анализатор случайных процессов

Формула изобретения

АНАЛИЗАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащий генератор импульсов, усреднитель, блок вычитания, дискриминатор знака, формирователь модуля, блок сравнения, два элемента И, два коммутатора, регистр сдвига и блок счетчиков, первая и вторая группы счетных входов которого соединены с выходами соответственно первого и второго коммутаторов, управляющие входы которых подключены к выходам, соответственно первого и второго элементов И, первый входы которых соединены с одноименными выходами дискриминатора знака, вход задания среднего интервала анализатора соединен с входом усреднителя, выход которого подключен к входу уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом дискриминатора знака и информационным входом формирователя модуля, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, выход "Больше" которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа и расширения частотного и амплитудного диапазонов исследуемых процессов, в него введены измеритель среднего размаха, состоящий из блоков определения максимальных и минимальных значений, двух интеграторов, аналого-цифрового преобразователя, блока умножения, двух ключей и блока вычитания, управляемый усилитель, состоящий из усилителей, ключей, компаратора и дешифратора, дифференциатор, формирователь импульсов, три элемента И, три счетчика, делитель частоты, одновибратор, блок умножения и блок индикации, причем информационный вход анализатора соединен с первым информационным входом первого ключа и входом первого усилителя, выход i-го усилителя (где i = , n - масштаб кривой плотности распределения) подключен к входу (i + 1)-го усилителя и через схему монтажного ИЛИ - к первому информационному входу (i + 1)-го ключа, выходы n-го усилителя и n-го ключа через схему монтажного ИЛИ соединены с первыми входами блоков определения максимальных и минимальных значений, с первым входом усреднителя, входом вычитаемого блока вычитания и входами дифференциатора и компаратора, выход которого подключен к вторым входам блоков определения максимальных и минимальных значений, второму входу усреднителя, входам сброса первого и второго счетчиков и информационному входу дешифратора управляемого усилителя, выходы которого соединены с управляющими входами ключей, вторые информационные входы которых подключены к установочным входам ключей измерителя среднего размаха, к установочным входам первого и второго счетчиков, дешифратора управляемого усилителя, блока счетчиков и прямому выходу одновибратора, вход которого подключен к инверсному выходу третьего счетчика, прямой выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого подключен к тактовому входу регистра сдвига, выход которого соединен с информационными входами коммутаторов и первым входом блока умножения, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, выход "Меньше" которого соединен с вторым входом третьего элемента И, третий вход которого подключен к первому выходу делителя частоты, второй выход которого соединен с установочными входами регистра сдвига, формирователя модуля и со счетным входом третьего счетчика, выход дифференциатора подключен к входу формирователя импульсов, первый выход которого соединен со счетным входом второго счетчика и первым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выход которого соединен с входом делителя частоты, тактовый вход которого соединен с входом делителя частоты, тактовый вход которого подключен к выходу генератора импульсов и второму входу четвертого элемента И, третий вход которого соединен с первым выходом второго счетчика и первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к второму выходу формирователя импульсов, а выход соединен с третьими входами блоков определения максимальных и минимальных значений и усреднителя, инверсный выход второго счетчика подключен к третьему входу четвертого элемента И, выход блока определения максимальных значений соединен с информационным входом первого ключа измерителя среднего размаха и с входом первого интегратора, выход которого и выход первого ключа измерителя среднего размаха через схему монтажного ИЛИ подключены к входу уменьшаемого блока вычитания измерителя среднего размаха, выход блока определения минимальных значений подключен к информационному входу второго ключа и входу второго интегратора измерителя среднего размаха, выходы второго ключа измерителя среднего размаха и второго интегратора через схему монтажного ИЛИ соединены с входом вычитаемого блока вычитания измерителя среднего размаха, выход которого соединен с входом блока умножения измерителя среднего размаха и информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом величины дифференциального коридора блока индикации, вход значения интервала между экстремумами которого соединен с выходом первого счетчика, выход блока умножения измерителя среднего размаха соединен с вторым входом блока умножения, выход усреднителя и выход блока счетчиков подключены к входам среднего значения и значения плотности распределителя амплитуд блока индикации, инверсный выход одновибратора соединен с установочным входом третьего счетчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерениям вероятностных характеристик случайных процессов и может быть использовано для экспериментального определения законов распределения амплитуд в условиях недостатка априорной информации о процессе, например, в системах радиолокации и связи, в метеорологии, ядерной физике, медицине.

Целью изобретения является повышение точности анализа и расширение частотного и амплитудного диапазонов исследуемых процессов.

На фиг. 1 представлена ффункциональная схема анализатора случайных процессов; на фиг. 2а-ж приведены диаграммы последовательной обработки сигнала.

