Способ кратковременного спектрального анализа квазистационарных сигналов
METHOD OF SHORT-TERM SPECTRAL ANALYSIS OF QUASI-STATIONARY SIGNALS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения частот и амплитуд многокомпонентных нестационарных сигналов.
Известны способы кратковременного спектрального с помощью параллельных спектранализаторов, каждый канал которых содержит полосовой фильтр (ПФ), амплитудный детектор (АД) и фильтр низкой частоты (ФНЧ) (Вакулин С.А., Кузьмин В.А, Патент 789879, Любинский И.А., Урецкий Я.С., Шмелев Л.А., Яхно В.П. Бионические устройства анализа. Труды 2 международной конференции стран-членов СЭВ по основным проблемам бионики. Бионики 78. 1978 г. т. 2, с. 116-119). Требуемое время анализа, определяемое длительностью участка стационарности, обеспечивается выбором полосы пропускания ПФ и постоянной времени ФНЧ, а необходимая точность анализа выбором расстояния по оси частот между соседними фильтрами.
вых
i
Недостатком такого способа анализа является влияние соседних частот на выходной сигнал А (ƒ, t) из-за перекрытия амплитудночастотных (АЧХ) характеристик.
1
i
2
i
Наиболее близким является способ, реализованный в патенте SU 553548 A1, 02.04.1977, основанный на вычитании из выходных сигналов ФНЧ А(ƒ, t) корректирующего сигнала A(ƒ, t), рассчитываемого по выходным сигналам соседних каналов.
Поскольку результатом проводимого анализа является разность сигналов, относительный уровень пульсаций возрастает и для его снижения приходится увеличивать постоянную времени фильтров ФНЧ, что влечет за собой нежелательное увеличение времени анализа.
Техническим результатом изобретения является обеспечение заданной точности определения частот и амплитуд и допустимого уровня пульсаций исследуемого сигнала при сохранении требуемого времени анализа.
1
i
2
i
2
i
1
i
2
i
1
i
2
i
*
Технический результат достигается тем, что способ кратковременного спектрального анализа осуществляется с помощью набора полосовых фильтров (ПФ) с перекрывающимися частотными характеристиками, амплитудных детекторов (АД) и фильтров низкой частоты (ФНЧ), при котором ошибки, возникающие за счет перекрытия характеристик ПФ устраняются путем вычитания из выходных сигналов ФНЧ A(ƒ, t) корректирующего сигнала А(ƒ, t), отличающийся тем, что корректирующий сигнал A(ƒ, t) вычисляется как сумма вкладов в i-й канал соседних j=i±m каналов с весовыми коэффициентами , постоянную времени ФНЧ τ увеличивают так, чтобы сохранить требуемый относительный уровень пульсаций в разностном сигнале A(ƒ, t) - A(ƒ. t), а для того чтобы это увеличение не приводило к росту времени установления разностного сигнала, вычитание корректирующего сигнала производится с задержкой Δt, равной произведению постоянной времени ФНЧ τ на логарифм отношения амплитуд A(ƒ, t) и A(ƒ, t), которая определит время установления выходного сигнала анализатора
Фиг. 1 представляет блок-схему анализатора, реализованного по предлагаемому способу. Δt - задержка, вводимая в корректирующий сигнал.
вых
i
1
i
2
i
Фиг. 2 поясняет формирование выходного сигнала А(ƒ, t) как разности сигналов A(ƒ, t) и A(ƒ, t).
1
i
вых
i
i-1
i
i+1
2
i
Фиг. 3 показывает временной ход сигналов A(ƒ, t) и A(ƒ, t) при ƒ, ƒ и ƒ без введения задержки в сигнал A(ƒ, t)
Фиг. 4 показывает временной ход этих сигналов при введении задержки.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
2
i
Корректирующий сигнал A(ƒ, t) образуется путем вычисления сглаженного распределения по оси частот выходных сигналов ФНЧ
i
ij
вых
i
1
i
2
i
где  - амплитуда на выходе ФНЧ i-того канала, ƒ - центральная частота i-го ПФ, τ постоянная времени ФНЧ, w - функция связи, определяющая вклад j-го канала в i-й, m - радиус связей i-го канала. Выходной сигнал анализатора A(ƒ, t) представляет собой разность выходных сигналов A(ƒ, t) и задержанных корректирующих сигналов A(ƒ, t), т.е.
где
y
Покажем, что задержку Δt можно выбрать так, что время установления выходного сигнала анализатора t будет равно величине этой задержки. В соответствии с (1)
при t>Δt
Таким образом, при t>Δt для i-го канала,
*
Если выбрать задержку Δt из условия ,
*
то при Δt=Δt второе слагаемое в выражении (3) обращается в ноль и, следовательно, сигнал на выходе i-того канала достигает установившегося значения, т.е. время установления выходного сигнала будет равно
1
1
i
2
Покажем, что при таком выборе задержки величина пульсаций практически не возрастает. Пусть постоянная времени ФНЧ равна τ, тогда коэффициент пульсаций сигнала A(ƒ, t) с периодом Т приближенно равен  а время установления . Увеличим постоянную времени ФНЧ до величины τ, вычислим корректирующий сигнал и введем задержку , тогда время установления будет равно . Оценим в этом случае амплитуду пульсаций в выходном сигнале
1
2
Потребовав равенства λ=λ, получим:
1
2
Если τ>>Т и τ>>Т, то
Если амплитуда корректирующего сигнала, поступающего на i-й канал, по величине близка к амплитуде выходного сигнала фильтров ФНЧ, т.е.
, то .
1
2
Таким образом, при введении задержки в корректирующий сигнал сохранение уровня пульсаций, т.е. выполнение условия λ=λ не приводит к увеличению времени установления: .