СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ Российский патент 2010 года по МПК G01R23/16 

Описание патента на изобретение RU2399919C1

Изобретение относится к области систем обработки информации и измерительной технике и может быть использовано для определения спектрального состава периодического многочастотного сигнала при решении разнообразных задач передачи информации на расстоянии, контроля работоспособности электротехнических и электромеханических устройств.

Известен способ спектрального анализа периодических многочастотных сигналов, представленных цифровыми отсчетами [Патент РФ №2229725, МПК7 G01R 23/16, опубл. 12.11.2002], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в формировании опорного синусоидального сигнала, который многократно сдвигают по фазе относительно анализируемого сигнала. Для анализируемого периодического многочастотного сигнала a(ti) и опорного сигнала с амплитудой Bm, представленных отсчетами мгновенных значений для одних и тех же моментов времени tj=t1,t2,…,tN, где N - число разбиений на периоде Т,

находят точки совместного решения а(b0) при различных круговых частотах опорного сигнала ω0 и фазах опорного сигнала φ0. Строят вольтамперные характеристики и определяют их площадь FВАХ min, причем вывод о присутствии гармонической составляющей с круговой частотой ωk и фазой φk в анализируемом сигнале a(ti) делают исходя из условия FВАХ=0. Затем определяют максимальную площадь вольтамперной характеристики FВАХ max при φk=±90° и находят амплитуду К-й спектральной составляющей по формуле

где

ω1 - основная круговая частота.

Далее по значениям ωk, φk и Amk судят о спектральном составе анализируемого сигнала а(ti).

Недостатком известного способа является избыточное количество определений площади вольтамперных характеристик и, как следствие, большое время определения амплитуд, частот и фаз отдельных составляющих сигнала.

Задачей изобретения является создание способа спектрального анализа периодических многочастотных сигналов, позволяющего сократить время, необходимое для определения амплитуд, частот и фаз отдельных составляющих сигнала.

Это достигается тем, что в способе спектрального анализа многочастотных периодических сигналов, представленных цифровыми отсчетами, также как в прототипе, для анализируемого a(ti) и опорного b0(ti) сигнала, представленных отсчетами мгновенных значений одних и тех же моментов времени ti=t1,t2,…,tN, находят точки совместного решения a(b0) при различных круговых частотах опорного сигнала ω0k и фазах опорного сигнала φ0k, определяют их площадь QВАХ k.

Согласно изобретению анализируемый a(ti) и опорные синусный bsin0(ti) и косинусный bcos0(ti) сигналы задают отсчетами мгновенных значений, для одних и тех же моментов времени ti=t1,t2,…,tN, при

где Δt - шаг дискретизации;

N - количество точек отсчета за время выборки сигнала tN,

для заданного диапазона ω0…ω0k…ωn с заданным шагом Δω задают частоты ω0k в Рад/с, начиная с минимальной, затем одновременно определяют синусный bsin0(ti) и косинусный bcosQ(ti) опорные сигналы для заданной частоты ω0k

используя которые определяют синусную Qsink и косинусную Qcosk площади вольтамперной характеристики для точек совместного решения a(bsin0) и a(bcosQ) соответственно

определяют амплитуду заданной частоты

где частота в Гц,

и определяют фазу заданной частоты

После этого одновременно запоминают значения амплитуды Amk, фазы φk и частоты ωk0k и подают сигнал о задании следующей частоты ω0k+Δω, все действия для определения Amk и φk повторяют до достижения ω0kn, после чего подают сигнал о готовности результатов спектрального анализа, о спектральном составе сигнала судят по значениям Amk, φk, ωk.

Заявленный способ СА периодических многочастотных сигналов, представленных цифровыми отсчетами, имеет существенные преимущества, так как позволяет увеличить быстродействие спектрального анализа. Это реализовано за счет того, что нет необходимости поиска фазы сигнала путем подбора минимальной площади вольтамперной характеристики. Фазу сигнала заданной частоты определяют по соотношению двух опорных сигналов, поэтому только два раза определяют площадь вольтамперной характеристики. Кроме того, способ позволяет использовать всю имеющуюся длину массива анализируемого многочастотного сигнала и не привязан к знанию его периода.

На фиг.1 приведена аппаратная схема устройства, реализующего рассматриваемый способ спектрального анализа.

На фиг.2 приведена осциллограмма тестового анализируемого сигнала.

В табл.1 приведены параметры тестового анализируемого сигнала.

В табл.2 приведены результаты определения параметров тестового анализируемого сигнала по предложенному способу.

В табл.3 приведены результаты определения параметров тестового анализируемого сигнала по способу, выбранному в качестве прототипа.