Анализатор случайных процессов содержит усреднитель 1, блок 2 вычитания, формирователь 3 модуля, измеритель 4 среднего размаха, блок 5 умножения, управляемый усилитель 6, дифференциатор 7, формирователь 8 импульсов, блок 9 сравнения, первый 22, второй 10 и третий 25 счетчики, первый 11, второй 12, третий 20, четвертый 16 и пятый 21 элементы И, дискриминатор 13 знака, генератор 14 импульсов, регистр 15 сдвига, первый 17 и второй 18 коммутаторы, блок 19 счетчиков, делитель 23 частоты, блок 24 индикации и одновибратор 26.

Измеритель 4 среднего размаха состоит из блоков определения максимальных 27 и минимальных 28 значений, двух интеграторов 29, 30, АЦП31, блока 32 умножения, двух ключей 33, 34 и блока 35 вычитания. Усилитель 6 состоит из декадных усилителей 36.1-36. n, ключей 37.1-37. n, компаратора 38 и дешифратора 39.

Процедура вычисления плотности распределения амплитуд случайного процесса X(t) в анализаторе распадается на два этапа: этап обучения (адаптации) и этап измерения функции распределения W(x). Отличительной особенностью данного адаптивного анализатора является то, что в нем на этапе обучения предусмотрена одновременная адаптация не только к амплитудным, но и к частотным свойствам случайного процесса. Это позволяет в условиях полной априорной неопределенности рационально и автоматически выбирать как интервал временной дискретизации процесса, так и шаг квантования по уровню, а также продолжительность самих этапов обучения и измерения, обеспечивая заданные допустимые аппаратурные и статистические погрешности анализатора.

В отсутствие априорных сведений о ширине энергетического спектра процесса в анализаторе [1] невозможно оптимально установить длительность этапа обучения. В результате для медленных (узкополосных) случайных процессов продолжительность обучения Т_о может оказаться слишком малой и полученная информация об ожидаемом амплитудном диапазоне сигнала недостоверна из-за недостаточного объема статистических данных. Это влечет за собой недопустимо большие погрешности анализатора на последующем этапе измерения функции распределения амплитуд процесса. Напротив, для быстрых (широкополосных) процессов выбранная продолжительность обучения Т_о и измерения Т_и оказывается завышенной, что вызывает нерациональные затраты времени при измерениях функций распределения мгновенных значений.

Частоту дискретизации сигнала f_д в отсутствие априорных сведений о ширине энергетического спектра процесса также не удается выбрать оптимальным образом. К примеру, в анализаторе [1] частота f_д= const и не адаптируется к частотным свойствам случайного процесса. Для узкополосных процессов соседние отсчеты сигнала получаются при этом сильно коррелированными (зависимыми) и не несут существенно новой информации о процессе, т. е. являются избыточными. Избыточность количества выборок, как отмечается в [2] , только усложняет аппаратуру и не дает заметного выигрыша в точности измерений.

С другой стороны, для широкополосных процессов частота дискретизации f_д может оказаться недостаточной и в интервале между соседними отсчетами будет пропущена существенная информация о процессе, для восполнения которой требуется увеличить количество выборок и общее время измерений сверх оптимального значения.

В ряде работ, в частности [2] , обосновывается целесообразность измерения функции распределения амплитуд процесса при помощи некоррелированных (или слабокоррелированных) выборок сигнала, что достигается установкой интервала дискретизации из условий Т_д= (1/f_д) _к, где _к - интервал временной корреляции исследуемого процесса. Поскольку величина _к обратно пропорциональна ширине F_ээнергетического спектра процесса _к= 1/4 F_э, оптимальная частота дискретизации должна быть выбрана прямо пропорциональной ширине полосы частот процесса F_э.

Таким образом, необходима адаптация частоты дискретизации процесса к его частотным свойствам с целью уменьшения аппаратурной избыточности анализатора и повышения точности измерений в широком частотном диапазоне исследуемых сигналов.

В данном анализаторе время обучения, измерения и интервал между выборками в процессе измерений автоматически устанавливаются обратно пропорциональными эффективной ширине полосы частот процесса и измерения заканчиваются в момент накопления заданного объема статистических данных о процессе. За время обучения Т_о, составляющее постоянную и небольшую часть общего времени измерений Т_и(Т_о<<Т), в анализаторе происходит одновременная параллельная оценка как амплитудных, так и частотных свойств случайного процесса с использованием полученной информации в дальнейших измерениях плотности распределения амплитуд сигнала.

