книги из ГПНТБ / Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов

щее авто- и взаимокорреляционную функции. Блок-схема прибора приведена на рис. 1-8. Сигнал у (t) замещается индикаторным сиг­ налом z (t), формируемым z-генератором. Сигнал г (/) представляет собой сигнум-функцию сигнала у (t). Алгоритм определения Rxy (т) имеет вид:

где T — длительности реализаций процессов x (k) и у (/г); N — ко-

20

личество отсчетов на длительности Т\ р — параметр корреляцион­ ной функции, определяющий величину относительного временного

сдвига дискретно-временных сигналов х (к) и у (/г); t0 — момент начала отсчета реализаций.

Пусть сигналы х (к) и у (к) до поступления в арифметическое устройство коррелометра проходят обработку на амплитудных кван­ тизаторах. Тогда справедливо утверждение о том, что S -канальный

квантизатор преобразует сигналы х (к) и у (к) с несчетным множе-

о о

ством значений по амплитуде в сигналы х* (к) и у* (к), счетное мно­ жество значений которых ограничивается числом S. Поэтому мгно­

Выражение (1-22) написано в предположении равенства областей определения анализируемых сигналов и аналогичности характери­ стик амплитудных квантизаторов трактов их преобразования, что в данном случае не влияет на общность рассуждений. Полиномы вида (1-22) построены таким образом, что при фиксированных к и (.1 они редуцируют до одного члена, т. е. найдется лишь по одному

21

Выражение (1-26) является полиномом, характер полиномиаль­ ных коэффициентов которого уц(к, р) = (аіх)к (о/ѵ)/; , (і становится

совершенно очевидным из рассмотрения соотношении (1-23) и (1-24).

В выражении (1-29) под знаками сумм остались теперь слагае­ мые, принимающие, согласно (1-27) и (1-28), только два значения —

О и 1 — в зависимости от конкретных значений ординат X*

суммирования в пределах от к = 1 до к — N —р под знаком первой суммы в (1-29) накопится некоторое целое положительное число, определяющее количество случаев, когда выходные уровни кван­ тизаторов каналов X и У в моменты дискретных отсчетов одновре­ менно оказывались равными величине т^. Аналогично, под знаком второй суммы в выражении (1-29) накопится целое положительное число, определяющее количество случаев, когда в моменты дискрет­ ных отсчетов выходной уровень квантизатора канала X оказывался равным г)2, а квантизатора канала У — соответственно и т. д.

22

Нулевое значение Любой из сумм (1-29) свидетельствует об отсутст­ вии за время от k = 1 до к = N —р, соответствующей комбинации значений входных сигналов квантизатора.

Значение корреляционной функции, соответствующее аргументу

Поскольку эта сумма является функцией относительного времен­ ного сдвига случайных сигналов, то, обозначив

(1-32)

запишем окончательно алгоритм квазимультипликационного кор­ релометра в виде:

Выражение (1-33) показывает, что корреляционная функция квантованных по уровню случайных эргодических сигналов может быть определена путем подсчета количества случаев появления (за N—р дискретных отсчетов) определенной комбинации значений

сом £у/, суммирования по всем возможным комбинациям и усредне­ ния по количеству дискретных отсчетов N —р.

Как непосредственно следует из выражения (1-33), измерение функции корреляции не сопровождается операцией пропорциональ­ ного умножения, что позволяет резко упростить корреляционную аппаратуру, повысить ее надежность и быстродействие. Алгоритм, очевидно, не связан с определенными законами распределения, что позволяет использовать его для широкого круга задач статистиче­ ского анализа. Следует также заметить, что квазимультипликационный метод измерения функций корреляции предполагает переход от запоминания (в аналоговой либо цифровой форме) мгновенных значений ординат исследуемых сигналов к фиксированию (опера­ тивному либо долговременному в зависимости от конкретных задач) простейших альтернативных событий — 0 или 1. Последнее сооб­ ражение позволяет использовать несложные дискретные устройства,

23

оперирующие с двумя состояниями сигналов, для реализации чисто электронными методами относительного сдвига сигналов. Отсутст­ вие пропорциональных умножителей и возможность использования электронных узлов задержки позволяет строить многоканальные коррелометры высокого быстродействия.