Заявленный способ может быть осуществлен с помощью схемы (фиг.1), содержащей датчик анализируемого сигнала 1 (ДАС), который подключен к объекту исследования. К датчику анализируемого сигнала 1 (ДАС) последовательно подключены программатор определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ), первый датчик опорного сигнала 3 (ДОС1), первый программатор 4 (П1), второй программатор 5 (П2), который связан с дисплеем или ЭВМ (не показано на фиг.1). Программатор определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ) соединен с первым программатором 4 (П1), вторым программатором 5 (П2) и с вторым датчиком опорного сигнала 6 (ДОС2), который подключен к первому программатору 4 (П1).

В качестве датчика анализируемого сигнала 1 (ДАС) может быть использован датчик тока - промышленный прибор КЭИ-0,1 или датчик напряжения - трансформатор напряжения (220/5 В). Программатор определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ), датчики опорного сигнала 3 (ДОС1) и 6 (ДОС2), программаторы 4 (П1), 5 (П2) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. Для работы пользователя может быть предусмотрена кнопочная клавиатура FT008, имеющая 8 кнопок.

С выхода датчика анализируемого сигнала 1 (ДАС) анализируемый сигнал a(ti), заданный отсчетами мгновенных значений в моменты времени

t1,t2,…,ti,…,tN;

t2-t1=t3-t2=tN-tN-1=…=Δt;

,

где Δt - шаг дискретизации;

N - количество точек отсчета за время выборки сигнала tN,

поступает на вход программатора определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ). Для заданного диапазона ω0…ω0k…ωn с заданным шагом Δω частот в первом программаторе 4 (П1) последовательно задают частоты ω0k в Рад/с, начиная с минимальной, каждое передают на первый датчик опорного сигнала 3 (ДОС1), второй датчик опорного сигнала 6 (ДОС2) и на второй программатор 5 (П2). После получения первого значения частоты ω0k датчиками опорного сигнала 3 (ДОС1) и 6 (ДОС2), в первом датчике опорного сигнала 3 (ДОС1) определяют синусный опорный сигнал bsin0(ti), одновременно с этим во втором датчике опорного сигнала 6 (ДОС2) определяют косинусный опорный сигнал bcos0(ti) для заданной частоты ω0k и в моменты времени t1,t2,…,ti,…,tN

при этом длину массива N и шаг дискретизации Δt принимают равными соответствующим параметрам анализируемого сигнала a(ti). Затем полученные опорные сигналы bsin0(ti) и bcos0(ti) одновременно подают на программатор определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ), где определяют синусную Qsink и косинусную Qcosk площади вольтамперной характеристики для точек совместного решения a(bsin0) и a(bcos0) соответственно

определяют амплитуду заданной частоты

где - частота в Гц,

и определяют фазу заданной частоты

.

Сразу поле этого из программатора определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ) значения амплитуды Amk и фазы φk передают на второй программатор 5 (П2), а сигнал о задании следующей частоты ω0k+Δω на первый программатор 4 (П1). После этого одновременно во втором программаторе полученные значения амплитуды Amk и фазы φk запоминают вместе со значением ωk0k из первого программатора 4 (П1), а из первого программатора 4 (П1) передают следующее значение частоты ω0k+Δω на первый датчик опорного сигнала 3 (ДОС1), второй датчик опорного сигнала 6 (ДОС2) и на второй программатор 5 (П2). Все действия для определения Amk и φk повторяют до достижения ω0kn. После достижения ω0kn на выход второго программатора 5 (П2) подают сигнал о готовности результатов спектрального анализа, о спектральном составе сигнала судят по значениям Amk, φk, ωk и их либо передают на ЭВМ.

Для проверки работоспособности предложенной процедуры провели спектральный анализ тестового сигнала тока по способу, указанному в качестве прототипа, и по предложенному способу. В качестве тестового сигнала взят простой гармонический сигнал тока, параметры которого приведены в табл.1

.

Т.к. в способе, выбранном в качестве прототипа, есть привязка к периоду анализируемого сигнала, рассчитали массив мгновенных значений для N=200 точек с шагом дискретизации Δt=10-4 с, что соответствует периоду tN=T=0,02 с (осциллограмма тестового анализируемого сигнала приведена на фиг.2).

Сравнение по времени расчета будем проводить упрощенно, выбрав наиболее длительное действие - определение площади вольтамперной характеристики, которое выберем в качестве единицы времени (временем других операций можно пренебречь). Площади вольтамперной характеристики определяют по формулам

и

для прототипа и предложенного способа соответственно. Они практически равнозначны по времени обработки равнозначными цифровыми устройствами.