Рассмотрим процессы, происходящие в анализаторе соответственно при оценке частотных и амплитудных свойств сигнала на этапе адаптации. На рис. 2а изображена реализация случайного процесса Х(t) в течение времени адаптации Т_а. Как известно, ширина энергетического спектра процесса может быть выражена через интенсивность ₁(Х_о/ ) (среднее число) его выбросов над заданным нормированным уровнем анализа Х_о/ , где - стандартное отклонение процесса.

Например, для широкополосного стационарного нормального случайного процесса с нулевым средним и гауссовым энергетическим спектром полоса частот F_э связана с интенсивностью выбросов над нулевым уровнем ₁(0) соотношением

F_э= , а для нормального процесса с равномерным спектром - в полосе частот F_э, при тех же условиях

F_э= ₁(0).

Однако закон распределения реального процесса априорно неизвестен и подлежит аппаратурному определению. Неизвестно также, содержится или нет в составе процесса постоянная составляющая, какова ее величина, каково значение дисперсии сигнала ². Поэтому в общем случае подсчет за время адаптации количества выбросов процесса над нулевым или каким-либо другим уровнем с целью исследования частотных свойств представляется нерациональным.

В данном анализаторе за время адаптации измеряются средние параметры экстремумов случайных процессов, а именно средний интервал между соседними экстремумами, средний полуразмах сигнала, т. е. средняя полуразность между максимумами и минимумами, а также среднее значение (постоянная составляющая) сигнала путем определения средней полусуммы максимальных и минимальных отсчетов.

Для нахождения моментов времени, соответствующих экстремумам процесса, он подвергается операции дифференцирования в дифференциаторе 7, выполненном на основе операционного усилителя. Реализация первой производной процесса представлена на фиг. 2б, нули производной соответствуют моментам прохождения экстремумов сигнала Х(t). Положительные значения производной эквивалентны изменению сигнала от минимума до максимума, отрицательные - от максимума до минимума.

Формирование из напряжения первой производной последовательности импульсов стандартной амплитуды (фиг. 2в) в формирователе 8 импульсов, представляющем собой компаратор напряжения нулевого уровня, позволяет надежно фиксировать моменты экстремумов сигнала Х(t), соответствующие фронтам импульсов, независимо от уровня его первой производной. Продолжительность каждого импульса последовательности (фиг. 2в) определяет интервал между соседним минимумом и максимумом процесса, продолжительность паузы задает интервал между максимумом и минимумом.

Дифференцирование последовательности (фиг. 2в) позволяет получить после формирования на втором выходе формирователя 8 импульсов двуполярную последовательность коротких импульсов (фиг. 2г) стандартной амплитуды и длительности t_и. При этом положительным импульсам последовательности соответствуют моменты прохождения сигнала Х(t) через минимумы, а отрицательным - через максимумы.

Как известно, интенсивность экстремумов _э случайного процесса пропорциональна ширине его энергетического спектра, причем благодаря симметрии производной процесса интенсивности его максимумов и минимумов получаются одинаковыми. Измеряя за время адаптации Т_а средние характеристики экстремумов, можно в условиях полной априорной неопределенности частотных и амплитудных свойств сигнала оптимально подобрать параметры анализатора в режиме измерения плотности распределения амплитуд процесса.

Среднее число максимумов Х_э нормального центрированного случайного процесса в единицу времени больше среднего числа его положительных выбросов X ₁(0) над нулевым уровнем в K = / раз, где R( ) - автокорреляционная функция процесса; R⁽⁴⁾(0) - ее четвертая производная при = 0; ₁²= -R⁽²⁾(0) - средний квадрат частоты; R⁽²⁾(0) - вторая производная R( ) при = 0.

Для нормального процесса с гауссовым энергетическим спектром

K= , _э= ₁(0)= F 1,382F_э, а для нормального процесса с равномерным энергетическим спектром в полосе частот

F_эK= 3/, _э= F 0,775F_э . Средний интервал между соседними экстремумами (максимумом и минимумом) процесса составляет

_cp= = = = = C_к, т. е. прямо пропорционален интервалу временной корреляции случайного процесса _к. Коэффициент пропорциональности С зависит от формы энергетического спектра процесса, закона распределения его мгновенных значений и составляет порядка нескольких единиц. Так, для гауссова спектра нормального процесса С 1,45, а для равномерного спектра С 2,58.

В любом случае выборки значений случайного процесса X(t) с интервалом _ср можно считать практически некоррелированными (слабокоррелированными), а средний интервал между соседними экстремумами целесообразно принять за интервал временной дискретизации процесса, т. е. установить после завершения адаптации Т_д= _ср.

