Коррелометр

Союз Советскик Социалистических РеспубликОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 040179 (21) 2738386/18-24с присоединением заявки Мо(51)М. Кл.з С 06 Р 15/31 Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий(54) КОРРЕЛОМЕТР Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для измерения аргумента и значения Функции взаимной корреляции между двумя слу чайными процессами, подвергнутыми разным временным искажениям.На практике часто указанные параметры функции взаимной корреляции априорно неизвестны, В то же время ана лиз исследуемых сигналов требуется вести в темпе их поступления, Гоэтому для измерения аргумента и значения функции взаимной корреляции между двумя сигналами, полученными, например, на выходе двух разнесенных в пространстве акустических приемников,. наиболее часто применяют коррелометры параллельного действия, работающие по методу умножения, 20Одно из лучших аппаратурных решений в этом плане воплощено в прибо-. рах - коррелометрах Стильтъеса (1;Однако в устройстве-аналоге Щ предполагается принадлежность обоих 25 входных сигналов к одному частотному диапазону. На практике же во многих случаях источник сигналов в процессе измерения перемещается от одного приемника к другому, следовательно, воз- З 0 никает частотное искажение сигналов- эффект Допплера, При этом происходит смещение по частоте спектра сигнала, полученного от одного из приемников, относительно спектра сигналов, полу-. ченного другим приемником. Это приводит к декорреляции сигналов, искажению формы взаимной Формы корреляционной Функции, в частности к уменьшению ее максимума и смещению его по оси .Известно устройство 2 для определения взаимной корреляционной Функции, в котором скомпенсировано влияние линейного взаймного смещения по частоте спектров принимаемых сигналов на результат измерения. Известное устройство сохраняет высокую точность при работе с сигналами, подвергнутыми линейным частотным искажениям.Однако из-за низкого быстродействия известного устройства области его применения оказываются ограниченными. Это объсняется следующим. Компенсация допплеровского смещения в известном устройстве достигается тем, что перед корреляционной обработкой один из принимаемых сигналов подвергается дискретизации с частотой, отличной от частоты дискретизации другоговходам элементов И второй группы,выходами подключенных ко входам соответствующих блоков памяти, выходыкоторых соединены с первыми входамиэлементов И третьей группы, выходыкоторых подключены к соответствующимвходам первого многовходовога элемента ИЛИ, управляющие входы регистра ианалого-цифровых преобразователейобъединены и подключены к первому выходу первого генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен со входами элементов И первойгруппы, третий выход первого генератора тактовых импульсов подключен ковходу первого счетчика, выход которого через первый формирователь соединен со вторыми входами элементов Ивторой группы и с единичным входомтриггера, выход которого подключен кпервому входу элемента И, второй входкоторого подсоединен к выходу второгогенератора тактовых импульсов, а выход - ко входу второго счетчика, разрядные выходы которого подключены ксоответствующим входам первого дешифратора, выходы которого соединены совторыми входами соответствующих элементов И третьей группы, выход первого формирователя через первый элементзадержки соединен со входами сбросаблоков усреднения первой группы, введены дополнительно четвертая, пятаяи шестая группы элементов И, втораягруппа блоков усреднения, второймноговходовой элемент ИЛИ, третий ичетвертвй счетчики, второй и третийформирователи, второй дешифратор второй группы, группа элементов задержки, второй элемент задержки, постоянное запоминающее устройство. При этомпервые входы элементов И четвертойгруппы объединены и подключены к выходу первого многсвходового элементаИЛИ, а выход каждсго из элементов Ичетвертой группы подсоединен ко входу соответствующего блока усреднениявторой группы, выход каждого из которых подключен и первому входу соответствующего элемента И пятоЦ группы,выходы которых