Тестовый сигнал a(ti) из датчика анализируемого сигнала 1 (ДАС) передали на вход программатора определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ). Для заданного диапазона 50·2π…150·2π Рад/с с заданным шагом Δω=50·2π Рад/с передали первую частоту ω01=50·2π Рад/с на первый датчик опорного сигнала 3 (ДОС1), второй датчик опорного сигнала 6 (ДОС2) и на второй программатор 5 (П2). В 3 (ДОС1) и 6 (ДОС2) определили синусный опорный сигнал bsin0(ti) и косинусный опорный сигнал bcos0(ti). Затем их передали на программатор определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ), где определяют синусную Qsin1=0,104 и косинусную Qcos1=62,823 площади вольтамперной характеристики.

Определяли амплитуду и фазу

Сразу поле этого из программатора определения амплитуды и фазы по вольтамперной характеристике 2 (АФВАХ) значения амплитуды Amk и фазы φk передают на второй программатор 5 (П2), а сигнал о задании следующей частоты на первый программатор 4 (П1). После этого во втором программаторе полученные значения амплитуды Am1=9,999 А и фазы φ1=-0,095° запоминают вместе со значением ω1=50·2π Рад/с из первого программатора 4 (П1), а из первого программатора 4 (П1) передают следующее значение частоты ω02=100·2π на первый датчик опорного сигнала 3 (ДОС1), второй датчик опорного сигнала 6 (ДОС2) и на второй программатор 5 (П2). Все действия для определения остальных Amk и φk повторяют до достижения ω0k=150·2π Рад/с. После чего на выход второго программатора 5 (П2) подали сигнал о готовности результатов спектрального анализа.

Результаты определения всех амплитуд, частот и фаз по предложенному способу приведены в табл.2. Также в данной таблице приведена информация о том, какое количество раз было проведено определение площади вольтамперной характеристики. Результаты определения всех амплитуд, частот и фаз по способу, выбранному в качестве прототипа, приведены в табл.3. Также в данной таблице приведена информация о том, какое количество раз было проведено определение площади вольтамперной характеристики и начальные параметры опорного сигнала. Таким образом, для анализа тестового сигнала способом, выбранным в качестве прототипа, требуется 174 раза определить площадь вольтамперной характеристики, а для предложенного способа 6 раз, что доказывает его быстродействие.

Таблица 1 Am, А 10 3 1 f, Гц 50 100 150 φ, град 0 60 -45

Таблица 2 Гармоника Результаты Количество расчетов QВАХ φk, град Amk, А 1-я (50 Гц) -0,1 9,999 2 раза (Qsin=0,104, Qcos=62,823) 2-я (100 Гц) 59,83 2,984 2 раза (Qsin=-32,419, QC0S=18,844) 3-я (150 Гц) -45,6 1,011 2 раза (Qsin=13,62, Qcos=13,324) Всего расчетов QВАХ 6 раз

Таблица 3 Гармоника Параметры опорного сигнала Результаты Количество расчетов QВАХ φk, град Amk, А 1-я (50 Гц) φ0=-180,-179…180 0, Bm=1 0 9,999 4 раза (QВАХ min=0,052,
QВАХ max=31,412)
2-я (100 Гц) φ0=-180,-179…180°, Bm=1 60 2,984 32 раза (QВАХ min=0,055,
QВАХ max=18,749)
3-я (150 Гц) φ0=-180,-179…180°, Bm=1 -46 1,011 138 раз (QВАХ min=-0,061,
QВАХ max=9,526)
Всего расчетов QВАХ 174 раза

Похожие патенты RU2399919C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ 2008
  • Гольдштейн Ефрем Иосифович
  • Радаев Евгений Валерьевич
RU2379697C1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ИНТЕРГАРМОНИКИ И ЗАДАННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ 2007
  • Радаев Евгений Валерьевич
  • Гольдштейн Ефрем Иосифович
RU2360260C1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ИНТЕРГАРМОНИКИ И ЗАДАННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ 2007
  • Радаев Евгений Валерьевич
  • Гольдштейн Ефрем Иосифович
  • Бацева Наталья Ленмировна
RU2335778C1
Способ спектрального анализа многочастотных периодических сигналов с использованием компенсации комбинационных составляющих 2019
  • Белогуров Владимир Александрович
  • Золотарев Владимир Алексеевич
RU2730043C1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКОГО МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА 2002
  • Гольдштейн Е.И.
  • Бацева Н.Л.
RU2229725C1
Способ оценки фаз многочастотных периодических сигналов в условиях наличия помех с использованием компенсации шумов преобразования 2020
  • Белогуров Владимир Александрович
  • Золотарев Владимир Алексеевич
RU2740790C1
Способ определения наличия в сигнале гармоник, длительность которых превышает установленное значение 2023
  • Золотарев Владимир Алексеевич
RU2821216C1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА СЛОЖНЫХ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ 2002
  • Аврамчук В.С.
  • Гольдштейн Е.И.
RU2229139C1
Способ выделения речевого сигнала с использованием временного анализа спектра аддитивной смеси сигнала и акустических помех 2022
  • Белогуров Владимир Александрович
  • Золотарев Владимир Алексеевич
RU2786547C1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА МНОГОЧАСТОТНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ 2003
  • Аврамчук В.С.
  • Гольдштейн Е.И.
RU2229140C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 399 919 C1