Поскольку величина Т_д априорно неизвестна, в процессе адаптации ее предстоит определить с заданной точностью с помощью генератора 14 импульсов с периодом следования Т_г < _ср.мин, где _ср.мин - минимальный средний интервал между экстремумами случайного процесса с максимально возможной шириной энергетического спектра F_{э. макс}. , который предполагается исследовать в данном анализаторе. Импульсы с выхода генератора 14 с периодом Т_г модулируют импульсную последовательность (фиг. 2в) и подсчитываются первым счетчиком 22 с целью определения среднего интервала _ср в течение времени адаптации Т_а, задаваемого емкостью второго счетчика 10, подсчитывающего число экстремумов процесса. При накоплении заданного количества экстремумов N адаптация автоматически завершается, причем при N>>1 время адаптации получается равным ,

T_aN_cp= NC_к= = , т. е. время обучения в анализаторе автоматически устанавливается обратно пропорциональным ширине энергетического спектра F_э исследуемого процесса.

Благодаря такому построению анализатора в отсутствие априорной информации о частотных свойствах процесса удается обеспечить постоянство объема статистики, а следовательно, и постоянную, наперед заданную статистическую погрешность измерений на этапе адаптации во всем частотном диапазоне исследуемых процессов.

Первый счетчик 22 оценивает средний интервал _ср между экстремумами путем подсчета за время Т_а количества импульсов с периодом Т_г, укладывающихся в N/2 импульсах _i последовательности (фиг. 2в):

n = = _cp= = n_cp.

Если реализовать счетчик 22 в виде последовательного соединения счетчика импульсов емкостью N/2 и второго счетчика импульсов емкостью n_{ср. макс}= _ср. _макс/Т_г, то во втором счетчике к моменту окончания адаптации оказывается зафиксированным случайный код n_ср= _ср/Т_г, несущий информацию о среднем интервале между экстремумами данного случайного процесса.

С целью установки интервала временной дискретизации Т_д= _ср= n_срТ_гнеобходимо поделить частоту генератора 14 импульсов в случайное число (n_ср) раз. В качестве такого делителя используется управляемый делитель 23 частоты, коэффициент деления которого задается кодом n_ср, записанным в счетчике 22 по окончании адаптации измерителя к частотным свойствам процесса.

На этапе измерений плотности распределения амплитуд в анализаторе используется частота временной дискретизации f_н=f_г/n_ср, где f_г - частота генератора 14 импульсов. Интервал дискретизации Т_д= 1/f_н= n_ср Т_г= _сравтоматически устанавливается равным среднему интервалу между экстремумами данного случайного процесса.

С целью автоматического прекращения измерений плотности распределения амплитуд в момент накопления заданного объема статистической информации о случайном процессе в анализаторе предусмотрен третий счетчик 25 числа выборок емкостью Е, задающий время измерений

T_и= E_cp= EC_к= = , обратно пропорциональное полосе частот процесса. Поскольку время адаптации Т_а= N _ср, соотношение между Т_а и Т_и автоматически устанавливается постоянным и равным величине (N/Е)<<, 1. При этом общее время анализа процесса Т_общ= Т_а+Т_и= Т_и(1+N/E) Т_и незначительно превышает время измерений и затраты времени на адаптацию в анализаторе относительно невелики.

Выбор емкости N второго счетчика 10 экстремумов и емкости Е третьего счетчика 25 числа выборок осуществляется из компромиссных соображений. С одной стороны, необходимо увеличивать значения N и Е с целью снижения статистической погрешности анализатора при адаптации _a l/ и измерениях плотности амплитуд _и , где l - число каналов анализатора. С другой стороны, увеличение N и Е влечет за собой рост времени адаптации и измерений, что крайне нежелательно. Компромисс достигается при выборе Е (10⁴-10⁵), N= (10²-10³). В предлагаемом варианте анализатора принято N= 10³, Е= 10⁴, l= 16, что обеспечивает статистическую погрешность при адаптации и измерениях порядка единиц процента, а Т_а= 0,1Т_и.

Максимальная продолжительность измерений в анализаторе определяется минимальной шириной полосы частот F_э.мин низкочастотных широкополосных случайных процессов. Так, при выборе F_э.мин= 100 Гц общее время наблюдений составит Т_{общ.макс}= 1,1 Е _{ср.макс}. = 1,1. 10⁴ С/4 F_э.мин. Для нормального процесса с гауссовым спектром С 1,45; Т_{общ.макс} 40 с, а для процесса с равномерным спектром С 2,58; Т_{общ.макс.} 71с.

