Способ адаптивного аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК H03M1/46 

Изобретения относятся к измерительной технике и предназначены для использования в автоматических системах контроля окружающей среды.

Известно [Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях / В 2-х томах. Пер. с франц. - М.: Мир, 1983. - Т. 1. - 312 с.], что при непосредственной дискретизации аналоговых сигналов возникает явление элиайзинга, если не выдерживается условие теоремы отсчетов Котельникова: максимальная частота f_m в спектре аналогового сигнала не должна превышать половины частоты дискретизации f_o. Элиайзинг приводит к погрешностям при восстановлении аналогового сигнала по дискретным отсчетам при любом методе интерполяции.

Процессы в окружающей среде обычно имеют бесконечные затухающие спектры. При их непосредственной дискретизации без специальных мер полное исключение элиайзинга невозможно, но возможно частичное исключение до некоторого заданного уровня.

Сигналы с ограниченным спектром обычно формируются в технических системах путем низкочастотной фильтрации и их непосредственная дискретизация возможна без элиайзинга за счет правильного выбора частоты дискретизации f₀.

Однако на локальных отрезках времени даже сигнал с ограниченным спектром не всегда содержит максимальную частоту, из значения которой устанавливается частота дискретизации. Следовательно, в такой последовательности отсчетов будет избыточность. Известны [Горелов Т.В. Нерегулярная дискретизация. - М.: Радио и связь, 1982. - 256 с.] способы адаптивной дискретизации сигналов с обнаружением существенных отсчетов по погрешности экстраполяции или интерполяции на основе нескольких отсчетов.

Эти способы учитывают суммарную погрешность дискретизации, включающую погрешность от элиайзинга и восстанавливающего фильтра (интерполятора).

Однако, при непосредственной дискретизации многих непрерывных сигналов (например, от окружающей среды), последовательность отсчетов поступает в канал передачи или регистрации данных, и восстановление непрерывного сигнала из нее выполняется разными потребителями, в разном масштабе времени, с разными требованиями по точности и, следовательно, разными восстанавливающими фильтрами (интерполяторами).

Если в последовательности отсчетов нет погрешности элиайзинга, то (согласно теореме отсчетов) непрерывный сигнал теоретически при бесконечном времени может быть восстановлен точно по интерполяционному ряду Котельникова.

Следовательно, при непосредственной дискретизации многих непрерывных сигналов, для максимального исключения избыточности отсчетов целесообразно избавиться от элиайзинга, а дальнейшее уменьшение погрешности дискретизации осуществлять при восстановлении за счет совершенствования интерполятора.

Известен [Колесников А.Г., Заикин В.М., Кушнир В.М. и др. Адаптивные измерения гидрофизических элементов в океане с использованием ЭЦВМ. - "Морские гидрофизические исследования", 1972. - №2. - С. 93-100] способ адаптивной дискретизации с установкой частоты дискретизации в зависимости от уровня дисперсии приращений дискретизированного сигнала. Однако, поскольку дисперсия аналогового сигнала с ограниченным частотой f_m спектром и дискретизированного с частотой f₀=2f_m сигнала совпадают (без элиайзинга), то любое уменьшение дисперсии дискретизированного сигнала за счет увеличения f₀ будет приводить к избыточной частоте дискретизации f₀ по сравнению с требованиями теоремы отсчетов. Это является недостатком способа, поскольку его использование приводит к загрузке каналов передачи и устройств регистрации избыточной информацией.

В основу заявленной группы из двух изобретений поставлена задача создания способа адаптивного аналого-цифрового преобразовании и устройства для осуществления этого способа, в каждом из которых совокупностью существенных признаков достигается новое техническое свойство - обеспечение контролируемого уменьшения или исключения погрешности дискретного представления сигнала из-за элиайзинга путем управления текущей частотой дискретизации. Указанное новое свойство обусловливает достижение единого технического результата для каждого из изобретений - обеспечение гарантированной заданной точности аналого-цифрового преобразования.

Аналог [Колесников А.Г., Заикин В.М., Кушнир В.М. и др. Адаптивные измерения гидрофизических элементов в океане с использованием ЭЦВМ. - "Морские гидрофизические исследования", 1972. - №2. - С. 93-100] наиболее близко совпадает с заявленным способом аналого-цифрового преобразования по совокупности признаков, поэтому он выбран в качестве прототипа.

Поставленная задача решается тем, что в способе адаптивного аналого-цифрового преобразования с управлением частотой дискретизации аналогового сигнала по контролю изменчивости цифрового сигнала новым является то, что сигналы управления на повышение и понижение частоты дискретизации устанавливают после сравнения с заданным извне допустимым значением амплитуды гармоники на частоте Найквиста, полученной цифровой фильтрацией одной гармоники из последовательности N цифровых отсчетов сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя непосредственной дискретизации, причем задаваемые извне число N отсчетов цифрового фильтра и допустимое значение амплитуды гармоники на частоте Найквиста устанавливают априорно при рациональном выборе значения допустимой погрешности от элиайзинга и значения интенсивности потока отсчетов на основании данных о модели спектра типовых преобразуемых сигналов.

