18.5. Автоматические коррелометры реального времени (или мультикоррелометры)

Коррелометры такого типа, как и описанные выше, автоматически и одновременно дают значения корреляционной функции в точках, соответствующих различным задержкам. Названы они так потому, что используют всю информацию, содержащуюся в сигнале. Коррелометр реального времени эквивалентен параллельно работающим одноканальным коррелометрам, каждый из которых вычисляет одно значение корреляционной функции, соответствующее одному значению задержки. На рис. 18.4 приведена схема выборки и дальнейшего использования сигналов, из которой видно, что в отличие от коррелометров на линии (рис. 18.3) дискретизация обоих сигналов происходит с одной и той же частотой

При современном уровне технологии наиболее сложной для реализации является операция временного сдвига, которая преобразует функцию При этом необходимо без потери сигнала одновременно организовать выполнение такого числа операций временного сдвига, которое соответствует числу точек, в которых вычисляется корреляционная функция. Очевидно, что любые механические средства (магнитные ленты переменной длины, устройства перемещения магнитных головок и т. д.) для этого непригодны.

Выполнение операции временного сдвига в аналоговой форме в настоящее время вызывает большие трудности, так как элементы задержки существенно искажают спектр задерживаемого сигнала и, кроме того, невозможно произвольно менять время задержки из-за жестко устанавливаемой величины

минимальной (элементарной) задержки. Напротив, если задерживаемый сигнал представлен в цифровой форме (с помощью дискретизации и квантования), то импульсы, представляющие сигнал, легко задержать. Для этого используется классическая схема (сдвиговый регистр), реализуемая на полупроводниковых элементах, ферритовых сердечниках, магнитострикционных линиях задержки и т. д., а также, что наиболее важно, на интегральных микросхемах.

Рис. 18.4.

Величина времени интегрирования Т, необходимая для получения корреляционной функции с заданной точностью, является функцией величины спектрального диапазона сигнала (а не наиболее низкой частоты в спектре сигнала, как часто ошибочно считают), поэтому полезно рассмотреть два случая:

• Сигналы очень низкой частоты. Эти сигналы имеют узкий спектральный диапазон, требуют очень большого времени интегрирования (иногда многие часы) и их легче и надежнее интегрировать цифровыми методами.

• Сигналы более высоких частот. Для них, кроме весьма специальных случаев, величина спектрального диапазона будет больше и требуемые времена интегрирования намного короче. В этом случае интегрирование может быть заменено аналоговой низкочастотной фильтрацией.

Соответственно будут рассмотрены две основные

разновид ности автоматических коррелометров реального времени. Важно отметить, что при современной технологии такие коррелометры могут быть созданы без особых трудностей только благодаря использованию определенных свойств, о которых говорилось выше (разд. 10.2).

Примечание. Мы говорили выше о двух основных типах автоматических коррелометров:

• коррелометры на линии, в которых для получения корреляционной функции в точках производится дискретизация одного из сигналов с частотой, в раз меньшей, чем другого;

• коррелометры реального времени, в которых проводится дискретизация обоих сигналов с одинаковой частотой.

Возможны также промежуточные типы коррелометров, в которых для вычисления значений корреляционной функции в точках дискретизация одного из сигналов производится с частотой, в раз меньшей, чем другого, где . Подобные устройства могут в некоторых случаях (сигналы с широким спектральным диапазоном) обеспечить компромисс между точностью измерения корреляционной функции и стоимостью прибора и, возможно, имеют определенное будущее.

Цифровой автоматический коррелометр реального времени для низкочастотных сигналов (от нуля до нескольких тысяч герц) [4].