Максимальная ширина полосы частот исследуемых в анализаторе процессов F_э.макс зависит от числа каналов l и от быстродействия блока 5 умножения, представляющего собой перемножающий ЦАП. Блок 5 умножения должен совершать l преобразований код-аналог за время _ср.мин.= (С/4F_э.макс) среднего интервала между экстремумами наиболее широкополосного процесса с полосой частот F_э.макс. Расчеты показывают, что при быстродействии ЦАП порядка (0,5-1)10⁶ преобразований в секунду l= 16, F_э.макс составляет десятки килогерц.

Таким образом, частотный диапазон анализатора получается достаточно широким, от десятков герц до десятков килогерц.

Амплитудный диапазон исследуемых сигналов получается в анализаторе весьма широким благодаря адаптации измерителя к амплитудным характеристикам сигнала. В течение времени адаптации Т_а одновременно с частотными совершается оценка и амплитудных характеристик случайного процесса на основе измерения среднего полуразмаха сигнала и его среднего значения (постоянной составляющей).

С этой целью в соответствии с фиг. 2а, г в анализаторе осуществляется выборка экстремальных значений процесса Х(t), причем выборки максимальных и минимальных значений сигнала производятся порознь в моменты времени, задаваемые отрицательными и положительными импульсами последовательности ( фиг. 2 г). Выборки максимальных значений в количестве N/2, продолжительностью t_и каждая, накапливаются в первом интеграторе, а выборки минимальных значений - во втором интеграторе в составе измерителя 4 среднего размаха. К моменту завершения адаптации выходное напряжение первого интегратора пропорционально среднему максимуму сигнала, а уровень на выходе второго интегратора оказывается пропорциональным среднему минимуму процесса Х(t).

= X_макс(t)dt X_imax= =

= = ;

= n_cp

Аналогично можно записать

= n_cp .

Как следует из приведенных выражений, выходные напряжения интеграторов в составе измерителя 4 среднего размаха после завершения адаптации должны быть умножены на код n_ср, записанный к этому моменту в первом счетчике 22 среднего интервала. Поскольку Т_г/t_n= const, после операции умножения и на n_ср в блоке умножения измерителя 4 среднего размаха можно молучить напряжения, пропорциональные среднему максимуму и среднему минимуму процесса Х(t). В измеритель 4 среднего размаха введен блок вычитания, на входы которого поступают напряжения и , а на выходе формируется напряжение, пропорциональное средней полуразности экстремальных выборок процесса Х(t). Это напряжение поступает на аналоговый вход блока умножения на основе перемножающего ЦАП в составе измерителя 4 среднего размаха, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное произведению опорного уровня - на код n_ср, характеризующее собой средний полуразмах сигнала П= .

Усреднитель 1, конструктивно объединенный с измерителем 4 среднего размаха в единый блок, позволяет получить на своем выходе напряжение = , пропорциональное средней полусумме экстремальных выборок и служащее оценкой среднего значения случайного процесса.

Вычитание из текущих значений процесса Х(t) среднего в блоке 2 вычитания позволяет получить на его выходе центрированный процесс (фиг. 2д), его выпрямление в формирователе 3 модуля (фиг. 2е) дает возможность примерно вдвое уменьшить размах сигнала и сократить ширину дифференциального коридора Х без увеличения числа каналов анализатора l аналогично тому, как это сделано в прототипе [1] .

Информация о среднем полуразмахе процесса Х(t) позволяет после адаптации оптимально выбрать в анализаторе ширину дифференциального коридора Х, исходя из соотношения

X = , где П = - средний полуразмах процесса Х(t).

Поскольку средний полуразмах сигнала соизмерим со среднеквадратическим значением процесса (для нормального процесса П = 1,25), целесообразно принять параметр = 2-3. Увеличение >3 ведет к росту аппаратурной погрешности из-за смещения оценки плотности распределения амплитуд вследствие неоправданного расширения дифференциального коридора Х. Снижение <2 также может вызвать аппаратурные погрешности из-за усечения "хвостов" измеряемой плотности распределения амплитуд.

В анализаторе удается заметно расширить по сравнению с прототипом динамический амплитудный диапазон исследуемых процессов благодаря применению на входе устройства управляемого усилителя 6 с автоматически переключаемыми декадами. Поиск нужного количества декад осуществляется с момента начала адаптации в следщующей последовательности. Сначала все электронные ключи 37.1-37. n в составе управляемого усилителя 6 разомкнуты и коэффициент его усиления по напряжению максимален К_макс= 10ⁿ. Усиленный случайный сигнал с выхода n-й декады поступает на первые входы сдвоенного компаратора 38 в составе управляемого усилителя 6. На вторые входы компаратора подаются опорные уровни соответственно +U_оп и -U_оп, задающие границы допустимой области изменения усиленного случайного процесса Х(t), в пределах которой сигнал еще не подвергается нелинейным ограничениям. При первом выходе мгновенного значения сигнала за пределы данных границ на выходе компаратора 38 появляется импульс, поступающий на счетный вход счетчика-дешифратора 39 на n состояний, предварительно установленного в ноль. На первом выходе дешифратора 39 возникает импульс, поступающий на управляющий вход первого электронного ключа 37.1, который замыкается, выводя из состава управляемого усилителя 6 первую декаду и снижая его усиления до К₁= 10^n-1. Ослабленный в 10 раз сигнал на выходе управляемого усилителя 6 вновь сравнивается с опорными уровнями в компараторе, и в случае повторного выхода за пределы границ ( U_оп) замыкается второй электронный ключ, усиление снижается до величины К₂= 10^n-2 и т. д.

