Устройство для определения вероятностных характеристик фазы случайного процесса

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) 111) 50 4 С 06 6 7 О АНИЕ ИЗОБРЕТЕ ТЕЛЬСТВУ ВТОР СКОМ Ф 12хнический инс ябрьскои. соции В Гон ССР82 ельство С 7/52, 19 ЕЛЕНИЯ ВЕФАЗЫ СЛУ- я к специчислитель спольз овадля измереристик фаз ГОСУДАРСТВЕКНЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕ РОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИ ЧАЙНОГО СИГНАЛА(57) Изобретение относит ализированным средствам ной техники, может быть но при создании приборов ния вероятностных характ квазигармонических сигналов .и является дополнительным к авт.св. СССРУ 1112377, 11 ель изобретения - расширение функциональных возможностейпутем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы вреальном масштабе времени. Устройство содержит формирователь импульсов,умножитель частоты, элемент задержки, четыре переключателя, два делителя частоты, первый элемент И, блок регулируемой задержки, два преобразователя фаза - временной интервал, два временных селектора, первый счетчик, первый накапливающий сумматор, блок памяти, первый триггер, формирователь меандровых функций, два реверсивных счетчика, втОрой счетчик, второй триггер; второй итретий элементы И, два устройства равнозначности, два устройства не- равнозначности, два квадратора, вто. рой накапливающий сумматор, коммута тор и блок отображения информации. Наряду с измерением условного и безусловного математического ожидания; среднеквадратических отклонений них отношений, функции регрессии, нормированных корреляционных функций, функций и.плотности распределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения еще одной характеристики - спектральной плотности мощности фазовых флюктуаций и автоматизирует процесс измерения.2 ил.ао Изобретение относится к специализированным средствам вычислительнойтехники, может быть использовано присоздании приборов для измерения вероятностных характеристик Фаз квазигармонических сигналов и является дополнительным к авт.св. У 1112377.- Целью изобретения является расши, рение Функциональных возможностейпутем обеспечения возможности измере Ония спектральной плотности фазы вреальном масштабе времени,На фиг. 1 и 2 приведена структурная схема устройства.Устройство содержит Формирователь1 импульсов, умножитель 2 частоты,элемент 3 задержки, первый переключатель 4, первый делитель 5:частоты, первый элемент И 6, второй делитель 7 частоты, блок 8 регулируемойзадержки, второй переключатель 9,два преобразователя 10 и 11 фаза -врЕменной интервал, .два временныхселектора 12 и 13, первый счетчик14, первый накапливающий сумматор15, третий переключатель 16, блок .17 памяти, четвертый переключатель18, первый триггер 19, Формирователь 20 меандровых сигналов, два реверсивных счетчика 21 и 22, второйсчетчик 23, блок 24 отображения инФормации, второй триггер 25, второйэлемент И 26, коммутатор 27, третийэлемент И 28, два элемента 29 и 30равнозначности, два элемента 31 и32 неравнозначности, два квадратора33 и 34, второй накапливающий сумма.тор 35.Устройство работает следующимобразом.При измерении безусловного среднего значения переключатели ставятся в положение "1" (подвижные контакты переключателей 4,9,16 и 18замкнуты соответственно с неподвижными контактами 3,1,3 и 1). Сигналс исследуемой случайной Фазой поступает на первый, преобразователь 10Фаза - временной интервал. Сигналопорной частоты поступает на Формирователь 1 импульсов, который Формирует короткие импульсы в момент,например, положительных переходовопорного сигнала через нулевое значение. Выходной сигнал первого преобразователя 10 открывает первыйвременной селектор 12 на время 2,.Интервал времени . заполняется квантующими импульсами, поступают= ми от умножителя 2 частоты. Количество импул:ьсов в пачках и", форН,1 ф мируелых на выходе первого временного селектора 12 в выбранном масштабе, определяет значение Фазы в момент 1 т,еЧ"И, ):= Кп360 У,где К = в--- масштабный коэффиЕциент;Г - частота опорногосигнала;- частота следования импульсбв с выхода умножителя 2 частоты,Импульсы с выхода первого временного селектора 12 импульсов поступают на вход первого счетчика 14, .навход начальной установки которогопоступает код с выхода блока 17 памяти (в этом режиме работы - нуль).