ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА

Заявленная полезная модель (ЗПМ) относится к электронной вычислительной и измерительной технике.
К аналогам полезной модели можно отнести электрические цепи на нелинейных элементах. Изложенное в каждой из следующих книг:
[1] М.П.Бобнев, Генераторы случайных сигналов, Энергия, Москва, 1971 (раздел 3-2);
[2] Н.М.Тетерич, Генераторы шума и измерение шумовых характеристик, Энергия, Москва, 1968 (раздел 3-9);
[3] Г.Я.Мирский, Радиоэлектронные измерения, Энергия, Москва, 1975 (раздел 2-6)
касается преобразователей случайного сигнала, в которых источник сигнала подключен к безынерционному элементу с нелинейной зависимостью одного физического параметра от другого (например, тока через элемент от напряжения на нем). Такие цепи реализуют заданную зависимость между плотностями распределения вероятностей (ПРВ), выражаемую в общем случае формулой, приведенной, например, на странице 98 в [3]. Устройства указанного типа совпадают с ЗПМ по назначению. Ближе к ЗПМ по технической сущности стоит измеритель, точнее, его основная часть (рассматриваемая далее как прототип), обеспечивающая преобразование вероятностных характеристик (ВХ), оговоренный в работе автора ЗПМ:
Е.С.Саркисян. Измерение корреляции световых интенсивностей, журнал Радиотехника и Электроника, 1997, том 42, №7, стр.882-883.
В соответствии с содержанием работы предложен измеритель с блок-схемой, показанной на фиг.1 прилагаемых чертежей. Он обеспечивает определенную зависимость усредненных значений сигнала на входе и выходе преобразующей электронной цепи.
В прототипе выход фотоприемника соединен со входом схемы совпадений и входом накопителя, выход которого соединен со входом схемы пропускания, выход которой соединен со входом усреднителя и к управляющему входу которой через блок задержки подключен выход указанной схемы совпадений. Второй вход этой схемы совпадений соединен с одним выходом генератора парных импульсов, а другой выход этого генератора соединен со входом управления накопителя.
1
1
у
1
1
В измерителе световой сигнал, описываемый зависимостью x(t) интенсивности света от времени преобразуется в фотоприемнике 1 в электрический сигнал на его выходе и поступает в накопитель 2, в котором он суммируется (интегрируется) за отдельные повторяющиеся временные интервалы длительности И. Результат суммирования за выбранный интервал выдается на вход схемы пропускания (СП) 3 прежде, чем выход накопителя сбрасывается до наступления очередного интервала И. При поступлении на СП задержанного блоком 5 управляющего импульса от схемы совпадений 6 соответствующий этому импульсу результат накопления пропускается с входа СП на его выход. (Далее по условию задачи прошедшие на СП сигналы подвергаются усреднению.) Управляющий импульс Т вырабатывается элементарной схемой совпадений 6, на один вход которой поступает импульс И, опережающий И на заданное время, а другой вход подключен к выходу фотоприемника. Импульсы И и И выдаются независимым генератором парных тактовых импульсов 4.
В соответствии с блок-схемой к признакам прототипа относятся:
а. наличие управляемого генератора шума (УГШ). т.е. генератора шума (ГШ), ВХ выходного сигнала которого зависят от некоторого управляющего сигнала. В качестве УГШ выступает фотоприемник - фотоэлектронный умножитель, известный как таковой из литературы (см., например, стр.96 в [3]), управляемый интенсивностью светового сигнала;
б. наличие СП, электрически связанной с УГШ. Электрическая связанность двух точек (электрической) цепи (например, входа, то есть входного зажима и выхода, то есть выходного зажима некоторого блока) означает, что эти точки соединены элементами, такими что в рабочем режиме сигнал в одной точке может зависеть от сигнала в другой.
в. наличие генератора тактовых импульсов, накопителя и блока задержки (5);
г. указанные выше связи между блоками.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ЗПМ, являются наличие СП и УГШ, электрически связанного с ней.