Отметим при этом, что целесообразно выводить декады из состава управляемого усилителя 6, ведя их счет с выхода усилителя к входу, т. е. сначала последнюю, затем предпоследнюю и т. д. , поскольку перегрузка и замедленное восстановление усиления декады из-за насыщения операционного усилителя в ее составе особенно заметно сказываются на оконечных декадах, которые должны быть введены в первую очередь с тем, чтобы не снижать быстродействия управляемого усилителя 6.

При каждом очередном срабатывании компаратора 38 напряжения в составе управляемого усилителя 6 сбрасываются в ноль первый 22 и второй 10 счетчики, усреднитель 1 и измеритель 4 среднего размаха, благодаря чему адаптация анализатора прерывается и начинается заново при каждом очередном коэффициенте усиления К_i= 10^n-i управляемого усилителя 6. Это позволяет избежать накопления ошибок адаптации из-за перегрузок управляемого усилителя 6, которые прекращаются только после нахождения оптимального количества декад в его составе.

Оптимальным следует считать такой коэффициент усиления К_iopt= 10^n-i, при котором размах усиленного сигнала не выходит за пределы установленных границ U_оп в течение всего времени Т_а, отведенного на адаптацию анализатора к амплитудным и частотным свойствам исследуемого случайного процесса Х(t), т. е. вплоть до заполнения емкости N счетчика 10 экстремумов. При N>>1 можно гарантировать с погрешностью _a 1/, что в процессе дальнейших измерений в течение времени Т_и накопления (Е) выборок процесса усиленный в К_iopt= 10^n-i раз сигнал Х(t) не подвергается искажениям из-за ограничения в управляемом усилителе 6.

Благодаря автоматическому поиску оптимального коэффициента усиления допустимый динамический диапазон исследуемых в анализаторе случайных процессов увеличивается до 10ⁿ раз, тогда как на выходе управляемого усилителя 6 динамический диапазон изменения уровня сигнала не превышает 10 раз (например, от 1 до 10В).

Время поиска оптимального коэффициента усиления относительно невелико и в худшем случае не превышает время, отведенное на адаптацию, Т_а. Это происходит потому, что при резких перегрузках управляемого усилителя 6 на первых этапах поиска К_iopt переключения i-1 декад происходят достаточно быстро. Замедление этого процесса может наступить только при переключении последней i-й декады. В худшем случае при попадании мгновенных значений усиленного сигнала в пограничную область около +U_оп или -U_оп выход за ее пределы может состояться перед самым окончанием времени адаптации Т_а. При этом принято решение об исключении последней i-й декады, адаптация начинается заново и уже в последний раз, а общее время на обучение вместе с поиском оптимального коэффициента усиления в этом худшем варианте составляет примерно двойное время адаптации.

Сокращение динамического диапазона случайного сигнала на выходе управляемого усилителя 6 до 10 раз при большом динамическом диапазоне (10ⁿ) входного процесса Х(t) позволяет резко понизить требования и упростить схемы таких ответственных блоков анализатора, как усреднитель 1, блок 2 вычитания, формирователь 3 модуля, измеритель 4 среднего размаха, дифференциатор 7, блок 9 сравнения, дискриминатор 13 знака. Сокращение динамического диапазона уровней сигнала на выходе управляемого усилителя 6 примерно в 10^n-1 раз способствует снижению аппаратурных погрешностей анализатора.

Рассмотрим процессы, происходящие в анализаторе в режиме измерения плотности распределения амплитуд случайного процесса Х(t) при начальных условиях, сформированных на этапе адаптации. К началу измерений установлен автоматически оптимальный коэффициент усиления по напряжению К_iopt= 10^n-i управляемого усилителя 6, автоматически выбран оптимальный интервал временной дискретизации сигнала Т_д= _ср, найдено среднее значение сигнала, осуществлено центрирование случайного процесса, автоматически установлен оптимальный дифференциальный коридор Х (шаг квантования по уровню), прямо пропорциональный среднему полуразмаху сигнала на выходе управляемого усилителя 6. Кроме того, подготовлены условия для автоматического прекращения измерений по истечении времени Т_и, которому соответствует заполнение третьего счетчика 25 числа выборок емкостью Е, следующих с интервалом Т_д= _ср, равным среднему промежутку времени между двумя экстремумами случайного процесса.