Таким образом,первый счетчик 14подсчитывает количество импульсовК п,в течение каждого периода опорного сигнала (одного такта измерения). В конце каждого такого периода осуществляется перезапись кода числа К и из первого счетчика14 в первый накапливающий сумматор15 по команде, поступающей с первогоэлемента И 6,. В результате отношение числа В импульсов, накопленныхв первом накапливающем сумматоре 15за интервал измерения Тщ, к числувыборок И является оценкой математического ожидания случайной Фазы сигнала,Мш(Ю) =В/1= С. К п. /И.1 ж 1Общее число выборок М задается вторым делителем 7 частоты. С появлением на выходе второго делителя 7 частоты сигнала переполнения на входе первого элемента И 6 появляется запрещающий потенциал. На этом цикл измерения заканчивается и значение оценки математического ожидания поступает в блок 17 памяти.Величины среднеквадратических отклонений измеряются в положении "2" переключателей (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 4,2,4,3). При этом импульсы, 3 13005 образующиеся на выходе первого временного селектора 12, поступают в первый счетчик 14, в который перед каждым измерением в дополнительном коде вводится значение оценки мате 5 матического ожидания по команде управляющего сигналасчитывание в блоке 17 памяти. При этом код разности, формируемый в первом счетчике 14 и пропорциональный значению 0 приращения фазы Ьр (Т,)= Чх(;)тпрр (Ср), поступает в первый накапливающий сумматор 15. Суммирование выполняется без учета знака разности (контакт 4 третьего переклю чателя 16 разомкнут) . По истечении И выборок в сумматоре накапливается число А = 2( И,6(д) (коэффицииентопределяется законом распределения вероятностей). 20Если теперь на вход первого преобразователя 10 фаза - временной интервал подать напряжение реализапии второго случайного процесса и цикл измерения повторить, предварительно 25 выставив коэффициент пересчета второго делителя 7 частоты, равным И,= - 10 И/А, то в сумматоре получаем непосредственно отношение оценок среднеквадратических отклонений про цессов, т.е. 5 (р) и б (Ц ).При измерении условного математического ожидания переключатели ставятся в положение "4" (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 6,3,5 и 5), .а на преобразователи 10 и 11 фаза - временной интервал подключают сигналы с исследуемыми стационарно связанными случайны ми фазами. Сигнал опорной частоты поступает на формирователь 1 импульсов.Выходные сигналы преобразователей 10 и 11 открывают временные селекторы 12 и 13 на времяс, и45 которые заполняются квантующими импульсами, поступающими с умножителя 2 частоты. Количество импульсов в пачках п и ив выбранном1масштабе определяет значения фазы в 50 момент времени (; )=Ки; и 9 =Кф пх; соответственно,Импульсы с выхода первого временного селектора 12 поступают на вход первого счетчика 14 на вход началь ной установки которого поступает с блока 17 памяти перед каждым тактом измерения код нуля (т,е. после запи 104си кода, равного К п, в первый накапливающий сумматор 15 первый счетчик 14 сбрасывается в "0"). Импульсы с выхода второго временного селектора 13 поступают на нулевой вход триггера 19 непосредственно, а на единичный вход триггера .19 - через первый делитель 5 частоты. Коэффициент деления К первого делителя 5 частоты выбирается в соответствии с выбранным уровнем анализа, относительно которогО определяется условное математическое ожидание.Если количество импульсов в пачке на выходе второго временного селектора 13 равно коэффициенту деления первого делителя 5 частоты (и3 = К) то на выходе первого делителя частоты появляется импульс, поступающий на вход триггера 19, на выходе которого формируется разрешающий потенциал. С приходом импульса с выхода формирователя 1 импульсов на выходе первого элемента И 6 появляется импульс, разрешающий поступление кода первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15. Импульс с выхода элемента 3 задержки устанавливает в исходное (нулевое) положение первый делитель 5 частоты и первый счетчик 14 сигналом с выхода блока 17 памяти. В ис 1 ходное состояние триггер 19 возвращается первым импульсом умножения частоты, проходящим через второй временной селектор 13 в следующем такте работы.