корреляционная измерительная система

Формула изобретения

1. КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, содержащая генератор тактовых импульсов, коммутатор, цифроаналоговый преобразователь и устройство отображения, вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, отличающаяся тем, что, с целью упрощения, в нее введены две схемы сравнения, счетчики, устройство управления, триггер, блок эквивалентности и генератор псевдослучайного напряжения, вход запуска которого соединен с тактовым входом устройства управления и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, первый и второй выходы генератора псевдослучайных напряжений соединены с первыми входами первой и второй схем сравнения, вторые входы которых являются соответственно первым и вторым информационными входами системы, выход "Больше" первой схемы сравнения соединен с первым входом блока эквивалентности, синхровход которого соединен с первым выходом устройства управления, соответствующий выход первой группы выходов которого подключен к единичному входу триггера, нулевой вход которого соединен с выходом "больше" второй схемы сравнения, прямой выход триггера соединен с вторым входом блока эквивалентности, выход которого подключен к счетным входам счетчиков, тактовые входы которых соединены с первой группой выходов устройства управления, вторая группа выходов которого подключена к управляющему входу коммутатора, информационные входы которого соединены с выходами счетчиков, а выход подключен к входу цифроаналогового преобразователя, вход запуска устройства управления является входом запуска системы.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство управления содержит два счетчика, блок сравнения, блок постоянной памяти, дешифратор, триггер, делитель частоты и управляемый делитель частоты, информационный вход которого соединен с информационным входом делителя частоты и является тактовым входом устройства, вход запуска которого подключен к нулевому входу триггера и входу запуска делителя частоты, выход которого соединен с единичным входом триггера, прямой выход которого является первым выходом устройства и соединен с входом задания частоты управляемого делителя частоты, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход "равно" которого подключен к синхровходу дешифратора и к счетному входу второго счетчика, выход которого соединен с информационным входом дешифратора и с адресным входом блока постоянной памяти, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, выходы дешифратора являются первой группой выходов устройства, вторая группа выходов которого соединена с разрядным выходом второго счетчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может применяться также в соседних областях науки и техники при необходимости измерений авто- и взаимно корреляционных функций широкополосных процессов.

Известен коррелометр типа "знак-знак", содержащий последовательно соединенные генератор импульсов опроса, блок определения знаков и фиксации их совпадений и электронно-счетный частотомер, другой вход которого объединен со 2-ым входом блока определения знаков и подключен к 2-му выходу генератора, кроме того, 3-й и 4-й входы блока определения знаков последовательны ко входам коррелометра.

Недостатком данного устройства является его применимость лишь для тех входных сигналов, одномерная плотность распределения мгновенных значений которых является гауссовой.

В качестве прототипа может служить корреляционная измерительная система, содержащая последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на 1-ом входе, регистр сдвига, параллельный набор цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), параллельный набор множительных элементов, параллельный набор интегрирующих цепей, коммутатор и устройство отображения на выходе, а также генератор тактовых импульсов (ГТИ), выход которого подсоединен к другому входу регистра сдвига, кроме того, другие входы множительных элементов объединены и подключены ко 2-му входу системы.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Под действием импульсов ГТИ кодовые комбинации, формирующиеся на входах АЦП и соответствующие отсчетам 1-го входного сигнала, поступают в регистр сдвига и распределяются на его выходах; число выходов регистра сдвига соответствует числу одновременно измеряемых точек корреляционной функции. После перехода вновь к аналоговой форме с помощью ЦАП сдвинутые во времени отсчеты 1-го сигнала перемножаются в множительных элементах со 2-ым сигналом, а результаты перемножения накапливаются в соответствующих интегрирующих цепях. После циклической коммутации выходных сигналов интегрирующих цепей на выходе коммутатора формируется сигнал, соответствующий авто- или взаимокорреляционной функции, который в устройстве отображения индицируется или (и) регистрируется.

Недостатком устройства является сложность реализации при большом динамическом диапазоне измерения аргумента корреляционной функции, так как число регистров сдвига, множительных элементов и интегрирующих цепей равно отношению наибольшего значения аргумента к длительности такта ГТИ.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение устройства при большом динамическом диапазоне изменения аргумента корреляционной функции.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, логический коммутатор, цифроаналоговый преобразователь и устройство отображения на выходе системы, введены 1-я и 2-я схемы сравнения на соответствующих входах всего устройства, генератор псевдослучайных напряжений, выходы которого подключены ко вторым входам соответствующих схем сравнения, триггер, вход которого подключен к выходу 2-й схемы сравнения, а выход - к первому входу схемы эквивалентности, второй вход которой подключен к выходу 2-й схемы сравнения, набор счетчиков импульсов, информационные входы которых объединены и подсоединены к выходу схемы эквивалентности, а выходы - к соответствующим входам логического коммутатора, и устройство управления, вход которого подключен вместе со входом генератора псевдослучайных напряжений к выходу генератора тактовых импульсов, а выходы - ко входам управления триггера, схемы эквивалентности, счетчиков импульсов и логического коммутатора, выходы последнего подключены к дополнительным выходам системы и через цифроаналоговый преобразователь - к входу устройства отображения.

