Способ спектрального анализа случайных сигналов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для спектрального анализа случайных сигналов. Цель изобретения - повышение точности анализа при сохранении области рабочих частот. В устройстве эта цель достигается введением в каждый из М параллельных каналов 4 аналого-цифрового преобразователя 6 и блока 7 быстрого преобразования Фурье (БПФ). В каждом из М каналов также имеется узкополосный фильтр 5, а устройство содержит вход 1, переключатель 2, синтезатор 3 частоты, вычислительный блок 8 и индикатор 9, В способе цель достигается тем, что сигнал отклика каждого фильтра преобразуют в N дискретных спектральных значений с помощью БПФ с частотой квантования, меньшей удвоенной верхней частоты спектра сигнала отклика и по расчетным формулам определяют отсчеты энергетического спектра. Способ основан на разделении анализируемого сигнала на L временных интервалов , в каждом из которых производят разделение сигнала на М узкополосных случайных сигналов, и измерении их дисперсии . 2 ил. СО с

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 23/16

М

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4399887/21 (22) 29.03.88 (46) 23,03.93. Бюл. N 11 (71) Институт технической кибернетики

АН БССР (72) В, И, Петько, В. Е, Куконин и П. М, Чеголин (56) 1. Omnee, Прикладной анализ временных рядов. — М.: 1982.

2. Авторское свидетельство СССР

М 1302210, кл. G 01 R 23/16, 1984; (54) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

СЛУЧАЙН6!Х СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для спектрального анализа случайных сигналов. Цель изобретения — повышение точности анализа при сохранении области рабочих частот, В устройстве эта цель достигается введени„„Ы,, 1803880 А1 ем в каждый из М параллельных каналов 4 аналого-цифрового преобразователя 6 и блока 7 быстрого преобразования Фурье (БПФ). В каждом из М каналов также имеется узкополосный фильтр 5, а устройство содержит вход 1, переключатель 2, синтезатор

3 частоты, вычислительный блок 8 и индикатор 9, В способе цель достигается тем, что сигнал отклика каждого фильтра преобразуют в N дискретных спектральных значений с помощью БПФ с частотой квантования, меньшей удвоенной верхней частоты спектра сигнала отклика и по расчетным формулам определяют отсчеты энергетического спектра, Способ основан на разделении анализируемого сигнала на L временных интервалов, в каждом из которых производят разделение сигнала на М узкополосных случайных сигналов, и измерении их дисперсии. 2 ил.

1803880

Изобретение относится к измерительной технике.

Цель изобретения — повышение точности анализа при сохранении области рабочих частот. В основе способа лежит следующее явление; если с интервалом Т производить дискретизацию синусоиды с частотой, большей 1/2Т, то наряду с истинной частотой синусоиды будет проявляться и другая (меньшая) — частота подмены. При этом на выходе АЦП появится выборка синусоиды только с частотой подмены.

Это позволяет осуществить перенос высокочастотных колебаний в область более низких частот И, а именно высокочастотные колебания, лежащие в одном из и ределов от

rF до rF + 0,5 F (г = 1, 2, 3...), переносятся в область частот от 0 до 0,5 F.

Какой из высокочастотных диапазонов переносится в каждом конкретном случае в область низких частот определяется полосовым аналоговым фильтром, полоса пропускания которого может простираться от rF либо до rF + 0,5 F, либо до rF — 0,5 F, Полученные после обработки низкочастотного сигнала (диапазон частот от 0 до 0,5 F) спектральные отсчеты затем следует привести к истинным ч. стотам Q1, Для этого необходимо частоты Q спектральных отсчетов заменить на rF + Q, если полоса пропускания аналогового полосового фильтра лежала в пределах от rF до 0,5 F. Если же полоса пропускания аналогового полосового фильтра лежала в пределах от rF до rF — 0,5 F, частоты Q спектральных отсчетов следует заменить на rF — Q, Способ заключается в разделении анализируемого сигнала на L временных интервалов, в каждом из которых производят разделение сигнала на М узкополосных случайных сигналов с помощью полосовых фильтров, и измерении их дисперсии, сигнал отклика каждого фильтра преобразуют в N дискретных спектральных значений с помощью быстрого преобразования Фурье с частотой квантования меньшей удвоенной верхней частоты спектра сигнала отклика, по полученным спектральным отсчетам (дисперсиям) и отсчетам амплитудно-частотных характеристик анализирующих фильтров определяют отсчеты энергетического спектра по формуле 6. (F+ K Q) Gm(К Q1)= — g ДЛЯ m ЧЕТНЫХ;

