Способ спектрального анализа сигналов

 

Изобретение относится к измерительной технике, к области измерения характеристик импульсных случайных сигналов. Цель изобретения - повышение точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектом Гиббса и некратностью длительности сигнала и времени анализа его отдельной секции. Способ спектрального анализа сигналов заключается в том, что в процессе разбивки сигнала на секции каждую секцию ограничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направлении, при этом длительность секции выбирают равной ближайшей меньшей величине по отношению к времени анализа секции, измеряют длительность секции и определяют коэффициент коррекции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющих оценки спектральной плотности мощности секции. Устройство, реализующее способ, состоит из двухканального измерительного магнитофона 1, временного селектора 2, двухканального осциллографа 3, спектрального анализатора 4, измерителя 5 отношения временных интервалов, блока 6 вычисления. 2 ил.

„„SU„„1471146 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 R 23/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4223656/24-2) (22) 07,04 .87 (46) 07.04.89. Бюл. Ф 13 (7 2) А, А, Плав ильщиков (53) 621.317.44(088;8) (56) Бендат Дж., Пирсол А, Применение корреляционного и спектрального анализа, — N.: Мир, 1983, с.81-82. (54) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике, к области измерения характеристик импульсных случайных сигналов. Цель изобретения — повышение точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектом

Гиббса и некратностью длительности .сигнала и времени анализа его отдельной секции. Способ спектрального анализа сигналов заключается в том,что в процессе разбивки сигнала на сек ции каждую секцию ограничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направлении, при этом длительность секции выбирают равной . ближайшей меньшей величине по отношению к времени анализа секции, измеряют длительность секции и определяют коэффициент коррекции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющих оценки спектральной плотности мощности секции. Устройство, реализующее-способ, состоит из двухканального измерительного магнитофона 1 временного селектора 2, двухканального осциллографа 3, спектрального ана- (/) лизатора 4, измерителя 5 отношения временных интервалов, блока 6 вычисления. 2 ил.

1471146 чаях, когда Т,ф Т А(ТС,(Т, ), оценки

CIIN получаются заниженными, так как нормирование осуществляется не по

T; a íî ТА, Для исключения этой погрешности необходимо нормирование

Изобретение относится к измерителЬной технике, в частности к области измерения характеристик импульснь& случайных сигналов.

Одной из наиболее широко используемых характеристик случайного сигнала является его спектральная плотность мощности (СПМ). В исследовательской практике часто возникает задача 10 измерения СПМ,не только стационарных, но и импульсных случайных сигналов, Такая задача возникает, например,при исследовании вибрации механизмов,работающих в импульсном режиме, а так- 15 же различных механизмов в режиме их пуска или остановки.

Цель изобретения — повышение точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектом Гиб- 20 ,бса и некратностью длительности сигнала и времени анализа его отдельной секции.

На фиг.l представлена диаграмма разбиения сигнала на секции согласно способу спектрального анализа; на фиг,2 — блок-схема устройства, реализующего способ, Способ спектрального анализа сигналов заключается в том, что сигнал разбивают на смежные секции путем умножения на прямоугольное временное окно, определяют в течение фиксированного времени анализа оценку CIIM для каждой секции и усредняют оценки 35

СПМ секций для получения оценки СПМ сигнала, причем в,процессе разбивки сигнала на секции каждую секцию огра- ничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направ- 40 ленин, при этом длительность секции выбирают равной ближайшей меньшей величине по отношению к времени анализа секции, измеряют длительность секции и определяют коэффициент коррек- 45 ции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющих оценки СПМ секции, 50

Рассмотрим подробнее способ спектрального анализа. Обычное секционирование приводит к разрывам функции

S{t)э описывающей сигнал. В .способе, иллюстрируемом на фиг,l, использует- 55 ся секционирование сигнала, исключающее указанные разрывы; Это обеспечивается в результате формирования адап;ивного прямоугольного временноro окна, основанного на анализе переходов сигнала через нуль, При этом указанное окно ограничивается моментами перехода импульсного вибрационного сигнала (ИВС) через нуль в одном и том же направлении таким образом, чтобы его длительность являлась ближайшей меньшей величиной по отношению к времени анализа секции. Так передний фронт окна Nl (фиг.2) формируется в момент времени t0 начала

ИВС а его задний фронт — в момент перехода HBC через нуль в том же направлении и ближайший к моменту t

1 окончания анализа секции Nl ., Для об есп еч ения смежно с ти с ек ций пе р едний фронт окна N2 формируется в момент времени t,.