Назначение ЗПМ состоит в преобразовании ВХ сигнала, именно, в получении такого выходного сигнала, чтобы выбранная ВХ его была связана с некоторой ВХ входного (преобразуемого) сигнала заданным соотношением. Техническим результатом, обеспечиваемым ЗПМ, является реализация указанного назначения. Это назначение реализуется конструкцией, содержащей СП, развязывающий элемент, ГШ и пороговое устройство (ПУ).
Отличительные от прототипа признаки состоят в том, что в ЗПМ дополнительно введены развязывающий элемент и пороговое устройство (ПУ), а УГШ выполнен в виде ГШ, выход которого электрически связан со входом ПУ (то есть изменения сигнала на выходе ГШ могут вызывать изменения сигнала на входе ПУ при неизменных прочих условиях), выход которого электрически связан со входом управления СП, сигнальный вход которого электрически связан со входом преобразуемого сигнала, при этом, вход преобразуемого сигнала соединен через развязывающий элемент также со входом указанного выше ПУ.
С учетом обстоятельства, что практически несложно предохранить первичный источник шума от влияния внешнего сигнала, воздействующего на выходную цепь ГШ, последний в целом работает в стационарном режиме и допускает использование, при необходимости, цепей стабилизации этого режима (в отношении дрейфа параметров).
На фиг.1 приведена блок-схема прототипа ЗПМ;
на фиг.2 - блок-схема ЗПМ;
на фиг.3 - принципиальная электрическая схема одной реализации ГШ и ПУ вместе с дополнительными элементами для измерения калибровочной функции, о которой будет сказано ниже, и вероятности выбранного уровня выходного сигнала.
Преобразуемый сигнал х(t) предполагается реализацией эргодического случайного процесса или периодической функцией, которой в выбранной точке приписывается ПРВ исходя из относительного времени пребывания функции в окрестности этой точки.
Как видно из фиг.2 сигнал поступает на вход СП, а также через развязывающий элемент на вход ПУ, являющегося оконечным блоком УГШ. На вход ПУ поступает также выходной сигнал ГШ Эти два блока образуют УГШ. На управляющий вход СП поступает (при необходимости - через блок временной задержки) выходной сигнал ПУ.
СП обеспечивает прохождение входного сигнала на свой выход за время действия управляющего импульса на входе управления. При достаточно коротком (стробирующем) управляющем импульсе на выходе образуется импульс амплитуды, равной (при коэффициенте передачи 1) мгновенному значению входного сигнала в момент поступления управляющего импульса. Конкретные реализации СП указаны, например, в книге
[4]. А.П.Цитович, Ядерная электроника, Москва, Энергоатомиздат. 1984 (§ 2.7, стр.108-111).
Развязывающий элемент ослабляет сигнал, проходящий с выхода ГШ на вход СП. Он может быть выполнен в виде простого резистора (см. ниже) или, например, обычного эмиттерного повторителя (повсеместно используемого в электронных цепях для целей развязки), передающего входной сигнал на вход ПУ. ПУ срабатывает, то есть выдает импульс, возможно, стандартизованный (см. [4] параграф 5.2), как в схеме, описанной
ниже, при каждом превышении его входным сигналом установленного порога срабатывания. Традиционное исполнение ПУ - триггер Шмита - показано на рис.5.5а в [4]. В ЗПМ сигнал, действующий на входе (одновходового) ПУ, есть взвешенная сумма преобразуемого сигнала и сигнала ненагруженного ГШ. Возможна также подача указанных двух сигналов на два развязанных входа ПУ, например, в случае использования в ПУ компаратора (см. рис.5.6 в [4]); в таком случае отпадает нужда в отдельном от компаратора развязывающем элементе.
ГШ генерирует случайный сигнал и обеспечивает шумовое напряжение на нагрузке (ср.[2]., стр.5). В качестве первичного источника шума могут, в принципе, использоваться разные электронные приборы из числа перечисленных в [1, 2, 3]. В конкретной схеме (см. ниже) использован полупроводниковый прибор с лавинньм пробоем p - n перехода.