2Ь (- ) для m нечетных. — 1

Gmi(KQ=((g fmi(nT)cos(nTkQ)) +

n=0 — 1

+ (, » fmi(nT) sin (nTkl Q)) ) х и =О (Com (F+ К Qi) для m четных;

Al -г

10 (Com (m+1

F — К Ц) для m нечет ных;

ГДЕ Gmi(— + К Qi И Gml (mF m+1

2 2

F— - КЦ— перенос энергетического спектра Gml(K QI по оси частот;

Gam(+К Йи Cam(m F. m+1

2 2

F— - КЦ—

К-ый отсчет АЧХ m-го полосового фильтра для m четных и нечетных соответственно; п, (пТ) — отклик m-го полосового фильтра в 1-ом временном интервале анализа после дискретизации сигнала;

F = — — частота квантования;

Т

I = 1, L — номер временного интервала; п = О, N — 1 и К = О, N — 1 — порядковые номера дискретных временных и частотных отсчетов соответственно;

2к

30 Q = — — шаг по частоте;

NT

m = 1, M — порядковый номер полосы анализа.

На фиг, 1 представлена блок-схема устройства, при помощи которого осуществляется предлагаемый способ; на фиг. 2— частотные диаграммы.

Устройство содержит вход 1, двухпозиционный переключатель 2, синтезатор 3 частоты, М параллельных каналов 4 измерения, содержащих узкополосный фильтр 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6 и блок 7 быстрого преобразования Фурье (БПФ), вычислительный блок 8 и индикатор 9. Первый и второй неподвижные контакты двухпозиционного переключателя

2 подключены к входу 1 устройства и выходу синтезатора 3 частоты соответственно, а подвижный контакт соединен с объединенными входами узкополосных фильтров 5 М параллельных каналов 4 измерения, первый и второй выходы вычислительного блока соединены с входами индикатора и синтезатора частоты соответственно. B каждом из M измерительных каналов последовательно соединены аналого-цифровой преобразователь 6 и блок 7 быстрого преобразования

Фурье, выходом соединенный с входом вычислительного блока, выход узкополосного фильтра 5 соединен с информационным

1803880 входом аналого-цифрового преобразователя 6, на управляющий вход которого подается второй выход синтезатора 3 частоты.

Устройство имеет два режима работы:

"Настройка" и "Измерение" и работает следующим образом.

В режиме "Настройка" на входы каналов анализа с помощью переключателя 2 подключается первый выход синтезатора 3 частоты, сигналы которого представляют собой "белый шум" в анализируемом диапазоне частот. С второго выхода синтезатора

3 частоты в это время поступают синхроимпульсы с частотой F для запуска аналогоцифрового преобразователя 6 в каждом канале анализа.

Полосовые фильтры 5, в соответствии со своими АЧХ, пропускают сигнал "белого шума" с входа на выход, Сигналы откликов фильтров 5 преобразуются с помощью АЦП

6 в числовую последовательность, которая поступает на вход блока 7 БПФ, При этом следует отметить, что полосы пропускания полосовых фильтров 5 лежат в пределах от

rF до rF - 0,5 F, где r = 1,2,3„„(см. фиг. 2б).

