Способ спектрального анализа с линейным предсказанием

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для анализа энергетического спектра в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности оценки спектра. Способ заключается в том, что аналоговый сигнал преобразуют в цифровую форму, результат запоминают и одновременно определяют дисперсию на входе, производят N итеративных вычислений, при этом каждая п-я Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для анализа энергетического спектра в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобретения - повышение точности оценки спектра по ограниченной выборке . На чертеже представлена структурная схема анализатора спектра с линейным предсказанием, реализующего способ. итерация включает вычисление ошибок прямого и обратного предсказания, коэффициентов частной корреляции, дисперсии и коэффициентов линейного предсказания. Фурье-преобразование производят на каждой итерации, получая квадраты амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказаний Kn (f) от первого до N-ro включительно, после чего проводят ряд пошаговых вычислений массовых коэффициентов по приведенной формуле. Затем полученные весовые коэффициенты умножают на соответствующие квадраты передаточных функций фильтров предсказания, суммируют эти произведения и производят оценку спектра по обратной функци результата суммирования. Благодаря использованию дополнительной информации об анализируемом процессе отбрасывается из рассмотрения множество реализаций оценки спектра, имеющих недопустимые отклонения от истинного спектра, вследствие чего обеспечивается повышение точности оценки,спектра при огран ученном времени анализа.1 ил. Анализатор спектра с линейным предсказанием содержит входной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, выход которого соединен с первыми входами элементов ИЛИ 2 и 3, выходы которых соединены с информационными входами блоков 4 и 5 памяти. Выходы блоков 4 и 5 памяти соединены с первым и вторым входами решетчатого фильтра 6 предсказания, а с третьим входом - выход вычислителя 7 частных корреляций . Выходы решетчатого фильтра 6 соединены с вторыми входами элементов Os ю VJ о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 R 23/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4496133/21 (22) 19.10.88 (46) 15.11.91. Бюл; М 42 (71) Нижегородский политехнический институт (72) В.В.Савченко, Д.Ю.Акатьев и Г.В.Ерма(53) 621.317.757(088.8) (58) Авторское свидетельство СССР

% 1275315, кл. 6 01 R 23/16, 1986. (54) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

С ЛИНЕЙНЫМ ПРЕДСКАЗАНИЕМ (57) Изобретение относи ся к радиоизмерительной технике и может быть использовано для анализа энергетического спектра вусловиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов. Цель изобретения — повышение точности оценки спектра, Способ заключается в том, что аналоговый сигнал преобразуют в цифровую форму, результат запоминают и одновременно определяют дисперсию на входе, производят и итеративных вычислений, при этом каждая и-я

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для анализа энергетического спектра в условиях малой априорной информации о классе или параметрах исследуемых случайных процессов.

Цель изобретения — повышение точности оценки спектра по ограниченной выборке.

На чертеже представлена структурная схема анализатора спектра с линейным предсказанием, реализующего способ.

„„ Ж„„1691770 А1 итерация включает вычисление ошибок прямого и обратного предсказания, коэффициентов частной корреляции, дисперсии и коэффициентов линейного предсказания.

Фурье-преобразование производят на каждой итерации, получая квадраты амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказаний Kn (f) от первого до N-ro включительно, после чего проводят ряд пошаговых вычислений массовых коэффициентов по приведенной формуле. Затем полученные весовые коэффициенты умйожают на соответствующие квадраты передаточных функций фильтров предсказания, суммируют эти произведения и производят оценку спектра по обратной функци результата суммирования. Благодаря испольэова-, ф нию дополнительной информации об анализируемом процессе отбрасывается из рассмотрения множество реализаций оценки спектра, имеющих недопустимые отклонения от истинного спектра, вследствие чего обеспечивается повышение точности оценки, спектра при огран;ченном времени анализа. 1 ил. (5ь

Анализатор спектра с линейным предсказанием содержит входной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, выход которого соединен с первыми входами элементов ИЛИ 2 и 3, выходы которых соединены с информационными входами блоков 4 и

5 памяти. Выходы блоков 4 и S памяти соединены с первым и вторым входами решетча гого фильтра 6 предсказания, а с третьим входом — выход вычислителя 7 частных корреляций. Выходы решетчатого фильтра 6 соединены с вторыми входами элементов

1691770

ИЛИ 2 и 3, 1 и 2-м входами вычислителя 7 частных корреляций. Выходы измерителя 8 дисперсии и квадратора 9 подключены к соответствующим входам блока 10 рекурсий, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока 11 формирования микрокоманд, к соответствующим выходам которого подключены управляющие входы решетчатого фильтра 6.

