Способ спектрального анализа сигналов

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к вибрационной диагностике механизмов. Целью изобретения является повышение быстродействия спектрального анализа на фоне периодических случайных помех. Устройство, реализующее способ, содержит блок 1 накопления сигналов, блок 2 преобразования Фурье, блок 3 сравнения, запоминающее устройство 4 и блок 5 управления. В устройстве периодическое подавление колебаний на неинформативных частотах в текущей усредненной секции сигнала приводит к периодическому исчезновению в периодограмме последней из соответствующих спектральных составляющих. В предложенном способе спектрального анализа сигналов это обстоятельство используется для обнаружения и подавления неинформативных спектральных составляющих. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК! "1 Я.Ь.И.Ю Ы

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2l) 4270005/24-21 (22) 10.04.87 (46) 30.05.90. Бюл. № 20 (72) А. А. Плавильщнков (53) 621.317(088.8) (56) Отнес P., Эпоксон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982, с. 331. (54) СПОСОБ СПЕКТРАЛ ЬНОГО АНАЛИЗА СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к вибрационной диагностике механизмов. Целью изобретения является повышение быстродействия спектрального анализа на фоне периодичес„„SU„„1567944 A 1 ких случайных помех. Устройство, реализующее способ, содержит блок 1 накопления сигналов блок 2 преобразования Фурье, блок 3 сравнения, запоминающее устройство 4 и блок 5 управления. В устройстве периодическое подавиение колебаний на неинформативных частотах в текущей усредненной секции сигнала приводит к периодическому исчезновению в пернодограмме последней из соответствующих спектральных составляющих. В предложенном способе спектрального анализа сигналов это обстоятельство используется для обнаружения и подавления неинформативных спектральных с оста вл я ющи х. 2 ил, 1567944

»13Ñ) 0 1><. 1 Е }! И Е () Г! i О Г И Т С )I К И 3 М (p и Г«. ) Ь Н О Й

T(

Lleab изобретения — повышение быстродействия спектрального анализа сигнала на фоне периодических и случайных помех.

113 фиг. 1 представлены врем нные диаграммы способа анализа; на фиг 2 6лок схема устройс}ва для его реализации.

Д»!я получении «нектральной оценки неог;одимо !рсдвари; .льное линсйное усреднен}<- отде,!)и<ы . «ек (ий сигнала BO вреM<. i!

i;(ij о6!««rH ..i

<Рурье >)олуч< «ного результата Выбирая с»о гве3 от вую})»}! м образом величину <. ÷ Hòåëbости > дел},|1<,1 х секций сигнал. l< >)K kf(l осс)ц OHHO((когерен,;«>« 1<«коп

i 1! lI(!! tl(P<)P" ki ГИ ВИЫ Х < ПЕКTP !. Ik>HI«\ . «! 3 В. I >II<. Ill! i X < Ill На 1 3. 1,«1 Я этоГО }!ео6хо;> И. <о B bl !!ОЛН(Ч!ИС C«t« ° >О!НЕГО РаВЕН ТB3:

2-< (. -=<В, 1 } <, 3<1 ÎT!ЛЬН< и СОСТ:НЛЯК)ill« 1 « I Г }I i. 13.

11j>i< -, I «. 1< tlj)()II«(с," >е. !!«!!.i, < с(к>! HH вр м !1)и>й,о;!3«ти ко.!ебанин с <)а« <;

T;< 11 )х «, (гд< li =-= 1, »>, }, ) ov ä, 1 ° <<»".1«

Р<>«}<Т< 1 «>133 1 МИ (ф >< u

Г: .K()рс х}H периоди еская и "i)< !Ии

iliiri I > « -,l< i., i I <. < I;.)<)Н<)ОВ«ТЬ< Я,<3)«>}ЫИ р:< «j): I!I nk,!ми <разнмн V. BH« с)>аз мекк . 1< Г;:. > <"! !i I >МИ КО СЕ i

fl! I Х < i I(

fI<)(.<:;:f! H. С.! >i ill) .!<>Bi iX КОМ

}и}I:< !)>н! Нм

1„(» i,1 ° <, К .<

I >< >((, = -?-, jx (- - -1), I<), «,. «),.- <Р<1.- O i! I» и < ) В!1 Г )И <. . :, > <. >;