Благодаря этому в устройстве реализуется умножение на основе статистической меры, а вместо сдвига входного сигнала на величину аргумента корреляционной функции осуществляется сдвиг во времени синхроимпульсов счетчиков импульсов. В известных устройствах корреляционного анализа возможность работы при большом динамическом диапазоне изменения аргумента корреляционной функции достигается применением громоздких элементов (линий задержки, регистров сдвига, оперативной памяти большой емкости и т. п. ), отсутствующих в предложенном устройстве, что позволяет считать предложенные отличия удовлетворяющими критерию существенности.

На фиг. 1 представлена структурная схема; на фиг. 2 - структурная схема устройства управления; на фиг. 3 - временная диаграмма работы устройства.

Корреляционная измерительная система содержит 1-ю схему сравнения (СС) 1, последовательно соединенные 2-ю схему сравнения (СС) 2, триггер (Тр) 3, схему эквивалентности (Э) 4, набор из L счетчиков импульсов (СИ) 5₁, . . . 5_L, логический коммутатор (ЛК) 6, цифроаналоговый преобразователь 7, устройство отображения (УО) 8, генератор псевдослучайных напряжений (ГПСН) 9, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 10 и устройство управления (УУ) 11, вход которого объединен со входом ГПСН 9 и подключен к выходу ГТИ 10, а выходы подсоединены ко входам управления блоков (3-6), выходы ГПСН 9 подключены к соответствующим входам СС 2 и 1, выход последней подсоединен к другому входу Э 4.

В свою очередь, УУ 11 содержит делитель частоты (ДЧ) 12, другой триггер (Т) 13, дешифратор (Дш) 14, 3-й счетчик импульсов 15, управляемый делитель частоты (УДЧ) 16, запоминающее устройство (ЗУ) 17, схему сравнения кодов (ССК) 18 и счетчик импульсов (СИ) 19, причем последовательно соединены элементы ДЧ 12, Т 13, УДЧ 16, Сч 19, ССК 18, Сч 15 и ЗУ 17, выходы ЗУ 17 подключены ко вторым входам ССК 18, выход которой подсоединен ко входу управления Дш 14, информационные входы которого подключены к выходам СЧ 15, второй вход УДЧ 16 объединен со входом ДЧ 12 и подсоединен ко входу УУ 11, объединенные вторые входы ДЧ 12 и Т 13 подключены ко входу "Пуск", а выходы Т 13, Дш 14 и СЧ 15 к выходам УУ 11.

Схемы сравнения 1 и 2 являются типовыми и формируют на выходах "1" или "0", если соответствующее входное напряжение больше или меньше, чем соответствующее напряжение на других входах, связанных с блоком 9.

Тр 3 является типовым Д-триггером, т. е. запоминает на своем выходе логическое состояние информационного входа (со стороны СС 2) по переднему фронту импульса на входе управления (со стороны УУ 11).

Схема эквивалентности 4 при сигнале "1" на входе управления формирует на выходе сигнал "1" или "0", если входные логические сигналы равны (эквивалентны) или неравны; при сигнале "0" на входе управления - выход схемы 4 постоянно в состоянии "0". Схема 4 реализуется в виде типовой ячейки "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" со схемой И на выходе, а второй вход схемы И является входом управления.

Счетчики импульсов 5₁. . . 5_L являются типовыми двоичными синхронными счетчиками, т. е. накапливают на своих выходах число единиц, присутствующих на выходах в момент появления заднего фронта импульса на синхровходе (со стороны УУ 11) (например, микросхема К 561ИЕ10). В начале работы счетчики 5 обнуляются (входы обнуления для простоты не показаны).

ЛК 6 предназначен для формирования на своих выходах кодовой комбинации с одной из групп своих входов в соответствии с кодом на входах управления (со стороны СЧ 15) при наличии сигнала "1" на входе стробирования соединенном с инверсным выходом Т 13. ЛК 6 реализуется типовым образом на основе стандартных микросхем по числу разрядов в выходных кодовых комбинациях счетчиков 5 (например, если система содержит 16 2-разрядных счетчиков 5₁. . . 5₁₀, то ЛК 6 состоит из 12 микросхем К155КП1.

ЦАП 7 предназначен для формирования аналогового напряжения, соответствующего входной кодовой комбинации, и реализуется типовым образом на основе микросхемы (например, 594ПА1 и др). Так как результаты измерений в данном устройстве смещены на 50% шкалы (50% диапазона счетчиков 5), то ЦАП 7 имеет соответствующее смещение, чтобы скорректировать характеристику "Код-напряжение" (например, подключение источника напряжения через резистор R 21. В результате входной кодовой комбинации "00. . . 0" будет соответствовать напряжение - U_o, а комбинации "11. . . 1" - + U_o.