подсоединены к соответствующим входам второго многовходо вого элемента ИЛИ. Выход элемента Идополнительно подключен ко входу третьего счетчика, разрядные выходы которого подсоединены к соответствующим входам второго дешифратора, выходы которого соединены со вторымивходами соответствующих элементов Ичетвертой группы. Вторые входы элементов И пятой группы через соответствующий элемент из группы элементовзадержки соединены со вторым входом 0 соответствующего элемента И четвертой группы. Выход третьего счетчикачерез второй формирователь подключенк нулевому входу триггера, а выходвторого счетчика через третий форми рователь - ко входу четвертого счетсиГнала. Разность частот дискретизации определяется величиной допплеровского смещения, возникшего в процессе измерения. Так как априорно величина допплеровского смещения неизвестна, перед началом измерения в известном устройства осуществляется поиск значения частоты квантования в одном из каналов, при котором влияние допплеровского смещения на результат измерения оказывается скомпенсированным. Поиск требуемой частоты дискретизации осуществляется цИклами, в каждом из которых устанавливается величина частоты дискретнэации, соответствующая одному иэ ожидаемых значений допплеровского 15 смещения. Чем больше максимальная ожидаемая величина допплеровского смещения, тем большее количество циклов содержит режим поиска.Указанные недостатки исключают 20 вФзможность применения известного уотройства в тех случаях, когда взаимные временные искажения принимаемых сигналов априорно неизвестны, а все ординаты функции взаимной корреляции должны быть посчитаны за одну реализацию ввиду трудности, а чаще невозможности повторения условий аКустического эксперимента, а также тогда, когда принимаемые сигналы представляют сумму двух и более сигналов, подвергнутых равным временным искажениям.Казалось бы, поставленную задачу можно решить использованием известного устройства, распараллелив процесс измерения. Однако при этом резко возросли бы аппаратурные затраты, так как потребовалось бы фактически количество известных устройств, равное ожидаемому количеству возможных 4 допплеровских смещений.Цель изобретения - повышение быстродействия и упрощение коррелометра при анализе процессов, представленных суммой сигналов, подвергнутых Разным временным искажениям.Поставленная цель достигается тем, что в коррелометр, содержащий первый аналого-цифровой преобразователь, вход которого является первым входом коррелометра, а выходы подключены к соответствующим входам многоразрядного регистра задержки, выходы одноименных разрядов регистра задержки подключены к кодовым входам соответствующихблоков умножения, вторые входы которыхобъединены и подсоединены к выходам второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого служит вторым входом коррелометра, выходы блоков умножения подключены к первым входа соответствующих элементов И первой группы, выходы которых соединены с :информационными входами соответствую:щихх блоков усреднения первой группы,6 выходы которых подключены к первымл(Ц7 = - -- текущая средняя скоростьизменения задержки.Физический смысл выражения (1) легко раскрывается при рассмотрении коррелометра, работающего с дискретизированными по времени входными сиг налами, При интервале дискретизации Ьс с учетомЬс =ТЬЬОбозначив элементарное произвецение через В= В( Ь с + Ч",1 сх(дС)у(3 ЬС + ЬС + Ч )ЬС), можно записать15л ьс 4 чАЦ = - Гя4 л 1+ В 4 ь Ц+ ч ВЦ+- й (,ь.Ьй ч с ь Ц 4 , + й (4 М+4-Н / ь Ю (2) Из выражения (2) видно, что при реОализации процесса накопления в условиях движущегося источника сигнала в)-м накопителе коррелометра происходит суммирование элементарных произведений не Фиксированного аргумента рЬс, а изменяющегося (Ьс + ;Ьс),Когда величина ) достигнет значения,при котором и = 1, в -м накопителеначнут накапливаться элементарныепроизведения, относящиеся к ( 4- 1)-йординате взаимной корреляционнойФункции (ВКФ), когда / достигнетзначения , в том же накопителе станут усредняться и элементарные, произведения, которые относятся к ( 1)-йординате ВКФ и т. д,35Будем осуществлять процесс