Принцип действия. На рис. 18.5 приведена блок-схема прибора. Две величины подаются на входы двух аналого-цифровых преобразователей и в результате процессов дискретизации и квантования входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательность -разрядных цифровых кодов цифровых разряда и 1 знаковый). Величина соответствующая первому элементу выборки сигнала поступает в измерительную память и хранится в ее первой ячейке. Величина соответствующая второму элементу выборки сигнала хранится во второй ячейке измерительной памяти и т. д., пока величина не запомнится в ячейке. Затем в прибор поступает величина соответствующая элементу выборки сигнала Умножитель вычисляет произведение и посылает его в интегрирующую память, где оно хранится в нулевой ячейке, предназначенной для хранения значения корреляционной функции при задержке Затем то же значение умножается на предыдущую величину и результат передается в 1-ю ячейку интегрирующей памяти, которая предназначена для хранения значения корреляционной функции в точке то же время в измерительной памяти происходит сдвиг: величина занимает место, ранее занимаемое величиной Затем величина умножается на и результат передается во вторую ячейку интегрирующей памяти, которая предназначена для хранения значения

корреляционной функции в точке этом происходит следующий сдвиг: занимает место, ранее занимаемое элементом Цикл повторяется до тех пор, пока не будут перемножены величины и их произведение не будет записано в ячейку интегрирующей памяти, которая предназначена для хранения значения корреляционной функции в точке Величина при этом занимает место величины которая в вычислениях больше не участвует и теряется.

Рис. 18.5. (см. скан)

Следующий цикл начинается с поступления величин Элемент записывается в ячейку измерительной памяти, оставшуюся свободной после сдвига элемента на место Затем все операции повторяются заново: произведение величин прибавляется к содержимому нулевой ячейки интегрирующей памяти, добавляется к содержимому 1-й ячейки и т. д. до тех пор, пока произведение величин не добавится к содержимому ячейки интегрирующей памяти. Так повторяется в течение всего времени Т измерения корреляционной функции.

Различные виды электронной памяти, используемые в схеме, выполняются на сдвиговых регистрах в интегральном исполнении по технологии МОП-БИС.

Замечание относительно кодирования сигналов. Улучшить статистическую точность прибора для случая большого числа точек, в которых вычисляется корреляционная функция, можно

добавлением псевдошумов к случайным сигналам на входах: коррелометра (разд. 10.5).

Характеристики коррелометра. Динамический диапазон интегрирования. При интегрировании в цифровом виде дополнительных ошибок не возникает для любых времен интегрирования Т. Отсюда следует, что динамический диапазон интегрирования очень велик: он составляет

Частота дискретизации определяется скоростью, с которой коррелометр способен обрабатывать последовательные элементы выборки по мере их поступления. Если корреляционная функция измеряется в точках, то между выборкой двух последовательных элементов необходимо выполнить сдвигов, перемещений, умножений и сложений. Обозначим через время, необходимое для выполнения последовательности операций сдвига, перемещения, умножения и сложения. Тогда длительность одного цикла равна . В данном случае типичная; величина равна 950 нс, поэтому для имеем

При работе в реальном времени частота соответствует частоте Шеннона, поэтому максимальная частота в спектре обрабатываемого сигнала не должна превышать 2000 Гц.

Примечание 1. Для визуального отображения корреляционной функции необходимо производить дискретизацию сигналов с частотой, более чем раза превышающей максимальную частоту в спектре сигнала, так как глаз не способен интерполировать.

Рис. 18.6.

Если же корреляционная функция используется как промежуточный результат для дальнейших вычислений, то можно производить дискретизацию на частоте Шеннона, а частотный предел прибора находится около 2000 Гц (для 256 точек). На рис. 18.6 приведено изображение корреляционной функции на экране электронно-лучевой трубки.

Примечание 2. При желании на коррелометрах такого типа можно работать с сигналами и более высокой частоты. Для этого их необходима использовать не в режиме реального времени, а на линии (разд 114) и частота дискретизации может доходить до

Начало отсчета. Коррелометр реального времени может измерять корреляционные функции в пределах от 0 до или от до

Представление результатов. Результаты измерения корреляционных функций хранятся в электронной памяти и могут быть выведены на экран электронно-лучевой трубки, на графопостроитель или самописец, на перфоленту или печатающее устройство.

Рис. 18.7.

Кроме того, для дальнейшей обработки их можно подать на ЭВМ или устройство фурье-преобразования.

