Способ определения постоянной составляющей сложного сигнала

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Для этого предварительно усредняют исследуемый сигнал, перемножают результат усреднения и линейно изменяющееся напряжение , а результат также усредняют, при этом дополнительно определяют средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала и средний квадрат результата предварительного усреднения исследуемого сигнала и средние квадраты сравнивают между собой, а по результату сравнения выбирают оценку постоянной составляющей, которой может быть либо результат окончательного , либо предварительного усреднения исследуемого сигнала. 1 ил. 3 сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 R 19/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4796275/21 (22) 27.02.90 . (46) 23.03.92. Бюл. }Ф 11 (71) Хомский институт автоматизированных .систем управления и радиоэлектроники (72) С.И. Богомолов (53) 621.317.7 (088.8) (56) Мирский Г.Я. Аппаратурное определе,ние характеристик случайных процессов. M.: Энергия, 1972, с. 91-97.

Авторское свидетельство СССР

М 1370581, кл. G 01 и 19/00, 1988. (54). СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННой СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СЛОЖНОГО СИГНАЛА

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в радиотехнике при определении постоянной составляющей сложного сигнала, в том числе и на фоне помех, Известны способы определения постоянной составляющей сложного сигнала, в том числе и на фоне помех, заключающиеся в усреднении исследуемого сигнала на интервале наблюдения.

Частотная характеристика этого способа описывается выражением

61(Х) sin Х/Х, . (1) где X-обобщенная частота, причем Х-лгг;

f — частота сигнала Х(ф

Т вЂ” интервал наблюдения.

Однако данным способом обеспечивается минимальная дисперсия лишь при оценке постоянной составляющей на фоне

„,5U„„1721525 А1 (57) Изобретение относится к.измерительной технике. Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей; Для этого предварительно усредняют исследуе- . мый сигнал, перемножают результат усреднения и линейно изменяющееся напряжение, а результат также усредняют, при этом дополнительно определяют средний квадрат переменной составляющей исследуемого. сигнала и средний квадрат результата предварительного усреднения исследуемого сигнала и средние квадраты сравнивают между собой, а по результату сравнения выбирают оценку постоянной составляющей, которой может быть либо результат окончательного, либо предварительного усреднения исследуемого сигнала. 1 ил. помех с равномерно распределенным спектром. Наличие окрашенных участков спектра помех приводит к возрастанию . дисперсии оценки..

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения постоянной составляющей сложного сигнала, заключающийся в предварительном усреднении исследуемого сигнала, перемножении результата ус-. реднения на. линейно изменяющееся напряжение вида (2t/T-1) и окончательном усреднении.

Частотная характеристика этого способа описывается выражением

Gi(X) =. (sin Х/Х вЂ” cosX) 2/Х. (2) . - Наличие в данном. выражении составляющей вида 2/Х позволяет уменьшить влияние высокочастотных помех. на оценку постоянной составляющей. Однако, при