накопления в коррелометре иным образом,отличным от известного, В этом случаекоррелометр производит определениеоценки ВКФ с Фактором усреднения И 4 40таким, что выполняется условие4, чга,"мпхс где м - максимальная ожидаемая"макс чЪскорость изменения задержкита - постоянная величина Затем частная оценка передается для запоминания в накопитель оценок, а коррелометр производит определение следующей частной оценки с Фактором усреднения 4,1. Очевидно, за время 4 Ьс определения одной частной оценки задержки может изменяться на величину, не превышающую аЬс; следовательно, каждая следующая частная оценка может быть смещена относительно предыдущей по оси С на интервал, по абсолютной величине не превышающей аЬс, Поскольку скорость изменения Щ) задержки неизвестна неизвестна и величина смещения каждой следующей частной оценки относительно предыдущей, Однако ясно, что, еси в корреЛометре смещать по осикаждую сле- у дующую частную оценку относительнопредыдущей, причем величины этих смещений будут соответствовать величинескорости изменения задержки, то присуммировании частных оценок будетнаблюдаться устойчивый максимум, положение которого на осисоответствует положению максимума ВКФ при неподвижном источнике сигнала. Прииных величинах смещений частных оценок величины максимумов сумм оценокменьше упомянутой.Реализуя при суммировании различые варианты смещений каждой последующей частной оценки относительно предыдущей и анализируя итоговую кривуюпо Факту наличия устойчивого глобального максимума, экспериментатор можетопределить величину задержки на каждом из интервалов 4 Ьс.Пря этом устройство параллельносоздает различные варианты смещенийчастных оценок по оси, т. е. одновременно строит несколько моделейкомпенсации изменения задержки междувходными сигналами,Процесс суммирования частных оценок дродолжается до момента, когдабудет выделен устойчивый глобальныймаксимум. Если для этого необходимочастных оценок, то количество результатов - коррелограмм, полученныхпосле суммирования, равно 31-1, Однако его можно резко сократить, например, полагая скорость изменениязадержки за время Т = 4 Ьс постоянной, При этом число результатов сокращается до 20 + 1, а моделя изменения задержки выглядят следующим образом. Для нулевой скорости и удовлетворяющей условие ) 4 ( а/2,смещение частных оценок относительнопервой равно нулю, Еслипринимаетзначения в окрестностях величиныа/4, т, е. а/2 с ч л 4За/2, топервые /2 часньх оценок не смещеныпо оси ь, а(2 4.1)-я и все последующие частные оценки смещены на величину +а вправо относительно первой.Если значение ч расположено в окрестностях точки 2 а/М, т. е. За/2 (45 а/2, то первые 6/3 оценки не смеатся относительно первой,оценки от (-, +1) до6/3 смещены относительно ервой на +а, оценки отго( - + 1) до , смещены относительнопервой на 2 а. При скоростиакаждая следующая частная оценка смещена относительно предыдущей по осиХна величину э,Аналогичные морели устройства создают и для отрицательных скоростей,причем смещение последующих частныхоценок относительно предыдущих осуществляется влево.Если допущение о постоянстве скоростиизменения задержки являетсянеприемлемым, то для сокращения количества результатов (и операций в про 783799 12ваемыми на втором выходе генератора 11, передается через К-й элемент И 5 на К-й блок 6 усреднения. Тактовые импульсы на втором выходе генератора 11 задержаны относительно импульсов на первом выходе того же генератора на время, необходимое для Формирования кода произвел. н .