяти, подключеннуюадресным входом к выходу блока 1 прореживания нуль-пересечений, элемент20 сравнения, две группы входов кото.рой подключены к выходам счетчика 18числа нуль-пересечений и ячейки 19памяти соответственно,щ цепочек изпоследовательно соединенных элементов 2521-1-21-п и триггеров 22-1-22-и сосчетным входом, выходы которых являются выходами генератора 3 функций)Уолша, 1-й и,т-й выходы элементасравнения являются первым и вторымслужебными выходами 16 и 15 генератора 3 Функций Уорда, цричем первыйвыход элемента 20 сравнения подключен к объединенным первым входам элементов 21-1-21-и ИЛИ, ,ь -ый выходэлемента сравнения подключен к объевдиненным входам установки нуля триггеров 22-1-22-п,Устройство работает следующим,образом.Принимая от движущегося излучающегося объекта смесь сигнала и шумаимеет вндОй)=5 о. ФХЮ+Ч(Ч Ц (1)где 9 в - амплитуда принимаемого ко лебания,Х - частота сигнала;ЧЩ- Фаза сигнала,Из принимаемой смеси сигнала и шу-ма после узкополосной фильтрацииформируется временная.последовательность нуль-пересечений; пгступающаянавход блока 1 прореживания нуль-пересечений и служит для формированияпотока статистических независимыхнуль-пересечений, что достигается делением входной импульсной последовательности в Р раз.Временные отсчеты, соответствующиемоментам выпадения нуль-пересечений,ормируемые в блоке 2 в виде двоич- бОж чисел, аппроксимируются в ортоэрмированном базисе из функций УолФ (МДалее формируется вектор достаточых статистик для оцерки параметров 5исследуемого сигнала периода и его производных ). Вектор достаточных статистик определяется следующими соот,ношениямий о м=а, кПй-й -И " О -М -йййй й(2 в йй И Е-Ее+Г-Е,с и) (ц к щу к о к дфПроцесс вычислений в этом случае сводится к формированию мастичных сумм С +, в которых пределы суммирования определяются номером функции Уолша У" (Ц 1 О 1 1 ор) 1; О 41 И 2"ф+1 -)Ц); (11 а = 1,2,3 . . . К = 1,2,32Для увеличения быстродействия уст- ройства формирование частичных суммпри вычитании достаточных статистик ,осуществляется параллельно, что позволяет проводить обработку поступающей информации в реальном масштабе ,времени. Для этого "йсМЬьауются генератор З.функций Уолша, управляющий работой блока 4 формирования достаточных статистик.При поступлении на входы счетчика :18 числа нуль-пересечений и адресные входы ячейки 19 памяти импульсов инФормационной последовательности с выхода блока 1 прореживания нуль-пересечений, на выходах счетчика 18 формируется последовательность чисел "ЙЮ), соответствующая количеству зарегистрированных нуль-пересечений.(Мй, Вмоменты-Й --0 - М изф в - п- ячейки 19 памяти по соответствующим1 й, .й, адресам вызываются числаИ , -.О;1.,)4, которые сравниваются с показаниями счетчика 18 в элементе 20 сравнения имеющей п выходов. В момен,ты сравнения двух чисел на выходе элемента 20 сравнения появляется ко роткий импульс, Затем импульсы с выходов элемента 20 сравнения поступают на входы элементов 21-1-21-п, объединенные в соответствии с определенными номерами Функций Уолша. Так, например, для формирования функции нулевого порядка необходимо иметь один импульс, соответствующий первому импульсу исследуемой выборки, для формирования функции первого порядка необходимы два импульса, соответствующие первому (ч-му импульсу исследуемой выборки и т,д. С выходоВ элеменкак известно, эквивалентно их вычитанию. Таким образом, в каждом из каналов исключена операция вычитания, а вместо нее используется операция накапливающего суммирования. К концу интервала наблюдения по приходе последнего импульса нуль-пересечения исследуемой выборки в каждом из" р каналов формирователя 4 достаточных статистик формируется один из элементов вектора (21.