1
В заявленном устройстве характеристикой, определяющей связь ВХ входного и выходного сигналов, является его калибровочная характеристика. Она являет собой зависимость φ(x) средней частоты срабатывания ПУ от фиксированного (внутри диапазона амплитуд) значения х сигнала на входе устройства. Функция φ(x) предполагается строго монотонной и непрерывной в диапазоне амплитуд преобразуемого сигнала. Такого рода функции получаются без специальных усилий, например, для ПУ по схеме рис.5.5а в [4] при сигнале, подаваемом на верхний на чертеже вывод (конец) резистора R, предварительно отключенный от шины питания.
1
0
Любой непрерывный сигнал может быть аппроксимирован и заменен ступенчатым с достаточно малым шагом квантования так, чтобы замена не обнаруживалась при обработке сигнала. Исходя из этого поведение УГШ в рабочем режиме можно рассматривать соответствующим прохождению некоторой последовательности состояний, каждое из которых обязано некоторому фиксированному значению сигнала на входе устройства. Из этого обстоятельства следует, что если говорить о ПРВ p(х) иметь в момент совершенного случайно выбранного срабатывания из зарегистрированного множества срабатываний ПУ в рабочем режиме некоторое значение х на входе СП, то ее следует признать прямо пропорциональной средней частоте срабатывания ПУ для случая фиксирования такого значения х на входе устройства, а также плотности вероятности этого значения в преобразуемом сигнале. В силу действия СП такая же ПРВ справедлива и для устанавливающегося за время стробирующего управляющего импульса значения сигнала на выходе СП (при коэффициенте передачи 1). При обозначении ПРВ мгновенных значений входного сигнала через р(х) сказанное выше позволяет писать
1
0
p(x)=φ(х)р(х)/<φ(х)>0
и выражения для моментов
,
где интегрирование ведется по всей области А значений сигнала и где
имеет смысл средней частоты срабатывания ПУ в рабочем режиме. Из формулы для моментов видно, что простое среднее устанавливающихся на выходе устройства значений содержит информацию о моментах высших порядков значений преобразуемого сигнала.
1
Согласно изложенному множество значений выходных амплитуд СП. подчиненных распределению p(х) должно на практике производиться повторением процедуры, включающей в себя совершенно случайный выбор одного срабатывания из всего множества срабатываний ПУ на достаточно длинном временном интервале. Осуществление выбора означает выделение (отметку) одного момента срабатывания ПУ.
Вследствие стационарности преобразуемого сигнала и выхода ГШ картина срабатывания ПУ на одном временном интервале не может априори считаться более
информативной (характерной), чем картина на таком же, но смещенном во времени интервале. Поэтому оправдано повторные выборы (отметки) делать из одного и того же множества. Далее, следует ожидать относительного выравнивания числа случаев выбора любых двух (обособленных в полном множестве) срабатываний ПУ с ростом числа производимых выборов. Это служит основанием, чтобы использовать в качестве множества совершенно случайно выбранных срабатываний ПУ, например, полную последовательность срабатываний на некотором временном интервале. В ЗПМ это обстоятельство используется.
1
Ссылка на конкретные реализации СП была приведена ранее. На фиг.3 приведена одна из конкретных схем (допустим 10%-й разброс указанных номиналов R и С) выполнения остальных блоков устройства; в ней имеются и дополнительные элементы для измерения калибровочной функции, а также вероятности определенного события при работе с тестовым сигналом. В качестве первичного источника шума используется светодиод АЛ107А в режиме лавинного пробоя p - n перехода в заданных рабочих условиях. (Могут использоваться и другие полупроводниковые приборы, например, АЛ102В, АЛ307БМ или из серии стабилитронов Д814.) Напряжение питания выбранного экземпляра около 23,5 вольт (в). В рабочем режиме импульсы лавинного тока создают на R выбросы напряжения близкой к треугольной формы со случайной амплитудой порядка десятков милливольт (мв). Они усиливаются микросхемой КР544УД2А примерно в 11 раз, достигая амплитуд несколько больше 0,5 в на выходе ее при длительности импульсов на полувысоте около 0,15 микросекунд. [При дальнейшем увеличении напряжения питания светодиода осцилограмма на выходе микросхемы приближается по форме к кривой на рис 29б на стр.81 книги И.В.Грехова и Ю.Н.Сережкина «Лавинный пробой p - n перехода в полупроводниках» (Ленинград, Энергия. 1980)].