я в блоках 4,Накопление элементарных произведений в блоках 6 продолжается до вознкКновения сигнала переполнения счетчика 12 на выходе Формирователя им О пульса переполнения 13. Емкость счетчика .12 равна выбранному для частной оценки Фактору усреднения Й 4. Тактовые импульсы заполнения счетчика 12, Формируемые на третьем выходе генератора 11, сдвинуты относительно импульсов второго выхода генератора 11 на время, необходимое усредняющему блоку 6 для суммирования очередного элементарного произведения с уже на- о копленным результатом. Таким образом сигнаЛ с выхода Формирователя 13, возникающий синхронно с импульсами, поступающими с третьего выхода генера- . тора 11, открывает элемент И 7, когда результаты усреднения в блоках 6 уже сформированы. При этом результаты ус-. реднения, записываются в блоки 8 памяти, а блоки усреднения обнуляются с задержкой, определяемой элементом 19 задержки. Таким образом, к моменту по-О отупления (Я + 1)-го импульса от генератора 11 первая частная оценканаписана в блоках 8 памяти, а блоки 6усреднения обнулены и готовы к накоплению следующей частной оценки. В З 5течение следующих й импульсов генератора 11 происходит вычисление следующей частной оценки и так далее,Работу накопителя частных оценок рассмотрим для случая, когда скорость 40изменения задержки является неизвестной, постоянной в интервале -ч;м., ,+в 1, При этом в постоянном запоминающем устройстве(рЗУ) 31 хранитсямакссоответствующая программа, а команды 45возникают на выходах устройства 31 при подаче кодов с выходов адресногосчетчика 26, В исходном состоянии, которое продолжается до момента записи первой частной оценки в блоки8 памяти, т. е. до появления импульса переполнения на выходе Формирователя13, счетчики 17, 25 и 26 обнулены. Импульс переполнения с выхода Формирователя 13, поступающий в конце вычисления с выхода Формирователя 13, ,поступающий в конце вычисления частной оценки, устанавливает триггер 14 :в состояние "1", Импульсы от генератора 16 тактовых импульсов через элемент И 15 начинают поступать на счет-ный вход счетчика 17, емкость кото.рого равна числу ординат частной оцен; кк, Дешифратор 18 последовательно, синхронно с частотой генератора 16 открывает элементы И 9, начиная от Я первого и кончая и. Благодаря этому содержимое блоков 8 памяти, т, е, значения ординат частной оценки последовательно поступают на выход элемента ИЛИ 10, Импульсы генератора 16 через открытый элемент И 15 подаются также на счетный вход счетчика 25, емкость которого равна п(2 6 + 1).Дешифратор 29, подключенный к разрядным выходам счетчика 25, за первые и тактов открывает последовательно, синхронно с частотой генератора 16 первые элементы И 20, Вследствие этого значения ординат частной оценки заносятся соответственно в первые и блоков 23 усреднения. Сигналы дешкфратора 29, открывающие последовательно элементы И 20, поступают также на входы элементов 32 задержки. Величина задержки элементов 32 выбранатакой чтобы к моменту появления сигнала на выходе -го элемента задержки переходные процессы в -м блоке 23 усреднения были закончены, Задержанные на элементах 32 сигналы дешиФратора 29 открывают последовательно элементы И 21, и результаты усреднения кз блоков 23 проходят через элементы ИЛИ 24 на выход устройства.Сигнал переполнения счетчика 17, сформированный блоком 28, прибавляет единицу к содержимому счетчика 26, и на выходах запоминающего устройства 31 возникает первая команда, которая для рассматриваемого случая представлена нулевым кодом. Сигнал переполнения счетчика 17 с выхода Формирователя 28 проходит через элемент30 задержки к открывает элементы И 22:.К 6 д команды с выходов устройства 31поступает на установочные входы счетчика 17 и устанавливает его в состояние, равное коду команды (в рассматриваемом случае в состояние "0"), Величина задержки на элементе 30 выбрана такой, чтобы к моменту открытияэлемента И 22 переходные процессы всчетчике 26 к устройстве 31 успелизакончиться, а (и + 1)-й импульс отгенератора 16 еще не поступил на.вход счетчика 17. Далее элементы И 9и ИЛИ 10, управляемые счетчкком 17 сдешифратором 18, как к в первом цикле, пропускают на выход элемента ИЛИ 10 последовательно все ордкнаты первой частной сценки, которые хранятся в блоках 8 памяти, а элементы И 20, управляемые счетчиком 25 с дешифратором 29, заносят значения этихординат во вторые и блоков 23 усреднения. Описанные циклы продолжаются до тех пор, пока первая частная оценка не записана в(2+ 1) подгруппах блоков 23 усреднения (каждая подгруппа состоит из и блоков усреднения), В каждом цикле аналогично описанному происходит вывод результатов усреднения из блоков 23 на выход устройства.