Если п. ( К , то на выходе пер 1вого делителя 5 частоты импульс не появляется и перезаписи кода с пер-, вого счетчика 14 в первый накапливаюший сумматор 15 не происходит. Первый счетчик 14 и первый делитель 5 частоты в конце цикла измерения устанавливаются в исходное (нулевое) положение. Если п = К+ 1, то на выходе первого делителя 5 частоты появляется импульс., который приводит к тому, что на выходе тригГера 19 появляется разрешаюший потенциал для первого элемента И 6. Однако импульс, порядковый номер которого равен п, = К + 1, с выхода второго временного селекгора 13 возвращает триггер 19 в исходное состояние еще до появления очередного импульса с выхода элемента 3 задержки, т,е. в данном случае перезаписи кода с пер1300510 поступающим на первый управляющий вход блока 8 регулируемой задержки с выхода элемента 3 задержкиОтношеьие числа Ь импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения Т , к числу выборок Б пропорционально оценке нормированной функции корреляции исследуемой случайной фазы я (С) при данном значении сЕсли на входы устройства в этом режиме измерения подключить два сигнала х(С) и у(с) со,стационарно связанными флюктуирующими фазами, то за интервал Т ц получаем оценку произведения нормированной функции взаимной корреляции на отношение среднеквадра.тических отклонений первого и второго случайных процессов 40 45 50 ц(с) и я (с). 6,у, (л.) б Юх 5вого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 также не происходит.Отношение числа импульсов, накопленных в первом накапливающем сумматоре 15 за интервал измерения, к числу выборок Х пропорционально оценке определенного условного математического ожидания Изменяя коэффициент деления первого делителя 5 частоты; можо измерить функцию регрессии случайной фазы сигнала. Коэффициент деления первого делителя 5 частоты устанавливается согласно коду; образующемуся во втором счетчике 23 по команде, поступающей с выхода элемента 3 задержки.При измерении функции корреляции переключатели находятся в положении 3 (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 5, 6, 1 и 4), в результате чего включается блок 8 регулируемой задержки. Исследуемый сигнал х(с) подключается к входам обоих преобразователей 1 О и 11 фаза - временной интервал, а в делителе 5 частоты устанавливается коэффициент деления Кв соответствии с выбранным уровнем анализа, оптимальное (в смысле минимума продолжительности измерения), значение для нормального закона распределения случайной фазы равно тп(с)+1,41 б ). В блоке 8 регулируемой задержки ус, - танавливается начальное значение аргумента функции корреляции Пц, %).хУстройство в этом режиме работает принципиально такжекак и при измерении условного математического ожидания. Но поскольку перезапись кода с первого счетчика 14 в первый накапливающий сумматор 15 производится только при наличии сигнала с выхода блока 8 регулируемой задержки на третьем входе первого элемента И 6, то устройство определяет условное среднее значение Лазы исследуемого сигнала ( (С + Т ) относительно моментов выполнения условий ц(С;)= К и; =Ц= К К.Центрирование значений фазы исследуемого сигнала выполняется следующим образом. 5 10 15 20 25 30 бПеред каждым измерением в первомсчетчике 14 устанавливается код среднего значения, как при измерениисреднеквадратического отклоненияно суммирование в первом. накапливающем сумматоре 15 выполняется с учетом знака кода б(у;(С, +) в соответствйи с подготовительншм, управляющим сигналом навходе первого накапливающего сумматора 15 с подвижного контакта третьего переключателя 16,Импульс, поступающий с формирователя 1 импульсов, записывается в,блок 8 регулируемой задержки при наличии на его втором управляющем входе разрешающего сигнала, которыйпоступает с триггера 19, Записаннаяинформация перемещается в блоке 8регулируемой задержки сигналом, поступающим с элемента 3 задержки напервый управляющйй вход блока 8 регулируемой задержки, и через интервал времени т , равный аргументупри определении функции корреляции,появляется на выходе блока 8; разрешая перезапись кода с первогосчетчика 14 в первый накапливающийсумматор 15. Значение интервала корреляции Т устанавливается в блоке8 регулируемой задержки сигналом,поступающим на его первый информационный вход с выхода второго делителя 7 частоты. Дискретность изменения интервала о определяется сигналом, 13005 кр)19 к бВ пятом положении всех переключателей.(подвижные контакты переключа телей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 1,4,5 и 6) получаем опенку плотности вероятности распределения случайной фазы сигнала. При этом сигнал с исследуемой случайной фазой подключается на вход второго преобразова-. теля 11 фаза - временной интервал Формируемые на выходе второго временного селектора 13 пачки импульсов пх в выбранном масштабе определяют значения фазы в момент времениЧх (,)= К пх;Импульсы с выхода второго воеменного селектора 13 поступают на.