cflQ!<(på помех, равномерно распределенных 10 аси частот, оценка постоянной составляющей сигнала, обеспечиваемая извес(.нь(м способам, не будет эффективной, Классические способы (и устройства) для определения аффективного значения напряжения вкл(очзют последовательные операции ".Qçaåäeíèÿ в квадрат исследуемого сигнала и определения среднего значенияя (постоя н ной составл я >ащей) результата квадриравания. Лзвестиый способ измерения эффективнога значения также содер>кит операции квадрировзния и определения постоянной составляющей, причем при исключении операции кв дрировзния такая обработка обеспечит определение среднего значения (постоя и ной составляющей) исследуемого сигнала, Этот способ единственный, котоph(A бы полностью соответствовал одному из двух алгоритмов усреднения, Другой апгоритм усреднения — классический.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет дополнительного выбора одной из оценок постоянной составляющей сигнала с минимальным средним квадратом отклонения переменной составляющей сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что по способу ог рсделения постоянной составляющей cffo>K(fof сигнала, заключающемуся в первом усреднении исследуемого сигнала, перемножении результата усреднения на линейно изменяющееся напряжение вида (2t/Т вЂ” 1) и втором усреднении, определяют среднил квадрат переменнол составляющей исследуемого сигнала, средний квадрат результата первого усреднения перемен((а(л составляющей исследуемого сигнала, cðaaíèîaþT их между собой по величине и за оценку пастаяннОЙ состзвля(Ощей исследуе:1аго с(лгнала принимают результат окончательного усреднения, если среднлй квадрат г(еременной составляющей исследуемого сигнала больше среднего квадрата (.езул ьтата усреднения переменной составляющей сигнала, в протлвном слу„зе „з оцлн(у паста<1 няой саставля(ащей сигнала прин(лма(ог результат первого усреднения, Нз чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устаойства для определения постоянной составляющей сложного сигнала содержит подклю (Qíные к входу устройства паследовател(.;(о соединенные г(ервый усреднитель 1,:-.сновной перемножитель 2, 1 второй усреднитель 3, коммутатор 4, второй вход которого подключен к выходу первого усреднителя 1, а выход является выходом устройства, а также формирователь пилооб5 разного напряжения вида (2t/Ò вЂ” 1), выходом подкл(аченный к второму входу основного перемножителя 2, к входу устройства подключены последовательно соединенные первый квадратор б, третий усреднитель 7, 10 первый вычитатель 8, компаратор 9, выходам подключенный к управляющему входу коммутатора 4, к выходу первого усреднителя 1 подключены последовательно соединенные четвертый усреднитель 10, 15 дополнительный перемножитель 11, второй . .вычитатель 12, выходом подключенный к второму входу компаратора 9, к выходу первого усреднителя подключены также последовательно соединенные второй квадратор

20 13, пятый усреднитель 14, входом соединенный с вторым входом вычитателя 8, а выхо-. дом подключенный к второму входу второго .вычитателя 12, причем второй вход дополнительного перемно>кителя 11 подключен к

25 выходу второго усреднителя 3, выход которого через третий квадратор 15 подключен к третьему входу второго вычитателя 12.

В качестве всех элементов устройства могут быть использованы типовые узлы, 30 Так, в качестве усреднителей 1, 3, 7, 10 и 14 могут быть использованы, например, микросхемы К140УД1, включенные по схеме интегратора. Формирователь 5 пилообразного напряжения также может

35 быть выполнен на этой микросхеме, включенной согласно схеме. На этой же микросхеме с дифференциальным включением могут быть включены вычитатели 8, 12 и 15.

В качестве перемножителей 2 и 11 могуг

40 быть использованы микросхемы К140МА1, включенные по.схеме. Квадраторы 6 и 13 тоже могут быть выполнены на этой микросхеме К554САЗ, коммутатор 4 — на микросхеме К590КН5.

Реализация способа заключается в сле" дующем.

Сложный сигнал з(т), содержащий как постоянную а, так и переменную X(t) состав-лиащие, после предварительного усреднения (на выходе усреднения 1) формируется в сигнал вида

1 t

О1(т) = — (э(т) dr. (3) о

Этот сигнал после перемножения с сигналам

U5(t) = (2t/T— - 1) (4) окончательна усредняется и будет иметь в(яд

1721525

1 1, »..»з(т) = — f — ((2 y/Ò вЂ” 1) х о

y .

-х f s(r) drjdy. (5) о 5

В результате к концу интервала наблюдения Т после окончательного усреднения (на выходе второго усреднителя 3) формируется оценка постоянной составляющей исследуемого сигнала вида 10 т 1 .Us(t)= f (— {2 t/Ò вЂ” 1) х о

x f з(т) dz) dt=a*, (6) о 15 где a* — оценка постоянной составляющей.

Частотная характеристика этой оценки описывается выражением (2), После предварительного усреднения (на выходе первого усреднителя 1) к концу интервала наблюдения Т формируется классическая оценка постоянной составляющей сигнала

Т

U (T) = — f U(r) d .