Если связать эти полосы с порядковым номером m используемого полосового фильтра 5, то они будут расположены в пределах от — F до F + 0,5 F для m четных и от

m m

2 2

m+1 m+1 — Fäî

2 2

F — 0,5 F для m нечетных.

Это позволяет, как указывалось ранее, получать на выходах АЦП 6 дискретизированные низкочастотные колебания, лежащие в области частот от 0 до 0,5 F. Таким образом полосы пропускания фильтров 5 переносятся из области высоких частот в область низких частот без искажения амплитудночастотной характеристики. Последнее позволяет по спектральным отсчетам, получаемым с помощью блока БПФ 7, работающего при частоте поступления входных отсчетов, равной F, судить об АЧХ фильтров

5, 11олосы пропускания которых лежат в области высоких частот, а именно в пределах от rF до rF 0,5 F или, что то же самое, от

m m

2 2

F до — F + 0,5 F для m четных номеров фильтров и от F до F 0,5 F

m+1 m+1 для нечетных их номеров.

Блок 7 БПФ по 2 N временным отсчетам вычисляет N дискретных значений Gm(K g спектра мощности по соотношению

Н вЂ” 1

От(К Г4) = (g fm(nT)cos (пТК Ц))г +

n=0

N — 1

+ (,Г fm(nT) sin(К Ц nT))г, п=О где fm (пТ) — отклик m-го полосового фильтра в режиме "Настройка" после его дискретизации; и и К вЂ” порядковые номера дискретных временных и частотных отсчетов соответственно;

2к

10 Q = — шаг по частоте;

NT

T = — — интервал дискретизации;

n=0, N — 1, К=О, N — 1, m=1, М.

Постоянство амплитуды гармонических составляющих "белого шума" в пределах полосы пропускания m-го фильтра 5 позволяет по отсчетам спектра мощности его отклика судить о квадрате АЧХ этого фильтра. Полученные при этом на выходах блока 7 БПФ значения Gm (К gl, равные G am (— F + г m

+ К Ц для m четных и Gam ( г m+1

F— - Kg для m нечетных, поступают в память вычислительного блока 8 и на этом режим "Настройка" заканчивается. (Gam (F +

+ КЦИ6ап! (m+1

F — К Q) К-й отсчет

30 2

АЧХ m-ro фильтра с четным и нечетным порядковым номером соответственно1, По окончании режима "Настройка" устройство переводится в режим "Измерение".

При этом переключатель 2 переводится в положение, при котором на входы каналов анализа поступает исследуемый случайный сигнал, спектр которого в общем случае является сплошным (см. фиг. 2а). С выхода

40 m-го фильтра 5 сигнал через АЦП 6 в виде последовательности чисел поступает на вход блока 7 быстрого преобразова уя

Фурье, который по 2 N временным отсчетам

1-го временного интервала вычисляет N-ди45 скретных значений Gml (К gl спектра мощности по соотношению

N — 1

Gmt (K G) = (g fmi(n T) cos (пТК Щг + п =Î

И вЂ” 1

50 + (. fmt (nT)sin (nTK Qjг, п =О где fmi(n T) — отклик m-го полосового фильтра в 1-ом временном интервале анализа после его дискретизации.

55 Полученные значения Gmi(K Щ заносятся в вычислительный блок 8, где они усредняются по L ансамблям спектра мощности (L — количество временных интервалов исследуемого процесса, используемых при

БПФ и корректирующихся в соответствии с

1803880 (2 ) для m четных;

25 1 3.

6т(K Q1) = — Д

L l=1

ml(F — К а) для m нечетных.

35

АЧХ m-го полосового фильтра по соотношениям

6(К Ц

G»(mF+КQ) для фильтров 5 с четным порядковым номером и

L — Gml

/1 Е 1=1

Gm(K Ц—

Gam (П1 + " F + K Q) для фильтров 5 с нечетным порядковым номером.