занесение их содержимого через элементы И 9, ИЛИ 10, И 20 и блоки 23 усреднения. При этом каждая последующая частная оценка суммируется с предыдущей без сдвига, по оси с . Первыйлцикл большого цикла завершается Формированием на выходе блока 28 сигнала переполнения счетчика 17 и модификацией состояния счетчика 26 на +1.При этом на выходах ПЗУ появляетсяочередная команда, содержание которой равно величине сдвига очереднойчастной оценки относительно первой.Сигнал переполнения счетчика 17, задержанный на блоке 30, с помощьюгруппы элементов И 22 предустанавливает счетчик 17 в состояние, равноевеличине смещения, При поступлении,на вход счетчика 17 частоты от генератора 16 дешифратор 18 открывает последовательно элемент И 9, начинаяс того, номер которого соответствуетвеличине смещения, например второгоэлемента И 9. Благодаря этому на выход элемента ИЛИ 10 поступают последовательно значения координат частной оценки, начиная со второй. Син 60 хронно с частотой генератора 16 дешифратор 29, подключенный к выходам счетчика 25, открывает элементы И 20, начиная с (и + 1)-30. Вторая ордината По окончании (2 Ь + 1) циклов,т, е. когда на вход счетчика 25 поступит и(2 Ь + 1) импульсов генератора 16, на формирователе 27 возникаетсигнал переполнения счетчика 25 и устанавливается в "0" триггер 14, элемент И 15 закрывается и прекращает 5поступление импульсов генератора 16на счетчики 17 и 25. Частота следования импульсов генератора 16 выбрана1 акой, чтобы и(2 + 1) импульсов быловыработано за время определения одной 10частной оценки, т. е. за время, непревышающее период М 4 формированияимпульсов генератора 11,Вычисление второй и следующих частных оценок происходит аналогично вы Я.числению первой оценки. По окончаниибольшого цикла, в котором происходятвычисление одной частной оценки и занесение предыдущей частной оценки вблоки 23 усреднения, очередная частная оценка записывается в блок 8 памяти, а сигнал переполнения счетчика12 через формирователь 13 устанавливает триггер 14 в состояние "1". Импульсы генератора 16 через открытыйэлемент И 15 начинают поступать навход счетчика 17, который совместнос дешифратором 18, Формирователем 28,элементом 30 задержки, счетчиком 26,запоминающим устройством 31, группами элементов И 22 и 9 управляет смещением последующих частных оценокотносительно предыдущих, В первомцикле любого большого цикла аналогично описанному происходит опрос блоков 8 памяти от первого до и-го и очередной частной оценки, поступая на вход (п + 1) - го блока 23 усреднения, складывается с первой ординатой предыдущей частной оценки, третья ордината очередной оценки складывается со второй ординатой предыдущей оценки и т. д По окончании второго цикла состояние счетчика 26 изменяется на "+1", запоминающее устройство 31 формирует команду, иницирующую сдвиг очередной частной оценки на следующую величину и т. д, Таким образом, устройство 31 позволяет реализовать различные величины смещений очередной частной оценки, относительно первой.По окончании второго большого цикла в блоках 23 усреднения сформированы (2 В + 1) группы сумм двух частных оценок, причем вторые частные оценки в зависимости от принятых моделей скорости изменения задержки смещены по оси ь на величины -аДс; О;л+адс.Аналогичным образом коррело етр работает (с, + 1) больших циклов, после чего в блоках 23 усреднения формируются и(2 с, + 1) сумм частных оценок по с, частных оценок в каждой сумме, т. е, (2 с, + 1) результатов-коррелограмм. В каждом большом цикле происходит вывод результатов усреднения из блоков 23 через элементы И 21 и ИЛИ 24 на выход устройства для последующего анализа. Если время анализа априорно неизвестно, то работа коррелометра продолжается до момента, когда при выводе результатов очередного большого цикла будет обнаружен устойчивый глобальный максимум.Таким образом, описанное устройство позволяет определить ВКФ между сигналами, полученными от движущихся источников случайных сигналов, при анализе одной реализации длиной Тй Дс. Применение же известного устройства требует реализации длиной в (2 с, + 1) раз больше.