Составляющая методической погрешности квазимультиплпкациоиных коррелометров, обусловленная квантованием аналоговых сигналов, может быть определена по известным методикам, разра­ ботанным для мультипликационной аппаратуры [11]. Соотношение

При измерении автокорреляционной функции квантованного процесса х (t) оценка сверху составляющей методической погреш­ ности найдется в виде:

Квазимультипликационный коррелометр с частотно-модулиро- ваниыми весовыми коэффициентами, основанный на использовании принципов, разработанных в [98], предназначен для измерения авто- и взаимных корреляционных функций инфразвуковых слу­ чайных стационарных эргодических сигналов с произвольными сим­ метричными законами распределения плотностей вероятности. Для сигналов с симметричными законами распределения количество интервалов амплитудного квантования сигналов может быть умень­ шено в два раза за счет перехода от анализа исходных форм сигна­ лов к анализу их модулей [91 ]. При этом удается без снижения точ­ ности аппаратуры сократить объем ее квантующих блоков в два раза.

Блок-схема квазимультиплнкационного коррелометра пред­ ставлена на рис. 1-9. Коррелометр состоит из следующих основных узлов: ВУД., ВУу — входные устройства каналов X и У, выполняю­ щие функции согласующих и аттенюирующих устройств; БДѴ, БД,, — блоки дискриминации каналов X и У, предназначенные

24

для амплитудного квантования входных сигналов; ЭДУЗ — элек­ тронное дискретное устройство задержки, реализующее относи­ тельный временной сдвиг между анализируемыми сигналами; БВВК — блок выборки весовых коэффициентов, выполняющий формирование частотно-модулированных импульсных последова­ тельностей; БЛУ — блок логического умножения, предназначенный для выполнения операции взвешенного логического умножения текущих ординат сигналов х {() и у (t)\ БРС — блок реверсивного счета, предназначенный для накопления и визуализации значений ординат корреляционной функции; БУ — блок управления, син­ хронизирующий работу всех узлов схемы.

Квазимультипликационный коррелометр выполнен в виде двух­ канального специализированного вычислительного устройства. Уровни анализируемых сигналов при статистических исследова­ ниях определяются областью применения аппаратуры: при использовании анализаторов в целях медицинской диагно­ стики, при лингвистических исследованиях, в сейсмологии

десятков и сотен милливольт.

Сдругой стороны, такие Рнс. 1-9. Блок-схема квазнмультипли-

печения возможности обработки сигнала с уровнем единиц и десят­ ков вольт.

Простым и широко используемым способом удовлетворения по­ добных требований к аппаратуре является применение в коррело­ метрах входных нормирующих устройств (масштабных преобразо­ вателей), позволяющих нормализовать входные сигналы и, таким образом, проектировать аппаратуру с достаточно узким динамиче­ ским диапазоном. На функциональной схеме прибора (рис. 1-10) показано, что в коррелометре в качестве нормирующих устройств используются УПТ, построенные по принципу М—ДМ. Изменение коэффициента усиления УПТ осуществляется реостатными делите­ лями, через которые сигнал поступает на вход усилителя. Необ­ ходимая величина уровня контролируется с помощью светолуче­ вого индикатора, расположенного на лицевой панели прибора.

Выходные напряжения УПТ поступают в блок реле времени (БРВ), осуществляющий управляемый выбор интервалов интегри­ рования анализируемых случайных сигналов. Управление осущест­ вляется блоком установки временных интервалов (УВИ) с помощью вынесенного на переднюю панель переключателя. БРВ осущест­ вляет подключение выходов усилителей ко входам дискриминато-

25

ров на промежуток времени, равный выбранному интервалу интег­ рирования. Команда «Начало анализа» подается вручную нажатием кнопки «Пуск». Выбор различных интервалов интегрирования про­ изводится изменением коэффициента деления частоты задающего генератора. Делитель частоты выполнен на двоичном счетчике, выходы триггеров которого подсоединены к переключателю управ­ ления интервалами. Исполнительным элементом БРВ служит элек­ тромеханическое реле.

Тракт дискриминации коррелометра выполнен на пороговых устройствах. Пороговое устройство включает в себя мультивибра­ тор на туннельном диоде, усилитель, эмиттерный повторитель и линейный детектор и триггер Т. При превышении входным сигна­ лом, уровня, на который настроено пороговое устройство, мульти­ вибратор переходит в режим автоколебаний и вырабатывает импульсы с частотой 1 мгц, которые усиливаются и через эмиттер­ ный повторитель поступают на детектор. Длительность огибающей импульсной последовательности на выходе линейного детектора определяет время пребывания сигнала выше уровня дискримина­ ции. В каждом канале блока дискриминации имеется по три поро­ говых устройства, одно из которых выделяет информацию о пребы­ вании сигнала в положительной или отрицательной области (ди­ скриминатор знака). Пороги срабатывания двух других дискрими­ наторов настроены на определенные уровни той или другой поляр­ ности.

Сигналы с выхода дискриминатора канала X поступают в блок электронного устройства задержки (ЭДУЗ). Устройство задержки представляет собой сдвигающий регистр последовательного дейст­ вия. Для каждого информативного канала существует определен­ ный регистр: первый и второй каналы хранят информацию о вре­ мени пребывания сигнала соответственно в первом и втором интер­ валах квантования по уровню, а третий — о его знаке.