Быстрый цифровой коррелометр для высокочастотных сигналов [4а].

В этом типе коррелометра используются отдельные умножители для вычисления каждой точки корреляционной функции и более быстродействующие интегральные микросхемы, которые обеспечивают получение гораздо более высокой максимальной частоты дискретизации. Такой коррелометр создан в Лаборатории электроники и информационной техники Центра ядерных исследований в Гренобле для Центра физических исследований окружающей среды (Laboratoire d’Electronique etde Technologie de 1’Informatique (LETI) •- du Centre d’Etudes. Nucleaires de Grenoble, pour le Centre de Recherches Physiques de 1’Environnement terrestre et planetaire (CRPE)). Корреляционная функция вычисляется в 256 точках, частота дискретизации

Рис. 18.8. (см. скан)

доходит до 16 МГц.

На рис. 18.7 показана плата, с помощью которой измеряются 8 значений корреляционной функции, а на рис. 18.8 прибор показан целиком.

Современная технология позволяет реализовать любые промежуточные варианты и добиться желаемого компромисса между характеристиками приборов и их стоимостью для коррелометров низкочастотных и высокочастотных сигналов.

Коррелометры для сигналов средних и высоких частот [5, 6].

Принцип действия. Как и в предыдущем случае, необходимо получить значения корреляционной функции

одновременно для большого количества значений задержки т. Сигналы уже не являются сигналами очень низкой частоты с узкой спектральной полосой (кроме весьма специального случая, который здесь не рассматривается). Ширина полосы предполагается равной или большей 10 Гц. В этих условиях время интегрирования невелико. Если, например, ширина спектральной полосы Гц, то по формуле (9.37) для -ной точности измерения корреляционной функции имеем

Для ширины спектральной полосы Гц достаточно уже 17 с для интегрирования. В этом случае цифровые методы интегрирования не имеют никаких преимуществ перед простой аналоговой низкочастотной фильтрацией (называемой также скользящим усреднением) с постоянной времени Т:

где в процессе измерения Длительности сигналов должны быть больше постоянной интегрирования Т (для низкочастотного фильтра длительность сигналов по крайней мере в 10 раз должна превышать Т). Если сигналы (или один из них) нестационарны, то корреляционная функция будет зависеть от времени На рис. 18.9 показан принцип получения корреляционной функции.

Все операции над входными сигналами, включая получение результата, выполняются в аналоговом виде. Исключение составляет только операция задержки сигнала которая требует его цифрового кодирования, другой же сигнал не подвергается кодированию и остается в аналоговой форме.

Рис. 18.9. (см. скан)

Поскольку прибор предназначен для обработки высокочастотных сигналов, необходимо предусмотреть не только последовательную, но и параллельную работу умножителя и интегратора. На рис. 18.10 приведена блок-схема такого коррелометра. Он состоит из параллельно соединенных элементов, каждый из которых измеряет одно значение корреляционной функции. Элементы задержки соединены последовательно. Реализация задержки в цифровом виде позволяет получить значения

коррелядионной функции в любом числе точек без всяких ограничений.

Кодирование задержанного сигнала. Для этой цели применяется кодирование типа «амплитуда — время», т. е. амплитуда сигнала преобразуется в длительность импульса постоянной амплитуды с периодом повторения Те. Это осуществляется с помощью классической процедуры, которая состоит в сравнении текущего значения сигнала с линейно или квазилинейно возрастающей функцией (ступенчатой, пилообразной) в интервале изменения сигнала

Рис. 18.10. (см. скан)

На рис. 18.11 приведена временная диаграмма такого преобразования. Каждый интервал длительностью Те оказывается заполненным двумя импульсами с длительностями такими, что

Именно эти импульсы с длительностями посылаются на сдвиговый регистр, который осуществляет их задержку.