Задний фронт окна N2 формируется в момент t < перехода ИВС через нуль в том же направлении и ближайший к моменту t окончания анализа сек2 ции N2. Остальные окна формируются аналогичным образом, В результате применения адаптивного секционирования на каждом i-м этапе анализа на вход анализатора в течение времени Т „ поступает секция КВС, имеющая нулевые значения на концах и в течение оставшегося времени (ТА-Т с;). Такич образом уменьшается погрешность анализа, обусловленная эффектом Гиббса.

Получение оценки СПК отдельной секции связано с использованием оператора усреднения P который при обработке сигнала в аналоговой форме представляет собой оператор интегрирования с нормированием по Т:

Р= — -)

1 (1)

Т

При обработке сигнала в цифровой форме оператор P представляет собой оператор суммирования с нормированием по N: и

Р

l (2)

N где N — объем выборки сигнала, При аппаратурном анализе величина Т принимает фиксированное значение, равное времени анализа анализатора ТА. В связи с этим, в тех слупо Т... Однако в процессе анализа это требование физически нереализуе1471146

35 мо, так как величина Т,; является неизвестной априори. Кроме того, величина Т„может принимать бесчисленное множество значений, в то время как

5 анализатор может иметь ограниченный ряд фиксированных значений времени анализа ТА, Уменьшение указанной погрешности обеспечивается соответствующей коррекцией результатов анализа. Указанная коррекция заключается в умножении значений спектральных составляющих оценки CIIM i-й секции на коэффициент коррекции К;. Коэффициент коррекции К,. определяется в результате изяерения длительности i-й секции Т„. и деления на эту величинс времени анализа секции Т (3)

1 Т

Из .. (1) и (3) видно, что применение указанной коррекции эквивалентно нормированию по Т, в операторе усреднения Р при определении оценки 25

CIIM, Указанная коррекция автоматически исключает также погрешность, обусловленную некратностью длительности ИВС и времени анализа отдельной секции

ТА, Это обеспечивается за счет того, что при определении оценки СПМ последней, укороченной секции ИВС нормирование в операторе усреднения осуществляется.с учетом длительности последней, Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из двухканального измерительного магнитофона 1, временного селектора 2, двухканального 40 осциллографа 3, спектрального анализа 4, измерителя 5 отношения временных интервалов и блока 6 вычислений.

Первый и второй входы устройства соединены соответственно с первым и 45 вторым входами магнитофона 1, первый. выход которого подключен к первым входам селектора 2 и осциллографа 3, второй вход которого соединен с первым выходом селектора 2 и первым

50 входом анализатора 4, второй выход магнитофона 1 подключен к второму входу селектора 2, второй выход которого соединен с вторым входом анализатора 4 и первым входом измерителя 5, второй вход которого подключен к первому выходу анализатора 4,вто. рой выход которого соединен с первым входом блока 6, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу измерителя 5 и выходу устройства, Исследуемый ИВС поступает с первого входа устройства на первый вход магнитофона 1 и далее по первому каналу записывается на магнитную ленту, склеенную в бесконечную петлю. С второго входа устройства на второй вход магнитофона 1 поступает импульсный сигнал синхронизации, который записывается на магнитную ленту по второму каналу. После записи сигналов магнитофон переводится в режим воспроизведения, При этом на первый и второй выходы магнитофона 1 периодически поступают соответственно исследуемый ИВС и импульс синхронизации. Указанные сигналы поступают далее на первый и второй входы селектора 2, который реализует оператор секционирования ИВС °

Селектор 2 в течение определенного времени — временного окна подключает к своему первому выходу сигнал со своего первого вхо,а, а в остальное время — нулевой потенциал, В результате этого на первый выход селектора 2 поступает сос -ветствующая часть ИВС, Кроме того, на втором выходе селектора . 2 формируется прямоугольный импульс с временными параметрами, идентичными параметрам вре" менного окна, Параметры временного окна (длитель нос ть и задержка о тносительно импульса синхронизации, пос туп ающего на в торой вход с елек тора 2),программируются оператором..При этом указанные параметры выбираются таким образом, чтобы секпии ИВС были смежными и ограничивались моментами перехода ИВС через нуль в одном и том же направлении, а их длительность была ближайшей меньшей величиной по отношению к времени анализа

ТА, Так на первом этапе анализа при выделении первой секции задержка временного окна выбирается такой, чтобы начало секции совпало с моментом начала ИВС t (фиг,l)„ а длительность временного окна выбирается равной Т!