Сигналы с выхода дискриминатора канала У поступают непо­ средственно в блок логического умножения (БДУ). Последний по­ строен на схемах И, которые определяют длительности одновре­ менного пребывания сигналов х ( t ) и у (t) в различных интервалах анализа, причем информация о сигнале х (t) поступает из ЭДУЗ с определенным временным сдвигом относительно у (t). Количество интервалов анализа определяется полным набором возможных со­ четаний интервалов дискриминации обоих каналов. При квантова­ нии модулей входных сигналов по двум интервалам количество воз­ можных сочетаний значений сигналов равно четырем, поэтому БЛУ содержит схемы И1—И4, охватывающие возможные сочетания ин­ тервалов дискриминации по уровню, схемы И5—И6, определяю­ щие время существования сигналов одной полярности; при несовпа­ дении знаков сигналы на выходах последних схем отсутствуют.

Принципиальная невозможность одновременного появления не­ нулевых сигналов на выходах любой пары из четырех схем совпа­ дений позволяет использовать для накопления информации одно

27

суммирующее устройство. К третьим входам схем совпадения БЛУ подключаются выходы соответствующих каналов блока выборки весовых коэффициентов. Назначением БВВК, состоящего из уси­ лителей частоты Д42—Д44 и блоков установки коэффициентов де­ ления УКД1—УКДЗ, является выработка импульсных последова­ тельностей с частотой следования импульсов, пропорциональной весовым коэффициентам интервалов анализа анализируемых слу­ чайных сигналов; эти последовательности формируются путем де­ ления в целое число раз частоты F 1 генератора ЗГ1 блока БУ.

Блок управления содержит также генератор импульсов ЗГ2 сдвига информации в регистрах ЭДУЗ. Интервалы временных за­ держек (Тпр)1па.ч’ обеспечиваемых устройством задержки, опреде­ ляются двумя факторами: частотой следования F 2 импульсов сдвига (частотой временной дискретизации входных сигналов) и номинальным количеством п триггерных ячеек в каждом канале ЭДУЗ:

больше количество ячеек в каналах ЭДУЗ. Кроме того, параметр п определяет полное количество ординат корреляционной функции, которое может быть измерено коррелометром. В приборе величина п выбрана равной 40. Необходимое значение (Л2)ті|1 Для обработки

т. е. наименьший врежмщй ЖТерв&’! ЖЖД)' СОСедниж ее Жаре­ ниями, составит:

Для вариаций шага Дт в генераторе ЗГ2 предусмотрена воз­ можность формирования сдвигающих импульсов с частотами 65 гц и 1,3 кгц. Выходной сигнал БЛУ, представляющий собой частотномодулированную последовательность импульсов, поступает на ре­ версивные счетчики PC блока счета БС. Реверсом счетчиков управ­ ляет сигнал о знаковом соотношении коррелируемых сигналов, полученный в БЛУ на схемах И5—И6. На выходе одной схемы 14 выделяется сигнал, определяющий длительность совпадения по­ ложительных, а на выходе другой — отрицательных полярностей входных сигналов. Таким образом, появление отличного от нуля потенциала на выходе схемы сборки І4ЛИ2, подключенной к выхо­ дам схем И5—И6, свидетельствует о положительной полярности

28

мгновенного произведения входных сигналов. Этот потенциал уста­ навливает режим сложения реверсивного счетчика, а интервал его отсутствия определяет длительность режима вычитания.

Коррелометр содержит 5 схем логического умножения и 5 счет­ ных узлов. Таким образом, прибором одновременно измеряется 5 точек корреляционной функции. Индикация результата осущест­ вляется световыми диодами, включенными в плечи триггеров счет­ чика.

Следует отметить, что специфической погрешностью квазимультипликационного коррелометра с частотно-модулированными ве­ совыми коэффициентами является погрешность, обусловленная не­ целочисленными значениями коэффициентов деления частоты сле­ дования импульсов каналов БВВК. Коэффициенты деления kjt рассчитываются по соотношению

где %ji — весовой коэффициент (//-го интервала анализа); (Т—тг) — интервал интегрирования.

При этом в общем случае могут получиться дробные числа, вве­ дение которых в коррелометр оказывается затруднительным. Опе­ ратору приходится округлять значения kH до ближайшего целого числа, что вызывает, очевидно, появление дополнительной погреш­ ности измерения. Запишем /г/7 в следующем виде:

где А, [k/t] — дробная часть величины kn:

0 О А [kji] < 1.

Функция Q [kji 1 определяется следующим образом:

29