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

В качестве устройств пропорционального умножения могут быть использованы также специальные электронно-лучевые трубки с оп­ ределенным образом выполненной схемой сканирования луча элек­ тронной пушки. Так, например, в [85] описано множительное уст­ ройство на ЭЛТ с гиперболическим отклоняющим полем (рис. 1-44).

Гиперболическое поле отличается от равномерного электроста­ тического тем, что его действие на электронный луч пропорцио­ нально не только величине самого поля, но и смещению луча от осевой линии ЭЛТ. В схеме на рис. 1-44 электронный луч предва­ рительно смещается в горизонтальном направлении отклоняющей системой пропорционально напряжению Ux и поступает в гипер­ болическое поле, величина которого пропорциональна значению второго сомножителя UtJ. Полное отклонение луча в горизонталь­ ной плоскости оказывается, таким образом, функцией произведе­

и анодная система V. При смещении луча относительно разреза анодной системы равенство токов, снимаемых с каждой из ее поло­ вин, нарушается, а на выходе дифференциального усилителя ДУ возникает напряжение Uz, возвращающее луч в исходное положе­ ние. В результате получаем Uz = kUxUy. По данным авторов точ­ ность такого устройства составляет 0,5%.

Погрешностями того же порядка обладают множительные уст­ ройства на ЭЛТ с наполовину затемненным экраном и фотоэлемен­ том [86], на ЭЛТ с электростатическим отклонением и дополнитель­ ной разрезанной пластиной [87 ], на ЭЛТ-квадраторе, снабженной параболической ширмой [88].

В знакосочетательных коррелометрах, оперирующих с текущей информацией о знаках сигналов, в качестве устройств умножения используются различные логические элементы вычислительной техники. Здесь на входы множительного блока поступают сигналы, прошедшие двусторонние ограничительные устройства и имеющие стандартизованную амплитуду и случайные длительности прямо­ угольных импульсов. Клиппированные сигналы (один, в общем слу­ чае, через устройство задержки) поступают на схемы совпадения (И), определяющие длительности временных интервалов, в течение ко­

80

торых знаки входных сигналов совпадают; этот вариант (рис. 1-45) предполагает наличие в множительном устройстве (МУ) прибора схемы сборки (ИЛИ), т. е. МУ выполняет операцию:

Алгоритм (1-122) положен в основу множительного устройства цифрового знакосочетательного коррелометра, описанного Г. Кор­ ном [67] предназначенного для приближенной оценки корреляцион­ ных функций гауссовых случайных сигналов.

Иногда в знакосочетательных коррелометрах определяется не только вероятность совпадения Р++ (т), но и вероятность несовпа­

дения знаков процессов Р_,_- (т), между которыми в дальнейшем

xfi-T)

вычисляется разность. Такой вариант построения арифметического узла полярного коррелометра обладает рядом преимуществ [14]: обеспечивает высокую стабильность, широкий динамический диа­ пазон по выходу и не требует дополнительных регулировок и ка­

Изменяя %в пределах 0—тіпах и используя известное соотноше­

Алгоритм (1-123) работы множительного устройства (МУ) ис­ пользован в знакосочетательном коррелометре, описанном в [90].

Блок-схема МУ приведена на рис. 1-46. Входные сиг­ налы х г (t—т) и х 2 {t) поступают в МУ непосредственно и через

инверторы НЕ. МУ включает в себя 4 схемы совпадения, две из ко­ торых играют роль клапанов, открывающихся при совпадении зна­ ков перемножаемых сигналов, а две другие — при их несовпадении. После схем сборки сигналы поступают в реверсивный счетчик PC, режимы работы которого в направлении сложения и вычитания определяются фактами поступления сигналов соответственно из схем ИЛИ2 и ИЛИ1.