Усиленный и центрированный случайный сигнал (фиг. 2д) с выхода блока 2 вычитания поступает на формирователь 3 модуля, где происходит двухполупериодное выпрямление случайного процесса (фиг. 2е). Одновременно в формирователе 3 модуля совершается квантование сигнала по времени (дискретизация) с интервалом Т_д. = _ср. Отсчеты выпрямленного сигнала поступают на первый вход блока 9 сравнения, представляющего собой компаратор напряжения. На второй вход блока 9 сравнения подается линейно нарастающее ступенчатое напряжение с выхода блока 5 умножения, представляющего собой перемножающий ЦАП (фиг. 2ж). Продолжительность каждой "ступеньки" t= Т_д/l задается импульсной последовательностью частоты f= f_н . l, снимаемой с первого выхода управляемого делителя 23 частоты в течение времени измерений Т_и через открытый третий элемент И 20.

Количество "ступенек" l выбирается равным числу каналов многоканального анализатора. Управление блоком 5 умножения осуществляется с помощью регистра 15 сдвига на l состояний, продвигаемого с частотой f= f_н . l и сбрасываемого в ноль с частотой f_н. Поскольку интервал между выборками сигнала с выхода формирователя 3 модуля составляет Т_д= 1/f_н, за время, прошедшее между двумя соседними выборками, регистр 15 сдвига может успеть пройти через все l состояний.

Амплитуда ступенчатого пилообразного напряжения (фиг. 2ж) задается опорным уровнем, поступающим с выхода измерителя 4 среднего размаха на опорный вход блока 5 умножения, и составляет U = П = (2-3) . В момент достижения равенства модуля центрированного отсчета сигнала (фиг. 2е) и уровня К-й "ступеньки" (0 К l) с выхода блока 5 умножения блок 9 сравнения срабатывает и уровнем логического "0" со своего инверсного выхода закрывает по второму входу третий элемент И 20, чем препятствует дальнейшему продвижению регистра 15 сдвига, код с выхода которого открывает К-е входы первого 17 и второго 18 коммутаторов. Одновременно импульс с прямого выхода блока 9 сравнения проходит на объединенные вторые входы первого 11 и второго 12 элементов И. В зависимости от полярности мгновенного отсчета сигнала Х(t) на первом выходе дискриминатора 13 знака (при отрицательном отсчете) или на втором его выходе (при положительном отсчете) появляется высокий уровень напряжения, открывающий по первому входу первый 11 или второй 12 элементы И. На выходе открытого элемента И возникает импульс, проходящий через К-й открытый вход первого 17 или второго 18 коммутатора в соответствующий К-й (или -К-й счетчик блока 19 счетчиков.

На этом цикл обработки данного отсчета сигнала Х(t) завершается и схема анализатора принудительно удерживается в неизменном состоянии вплоть до появления очередного импульса частоты дискретизации f_н с второго выхода управляемого делителя 23 частоты. В этот момент третий счетчик 25 числа выборок увеличивает свои показания на единицу, регистр 15 сдвига сбрасывается в ноль, блок 9 сравнения опрокидывается и высоким уровнем напряжения на своем инверсном выходе открывает по второму входу третий элемент И 20. По четвертому входу третий элемент И открыт сразу после завершения адаптации высоким уровнем с инверсного выхода второго счетчика 10 экстремумов, а по первому входу - высоким уровнем с инверсного выхода третьего счетчика 25 числа выборок вплоть до заполнения его емкости Е и завершения времени измерений.

Через открытый третий элемент И 20 начинают проходить импульсы частотой f= f_н. l на регистр 15 сдвига и на выходе блока 5 умножения вновь появляется нарастающее ступенчатое напряжение. Так продолжается вплоть до очередного достижения равенства модуля центрированного отсчета сигнала и уровня j-й "ступеньки", после чего импульс с выхода блока 9 сравнения через j-й открытый канал коммутатора 17 или 18 записывается в j-й (или -j-й) счетчик блока 19 счетчиков.

