Способ кратковременного спектрального анализа квазистационарных сигналов

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения частот и амплитуд многокомпонентных нестационарных сигналов.

Известны способы кратковременного спектрального с помощью параллельных спектранализаторов, каждый канал которых содержит полосовой фильтр (ПФ), амплитудный детектор (АД) и фильтр низкой частоты (ФНЧ) (Вакулин С.А., Кузьмин В.А, Патент 789879, Любинский И.А., Урецкий Я.С., Шмелев Л.А., Яхно В.П. Бионические устройства анализа. Труды 2 международной конференции стран-членов СЭВ по основным проблемам бионики. Бионики 78. 1978 г. т. 2, с. 116-119). Требуемое время анализа, определяемое длительностью участка стационарности, обеспечивается выбором полосы пропускания ПФ и постоянной времени ФНЧ, а необходимая точность анализа выбором расстояния по оси частот между соседними фильтрами.

Недостатком такого способа анализа является влияние соседних частот на выходной сигнал А_вых (ƒ_i, t) из-за перекрытия амплитудночастотных (АЧХ) характеристик.

Наиболее близким является способ, реализованный в патенте SU 553548 A1, 02.04.1977, основанный на вычитании из выходных сигналов ФНЧ А₁(ƒ_i, t) корректирующего сигнала A₂(ƒ_i, t), рассчитываемого по выходным сигналам соседних каналов.

Поскольку результатом проводимого анализа является разность сигналов, относительный уровень пульсаций возрастает и для его снижения приходится увеличивать постоянную времени фильтров ФНЧ, что влечет за собой нежелательное увеличение времени анализа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение заданной точности определения частот и амплитуд и допустимого уровня пульсаций исследуемого сигнала при сохранении требуемого времени анализа.

Технический результат достигается тем, что способ кратковременного спектрального анализа осуществляется с помощью набора полосовых фильтров (ПФ) с перекрывающимися частотными характеристиками, амплитудных детекторов (АД) и фильтров низкой частоты (ФНЧ), при котором ошибки, возникающие за счет перекрытия характеристик ПФ устраняются путем вычитания из выходных сигналов ФНЧ A₁(ƒ_i, t) корректирующего сигнала А₂(ƒ_i, t), отличающийся тем, что корректирующий сигнал A₂(ƒ_i, t) вычисляется как сумма вкладов в i-й канал соседних j=i±m каналов с весовыми коэффициентами , постоянную времени ФНЧ τ увеличивают так, чтобы сохранить требуемый относительный уровень пульсаций в разностном сигнале A₁(ƒ_i, t) - A₂(ƒ_i. t), а для того чтобы это увеличение не приводило к росту времени установления разностного сигнала, вычитание корректирующего сигнала производится с задержкой Δt^*, равной произведению постоянной времени ФНЧ τ на логарифм отношения амплитуд A₁(ƒ_i, t) и A₂(ƒ_i, t), которая определит время установления выходного сигнала анализатора

Фиг. 1 представляет блок-схему анализатора, реализованного по предлагаемому способу. Δt - задержка, вводимая в корректирующий сигнал.

Фиг. 2 поясняет формирование выходного сигнала А_вых(ƒ_i, t) как разности сигналов A₁(ƒ_i, t) и A₂(ƒ_i, t).

Фиг. 3 показывает временной ход сигналов A₁(ƒ_i, t) и A_вых(ƒ_i, t) при ƒ_i-1, ƒ_i и ƒ_i+1 без введения задержки в сигнал A₂(ƒ_i, t)

Фиг. 4 показывает временной ход этих сигналов при введении задержки.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Корректирующий сигнал A₂(ƒ_i, t) образуется путем вычисления сглаженного распределения по оси частот выходных сигналов ФНЧ

где - амплитуда на выходе ФНЧ i-того канала, ƒ_i - центральная частота i-го ПФ, τ постоянная времени ФНЧ, w_ij - функция связи, определяющая вклад j-го канала в i-й, m - радиус связей i-го канала. Выходной сигнал анализатора A_вых(ƒ_i, t) представляет собой разность выходных сигналов A₁(ƒ_i, t) и задержанных корректирующих сигналов A₂(ƒ_i, t), т.е.

где

Покажем, что задержку Δt можно выбрать так, что время установления выходного сигнала анализатора t_y будет равно величине этой задержки. В соответствии с (1)

при t>Δt

Таким образом, при t>Δt для i-го канала,

Если выбрать задержку Δt^* из условия ,

то при Δt=Δt^* второе слагаемое в выражении (3) обращается в ноль и, следовательно, сигнал на выходе i-того канала достигает установившегося значения, т.е. время установления выходного сигнала будет равно

Покажем, что при таком выборе задержки величина пульсаций практически не возрастает. Пусть постоянная времени ФНЧ равна τ₁, тогда коэффициент пульсаций сигнала A₁(ƒ_i, t) с периодом Т приближенно равен а время установления . Увеличим постоянную времени ФНЧ до величины τ₂, вычислим корректирующий сигнал и введем задержку , тогда время установления будет равно . Оценим в этом случае амплитуду пульсаций в выходном сигнале

Потребовав равенства λ₁=λ₂, получим:

Если τ₁>>Т и τ₂>>Т, то

Если амплитуда корректирующего сигнала, поступающего на i-й канал, по величине близка к амплитуде выходного сигнала фильтров ФНЧ, т.е.

, то .

Таким образом, при введении задержки в корректирующий сигнал сохранение уровня пульсаций, т.е. выполнение условия λ₁=λ₂ не приводит к увеличению времени установления: .

Способ кратковременного спектрального анализа, в котором ошибки, возникающие из-за перекрытия характеристик полосовых фильтров (ПФ) при использовании набора (ПФ) с перекрывающимися частотными характеристиками амплитудных детекторов (АД) и фильтров низкой частоты (ФНЧ), устраняют путем вычитания из выходных сигналов ФНЧ A₁(f_i,t) корректирующего сигнала А₂(f_i,t), отличающийся тем, что корректирующий сигнал A₂(f_i,t) вычисляют как сумму вкладов в i-й канал соседних j = i±m каналов с весовыми коэффициентами постоянную времени ФНЧ τ увеличивают так, чтобы сохранить требуемый относительный уровень пульсаций в разностном сигнале A₁(f_i,t)-A₂(f_j.t), а для того чтобы это увеличение не приводило к росту времени установления разностного сигнала, вычитание корректирующего сигнала производят с задержкой Δt*, равной произведению постоянной времени ФНЧ τ на логарифм отношения амплитуд A₁(f_i,t) и A₂(f_i,t), которая определит время установления разностного сигнала, являющегося выходным сигналом анализатора..