(кликните для просмотра скана)

Умножение-интегрирование (рис. 18.12). На входы коммутатора поступают аналоговые сигналы в противофазе. Управление коммутатором осуществляется по входу А прямоугольными сигналами с частотой повторения Те (разд. 18.5). Выход С попеременно подключается к входу В на время затем к входу В на время Если и если сигнал мало изменяется в течение времени , то среднее значение напряжения за время Те равно нулю (случай ). В общем случае на выход будут поступать импульсы с частотой амплитудами и длительностями Легко показать, что средние значения напряжений этих импульсов за время Те составляют

Интегрирование с постоянной времени Т дает среднее значение произведения за время Т, что и требовалось получить.

Задержка. Сигналы на выходе устройства кодирования представляют собой импульсы длительностью с двумя значениями амплитуды, которые можно обозначить Задержку таких импульсов легко осуществить с помощью обыкновенного сдвигового регистра. Для того чтобы иметь различных задержек необходимо использовать (-разрядный сдвиговый регистр, у которого на рабочей частоте выходы каждого из разрядов представляют собой необходимых задержек.

Если перед сдвиговым регистром поместить линию с постоянной задержкой, в качестве которой может служить также сдвиговый регистр (К-разрядный), то можно изменить пределы измерения корреляционной функции, которые в этом случае будут равны и вместо 0 и для предыдущего случая.

Замечание 1. В описании работы устройства кодирования задержанного сигнала и устройства умножения-интегрирования было дано «детерминистическое» описание работы коррелометра. Стохастическое описание работы этого прибора дано в разд. 10.5.

Замечание 2. В коррелометрах такого типа на один из входов коммутатора поступает аналоговый случайный сигнал а на другой вход — величина которая может быть представлена в виде

где — пилообразная функция, причем величина дискретизована с частотой с помощью специального

устройства с временным окном . В результате вместо корреляционной функции

вычисляется функция (разд. 9.8)

что эквивалентно прохождению сигнала через частотный фильтр с характеристикой . В большинстве практических случаев это не является помехой, но помнить об этом необходимо всегда. От этого эффекта можно избавиться (разд. 9.5), производя дискретизацию сигнала так же, как и сигнала .

Другое решение, которое можно предложить для коррелометров подобного типа, состоит в организации процесса дискретизации незадержанного сигнала и его цифрового кодирования (6—7 двоичных разрядов). Если полученный цифровой сигнал задержать на время при помощи сдвигового регистра, то можно получить значения корреляционной функции не только для положительных, но и для отрицательных значений т. Действительно, для точки корреляционной функции соответствующее значение задержки будет составлять

Рис. 18.13.

Устройства вывода. Для вывода на различные устройства значений корреляционной функции появляющихся на выходах низкочастотных -фильтров, последние необходимо периодически опрашивать с помощью электронного коммутатора. Частота опроса зависит от типа устройства вывода:

• опрос с высокой частотой используется для вывода на экран электронно-лучевой трубки;

• опрос с низкой частотой используется для вывода на графопостроитель и цифровой вольтметр с печатающим устройством;

• опрос отдельных точек используется для контроля. И наконец, значения корреляционной функции могут быть записаны в

память для более длительного хранения.

Характеристики коррелометров. Число измеряемых точек корреляционной функции ограничивается только стоимостью радиоэлектронных компонент и вследствие этого обычно не превышает 100—200. Минимальный шаг изменения задержки, который ограничивает верхний предел спектрального диапазона обрабатываемых сигналов, связан с максимальной рабочей частотой сдвигового регистра. Что касается больших величин задержек, то шаг их изменения не ограничен. Увеличение его достигается просто уменьшением рабочей частоты сдвигового регистра. Однако при этом возрастает общее время интегрирования (постоянная времени низкочастотного фильтра) и соответственно возрастают трудности обработки сигналов в аналоговой форме. Время интегрирования обычно не должно превышать 100 с. Чтобы устранить это ограничение, иногда в коррелометрах подобного типа используют цифровую память и интегрирование проводят в цифровом виде, допускающем произвольные времена интегрирования.

На рис. 18.13 приведено изображение корреляционной функции на экране электронно-лучевой трубки. Представлена автокорреляционная функция электроэнцефалограммы, измеренная в три различных момента времени (рис. 18.9).