Реферат патента 2010 года СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ

Заявленное изобретение относится к области систем обработки информации и измерительной технике и может быть использовано для определения спектрального состава периодического многочастотного сигнала. Особенностью изобретения является то, что анализируемый a(ti) и опорные синусный bsin0(ti) и косинусный bcos0(ti) сигналы задаются отсчетами мгновенных значений для одних и тех же моментов времени ti=t1, t2, …, tN, затем одновременно определяют синусный bsin0(ti) и косинусный bcos0(ti) опорные сигналы для заданной частоты ω0k. Затем определяют синусную Qsink и косинусную Qcosk площади вольтамперной характеристики для точек совместного решения a(bsin0) и a(bcos0). А также одновременно запоминают значения амплитуды Аmk фазы φk и частоты ωk0k. Подают сигнал о задании следующей частоты ω0k+Δω. Все действия для определения Amk и φk повторяют до достижения ω0kn. Техническим результатом от применения заявленного способа является сокращение времени, необходимого для определения амплитуд частот и фаз отдельных составляющих сигнала. 2 ил., 3 табл.

Формула изобретения RU 2 399 919 C1

Способ спектрального анализа многочастотных периодических сигналов, представленных цифровыми отсчетами, заключающийся в том, что для анализируемого a(ti) и опорного b0(ti) сигналов, представленных отсчетами мгновенных значений одних и тех же моментов времени ti=t1, t2, …, tN, находят точки совместного решения а(b0) при различных круговых частотах опорного сигнала ω0k и фазах опорного сигнала φ0k, определяют их площадь QBAX k, отличающийся тем, что анализируемый и опорные синусный bsin0(ti) и косинусный bcos0(ti) сигналы задают отсчетами мгновенных значений, для одних и тех же моментов времени ti=t1, t2, …, tN, при

где Δt - шаг дискретизации;
N - количество точек отсчета за время выборки сигнала tN,
для заданного диапазона ω0…ω0k…ωn с заданным шагом Δω задают частоты ω0k в Рад/с, начиная с минимальной, затем одновременно определяют синусный bsin0(ti) и косинусный bcos0(ti) опорные сигналы для заданной частоты ω0k


используя которые определяют синусную Qsin k и косинусную Qcos k площади вольтамперной характеристики для точек совместного решения a(bsin0) и a(bcos0) соответственно


определяют амплитуду заданной частоты

где - частота, Гц,
и определяют фазу заданной частоты

после этого одновременно запоминают значения амплитуды Аmk, фазы φk и частоты ωk0k и подают сигнал о задании следующей частоты ω0k+Δω, все действия для определения Аmk и φk повторяют до достижения ω0kn, после чего подают сигнал о готовности результатов спектрального анализа, о спектральном составе сигнала судят по значениям Amk, φk, ωk.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2399919C1

Туннельная погрузочная машина 1950
  • Иванов В.А.
  • Кузьмичев А.Т.
  • Полухин В.К.
  • Салов С.Ф.
SU89243A1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКОГО МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА 2002
  • Гольдштейн Е.И.
  • Бацева Н.Л.
RU2229725C1
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР 0
  • А. И. Скурлатов
SU359659A1
Анализатор спектра сигналов инфранизкой частоты 1978
  • Штейнберг Григорий Яковлевич
SU789881A1
СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПЕРИОДИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ИНТЕРГАРМОНИКИ И ЗАДАННЫХ ЦИФРОВЫМИ ОТСЧЕТАМИ 2007
  • Радаев Евгений Валерьевич
  • Гольдштейн Ефрем Иосифович
  • Бацева Наталья Ленмировна
RU2335778C1

RU 2 399 919 C1

Авторы

Гольдштейн Ефрем Иосифович

Радаев Евгений Валерьевич

Даты

2010-09-20Публикация

2009-05-18Подача