После поступления К выборок реверсивный счетчик зафикси­ рует число, равное разности количества случаев совпадения и не­ совпадения знаков выборок сигналов х г (t—т) и х2 (т). Накапли­ вающий сумматор НС, включенный на выходе схемы сборки ИЛИЗ, регистрирует полное число выборок, т. е. К. Отношение результатов

накопленных PC и НС, принимается за оценку ординаты рзн (т;). Множительные устройства квазимультипликационных коррело­ метров сочетающих в себе черты знакосочетательных и мультипли­ кационных анализаторов, выполняются различными способами [90, 91, 98]. Отправной точкой при проектировании МУ квази­ мультипликационных коррелометров является тот факт, что при переходе от умножения непрерывных или дискретно-временных случайных сигналов, принимающих бесконечное множество воз­ можных значений в области определения ± Хтах к сигналам, расквантованным по уровню на S интервалов, число возможных значе­ ний мгновенных произведений анализируемых воздействий стано­ вится конечным и во всяком случае не превышает S ”. Это обстоя­ тельство удобно использовать при построении МУ, выполняя в нем лишь логические операции, аналогичные операциям МУ знакосо­ четательной аппаратуры. Назначением МУ квазимультипликацион­ ных статистических анализаторов различного назначения является только определение и подсчет количества случаев появления каж­ дой из возможных комбинаций yjh определяемой соотношением,

(1-125)

где fly, а, в свою очередь, определяются в виде:

(1-126)

Ѳ;., Ѳ/+1 и 0(, 0 ^ , в (1-126) — границы /-го и /-го интервалов кван­

тования сигналов л: (/) и у (/) соответственно. Появление комбина­ ции уц, отличной от нуля, возможно только при одновременном попадании мгновенных ординат сигнала x(t) в /-ый, а сигнала у (/)— в /-ый интервал квантования.

W

с помощью которого оценивается вклад, вносимый в вычисление корреляционного момента R [TIN] рг) мгновенным произведением сигналов, лежащих в jl •— том интервале анализа. Способ представ­ ления весового коэффициента (функции веса) определяется конкрет­ ным выполнением МУ квазимультипликационного анализатора, принятым вариантом накопления и вывода результата, а его вели­ чина находится в виде произведения выходных уровней /-го и I-го интервалов квантования:

Рис. 1-47. Множительное устройство квазимультипликационного кор­ релометра с частотно-модулнрованными весовыми коэффициентами

В многоканальном инфразвуковом квазимультипликационном коррелометре [98] входные сигналы множительных устройств пред­ ставляют собой последовательности импульсов постоянной ампли­ туды и случайной длительности. Эти последовательности поступают в МУ с выходов электронного устройства задержки (сдвигового регистра канала X) и двухканального амплитудного квантизатора (канал Y). Каждое из п множительных устройств прибора пред­ ставляет собой набор из четырех схем совпадения на три входа каж­ дая (рис. 1-47).

Входные сигналы на двух входах каждой из схем И;-; МУ корре­ лометра несут информацию о значениях модулей сигналов |Х ; | и I У/1- На третьи входы схем Ип от блока задания весовых коэффи­ циентов БЗВК поступают импульсные последовательности с часто­ тами следования импульсов Fn. При этом частоты следования Fп соотносятся между собой следующим образом:

Совпадение во времени импульсов на входах любой схемы сов­ падения вызывает ее отпирание. Импульсы с выхода Я;7 через схему сборки ИЛИ1 поступают в реверсивный счетчик PC. Режимы сло­ жения- и вычитания PC устанавливаются схемой управления режи-

.мом СУР, связанной со схемой дискриминации знакового соответст­ вия (СДЗС). СДЗС выполнена на логических элементах И, ИЛИ и НЕ. Входными сигналами СДЗС служат прямые sgnX, sgn Y

и инвертированные sgn X, sgn Y импульсные последовательности,

причем сигналы sgn X и sgn X снимаются с регистра задержки, работающего синхронно с регистром задержки ординат х г, х г. Ре­ зультирующие показания счетчика после N выборок снимаются с помощью устройства вывода результата УВР.