3)И: 3 !3«ГО Е «>> В - . <,ii И. Г)

liHHX HlНЫЛа;

, ) ()(}!0!3}I3H Ча 1":!3 1-i > fi <Д« i!CHH

<1><)p ì«ти в и ы х T(: 1

1х >«>м< р 1 ар3 ;)нк}1 (->о },чда ficHlf

11<тивн ы х ча«1 оТ

j, !,jiH :I< !М;1 РЯДИ

<„т

»>-< >мii Iiт>.. I3 !I 1>< за .><>! )<1" i ., .><>. !

)Ц и:.:I IBIt« > < "l3 f>ll(

l КОЛ li I««TH(> < СР(>ДН > <>I(BI. («КЦ!< Ii, KOTOP0l 0 H fi.t,iTPC 3K}1 с . дь> «î)HIIBK(>íîé длитель};:>«Tbio "> ч 13( тот(>Й < >, но < разл)1 ч ны !Н (1) 3. .<0<<ы:r> }I < дв t гам}< (:i l ) <«j при чи< ле членов (-,«га<;< ы,,,, довл=творяюшем условию тбращаетсн в нуль. Это приводит к перно ди

«>, = — 1,25с >,; «) j =- 1,5(В, и в)) — — 1. <>5<)) < соответственно. Из приведенных на фиг. 1 графиков видно, что подавление в усредненной секции сигнала колебаний с частотами о)>=1,25(о< и со,= 1,75û, будет осуществляться через каждые 4, а колебаний с частотой ())) =

=-1,5в - — через каждые 2 цикла усреднения.

В 061!if м случае минимальное число циклов усре.нсния и, необходимое для подавления

В усредненной секции сигнала неинформативной частоты (<), и ее гармоник, определяется из выражения

Р„,„

f1 (в,( — Ц<, 1 Ы" . И< Ла

t1, рН;> }ическое >одавленнс ).оле63ний ftH

«t")нформативны.. 13«Toт3x в !ску!цей усред>!е IHОH «(к Гии с 1>".3«ла приводит к периодическому исчезновению В периодограмме ,,() лсдней соответсf))ó!01)..)x Гпект ра.)ь}<ых

Го«т >Вля!0}цнх. В If:!B,»ë31 .-ц м )м спо«обе . екг;,«льного акал-.за сигналов это обстоя";: !ь«тво используется для обн:<р, жения и по> ав.<ения неинформативных с пек Гральных, 0" }3ÂËßÊ)ШИХ. >> тр«>!(3 BO k!I) (>}1 . ». .Ос}.>ИT Из 6<)ОК<<

;«}>коп ения сигна""., блока" itpec6p33îâ3} ия )> t>bP, 6лока 3 «(>авнени)<. запсми:lаюше}0 с!р()Й; iB3 4 и блока 5 упр Влd tHH. 11ервый

Вход блока 1 соедине . о инфо!>маци(.иным .!хйства, а его вз >рс>й вход и вы.,<>д подклю)ены 001ветст}>< нн: к < ервому

B1> . <.Оду 0.!,ока 5 и первому .->«!,у 6 ) ка 2.

l ГОРОЙ;,Х(Д И ВЫХОД КОТОРОГО НОДКЛЮЧЕНЫ

". )«в 1«TB

< (nBOM3 B!(0>»3> 6лока >, в ГÎpOH Вход H вы;од КОтарОГО:ШдКЛЮ)ЕН (оОтВЕГСтВЕННО К

<-,)е.!ьему выходу 6лока 5 и первому входу блока 4, выход 1 Второй;<ход a .opol0 «оединены; н<)ветствен}!о с Bb(.:од >м ус- ройства и !етаер3ым Выходом блока 5,:;xt>ä которого