25 о

Оценки постоянной составляющей (6) и (7) сравниваются и на выход пройдет тэ оценка, которая будет выбрана при анализе переменных составляющих сигнала соответственно. на выходе и входе первого ус- 30 реднителя 1.

Средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала формируется нэ выходе вычитателя 8, причем на один вход вычитателя исследуемый сигнал поступит через квэдратор 6 и третий усреднитель

7 в виде

».»7Щ = — » s (t) dt, 1 т 2 (8) о 40

На второй вход вычитателя 8 поступает сигнал с выхода квадратора 13 — (9) о.

В результате на выходе вычитателя 8 формируется оценка среднего квадрата отклонения переменной составляющей исследуемого сигнала

08Щ = U7(T)-О»зЩ = 50 — — (s (t) dt-(— f s(t) dt) (10)

1 т 2 1 т о

Т о и поступает на один из входов компаратора

9.

Одновременно сигнал (13) с выхода квадрэторэ 13 через пятый усреднитель 14 поступает нэ один из входов второго вычитэтеля 12

1 Т

U «(T) = — f 01з(т) dt = о

2 — — f (— f 0»(т) бг) dt. (11)

Т о Т о

Нэ второй вход второго вычитэтеля 12 с выхода дополнительного перемножителя 11 поступает продукт перемножения оценки постоянной составляющей с выходом второго усреднителя 3 и усредненной на интервале наблюдения Т оценки постоянной составляющей оценки с выхода четвертого усреднителя 10

U«m = {.»з(Т) 01оЩ =

= »»з(Т) (U»(t) dt. (12) о

На вычитатель 12 через квадратор 15 посту- пает тэкже выходной сигнал усреднителя 3.

Напряжение на выходе второго вычитателя 12 имеет вид

» »12(Т) = U14(T) U»1(T) — — U»5(T). (13)

3

С учетом соотношений (3) и (6) вырэжение (13) можно представить т т

u«(u = —T,(u, (u(d(— »- J u,(uй)»-» (21((т. о т

- ((uld(J=-Ju,(u(dà-(—,,J

Вырэжение (13) может быть представлено также в виде

U»2(t) = — j (Uф) — э**) dt, (15)

1 т г

Т где а** = а* /Т, (16). что характеризует средний квадрат отклонения переменной составляющей исследуемого сигнала на выходе первого усреднителя 1. При этом постоянная составляющая исследуемого сигнала характеризуется линейно нарастающим напряжением на выходе первого усреднителя 1, причем крутизна нарастания определяется величиной постоянной составляющей исследуемого сигнала, Напряжение с выхода второго вычитателя 12 поступает на второй вход компэратора 9, на котором осуществляется сравнение с величиной сигнала с выхода первого вычитэтеля 8. В результате уровень логического сигнала на выходе компараторэ

9 будет определяться соотношением сигналов с выходов вычитэтелей 8 и 12 и поступа1721525 вид ет на управляющий вход коммутатора 4, пропуская на выход последнего такую оценку постоянной составляющей сигнала, кото-. рая характеризуется минимальным средним квадратом переменной составляю- 5 щей этого сигнала.

При отсутствии помех оба алгоритма приводят к одинаковому результату. При на. личии помех появляется ошибка измерения.

За критерий выбора алгоритма усреднения 10 выбран минимум среднего квадрата отклонения переменной составляющей исследуемого сигнала (помехи). Классический алгоритм усреднения основан на минимизации дисперсии оценки и выливается (при 15 одинаковых временах усреднения) в определении дисперсии помех (переменной состаалающуасигиааа

D = Х (t) — /X(t)/, (17) где X(t) — исследуемый сигнал (черта означа- 20 ет усреднение по времени).

В устройстве операции (17) выполняют усреднители 1 и 7, квадраторы 6 и 13 и вычитатель 8. В усреднителях 1, 7, 3 и 14 используется алгоритм 25

1 т

X(t) - — f X(t) dt, (18)

Т О где Т вЂ” время обработки.