Блок задания весовых коэффициентов строится на основе про­ межуточного счетчика импульсов, связанного с генератором такто­ вых импульсов, матричного дешифратора и схемы сброса. Как ука­ зывалось выше, назначением БЗВК является выработка импульс­ ных последовательностей с частотами следования импульсов, про­ порциональными весовым коэффициентам £/7. Количество каналов БЗВК определяется числом возможных сочетаний интервалов квантования модулей входных сигналов 5Л. Sy == 2; число воз­ можных сочетаний jl равняется, очевидно, четырем и, следо­ вательно, БЗВК должен обеспечить формирование четырех им­ пульсных последовательностей с частотами следования импульсов, выбранными согласно (1-128).

Эти последовательности формируются путем деления частоты задающего тактового генератора /р. Коэффициенты деления Kjt

каналов БЗВК выбираются из следующих соображений. Пусть величина определяет количество актов одновременного появле­ ния сигналов на всех трех входах схемы И11 четырехканального БЗВК при условии, что частоты импульсных последовательностей fji, задающих весовые коэффициенты, одинаковы и равны /г. В этом

случае счетчик зарегистрировал бы величину Q:

2 2

(1-130)

Запишем это выражение следующим образом:

(1-131)

Смысл последнего выражения сводится к тому, что, дифферен­ цируя частоты опроса по сочетаниям /7, можно оценивать каждый

84

единичный акт одновременного попадания сигналов x (t) и у (t) в любой интервал анализа (под «интервалом анализа» // понимается ситуация, при которой имеет место одновременное пребывание сиг­ нала х (t) в /-м, а у (f) — в 1-м интервалах квантования по уровню) с одинаковым весом £22; при этом частоты опроса в каждом интер­ вале распределятся следующим образом:

%22

моментов без апостериорного усреднения результата, зафиксирован­ ного счетчиком PC. Это, конечно, справедливо при наперед задан­ ной величине временного интервала Т. Коэффициенты деления

85

частоты тактового генератора Кц могут быть подсчитаны теперь по следующему соотношению:

Таким образом, коэффициенты деления частоты БЗВК опреде­ ляются длительностью интервала интегрирования (Т—ту), частотой тактового генератора и значением весового коэффициента выбран­ ного интервала анализа.

Частота задающего (тактового) генератора БЗВК при заданном объеме счетчика А = 2” — 1 определяется из следующих сообра­ жений. Пусть квазимультипликационным коррелометром, множи­ тельный узел которого построен по функциональной схеме на рис. 1-47, обрабатывается неслучайная функция случайного аргу­ мента:

Обработка сигнала, заданного выражением (1-140) позволяет выбрать максимально допустимую (при данном объеме А) частоту генератора БЗВК, так как моды бимодального закона распределе­ ния W (X) расположены в точках максимальных значений сигнала. Иными словами, при обработке сигнала (1-140) наиболее вероят­ ными весовыми коэффициентами на входе счетчика будут £22. что приведет к наиболее быстрому заполнению его объема. Найдем ве­ роятность появления на входе счетчика всех возможных весовых коэффициентов интервалов анализа Для этого подсчитаем ве­ роятность попадания сигнала х (t) в каждый из интервалов кванто­ вания. Учитывая, что закон распределения нормированного сигнала (1-140) записывается в виде

86

Тогда вероятность появления на входе счетчика кодовой ком­

зации при обработке сигнала (1-136) будет сопровождаться дейст­

Отметим, что с учетом (1-129) действие на входе счетчика кодовой комбинации с весом | Х1 в течение 1/9 Т„ = Т г1 эквивалентно дейст­

вию кодовой комбинации с весом | 22 в течение — Т г1 соответственно, Рп

действие кодовой комбинации с весом | 12 = | 21 в течение Т 12 = = Т„ 4/9 может быть заменено действием комбинации с весом | 22