После усреднения и корректировки в соответствии с АЧХ полосовых фильтров 5 спектральные значения 6п(К G) ) приводятся к истинным частотам, т.е, переводятся из области низких частот Q в область высоких частот Q1, где расположены полосы пропускания фильтров 5, Для этого в блоке 8 прои\ изводится замена частот k Q íà F+

+ К Йдля фильтров 5 с четным порядковым номером К Q и на

m+1

F — К Q для фильтров 5 с нечетным порядковым номером (см. фиг. 2в). В результате этого получаетсЯ тРебУемый спектР моЩности Gm(K Q 1) " Gm(K Q 1) = Gm (— F + K g

2 для фильтров 5 с четным порядковым номером и

Gm(K Р) =6п (F — K 4)

2 для фильтров 5 с нечетным порядковым номером, Таким образом, введение операций преобразования сигналов отклика каждого уз М узкополосных фильтров в N дискретных спектральных значений с помощью быстрого преобразования Фурье с частотой квантования, меньшей удвоенной верхней частоты спектра сигнала отклика, позволяет повысить точность спектрального анализа при сохранении области рабочих частот и несмещенности оценки. Повышение точности достигается за счет использования быстрого преобразования Фурье, сохранение области рабочих частот обеспечивается за счет использования частоты подмены и несмещенность оценки получается из-за усреднения спектра по L ансамблям, Формула изобретения

1, Способ спектрального анализа случайных сигналов, заключающийся в разделении анализируемого сигнала на L

5 временных интервалов, в каждом из которых производят с помощью полосовых фильтров разделение сигнала на М узкополосных случайных сигналов, и измерении их дисперсии, отличающийся тем, что, 10 с целью повышения точности анализа при сохранении области рабочих частот, сигнал отклика каждого полосового фильтра преобразуют в N дискретных спектральных значений с помощью быстрого преобразования

15 Фурье с частотой квантования, меньшей удвоенной верхней частоты спектра сигнала отклика, по полученным спектральным отсчетам (дисперсиям) и отсчетам амплитудно-частотных характеристик полосовых

20 фильтров определяют отсчеты энергетического спектра по формулам — 1

Gml (K g = ((,, fml(n T) cos (n Tk gl) +

n=0 — 1

+(, fml(nT) sin (nTk Гф) ) х п=0 (Cam(— F+ К И ) для m четных;

2 (Cam (2 F К Щ для m нечетm+1 2 ных;

45 2

rAe Gml(F+ KgulGml(F — КЦ—

2 пеРенос энеРгетического спектРа Gml(K gl по оси частот;

Gam(F+K Йи Cam(F — КЦ—

m m+1

2 2

5р К-й отсчет АЧХ m-го полосового фильтра для

m четных и нечетных соответственно;

fml(nT) — отклик m-го полосового фильтРа в l-м временном интервале анализа после дискретизации сигнала;

F = — — частота квантования;

Т

1= 1, L — номер временного интервала;

n = О, N — 1 и К = О, N — 1 — порядковые номера дискретных временных и частотных отсчетов соответственно;

1803880

I 1I

I III

/; Ill l I I! 1 с 3 21

Жиа.2

Составитель Е.Губанов

Редактор М.Кузнецова Техред М.Моргентал Корректор Т. Ваш кович

Заказ 1056 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

2л

И вЂ” — шаг по частоте;

m = 1, M — порядковый номер полосы анализа, 2. Устройство для спектрального анализа случайных сигналов, содержащее двухпозиционный переключатель, первый и второй неподвижные контакты которого подключены к входу устройства и выходу синтезатора частоты соответственно, а подвижный контакт соединен с объединенными входами узкополосных фильтров М параллельных каналов измерения, первый и второй выходы вычислительного блока соединены с входами индикатора и синтезатора частоты соответственно, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерения при сохранении области рабочих

5 частот, в каждый из М измерительных каналов введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок быстрого преобразования Фурье, выходом соединенный с входом вычислительного

10 блока, выход узкополосного фильтра связан с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с вторым выходом синтезатора частоты.