Отметим,что в рабочем состоянии на интервале наблюдения) универсальные регистры 7 Функционируют в режиме параллельного переноса, что достигается следующим образом; при приходе первого импульса исслЕдуемой выборки с первого служебного выхода генератора 3 Функций Уолша на 5-вход триггера 11 поступает импульс,. который переводит его в единичное состояние. Напряжение логической единицы с триггера 1 подается иа объ единенные входы выбора режима работы универсальных сдвиговых регистров 7 в течение всего интервала наблюдения, что и обеспечивает режим параллельного переноса, По окончании выборки импульс второго служебного выхода генератора 3 функций Уолша поступает на элемент 12 задержки, с выхода которого импульс поступает на Р -вход триггера 11 и возвращает его в нуле-. вое положение, Наличие нулевого потенциала на входе выбора режима работы универсальных сдвиговых регистров 7 переводит их в режим последовательного переноса. Из блока 2. Формирования чисел на входы младших разрядов последовательного переноса поступают импульсы от генератора эталонных меток времени, содержащегося в Формирователе 2, что позволяет с высокой скоростью стереть информацию, содержащуюся в регистрах. Операция перезаписи информации из блока 4 формирования статистик в решающий блок 13 осуществляется в параллельном виде импульсом с выхода элемента 12 задержки. Это происходит по времени раньше, чем регистры будут переведены в Режим последовательного переноса на время элемента 12 задержки в триггере 11. Это предотвращает стирание информации до перезаписи ее в решающий блок. Аналогично каналу Формирования статистик работает и цепочка из последовательно соединенных квадратора 8, комбинационного сумматора 9 и универсального сдвигового регистра 10, Каждая операция возведения чилсел ск в квадрат и операция накапливающего суммирования стробируется импульсами нуль-пересечений с выхода блока 1 прореживания нуль-пересечений. Это осуществляется и при накапливающем суммировании в блоке 4 Формирования статистик. Таким образом, одновременно с результатами формипредставления двоичных чисел в вычислительных машинах, согласно которомудля представления числа в дополнительном коде необходимо превставить егов обратном коде и добавить в младший 40 разряд переноса единицу. Операциясуммирования по мой 2 обычно реализуется на основе элементов ИСКЛВЧЮЩЕЕ ИЛИ и соответствует представлению числа в прямом или обратном коде в 45 зависимости от знака управлявшеголнапряжения. Затем числа .йк с выхода сумматоров 5 по той 2 поступавт на входы комбинационных су".1 маторов б, которые в совокупности с универсальными сдвиговыми регистрами 7 представляют собой накапливающие -сумматоры. Это осуществляется за счет обратной связи выходы универсальных сдвиговых регистров поцключены ко вторым су ,ирующим входам комбинаци 55 онных сумматоров б. Особенностью работы каждого из каналов формирователя 4 статистик является то, что в соответствии с управляющим напряжением с генератора 3 функций Уолша 60 суммирование отсчетов чисел 1 прок ,изводится на различных участках интервала наблюдения то в прямом, то в дополнительном коде. А суммирование чисел в дополнительном коде,65 тов 21-1-21-и ИЛИ импульсные последовательности поступают на счетные входы триггеров 22-1-22-и на выходахФкоторых формируются Функции Уолша. Последний выход элемента 20 сравнения, на котором появляется импульс в момент прихода последнего 2 8-го нуль-пересечения исследуемой выборки, подключен к объединенным входам установки нуля триггеров 22-1-22-п, и приводит генератор функций уолша в 10 исходное состояние. Первый и гп -й выходы элемента 20 сравнения являются служебными выходами генератора Функций Уолша, и их назначение будет пояснено ниже. 15Рассмотрим работу формирователя 4. Числа, соответствующие. моментам нульлпересечений Ф из блока 2 поступают на информационные входы сумматоров 5 по пзод 2, на управляющие входы которых поступает напряжение с выходов триггеров 22-1-22-и генерато-. ра 3 функций Уолша. При наличии на управляющем входе единичного напрягжения числа Йк представляются в прямом коде, а при наличии на указанлном входе нуля числа 1 к - в обратном коде. Поскольку выходы триггеров 22-1-22-и также подключены к входам переноса младшего разряда комбинационных сумматоров 6 каналов формирол вателя статистик, то числа С могутк 1 быть представлены в зависимости от знака управляющего напряжения как в ,прямом, так и в дополнительном коде в соответствии с известным принципом, З 5;коэффициент в дальнейшем использует.,ся для оценки информационных параметров сигнала, а в обратном случае онотбрасывается в силу его малости посравнению с Флюктуационными шумами.