в течение — Т12. Найдем теперь эквивалентную.длительность реа- К12

лизации Тэка, полагая, что на входе счетчика непрерывно дейст­ вует кодовая комбинация с весом | 22:

Т экв = ——Рц + —— Т12+ Р22 = Ац А12

(1-144)

Выбрав т]. в виде г);. = г (Ѳ;. -j- Ѳ/+1) и положив г = 0,5 (случай униформального квантования), подсчитаем значения К ц и К ц -

Кі1 = § 2 2

1 1 1

(1-145)

к ы = І2 2

6 1 2

Подставив подсчитанные результаты в (1-144), найдем:

Последнее выражение позволяет определить частоту задающего генератора БЗВК /г в виде:

87

Рассмотрим другой вариант построения множительного устрой­ ства инфразвукового квазимультипликационного коррелометра, оценки ординат функции корреляции в котором накапливаются і?С-фильтрами нижних частот. Схема МУ коррелометра этого типа приведена на рис. 1-48.

Здесь показан вариант МУ квазимультипликационного коррело­ метра, модуль входных сигналов которого в канале X квантуется по 2, а в канале Y — по 4 интервалам. При построении схемы МУ использован тот факт, что отношение значений весовых коэффици­ ентов интервалов анализа, первые индексы номеров которых от­ личаются на единицу, а вторые одинаковы, остается неизменным для всех j и I, т. е.:

Схема МУ работает следующим образом. Импульсная последо­ вательность со стандартными амплитудами импульсов и случай­ ными моментами их появления, несущая информацию о количестве случаев попадания модуля сигнала х (t) в 1-й интервал квантова­

схем И21 -г- И24. Последовательности | ], \х2 \ снимаются с триг­ геров регистра сдвига ординат узла задержки коррелометра. На вторые входы схем совпадения поступают последовательности | У\ |, I У2 1, f У31и I У41. Появление ненулевого потенциала на выходе лю­ бой из схем совпадения вызывает изменение режима связанного с ней усилителя магнитоуправляемого контакта УМ и, как следствие, срабатывание самого контакта М. При этом к емкости накапливаю­ щего и осредняющего фильтра нижних частот ФНЧ через зарядное сопротивление R7 подключается определенный уровень напряже­ ния с выхода делителя R1 -г- R5, пропорциональный соответствую­

88

щему весовому коэффициенту интервала анализа Ъ,ц. Время под­ ключения определяется длительностью импульсов дискретизации Д/д сигналов X (t) и у (t) в каналах коррелометра. Отпирание лю­ бой пары схем совпадения, первые индексы номеров которых от­ личаются на единицу, а вторые одинаковы, вызывает срабатывание одних и тех же магнитоуправляемых контактов. Однако в том слу­ чае, когда отпирается одна из схем И21 -г- И24, одновременно меняется режим усилителя УМ5 и срабатывает контакт Мб. По­ стоянная времени заряда емкости ФНЧ тзар уменьшается при этом в £(/+І) Д /7 раз, что при выполнении условия А ^ т зар позволяет

накопить на емкости во столько же раз большее (по сравнению со случаем отпирания схем И11 н- И14) напряжение. Узел знака МУ коррелометра.обрабатывает импульсные последовательности sgn X,

sgn X и sgn Y, sgn У. Если логическая схема И ++, И__ , ИЛИ,

НЕ «определяет», что знак мгновенного произведения сигналов положителен, то за счет изменения напряжения в коллекторе уси­ лителя УМб срабатывают контакты Мб, М'б. При этом плюсовая шина вспомогательного источника UB подключается к делителю R1 -г- R5, а минусовая — к земле. Аналогичным образом схема реагирует на противоположную полярность мгновенного произве­ дения л: (t—т) у (t).

1,2— 1,5 раза большим значения наибольшего весового коэффи­ циента:

г/в= (1,2 4-1,5) i/Zmax.

5

Задаваясь величиной 2 Rt и выбрав (исходя из мощности источника)

і = 2

89