нуле вой вход триггера 19 непосредственно а на единичный вход триггера 19 - через первый делитель 5 частоты. Коэффициент деления первого делителя 5 частоты выбирается в соответствии с выбранным уровнем анализа плотности вероятности. Интервал анализа дд равняется интервалу дискретизации случайной фазы, т.е, щ =360 Р/Г.Дальше измерение выполняется также, как и при определении условного математического ожидания (или функции регрессии) за исключением того, что импульсы на вход первого счетчика 14 поступают с формирователя 1 35 импульсов (первый неподвижный контакт переключателя 4).Таким образом, первый накапливающий сумматор 15 фиксирует число п наступления события (р - дсук(С)4 О с +ву гдеЧ= К К ЧхКихЧерез интервал Т м в первом накапливающем сумматоре 15 формируется код, пропорциональный оценке плотности вероятности случайной фазы сигнала при заданном уровне анализа1 Ь ЬУ(у ) тк 4 х 1 КдДля получения оценки функции распределения все переключатели ставятся в положение "6" (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижнымикон- тактами 2,5,7 и 7). Устройство работает в этом режиме аналогично, только перезапись кода с первого счетчи 10 8ка 14 выполняется по команде с первого элемента И 6 при появлениисигнала переполнения на выходе первого делителячастоты.За время Т в первом накапливаиЗмющем сумматоре 15 формируется код, пропорциональный оценке функции рас- пределения Р(д )ЙИгде д - число импульсов, соответствующих случаям,Для получения оценки спектральной плотности случайной фазы сигнала все переключатели устанавливаются в положение "7" (подвижные контакты переключателей 4,9, 16 и 18 замкнуты соответственно с неподвижными контактами 7,7,2 и 2). Процесс измерения состоит из двух циклов. Во время первого цикла производится измерение среднего значения фазы исследуемого сигнала, а во втором - оценка спектральной плотности. Измерение среднего значения фазы выполняется аналогично описанному. С появлением на выходе второго делителя 7 частоты сигнала переполнения первый цикл измерения заканчивается. В следующем цикле измерения оценка математического ожидания случайной фазы сигнала используется для центрирования значений фазы исследуемого сигнала. Значение оценки математического ожидания поступает в блок 17 памяти и на выходе второго элемента И 26 появляется импульс, который устанавливает второй триггер 25 в единичное состояние. При этом на выходе третьего элемента И 28 появляется резрешающий потенциал.1Во втором цикле измерения спектральной плотности С Я) перед кажхдым тактом измерения в первый счетчик 14 в дополнительном коде вводится значение оценки-математического ожидания с блока 17 памяти по команде управляющего сигнала "Считывание", т.е, в счетчике 14 сравнива- етсЯ текУщее значение фазы С 1 х(Т) с ее средним значением. При этом, в зависимости от того Ч (г)т (к) или Ч"х (Г) ( ш (срх) на входе третьего элемента И 28, связанного с перразрядных выходов второго счетчика - 23 на вход задания аргумента устройства 24 отображения информации.Таким образом, предложенное устройство наряду с измерением условного и безусловного математическогоожидания, среднеквадратических отклонений и их отношений, функциирегрессии, нормированных корреляционных функций функции и плотностираспределения вероятностей случайной фазы исследуемого сигнала в диапазоне частот позволяет измерятьспектральную плотность мощности фазовых флюктуаций и автоматизироватьпроцесс измерения и отображения информации. Формула из обретени 20 Устройство для определения вероятностных характеристик фазы случайного процесса по авт.св. В 1112377,отличающееся тем, что,целью расширения функциональных воз-ц можностей устройства путем обеспечения возможности измерения спектральной плотности фазы в реальном масштабе времени, в него введены Формирователь меандровых сигналов, второй и третий элемент И, второй триггер, первый и второй элементы равнозначности, первый и второй элементы неравнозначности, первый и второйреверсивные счетчики, первый и второй квадраторы, второй накапливающий сумматор второй счетчик, коммутатор, блок отображения информации, причем шестой и седьмой неподвижные контакты первого переключателя соединены между собой, второй неподвижный контакт третьего переключателясоединен