1
Эмиттерный повторитель на транзисторе T являет собой развязку левой (по чертежу) части схемы от правой от него него.
8
2
3
20
18
19
4
4
4
3
4
0
Потенциометр R позволяет корректировать φ(х). Транзисторы Т и Т образуют ПУ - одновибратор. Когда под суммарным воздействием постоянного смещения базы Т3 (около 400 мв, устанавливается потенциометром R14), входного сигнала, поступающего через развязывающий элемент - резистор R9, и усиленных случайных импульсов лавинного пробоя АЛ107А превышается порог срабатывания одновибратора, последний вырабатывает стандартизированный импульс. Этот импульс нелинейно усиливается, образуя на резисторе R положительный импульс амплитудой около 12 в и длительностью на полувысоте около 95 микросекунд (при частотах следования до единиц килогерц). Сглаживающий фильтр R, R, С в установившемся режиме выдает на С напряжение близкое к среднему напряжению на коллекторе Т. которое прямо пропорционально средней скорости (т.е. интенсивности) вырабатывания импульсов одновибратора. Несложно достигается ситуация, когда с ростом напряжения сигнала непрерывно растет и интенсивность вырабатывания импульсов одновибратора. При отмеченном выше постоянном смещении базы Т экспериментальные точки кривой калибровочной характеристики φ(х) могут быть получены при фиксировании значений входного напряжения в интервале не уже 0-3,5в. В относительных единицах φ(х) представляется средним напряжением на С и измеряется (цифровым) милливольтметром. В той же точке цепи, но при подаче на вход схемы преобразуемого сигнала измеряется <φ(х)>- средняя скорость срабатывания ПУ в рабочем режиме.
выб
Согласно изложенному выше, при преобразуемом сигнале, представленном в квантованном (ступенчатом) виде, вероятность некоторого выбранного уровня х на выходе предлагаемой конструкции в момент срабатывания ПУ есть
выб
выб
0
[φ(х)·вероятность значения х в сигнале]/<φ(х)>.
выб
выб
0
Та же вероятность есть, очевидно, отношение интенсивности вырабатывания - обозначим ее φ - импульсов ПУ за временные интервалы прохождения сигналом уровней х к полной интенсивности <φ(х)> выходных импульсов ПУ при действии
выб
сигнала. Поэтому чем ближе численные значения, получаемые при измерении φ и числителя в предпоследнем предложении, тем точнее работа конструкции.
выб
Подобное сравнение просто реализуемо (без стандартной аппаратуры амплитудного анализа) для двухуровнего сигнала. Результаты такого тестирования схемы фиг.3 для входного сигнала в виде меандра (частота 60 Гц, разнос уровней 1-2в) для трех значений х приведены в таблице.
х<sub>выб</sub> в
Измеренное (φ(х<sub>выб</sub>) мв
Относительная ошибка
Измеренное φ<sup>выб</sup> мв
Относительная ошибка
1,5
131,7
1,97·10<sup>-2</sup>
66,7
5,26·10<sup>-2</sup>
2,0
185,7
4,12·10<sup>-2</sup>
87,1
1,43·10<sup>-1</sup>
2,5
241,6
4,56·10<sup>-2</sup>
120,8
3,04·10<sup>-2</sup>
выб
4
6
5
20
выб
Каждая из приведенных цифр, исключая х, есть результат использования 7-10 отсчетов показаний милливольтметра. Измерение φ заключалось в отсчете напряжения на С, когда на базу транзистора T подавался синфазный с сигнальным меандр, так что транзистор Т шунтировал R на временных интервалах верхних уровней меандра, сводя практически к нулю амплитуду импульсов на этом сопротивлении в этих интервалах. Подобное устройство испытано и для гармонического сигнала. Процедура проведенных измерений нестандартна и описание их здесь заняло бы неоправданно много места. Модификация рассмотренной блок-схемы фиг.2, состоящая в подключении ко входу СП одного лишь источника некоторого другого сигнала при неизменных остальных соединениях этой блок-схемы, дает устройство, применимое к решению задачи измерения корреляции мгновенных значений x(t) и этого другого сигнала.