Известный алгоритм усреднения минимизирует средний квадрат P отклонения продукта интегрирования переменной составляющей сигнала (помехи) от продукта интегрирования постоянной составляющей

Р = — f (01(Т)-а* — ) dt, (19) 35

1 „тг

Т о Т где U (t) — результат интегрирования суммы постоянной составляющей и помехи; а* — оценка постоянной составляющей.

Выражение(19) может быть представле- 40 но в виде

1 Т 2а4 т

P- f U (t) dt- f 01(t) dt+

Т (аа) у т (20) 45 о Т

Используя соотношение (6), можно представить (а") =а* — f (— — 1) U>(t) dt=

„г,1 т 2т

Т 50

2а4 т с

à — U>(t) dt—

Т о т

-„ f U (t) dt (21) о ,или, что то же самое

2а т — f — U>(t) dt -=

8 г

*2 а4 Т тг

=(а") + - f — 01(т) dt. (22) о Т

Выражение (20) с учетом (22) принимает т r а-Ц«,«l-(а"1- —,"Ju,«),Н,() J ",«. т, т

=,— ju,«I«- Ju,«)« —,, Зтот алгоритм обработки обеспечивают блоки: первое слагаемое — квадратор 13 и усреднитель 14, второе слагаемое — усреднитель 10 и перемножитель 11, третье слагаемое — квадратор 15 и вычитатель 12.

Оценка а* при этом формируется на выходе усреднителя 3.

В результате в зависимости от спектра помех выбирается один из алгоритмов усреднения. Конкретный расчет выигрыша применения каждого из алгоритмов определения постоянной составляющей зависит от . спектра помех и проводится с учетом соотношений (1) и (2).

При преобладании низкочастотных помех более эффективна оценка среднего значения, при преобладании высокочастотных помех — на основе известного алгоритма.

Предлагаемый способ s зависимости от характера переменной составляющей сигнала (помех) обеспечивает выбор такой оценки постоянной составляющей, которая характеризуется наименьшим средним квадратом отклонения оценки этой величины, что не может обеспечить ни один из известных методов. Например, при распределении переменной составляющей сигнала по спектру; близкому к равйомерному, данный способ обеспечит оценку постоянной составляющей по классическому алгоритму с равномерным усреднением. Если же в спектре переменной составляющей сигнала будут выделяться высокочастотные составляющие, то лучшие результаты оценки постоянной составляющей сигнала обеспечивает иэвестн ый алгоритм.

Дополнительная обработка сигнала позволяет выбрать наилучший в каждом конкретном случае алгоритм оценки.

Любое изменение совокупности рассматриваемых признаков приводит к потере возможности выбора алгоритма оценки, обеспечивающего минимальную погрешность этой оценки.

Таким образом, дополнительные операции обработки сигналов выполняют присущие им функции и в совокупности с другими

1721525

Составитель A.Êoëoñîâ

Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Редактор Л.Гратилло

Заказ 950 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат *Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 заявляемыми признаками позволяют существенно повысить точность измерения постоянной составляющей сигнала на фоне переменной составляющей произвольного характера.

Формула изобретения

Способ определения постоянной составляющей сложного сигнала, заключающийся в первом усреднении исследуемого сигнала, перемножении результата усреднения на линейно изменяющееся напряжение вида (2t/T-1), где Т вЂ” интервал наблюдения, и втором усреднении, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа за счет дополнительного выбора одной из оценок постоянной составляющей сигнала с минимальным средним квадратом отклонения переменной составляющей сигнала, дополнительно определяют средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала, средний квадрат результата первого усреднения переменной составляющей

5 исследуемого сигнала, сравнивают их между собой по величине и за оценку постоянной составляющей исследуемого сигнала принимают результат второго усреднения, если средний квадрат переменной состав10 ляющей исследуемого сигнала больше среднего квадрата результата усреднения переменной составляющей исследуемого сигнала, если средний квадрат переменной составляющей исследуемого сигнала мень15 ше среднего квадрата результата усреднения переменной составляющей сигнала, за оценку постоянной составляющей принима-, ют резуг1ьтат предварительного усреднения, 20