с входом элемента задержки и с импульсным входом Формирователя меандровых сигналов, второй неподвижный контакт четвертого переключения соединен с первым неподвижнымконтактом четвертого переключателя,с входами считывания результата первого и второго реверсивных счетчиков и с счетным входом второго счетчика, разрядные выходы которого соединены с входом задания частоты Формирователя меандровых сигналов, с входом задания коэффициента деления первого делителя частоты и с входомзадания аргумента блока отображенияинформации, выход сигнала переполнения второго счетчика соединен с 91300510 10вым счетчиком 14, появляется нульили единица. Сигнал (нуль или единица) с выхода третьего элемента И 28поступает одновременно на первыевходы элементов 29 и 30 равнозначности и элементов 31 и 32 неравнозначности, на вторые входы первыхэлементов 29 и 31 равнозначности инеравнозначности поступает сигнал спрямого выхода Формирователя 20 меандровых Функций, т.е. зрп соз ;1 ,а на вторые входы вторых элементов30 и 32 равнозначности и неравноз-.начности поступает сигнал с инверс-.ного выхода Формирователя 20 меанд-. 15ровых функций зр зп Я;. При. совпадении нулей или единиц на выходах элементов 29 и 30 равнозначности появляется единица, при несовпадении - единица появляется на выходах элементов 31 и 32 неравнознач-.ности. Выходные сигналы с элементовГравнозначности 29 и 30 и неравнозначности 3 1 и 32 поступают на реверсивные счетчики 21 и 22. При появлении сигнала переполнения на выходе второго делителя 7 частоты реверсивные счетчики 21 и 22 зафиксируют разность числа совпадений и несовпадений, код которой затем возводится в квадрат квадраторами 33 и34 и поступает во второй накапливающий сумматор 35. Иа выходе формирователя 20 меандровых функций устанавливается новое. значение частоты 35и начинается определение следующей ординаты спектральной плотности. СЯ). Количество измеренных ординат спектральной плотности опреде-,ляется объемом второго счетчика 23. 40. При появлении на его выходе сигналапереполнения второй триггер 25 устанавливается в нулевое состояние. Наэтом второй цикл измерения спектральной плотности С Я) оканчивается, 5Результат измерения вероятностной характеристики поступает черезкоммутатор 27, управляемый вторымтриггером 25, при измерении спектральной плотности фазы с второго накапливающего сумматора 35, а при измерении других вероятностных характеристик в . с первого накапливающегосумматора 15 на информационный входустройства 24 отображения информации. 55Значение аргумента измеряемой вероятностной характеристики (уровня анализа, частоты и др.) поступает с11 13005 входом установки в "0 второго триггера, вход установки в "1" которого соединен с выходом второго элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с подвиж ными контактами третьего и четвертого переключателей, выход второго триггера соединен с управляющим вхо - дом коммутатора и с первым входом . третьего элемента И, второй вход ко торого соединен с первым неподвижным контактом третьего переключате-. - : ля, а выход соединен с первыми входами первого, второго элементов равнозначности, первого, второго эле ментов неравнозначности, вторые входы первого элемента равнозначности и первого элемента неравнозначности соединены с прямым выходом формирователя меандровых сигналов, вторые 20 входы второго элемента равнозначности и второго элемента неравнозначности соединены с инверсным выходом 10 12формирователя меандровых сигналов,выходы первого элемента равнозначности и первого элемента неравнозначности соединены соответственнос суммирующим и вычитающим входамипервого реверсивного счетчика, выходы второго элемента равнозначности и второго элемента неравнозначности соединены соответственно ссуммирующим и вычитывающим входамивторого реверсивного счетчика, выходы первого и второго реверсивныхсчетчиков соединены соответственночерез первый и второй квадраторы спервым и вторым входами второго накапливающего сумматора выход которого соединен с первым информационным входом коммутатора, второй информационный вход которого соединенс выходом первого накапливающегосумматора, выход коммутатора соединен с информационным входом блокаотображения информации.1300510 е Составитель В. ОрлоТехред И. Попович рректор М, Самборска Келе едакто Заказ 1152 о ни ск л. Проектная,Производственно-полиграфическое предприятие, г. Уж Тираж 67 НИИПИ Государств по делам изобре Москва, Ж, Рау