Первый выход блока 10 соединен с информационным входом Фурье-преобразователя 12. выход которого подключен через квадратор 13 к информационному входу блока 14 памяти, управляющий и адресные входы которого подключены к соответствующим выходам блока 11. Выход блока 14 соединен с входом блока 15 взвешивания и первым входом вычислителя 16 массовых коэффициентов. Блок 15 взвешивания может быть выполнен на стандартных микросхемах — умножителях. Второй выход блока

10 рекурсий подключен к информационному входу блока памяти, управляющий и адресный входы которого соединены с соответствующими выходами блока 11. Выход блока 17 соединен с вторым входом вычислителя 16, выход последнего подключен к второму входу блока 15 взвешивания, выход которого соединен с вторым входом сумматора 18. Выход сумматора 18 соединен с информационным входом блока 19 памяти, управляющие и адресный входы которого соединены с соответствующими выходами блока 11 формирования микрокоманд. Выход блока 19 памяти подключен к первому входу сумматора 18 и информационному входу блока 20 обращения, выход которого соединен с третьим входом вычислителя 16 массовых коэффициентов. Блок

20 обращения может быть выполнен э стандартных микросхемах — постоянных запоминающих устройствах.

Анализатор спектра, реализующий способ, работает следующим образом, В исходном состоянии в блоке 11 формирования микрокоманд установлены начальные условия. Предварительно в блоке

10 рекурсий в регистр постоянно записан коэффициент aoo = 1, На первом этапе работы на вход анализатора подается исследуемый сигнал, а в блоке 11 на первом выходе вырабатывается тактовый сигнал, который поступает на управляющий вход АЦП 1. Полученный ряд отсчетов поступает через элементы ИЛИ 2 и

3 на информационные входы (В) соответствующих блоков 4 и 5 памяти. Одновременно с третьего выхода блока 11 поступают импульсы разрешения записи на соответствующие входы блоков 4 и 5. На синхровходь>

10

25 тров предсказания от 1-го до N-го порядков

55 и адресные входы последних поступают >лмпульсы — микрокоманды с 4 и 5-го выходов блока 11. Блок 11 может быть выполнен на стандартных электронных элемента по известной схеме последовательного =оединения синхрогенератора, счетчика и постоянного запоминающего устройства, в котором записаны коды микрокоманд, Одновременно отсчеты сигнала с выхода АЦП 1 подаются в измеритель 8 дисперсии, в котором определяется дисперсия входного сигнала. Измеритель 8 может быть выполнен по схеме последовательного соединения квадратора и накапливающего сумматора. С второ о входа блока 11 подается сигнал на управляющий вход измерителя 8, с выхода которого сигнал дисперсии поступает на первый вход блока 10 рекурсий.

На втором этапе осуществляют итеративное вычисление коэффициентов личейного предсказания апп> (и = 1,N — порядок фильтра, m - О, N — номер коэффициента в фильтре п-го порядка) и по ним определяют амплитудно-частотные характеристики фильвключительно, При этом каждая п-я итерация содержит четыре шага вычислений: фильтрацию ошибок линейного предсказания в решетчатом фильтре 6, вычисление коэффициента частной корреляции в вычислителе 7, определение кода линейного предсказания в блоке 10 рекурсий и вычисление амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказанля B Фурье-преобразователе 12, На первой итерации (п = 1) последовательность отсчетов Х (!), записанную в блоки 4 и 5 памяти, считают соответственно последовательностью ошибок линейного предсказания "вперед" fo(l) =: Х(>) и последовательностью ошибок линейного предсказания "назад" bo(lj =. Х(1).