УО 8 предназначено для отображения измерительной информации - индикации и (ИЛИ) регистрации. УО 8 может быть электронным осциллографом, самопишущим прибором и т. п.

ГПСН 9 формирует на своих выходах импульсы напряжения, амплитуды которых равновероятно распределены в динамическом диапазоне [-U_m, U_m] . ГПСН 9 может быть реализован, например, в виде генератора М-последовательности и двух цифроаналоговых преобразователей, подклю- ченных к соответствующим выходам генератора М-последовательности.

ГТИ 10 формирует последовательность тактовых импульсов и реализуется типовым образом. Период импульсов То определяет разрешающую способность устройства по времени.

Устройство управления 11 (фиг. 2) формирует управляющие сигналы для Тр 3, Э4, СЧ 5₁. . . 5_L и ЛК 6: потенциальные сигналы для Э4 в фазе накопления данных и для ЛК 6 в фазе отображения измерительной информации, а также импульсные последовательности для счетчиков 5₁. . . 5_Lи триггера 3 в фазе накопления данных и последовательность кодовых комбинаций для ЛК 6 в фазе отображения измерительной информации.

Делитель частоты 12 предназначен для формирования на своем выходе импульса после появления N импульсов на входе ДЧ 12 реализуется в виде типового делителя частоты (например, состоящего из последовательно соединенных К счетных триггеров, тогда N = 2^k) со входом начальной установки в нулевое состояние. Величина N определяется емкостью S счетчиков 5₁. . . 5_L и отношением D наибольшего значения аргумента корреляционной функции к наименьшему ненулевому:

N = S(D + 1), D = _max/_min= _max/T_o.

Триггер 13 является типовым RS-триггером, т. е. устанавливается в состояние "1" при появлении сигнала "1" на входе "Пуск" блока 11 и в состояние "0" при появлении импульса "1" на выходе ДЧ 12. Триггеp 13 имеет, кроме основного, инверсный выход.

Дешифратор 14 является типовым преобразователем кодовой комбинации на входах в позиционный единичный код: сигнал "1" появляется на одном из выходов в соответствии с входным кодом и при наличии сигнала "1" на входе управления, все выходы Дш 14 в состоянии "0", если "0" - на входе управления блока 14. Дш 14 реализуется типовым образом.

Счетчики импульсов 15 и 19 являются типовыми. Емкость счетчика 15 равна L, а счетчика 19 - (Д + 1).

Управляемый делитель частоты 16 формирует на своем выходе импульс при появлении на своем входе R или одного импульса в зависимости от состояния "0" или "1" на входе управления. УДЧ 16 может быть реализован, например, в виде последовательно соединенных типовых делителя частоты в R раз на входе и двух-входового логического коммутатора на выходе, второй вход которого соединен с входом УДЧ 16, а вход управления является входом управления УДЧ 16.

ЗУ 17 предназначено для хранения кодовых комбинаций, соответствующих L аргументам корреляционной функции. Значения _i, i = 1, L, ₁, = 0, определяются экспериментатором до начала измерений и могут зависить от ряда соображений:

- желание более точно рассмотреть тот или иной фрагмент корреляционной функции;

- стремление обеспечить одну и ту же погрешность аппроксимации во всем диапазоне изменения аргумента и др.

Например, при автокорреляционной функции вида

()= exp(-//) и линейной интерполяции в УО 8 постоянство максимальной погрешности _mдискретизации во всем диапазоне изменения аргумента обеспечивается при выполнении соотношения _i= _i- . При этом (естественно) величина _m минимальна для заданного значения L. Блок 17 реализуется в виде микросхемы.

ССК 18 является типовым блоком и формирует на выходе сигнал "1" при совпадении кодовых комбинаций на двух входах.

УУ 11 работает следующим образом. По команде "Пуск" ДЧ 12 обнуляется, а Тр 13 устанавливается в состояние "1", при котором на выход УДЧ 16 поступают все импульсы от ГТИ 10, к элементу 4 подается сигнал "1", а к ЛК 6 - сигнал "0". Под действием тактовых импульсов счетчик 19 периодически изменяет кодовые комбинации на выходе, а ССК 18 в момент совпадения кодовой комбинации от СЧ 19 с кодовой комбинацией от ЗУ 17 формирует импульс "1", разрешающий появление сигнала "1" на одном из выходов дешифратора 14. По заднему фронту импульса на выходе ССК 18 счетчик 15 меняет свое состояние на следующее и дешифратор 14 подготавливается для формирования сигнала "1" на соответствующем выходе при появлении следующего импульса "1" на выходе ССК 18.