;!Одключен к управляющему входу устрой«тва. (,Игна. I, ПОСТ ПВЮШИй На И ><РОРМ3 )ИОНиый вход устройства, fl0>B(j)f Be-,< н дискре-! <Вцн< 110 времени н квантованию по уров,:> в 6локе 1. Г1ри этом период;и:кретиза.:!з Т> сигнала выбирается таки. -: -. 6ы дли..-»bH<>C! !. <.ТдЕЛЬНОй СГ: Г, (Врв<Ь «. >!Е;.ОВ,)ТЕЛЬ}!ОГО «НО«Н.}<И )«:. ЯЧЕЕ: .1,<мя.! }" блс>ка 1 0 1 сч(. тами; . t Г.<.1)) 6bf >>3 равна периоду основной ча <Ос;; ., гармо .I< tt. «I. "o pH (3 и<>с))ормативных ibc "От. Это .с >овне можно 13писа)<. «леду)он:<) виде:

T., =- Ж1 1, 2% !

<ер:30,) днс, ретиз«ци ч < ..;,H 3:tb х> - ооъем ам, -.и блока l

1567944

Ф<>пму (и (<добре(ения

4<>

5»"

&(a ПрОцЕдура рЕаЛИЗуЕтСИ аВ77)матИЧЕС (и в блоке 5, на вход которого с управляющего входа устройства поступан:т импульсы синхронизации. Импульсы синхронизации умножаются с помощью умножителя частоты в блоке 5 и поступают на первый выход последнего. Программируя ко-.ффициент учножения умножителя частоты ь соответствии с кинем атичес кой схемой механизм а, мож но выделить при спектральном анализе в качеств информативного любой ряд гармонических составляющих в сигнале (! ). Импульсы, иннциирующие дискретизацию и квантование сигнала поступают на второй вход блока 1

При этом в блоке 1 осуществляется кодиров:,HHe мгновенного значения си(нала, обра б >Гка и запись в соответствующую ячейку памяги. Обработка сигнала заклоча< тся в !

НН<-:ином ycpe,((iåH;H секций сигнала.

Резу (ьтат «ь<числе(ли>1 записына 1< я в . к) ячейку памяти блока, d- также с (итывается в блок 2. 1)лок 2 иод управ.>ени< ч с«С:. алон, поступающих с второго вых .;,: ." .ока >, Осуществляет дискретное пр огразо ванне Фурьс вычисляет к(<а.цн!T ")одл.>

)на;:- ин лол"ченног<> спектра Г(ер -.(: >. .рамму длн каждой текуц«й усредн. «ной секции счгнала, значения которой!i<. тупают с выхода блока 1. Значения каждой полу ченн<)й периодограммы с вы ода бл >ка ? 1((> ст(пают на 11< рвыи в\ОД б,>c>к» 3. ;!«÷à 7!, На ПЕРВОМ ->Ta((e В ТЕЧЕ НЕ за",H(:ч(ГО НН, ла (циклов усреднения з (а ения Ka)KguH текущей перьодограммы неп сред:в .1«и пе ренисывак)тся с выхода блок; 2 ч.pe3 б>.-. к 3 каж)1()е в соответствующую ячейку, амя Ги блока 4 П<= Окончании лере сод!((>(.() у едствен(гая пере«и;.i: . 1<ннй Текущих лериадограмм заканч(ва<тся.