По тактовым импульсам с четвергого выхода блока 11 формирования микрокаманд, с выхода блоков 4 и 5 считываю1 последовательности кодов fo(l) и bo(l) соответственно на первый и второй входы решетчатого фильтра 6 предсказания, на выходах которого формируются значения

11(!) = fo(l), b1(l) = bo(l — 1). Эти последовательности вновь записываются по тактовым импульсам и адресам (третий и пятый выходы блока 11) в те же ячейки блоков 4 и 5 и одновременно подаются на первый и второй входы вычислителя 7 частных корреляU,ий, В вычислителе 7 последовательности ошибок fi(l) и b)(l) суммируются, возводятся в квадрат и снова попарно суммируются, образуя новые последовательности:

1691770

) (р) 1 2 (ц1 У Р

I f 6 (f) К1 (;) df = Р1

) 2(.,) ;.р

35

SI,q = (-()(1) -- I3)(t)) + (fi(I) — I))(l))

-(- «I (I) б) (1) )

52.1 =- < У (i) + I I(i)l - (f (1) - б (1)) ) =

= (2 (f I (I) - I3 I (1) ) }.

По команде с седьмого выхода блока 11 на выходе вычислителя 7 формируется значение коэффициента частной корреляции

q,, соответствующего итерации и = 1; q< =

=-S>,I/S2,1. Коэффициент ц) по тактовому импульсу (восьмой выход блока 11) поступает на третий информационный вход решетчатого фильтра 6, одновременно подается на второй вход блока 10 рекурсий и через квадратор 9- на его третий вход. На первый вход блока 10 рекурсий поступает с выхода измерителя 8 оценка дисперсии 1=<>. В блоке 10 рекурсий осуществляется формирование коэффициентов линейного предсказания

Bnm и дисперсий Рп по соотношениям:

Bnm = à -1, + qn ап-1.n-m, Pn =- (1 — qn-! ) Pn ), 2

1, m=0 где апп) =- Цп, m = и .

О, m>I3

При этом на первой итерации (n = 1) коэффициенты линейного предсказания равны: а)о — — аоо + о)ао) = аоо = 1. а11 = ао1 + q1>00 = q1.

По коду адреса, поступающего с двенадцатого выхода блок- 11 на адресный вход блока 10, с первого выхода блока 10 на информационный вход преобразователя 12 поступают коэффициенты линейного предсказания. Фурье-преобразователь

12, работающий, например, по известной подпрограмме быстрого преобразования

Фурье или по аппаратно-ориентированному принципу, осуществляет вычисление набора коэффициентов Фурье, Таким образом, с первого выхода преобразователя 12 на вход кнадратора 13 подается код, соответствующий амплитудно-частотной характеристике фильтра предсказания К1(т) с выхода квадратора 13. Полученный код поступает на информационный вход блока

14 памяти, на управляющие и адресный входы которого поступают импульсы разрешения и адрес с тринадцатого, четырнадцатого и пятнадца ого выходов блока 11 формирования команд. С второго выхода блока 10 рекурсий í=. информационный вход блока 17 памяти поступает оценка дисперсии Р1, Одновременно с девятнадцатого, двадцатого и двадцать первого выходов блока 11 поступают импульсы разрешения записи, синхроимпульсы и адрес — на входы блока 17. Этими операциями завершается первая итерация (п = 1) второго этапа. Последующие итерации (и -- 2,3,...,N) осущесвтляются аналогично. При этом полу)ают значения дисперсий и амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказания

5 ошибки от 2-го до N-го порядков вкл)очительно.

На третьем этапе осуществляют расчет набора из (N+1)-го весовых коэффициентов, исходя из системы N+1 уравнений:

Расчет проводят в вычислителе 16 итеративно по соотношению где и = I,N, i = 1, I.