Работа УУ 11 иллюстрируется фиг. 3 для случая L = 4, ₂= T_o, ₃= 3T_{o, 4}= 6T_o, где Т_о - период импульсов ГТИ 10. Появление сигнала "1" на выходах Дш 14 соответствует заштрихованным участкам, а вся длина импульсов соответствует пребыванию счетчика 15 в соответствующем состоянии; период повторения Т_п = (D + 1) T_o = 7T_o.

После поступления N импульсов в ДЧ 12 на выходе последнего появляется сигнал "1" и триггер 13 изменяет выходное состояние, в соответствии с чем к элементу 4 поступает запрещающий работу сигнал "0", а к ЛК 6 - разрешающий работу сигнал "1". Кроме того, с выходом УДЧ 17 начинают поступать импульсы с меньшей в R раз частотой, соответствующей динамике УО 8.

Предлагаемая корреляционная измерительная система работает следующим образом. Перед началом измерений в ОЗУ 17 устройства управления 11 заносятся кодовые комбинации, соответствующие L-1 ненулевым аргументам авто- или взаимно коppеляционной функции, полученные после деления аргументов _i, i = 2, L (₁= 0), на длительность периода Т_о ГТИ 10. При корреляционном анализе входы 1 и 2 системы объединяются, так как входной сигнал один, а при взаимокорреляционном - на каждый из входов поступает свой информационный сигнал. По сигналу "Пуск" счетчики 5₁. . . 5_L обнуляются, а с выхода УУ 11 поступают такие управляющие сигналы, при которых схема Э 4 функционирует, а ЛК 6 нет.

В совокупности блоки ГТИ 10, ГПСН 9, СС 1, 2 и Э4 образуют вероятностный множительный элемент, в котором вероятность сигнала "1" на выходе Э4 пропорциональна математическому ожиданию произведения входных напряжений:

P= +0,5 . (1)

Для того, чтобы соотношение (1) можно было применить в корреляционном анализе, нужно обеспечить сдвиг между моментами времени перемножаемых напряжений U₁(t) и U₂(t + _i) и накапливать выходные сигналы "1" элемента 4 в счетчиках 5₁. . . 5_L, соответствующих сдвигам _i, i = 1, L. Сдвиги и накопление обеспечиваются тем, что из УУ 11 поступает периодическая последовательность синхроимпульсов, в которой первый импульс в каждом периоде заносит очередной логический сигнал с выхода СС 2 в триггер 3 и синхронизирует счетчик 5₁ (накопление сигналов "1" для сдвига ₁= 0), а остальные L-1 импульсов, сдвинутые на время _i, , i = 2, L, синхронизируют соответствующие счетчики 5₂. . . 5_L. Фаза накопления содержит S периодов и длится S(_L + +T_o) cекунд. Для повышения точности следует величину S выбирать как можно больше ( 10⁴), так как погрешность перемножения, обусловленная конечностью S, уменьшается при возрастании S (максимальное среднеквадратическое значение погрешности составляет, например, 0,33% при S = = 225000.

После окончания фазы накопления измерительных данных на выходах счетчиков 5₁. . . 5_L формируются кодовые комбинации чисел n_i= S +0,5 , которые соответствуют значениям измеряемой авто- или взаимно корреляционной функции К(_i) с коэффициентом пропорциональности S/2U_m² и со смещением на половину диапазона измерения (на величину S/2).

Через N = SD тактов генератора 10 устройство УУ 11 переходит к фазе отображения измерительных данных: сигнал управления блоком 4 принимает состояние "0", после чего на выходе Э4 устанавливается сигнал "0" и счетчики 5₁. . . 5_L не смогут изменить свое состояние, а потенциальный сигнал управления блоком 6 принимает состояние "1", после чего кодовые комбинации с выходов счетчиков 5₁. . . 5_L коммутируются на цифровые выходы системы (в линию связи, в ЭВМ и т. п. ) и через ЦАП 7 - в устройство отображения измерительной информации 8, где измеренная функция К* ( ) регистрируется или индицируется.

Благодаря рациональному выбору величин _i, i = 1, L, в предложенной системе можно сравнительно небольшим числом L перекрыть значительный диапазон изменения аргумента корреляционного анализа. Выигрыш в сложности реализации (в сравнении с прототипом) можно оценить величиной коэффициента сжатия по отсчетам при адаптивной временной дискретизации, которая может составить в зависимости от вида К() 3-5 и более крат.

Заметим также, что предложенное устройство позволяет до 5-10 МГц расширить полосу частот информационных сигналов, в то время как в прототипе имеются множительные элементы, которые (при высокой точности) имеют полосу частот до 1 МГц.

(56) Мирский Г. Я. Радиоэлектронные измерения, М. : Энергия, 1975, с. 452.

Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. М. : Энергия, 1974, с. 189.