С1

На втором этапе анализа при выделении второй секции, задержка временного окна увеличивается на величину Т,, (фиг,1), а длительность временного окна выбирается равной Т 1. При выделении остальных секций VBC параметры временных окон выбираются аналогич

50 где С °, 55

5 1471)4 ным образом (фиг.l). Контроль процедуры секционирования осуществляется по экрану двухлучевого осциллографа 3 на первый .вход которого ИВС поВ

5 дается полностью, а на второй вход подается только его отдельная секция.

Каждая секция ИВС последовательно ввоЭ дится в спектральный анализатор 4, Запуск анализатора 4 осуществляется ,передним фронтом импульса с второго выхода селектора 2, т,е. в момент начала вводимой секции ИВС . В течение времени анализа TA анализатор 4 опре.— деляет оценку CIIM вводимой секции

ИВС . Значения спектральных составляющих оценки выдаются в цифровой форме на второй выход анализатора 4 и далее на первый вход блока 6 вычислений.

На первом выходе анализатора 4 форми- 20 .руется прямоугольный импульс с длительностью, равной Т„, который поступает на второй вход измерителя 5, с второго выхода селектора 2 поступает прямоугольный импульс с длительностью,25 равной длительности анализируемой секции ИВС. Измеритель 5 определяет частное от деления временного интервала, поступающего на его второй вход, на временной интервал, поступающий 30 на его первый вход, т.е. определяет > код коэффициента коррекции значений

CIIM анализируемой секции. Результат измерения в цифровой форме с выхода измерителя 5 поступает на второй

35 вход блока 6, B качестве блока 6 могут быть использованы специализированный процессор, микроЭВМ или другие средства вычислительной техники.

Блок б выполняет коррекцию значений

СПМ анализируемой секции путем умножения их на соответствующий коэффици- ент коррекции. Кроме того, блок 6 выполняет усреднение оценок СПМ отдельных секций, определяя текущую ус- 45 редненную оценку CIIN в соответствии с рекурсивным алгоритмом вида (4)

li1 3111 значение j-й спектральной составляющей текущей средней оценки CIIN> значение j-й спектральной составляющей усредненной оценки CIIM при усреднении оценок (i-1) секций

ИВС i

6 6

С -; — значение 1-й сг:ектральной составляющей оценки CIIM

i-й секции ИВС;

i=1 и- текущее значение номера с ек ции ИВ С, Значения текущей усредненной оценки CIIM в цифровой форме поступают на выход блока 6 и далее на выход устройства. Полученные данные могут быть поданы на графопостроитель, цифропечатающее устройство, графический дисплей и другие средства отображения измерительной информации, Предлагаемый способ обеспечивает положительнный эффект, заключающийся в повышении точности анализа за счет уменьшения погрешностей., вызванных эффектом Гиббса и некратностью длительности ИВС и времени анализа его отдельной секции. Предлагаемый способ является эффективным не только при анализе импульсных сигналов или сигналов конечной длительности (переходных процессов}; применение этого способа является целесообразным и при анализе непрерывных сигналов, так как и в этом случае повышается точность анализа за счет уменьшения погрешности, вызыванной эффектом

Гиббса, Формула и з о б р е т е н и я

Способ спектрального анализа сигналов, заключающийся в том, что сигнал разбивают на смежные секции путем умножения на прямоугольное временное окно, определяют в течение фиксированного времени анализа оценку спектральной плотности мощности для каждой оценки и усредняют оценки спектральной плотности мощности сек- ции для получения оценки спектральной плотности мощности сигнала, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности анализа за счет уменьшения погрешностей, вызванных эффектом Гиббса и некратностью, длительности сигнала и времени анализа его отдельной секции, в процессе разбивки сигнала на секции каждую секцию ограничивают моментами перехода сигнала через ноль в одном и том же направлении, при этом длитель ность секции выбирают равной ближайшей меньшей величине по отношению к времени анализа секции, измеряют дли тельность секции и определяют коэф147)146

Составитель В.Смолин

Техред Л.Олийнык

Редактор Е.Папп

Корректор Э.Лончакова

Заказ 1605/48 Тираж 711 Подписное, ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035,- Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,301 фициент коррекции путем деления времени анализа на длительность секции, а затем умножают на этот коэффициент значения спектральных составляющих оценки спектральной плотности мощности секции.