В момент i =- 1 задают начальные значения лц (1) = 1/Pn, Ап (1) = О (I3 == 2,Н), а величина ) фиксируется постоянной из условия сходимости итераций к искомым корням системы уравнений (1).

По тактовым импульсам с тринадцагого выхода блока 11 формирования микрокоманд с выхода блока 14 г)амяти на нход вычислителя 16 поступают отсчегы квадраторов амплитудно-частотных характеристик фИЛЬтрОВ ПрЕдСКаэаНИя Kn (f) ()3 =- 1,N). ПрИ этом на синхровход вычислителя 16 с вьIxoда 18 блока 11 поступает та .товый импульс.

После поступления синхроимпу/)ьса с девятнадцатого выхода блока 11 на вход блока

17 памяти и вход вычислителя 16 на его информационном выходе формируется коэффициент )<„(i), который поступает на второй информационный вход блока взвешивания. На 1-й итерации заканчивается вычисление массовых коэффициентов.

На четвертом этапе вычисляют текущую оценку спектра по итерациям i =- 1,1

h м

G ()) = 1/(, », il„(I) К... - 1;.)). и =1

При этом вычисление произведения

1п (1) . Kn (f) происходит в блоке 15 взвешиг вания, сумма с накоплением — в сумма-оре

18 и блоке 19 памяти, обращение — s блоке

20, По тактовому импульсу, поступающему с девятнадцатого выхода блока 11 формиро1691770 вания микрокоманд на вход вычислителя 16 массовых коэффициентов, с информационного выхода последнего коэффициенты

Яп (i) поступают на второй вход блока 15 взвешивания, При этом с четырнадцатого выхода блока 11 синхросигнал поступает на вход блока 14 памяти и синхровход блока 15 взвешивания, С выхода блока 15 произведения Яп (i ) Кп (f) поступают на вход сумма г тора 18, а с его входа — на информационный вход блока.19 памяти, на управляющий и адресный входы которого поступают импульсы с четырнадцатого, шестнадцатого, семнадцатого выходов блока 11 формирования микрокоманд, Совокупность сумматора

18 и блока 19 образует накапливающий сумматор. С выхода блока 19 результат суммиN

2 рования „ Яп (i-1) Кп (f) поступает на и =,1 второй вход сумматора 18 и информационный вход блока 20 обращения, На управляющий вход.блока 20 поступают импульсы с шестнадцатого выхода блока 11, на выходе блока 20 формируется оценка спектра л N

6 (f) = 1/(, L (1-1) Кп (fj),êîòoðàÿ на пои =1 следней 1-й итерации является результирующей оценкой спектра G(f) В момент окончания N-й итерации после вычислений по схеме (1) полученная оценка спектра с высокой точностью отвечает априорным данным соотношения (2), тем самым обеспечивая высокую степень близости к истинному спектру G(f).

Формула изобретения .

Способ спектрального анализа с линейным предсказанием, заключающийся в гом, что аналоговый сигнал преобразуют в циф5 ровую форму, результат запоминают и одновременно определяют дисперсию на входе, производят N итеративных вычислений, при этом каждая п-я итерация включает вычисление ошибок прямого и обратного предска10 зания, коэффициентов частной корреляции, дисперсии Р и коэффициентов линейного предсказания, производят Фурье-преобразование коэффициентов линейного предсказания, отл ич а ю щи йся тем, что, с целью повышения

15 точности оценки спектра, Фурье-преобразование производят на каждой итерации, определяют квадраты амплитудно-частотных характеристик фильтров предсказания К, (f) от первого до N-ro включительно, после чего

20 производят пошаговые вычисления массовых коэффициентов по соотношению и =1 при заданных начальных величинах 5 и постоянном коэффициентеу для всех номеров

30 и от 0 до N, затем полученные массовые коэффициенты умножают на соответствующие квадраты передаточных функций фильтров предсказания, суммируют эти произведения и производят оценку спектра по

35 обратной функции результата суммирования.

1691770

Составитель В,Величкин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Кундрик

Редактор M,Êåëåìåø

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3925 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5