При Формировании оценки дисперсии следует испольэовать соотношениеИо11) к . - 1где " Ч - элементы корреляционнойКлматрицы оценокопределяемой по формуле3чгде Х : б д - диагональная2Ь(4 ) из вектораФормируются квадАф 2 2 2Фмируются в. виде, и вычитаютсяй 1=0из числа2., поступившего в ред К;шающий блок 13 из универсальногосдвигового регистра 10. Полученнаяразность умножается .на числовой коэфФФициент уй- ,который рас 1=0считан предварительно и хранится впамяти решающего блока 13. Затем производится операция сравнения коэффициентов р 2 с дисперсией,Х Яб ;коэФфициент Д 2 (1) также заранее изРвестен из таблиц Х -распределения.После определения истинной степениполинома Чебышева путем вторичного 50 матричного преобразования-ь ЛЫ =г, (э)где Г - треугольная матрица коэффициентов разложений по полиномам Чебышева 9рователя 4 статистик импульсом с выхода элемента 12 задержки в р)ающийл блок 13 переписывается числос-4 выходов универсального сдвигового ре гистра 10.Решающий блок 13 осуществляет дальнейшие операции над вектором достаН ,точных статистик (2 ) и числом,Г +, . 10 ,к " Йелесообразность приведенной структуры состоит в том, что в решающий .блок 13 вводится всего (т+1) число, что позволяет значительно увеличить скорость обработки информации и уменьшить объем аппаратуры, поскольку об-: работке подвергаются в решающем блоке только (п +1) чисел, значительно уменьшается 6 бъем оперативных запоминающих устройств для храненияунфор мации, полученной в результате пер вичйой обработки, и уменьшается количество выЧислительных операций, В качестве решающего блока может быть использован как специализированный 25 процессор, так и универсальная ЭЦВМ, поскольку дальнейшие операции на вектором достаточных статистик представляют собой совокупНость стандартных математических преобразований. Для пояснения принципа работы решающего блока 13 приведем основные соотношения, харак-.еризующие совокупность дальнейших операций над числами.Поскольку отсутствуетдетерминист- З 5 скан связь между разложением в ортонормированном базисе по функциям Уолша и .аппроксимацией временной последовательности нуль-пересечений алгебрачческим полиномом, то интерпретация 4 О результатов измерений и операция адаптивного поиска истинной степени аппроксимирующего полинома представляет значительные затруднения. Поэтому в решающем блоке 13 предусмотрена первичная процедура матричного пре образования вектора достаточных статистик (2) в вектор коэффициентов полиномов Чебышева где элементы матрицы С,: И )Ц определяются как скалярное произведение% =(4;). Ю адаптивной процедуры оценйи истиннойстепени аппроксимирующего полинома всоответствии с правиломПринимая во внимание несмещенность оценок Ч , можно сделать вывод, что оценка вектора коэффициентов по линомов Чебышева обладает теми же свойствами. Полученное в результате, матричного преобразования ( 4 ) значелние вектораиспользуется для 3 оо То 1." Той О 11" У 1 п О . ОЮФ определяются коэффициенты разложенияалгебраического полинома, являющиесяоценками инФормационных параметров,и устанавливающие связь с параметрами движения йзлучающего объекта. Так,например, оценка коэффициента с.( периода сигнала )несет информациюо скорости движения, оценка К 2 (производной периода ) дает инФормацию об 5.ускорении и т.д. Технико-экономический эффект изобретения состоит в уменьшении аппара-; турного объема и повышении быстродействия,что осуществляется за счет ис-., ключения операции взвешенного суммирования при Формировании достаточных статистикЗака 5 лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 3009/53 Тираж 208 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 113035, Москва, Ж, о комитетй и открытРаушская Подписноа СССРийнаб., д.4/