При этом, третьего выхода бло а 3 1>одаСT и ун; (>для(о цчй сигнал на вГ(>ров вхо-( блока 3. который из перво> ) режима .(оi p< c 7 ((енн()й переда (и Н>3 свой вых>>д,u дои. Но. 7упающих на его первый (;xu,, реводится в(второй режим работы. В - Гом режиме блок 3 ОсуществлявT (раь ление кажд«ГО 1-Г<) 31>ач ения теку (цей псрн<).,()Гp;1 ммы, поступающего с выхода блока 3, 1;отупак)шим по двунаправленной шине содеркимым I-I ячейки памяти блока 4 и перепись (> i ю ячейку бл(>ка 4 меньшего из сра>)нива< мых зназении. Таким образ )M, в Tc »<->:«å К никло,:1 среднеи«я во все ячейки памя,и блока 4. К(оме ч(еек, соответсть" юших информативным частотам, будут записаны зна(ения, не превышающие величины дисперсии. Il() окончании второго этапа содержимое ячеек памяти блока 4 сравнивается в блоке 3 с заданным значением дисперсии и

P TP ячей;.и;(амяти блока 4, соепжимое ко, )рых превы(цас, указанное значение, переи исыва ются со, >)етствуюш ие значен и я (К+1) -й текущей пегиодограммы, поступающие с выхода блок; 2. В остальные ячейки памяти блока 4 при этом записываются

«улевые знг,;., н. На этом про(есс спекгр,.;ьн(>1(: анализз сигнал.) (1) заканчивается.

;.(!Ос б сле„1>d)(ü«uãî dн,(лиза сигналов, .>.- к.>. ÷dK>(!!(,éc". в том, чт<> с«гнал разби(<а>О7 <(а отде.(ьные реализации одинаковой

>ill л.н, сти, кратной периодам информаив><с>й;ек;ральной составляющей и ее гар .>лик < лределяю(текущую усредненную

1>е:. >.7«за>,1 > сH! «ала лутем цикл«ческого ус .,,;:(ения тек, цей (>< зли".ации и результата

",;,. .нения пр< дыхнул(их реализаций, затс м ..7с заданного (игла циклов усре>тнени»

>е,;)т спектральнук> плоти >сTh чошности

1 Г,.)л:1, отличи> щи<<ся тем, что, с целью

>Г<>.<«;с»ии быстро,(ейстния .(>(а.>иза сигнала. . р.днсн(ля >)<. a.,и:,dций, Обе(.печиваю3,d><>Ic>å зьаченне дисп p< HH Оценки с(lе-;т >dëü«uè Гl. 1 >ГнОс Ги мОщнОсти, для каж,;ой l!(сл *;(ун>(цеЙ усредненной реал(зацнн

;.>1(на7a измерян)т < ценку спектрально« 1 lo7: >с и мощ(<О ти ((.11M(, сравниваюГ <ООт, твуK>!1111(. >!»ен(я ГСK ll< >! «рс<ульт«руюшей предыдущей оценки =пектральной ,лот«ости лло>ц 1< сти и из MHнимальных зна >()H«й последн«х форм ирук)т резул ьтирую

1(ук> еку(цую Оценку, зн чения которой dd

Tc )dpi««Bdют с соот>летствующими зна>< H: нчч пос.->едую«,ей Оценки спектральной

».>От«ости м )(»,()сти для формированич из

;4 И НИМа.l ь(<1<Х 3 На.<ЕН >(й !(ОСЛЕД11ИХ РЕЗУЛЬ ГИруюшей пос(ледуюшей оценки, затем определяю- значения аргумента, при которых знач< i«>, К и (К размсрность оценки спек((> <л»((> . плотности мо(цности по аргументч) р=зул(.T-Hð(K)øåé оценки СllM превы(пиют .Лс 7()нное значение,дисперсии и «3 знач<.— (° . 1-!, -й,)це.нки .и<. тральн(.й !.лотнос(Н» казан,», х 1»ачсний ар(ум<. н!

1>(>(Ч . 1(VГ ) КОН < > > .(l >>(K) (>ЦС Н КУ СI!< ,; «.„>» 1,.;,1,: < Г <-:;>1<и< cT«с«гнал».!

567944

4 Зппп;т, Фиг.1

Составитель Е. Губанов

Ре 13 Krop М. Келеме ш Техред И. Верес Корректор А. Обручар

Заказ 1318 Тираж 492 Подписное

111! ИИГ1И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производств HHo-издательский комбинат «Патент», г Ужгород, ул. Гагарина, 101