Аналогично происходит обработка всех Е отсчетов сигнала, за исключением тех немногочисленных случаев, когда отсчет модуля сигнала превышает размах ступенчатого пилообразного напряжения U= П на выходе блока 5 умножения. При этом срабатывания блока 9 сравнения не происходит и ни в один из счетчиков блока 19 информация не записывается. Такой режим работы анализатора характеризуется "усечением хвостов" плотности W(X) распределения амплитуд случайного процесса. Количество таких "усеченных" отсчетов при правильном выборе U= П не должно превышать единиц процента от емкости Е третьего счетчика 25 числа выборок и может быть определено по разности между емкостью Е и суммарными показаниями блока 19 счетчиков по окончании измерений. Если количество "усечений" относительно велико, необходимо увеличить размах пилообразного напряжения U= П на выходе блока 5 умножения за счет некоторого увеличения параметра = 2-3 путем соответствующей настройки усилителя-вычитателя в составе измерителя 4 среднего размаха. При этом пропорционально возрастает ширина дифференциального коридора Х= П/l и относительное количество "усечений" сократится до допустимой величины.

В момент заполнения емкости Е третьего счетчика 25 измерения автоматически прекращаются. В этот момент срабатывает одновибратор 26, вырабатывающий на своем втором выходе одиночный импульс длительностью t_и, задающий время индикации результатов измерения плотности распределения амплитуд случайного процесса. На все время индикации третий счетчик 25 числа выборок удерживается в нуле и препятствует по первому входу третьего элемента И 20 дальнейшему накоплению информации в блоке 19 счетчиков.

В течение времени t_и в блоке 24 индикации визуально фиксируются все результаты измерений. По первому входу блока 24 индикации поступает с цифрового выхода усреднителя 1 код среднего значения сигнала , усиленного в управляемом усилителе 6. По второму входу блока 24 индикации поступает код числа декад n-i, определяющий коэффициент усиления К= 10^n-i управляемого усилителя 6 и масштаб полученной кривой плотности распределения амплитуд W(X) по оси абсцисс. На третий вход блока 24 индикации подается код ширины дифференциального коридора Х= П/l с цифрового выхода измерителя 4 среднего размаха, задающий шаг изменения аргумента кривой W(i X). По четвертому входу блока 24 индикации поступает код среднего интервала _ср между экстремумами случайного сигнала, дающий в анализаторе помимо измеряемой плотности распределения амплитуд W(i X) дополнительную информацию о полосе частот F_э исследуемого процесса, которая также может оказаться полезной. И, наконец, по пятому входу блока 24 индикации поступает основная информация о плотности W(i Х) распределения амплитуд случайного сигнала Х(t), снимаемая с выхода блока 19 счетчиков. Всего в составе блока 19 имеется 2l счетчиков, l для положительных отсчетов сигнала и l для отрицательных Емкость каждого из них выбрана одинаковой и равной Е в расчете на худший случай, если все отсчеты сигнала окажутся в одном i-м канале анализатора. Оценка плотности распределения амплитуд случайного процесса находится по формуле

W^*(X_cp+X_i)= ; -lil; X_i= i(X), , где h_i - показания счетчика i-го канала в составе блока 19 счетчиков;

(X)= 10^-(n-i) - ширина дифференциального коридора, приведенная к входу анализатора, с учетом того, что в составе управляемого усилителя 6 введены n-i декад усиления;

Х_ср - среднее значение сигнала с выхода усреднителя 1, приведенное к входу анализатора.

По окончании времени индикации t_и с первого выхода одновибратора 26 поступает короткий импульс, сбрасывающий в ноль дешифратор, размыкающий все ключи в составе управляемого усилителя 6 и приводящий его в исходное состояние с максимальным коэффициентом усиления К_макс= 10ⁿ. Одновременно сбрасываются в ноль первый 22 и второй 10 счетчики, а также блок 19 счетчиков. Из-за сброса в ноль первого счетчика 22 на его выходе появляется код n_ср= 0, одновременно поступающий на кодовые входы ЦАП в составе усреднителя 1 и блока умножения в составе измерителя 4 среднего размаха, которые при этом также сбрасываются в исходное состояние путем кратковременного закорачивания входящих в их состав интеграторов-усреднителей. На этом процедура измерения плотности распределения амплитуд в данном адаптивном анализаторе завершается. Если на входе анализатора продолжает действовать случайный процесс Х(t), то цикл измерений может быть повторен. При этом сразу за приведением схемы анализатора в исходное состояние автоматически начинается повторный этап адаптации, и далее все процессы повторяются аналогично вышеописанному.

Повторные измерения позволяют снизить погрешность анализа благодаря усреднению результатов по всем циклам при условии, что случайный процесс X(t) на входе анализатора остается стационарным в течение всего времени измерений.

Амплитудный анализатор случайных процессов построен на экономичных цифровых и аналоговых микросхемах КМОП-структуры, отличается малыми габаритами, весом и малым потреблением тока от двуполярного источника питания Е_п= 12 В.