Спосіб визначення періоду гармонічного сигналу

Изобретение относится к информационноизмерительной технике и может быть использовано по прямому назначению в периодомерах-частотомерах, анализаторах спектра и т.д. при измерении периода и частоты зашумленных гармонических и других периодических сигналов искаженной формы. Известен способ определения периода электрических сигналов [1], основанный на выделении временных интервалов, равных периоду, по моментам перехода исследуемых сигналов через нулевой или опорные уровни в положительном (или отрицательном) направлении, с последующей обработкой результатов измерений. Известному способу присуща недостаточная точность измерения, обусловленная влиянием шумов и высших гармоник на процесс выделения измеряемых временных интервалов. Кроме того отсутствуют какие-либо критерии, ограничивающие во времени процесс измерения и получения требуемого числа результатов измерений, обработка которых обеспечит получение значения периода с заданной точностью при минимальных затратах времени, Последние особенно существенны при измерении периода низкочастотных и инфранизкочастотных сигналов. Известен способ определения периода электрических сигналов [2], выбранный нами в качестве прототипа и заключающийся в поочередном выделении временных интервалов, ограниченных снизу и свер ху, характеристическими моментами времени и с последующим измерением и обработкой полученных результатов по определенному выражению. Известному способу присуща недостаточная точность измерения, обусловленная влиянием шумов и высших гармоник на формирование временных интервалов, равных периоду, по моментам перехода исследуемого сигнала через опорные уровни в положительном или отрицательном направлениях. В результате воздействия шумов и высших гармоник имеет место отклонение характеристических моментов времени и от своих истинных местоположений. Кроме того, из-за случайного характера шумов с неизвестным законом распределения шумового напряжения трудно определить требуемое число измерений обеспечивающее после обработки получение значения периода с заданной точностью. Это обусловлено тем, что при определении периода исследуемого сигнала не используются какиелибо критерии (например, по дисперсии или среднеквадратическому отклонению), оценки требуемого числа измерений или значения временного интервала, соответствующее определяемому периоду. От значения зависит и общее время измерения. Последнее особенно существенно при измерении периода электрических сигналов в диапазоне низких и инфракрасных частот. Целью изобретения является повышение точности определения периода электрического сигнала искаженной формы. Сущность изобретения поясняется эпюрами напряжений, приведенными на чертеже (фиг.), и заключается в следующем. В основу предложенного способа положено использование статистической меры для оценки периода гармонического сигнала. В качестве статистической меры предложено использовать нормированную автокорреляционную функцию гармонического сигнала. При этом вводится понятие "характеристических моментов времени", т.е. моментов времени, в которые нормированная автокорреляционная функция исследуемого сигнала равна единице с заданной точностью измерения. Характеристические моменты времени ограничивают сверху и снизу временные интервалы равные (с заданной точностью) периоду гармонического сигнала, и статистически достоверно характеризуют границы указанных временных интервалов. Согласно предложенному способу до выделения характеристических моментов времени выбирают частоту дискретизации гармонического сигнала в 1,8 × 101 … 3,6 × 103 раз большей частоты его основной гармоники. Обычно частоту дискретизации выбирают кратной целому числу периодов высшей гармонической составляющей исследуемого сигнала и в зависимости от требуемой точности выделения периода. Генерируют периодическую последовательность пар коротких импульсов (фиг.1,б) следующи х в моменты времени и частотой дискретизации и сдвин уты х относительно друг друга на интервал времени в раз меньший высшей периода гармонической составляющей исследуемого сигнала Это связано с необходимостью подавления гармонических составляющих с номером, равным а также высокочастотных помех и наводок с частотами в 1 ... 100 раз большими частоты гармонической составляющей исследуемого сигнала. В моменты времени и появления периодической последовательности пар коротких импульсов измеряют амплитудные значения пар выборок из гармонического сигнала Задают априори предыдущее значения периода основной гармоники гармонического сигнала, т.е. (при и его среднее значение С по моменты времени дискретно определяют, с учетом значений и текущие значения нормированной автокорреляционной функции и средние значения гармонического сигнала. Для этого вначале определяют (с момента времени, где текущее значение автокорреляционной функции гармонического сигнала по выражению Причем где - число измерений мгновенных значений гармонического сигнала, определяемое по заданному условию; - предыдущее значение периода, которое при равно т.е. - интервал времени задержки, в меньший периода гармоники; раз среднее значение предыдущи х результатов, дискретных измерений автокорреляционной функции; дискретное функции; значение - последующее автокорреляционной - мгновенные значения гармонического сигнала, взятые в моменты времени соответственно. Одновременно с момента времени определяют текущее среднее значение квадрата модуля мгновенного значения гармонического сигнала по выражению где - среднее значение квадратов модулей мгновенных значений гармонического сигнала, и - предыдущее и последующее мгновенное значения гармонического сигнала, взятые в и моменты времени соответственно. Одновременно с определением с момента времени определяют также квадрат модуля среднего значения сигнала а затем усредненное значение квадрата модуля среднего значения сигнала по выражениям где - предыдущее среднее значение электрического сигнала, причем при т.е. значение устанавливается заранее при где - среднее значение предыдущи х значений квадрата модуля среднего значения сигнала, - текущее значение квадрата модуля среднего значения сигнала. На основании полученных данных (3) ... (6) определяют текущее значение нормированной автокорреляционной функции гармонического сигнала начальные значения и (при и задают, как уже отмечалось, априори, до проведения измерений. Одновременно с момента времени измеряют текущие значения временного интервала который ограничивают сверху моментом времени равенства единице текущего значения нормированной автокорреляционной функции, т.е. при Результаты измерений и запоминают в момент времени и используют в следующем такте определений значений (3) и измерения периода с по моменты времени аналогичным образом вновь измеряют амплитудные значения пар выборок. Затем с учетом полученных значений и определяют очередные текущие значения и измеряют новые текущие значения временного интервала В характеристический момент времени равенства единицы нормированной автокорреляционной функции, т.е. при запоминают соответствующие значения и Итерационный процесс измерения значений амплитуд выборок, временных интервалов и средних значений гармонического сигнала за эти интервалы времени повторяют аналогичным образом раз до получения требуемой точности измерений. После окончания тактов измерений о значении периода гармонического сигнала судят по выражению где - число тактов измерений; - среднее значение предыдущи х результатов измерений; - среднее значение результатов измерений, - текущее значение периода. При повторном определении периода гармонического сигнала в качестве используют полученные значения и (8) и (6), т.е. В отличие от известных в предложенном техническом решении повышение точности достигается за счет исключения влияния высших гармоник, случайных помех и шумов на результат определения периода. Это обеспечивается путем такой обработки мгновенных значений исследуемого сигнала, при котором определяются дополнительные информативные параметры сигнала определяют и совокупный По ним информативный параметр который статистически достоверно характеризует границы временных интервалов В отличие от известных способов, в предложенном текущие значения информативных параметров обрабатываются по алгоритмам текущего усреднения, которые обеспечивают уменьшение случайной составляющей погрешности измерения в раз. Кроме того за "меру", характеризующую границы временных интервалов выбрано равенство единицы нормированной автокорреляционной функции гармонического сигнала. Повышение точности определения периода достигается также за счет предварительного задания значений и и использования измеренных значений и в последующих тактах измерений. Такая итерационная процедура дополнительно обеспечивает повышение точности. Если известные способы обеспечивают повышение точности определения периода за счет статистической обработки в раз, то предложенный способ - в раз. Все это отличает предложенный способ от известных. Таким образом, предложенная совокупность и последовательность операций предложенного способа определения периода гармонических сигналов обеспечивает достижение цели изобретения.