Формула изобретенияКоррелометр, содержащий первый аналого-цифровой преобразователь, вход которого является первьщ входом коррелометра, а выходы подключены к соответствующим входам многоразрядного регистра задержки, разрядные выходы регистра задержки подключены к первым входам соответствующих блоков умножения, вторые входы которых объединены и подключены к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого является вторым входом коррелометра, выходы блоков умножения подключены к первым входам соответствующих элементов И первой группы, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих блоков усреднения первой группы, выходы которых подключены к первым входам эле 783799ментов И второй группы, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков памяти, выходы которых соединены с первыми входами элементов И третьей группы, выходы которых подключены к соответствующим входам первого:многовходового. элемента ИЛИ, управляющие входы регистра и аналогоцифровых преобразователей объединены иподключены к первому выходу первого генератора тактовых импульсов, второй . выход которого соединен со вторыми 0 входами элементов И первой группы, тРетий выход первого генератора тактовых импульсов подключен ко входупервого счетчика, выход которого через первый формирователь соединен со 15 вторыми входами элементов И второй группы и с единичным входом триггера, выход которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго генератора тактовых импульсов, а выход - ко входу второго счетчика, разрядные выХоды которого подключены к соответствующим входам первого дешифратора, выходы которого соединены со вторыми входами соответствующих элементов И третьей группы, выход первого формирователя через первый элемент задержки соединен со входами сброса блоков усреднения первой группы, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повы- Ж щения быстродействия и упрощения коррелометра при анализе процессов, представленных суммой сигналов, подвергнутых разным временным искажениям, в коррелометр дополнительно введены чет.вертая, пятая и шестая группы элементов И, вторая группа блоков усреднения, второй многовходовой элементИЛИ, третий и четвертый счетчики,второй и третий формирователи, второй дешифратор, группа элементов задержки, второй элемент задержки, постоянное запоминающее устройство,причем первые входы элементов И четвертой группы объединены и подключены к выходу первого многовходовогоэлемента ИЛИ, а выход каждого из элементов И четвертой группы подключенко входу соответствующего блока усреднения второй группы, выход каждого из которых подключен к первомувходу соответствующего элемента Ипятой группы, выходы которых подключены к соответствующим входам второгомноговходового элемента ИЛИ, выходэлемента И подключен ко входу третьего счетчика, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам второго дешифратора, выходы которого соединены со вторыми входамисоответствующих элементов И четвертой группы, вторые входы элементов Ипятой группы через соответствующийэлемент из группы элементов задержки соединены со вторым входом соответствуюшего элемента И четвертой группы, выход третьего счетчика через второй формирователь подключен к нулевому входу триггера, а выход второгосчетчика через третий формировательподключен ко входу четвертого счетчика, разрядные выходы которого соединены с адресными входами постоянного запоминающего устройства, выходы которого подключены к первым входам соответствующих элементов И шестой группы, выход каждого из которыхсоединен со входом установки "О" соответствующего разряда второго счетчика, вторые входы элементов И шестойгруппы объединены и через второйэлемент задержки подключены к выходутретьего формирователя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Мирский Г, Я. Аппаратурное определение характеристик случайныхпроцессов, М., "Энергия", 1972,с, 132"134.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2499480/18-24,кл. С Об Р 15/34, 1977.783799 Составитель В. Жовинскийактор И. Рруэова. ТехредЖ.Кастелевич Корректор а 50/52ВНИИ Эака о 303 ППП "Пат оектная, 4 г ил город, у Тираж 751Государственногоделам изобретениЛМосква, П, Рауш Подпи омитета С открытий кая наб.,