Изобретение поясняется с помощью иллюстраций, на которых изображено:

Фиг. 1 - график амплитудных спектров дискретизированных сигналов для аналоговых сигналов с ограниченным чистотой f_m спектром(а), с отсутствием элиайзинга (а) и (в) и наличием элиайзинга (б) для аналоговых сигналов с неограниченным спектром и элиайзингом (г).

Фиг. 2 - структурная схема устройства аналого-цифрового преобразования с управляемой частотой дискретизации.

Суть изобретения состоит в следующем.

При аналого-цифровом преобразовании входной аналоговый сигнал х(t) переходит в последовательность цифровых отсчетов {x(k)} с временным интервалом Т на выходе. При этом для спектра дискретизированного сигнала имеет место равенство

где - спектр аналогового сигнала;

- частота дискретизации.

Если максимальная частота f_m в спектре аналогового сигнала не превышает частоты Найквиста f_H, т.е. половины частоты дискретизации то удовлетворяются требования теоремы отсчетов и элиайзинг отсутствует. Этот случай иллюстрируется на фиг. 1а.

Если f_H<f_m<f₀, то имеет место элиайзинг (фиг. 1б), который можно устранить повышением частоты дискретизации (фиг. 1в). Если аналоговый сигнал имеет бесконечный затухающий спектр (f_m → ∞), то имеет место элиайзинг, погрешность от которого можно уменьшить, увеличив частоту дискретизации до максимально возможной или целесообразной (фиг. 1г).

При этом во всех случаях наличие гармоники на частоте Найквиста в спектре дискретизированного сигнала свидетельствует о присутствии элиайзинга.

Амплитуда этой гармоники свидетельствует об уровне элиайзинга и связанной с ним погрешности восстановления аналогового сигнала по дискретным отсчетам при любом методе интерполяции.

Для вычисления амплитуды гармоники на частоте Найквиста воспользуемся дискретным преобразованием Фурье последовательности {x(k)} из N отсчетов.

Для комплексных амплитуд гармоник ряда Фурье справедливо

для амплитуды гармоники с частотой Найквиста получим при четном N

Значение N устанавливается из требований точности представления отрезка x(t) длиной рядом Фурье из N членов при использовании априорно принятой или/и экспериментально установленной модели спектра сигнала.

Управление частотой дискретизации f₀ состоит в ее понижении (для сокращения избыточных отсчетов) или повышении (для уменьшения погрешности от элиайзинга) так, чтобы вычисленное значение амплитуды гармоники на частоте Найквиста Х(f_H) равнялось априорно заданному значению, близкому к нулю для сигналов с ограниченным спектром или определенной величине X(f_H)_доп, которая характеризует допустимый уровень элиайзинга при установленной частоте дискретизации f₀.

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования сигнала с неизвестным спектром сначала устанавливается максимально достижимая или целесообразная частота дискретизации f_0max и необходимое число N отсчетов для фильтрации гармоники с частотой Найквиста f_H, вычисляется оценка амплитуды этой гармоники, далее действия зависят от значения этой оценки.

Если то частота дискретизации f₀ снижается до такого значения f_0m, при котором которое имеет место на частоте аналогового сигнала с ограниченным спектром. Поиск этой частоты можно осуществлять по-разному: равномерным ступенчатым понижением f₀ или ступенчатым формированием значений f₀ по принципу дихотомии: последовательному двоичному делению полосы частот, в которой находится частота f_m.

После определения f_m частота дискретизации устанавливается несколько больше 2f_m, т.е.

Для каналов преобразования сигналов со встроенными фильтрами низкой частоты (ФНЧ) до f_H значение одновременно будет безизбыточным и f_0max.

В рабочем режиме реальные сигналы могут иметь ограниченный спектр с частотами f_m, меньшими граничной частоты f_в встроенного ФНЧ, поэтому отслеживание частоты f_m в реальном масштабе времени целесообразно в диапазоне ниже f_в.

Если то имеет место неустраненный элиайзинг и его уровень характеризуется значением X(f_H)_доп. Это значение качественно свидетельствует о погрешности дискретизации от элиайзинга и может служить для получения количественных оценок при известной модели спектра сигнала.

Если допустимо повышение уровня элиайзинга до X(f_H)_доп, то возможно понижение частоты дискретизации до значения, при котором этот уровень будет достигнут.Текущее мгновенное значение частоты дискретизации f₀ устанавливается последующим интервалом T после вычисления Х(f_H) по N последним отсчетам, поэтому последовательности отсчетов на выходе аналого-цифрового преобразователя будут с неравномерными временными интервалами, поток существенных отсчетов.

При реализации предлагаемого способа отсчеты выходной последовательности для каналов передачи данных не в реальном масштабе времени или для регистрации необходимо привязывать по времени, что может выполняться присоединением к коду отсчета кода ширины последующего временного интервала.

Известны устройства, осуществляющие аналого-цифровое преобразование, в том числе адаптивную дискретизацию непрерывных сигналов [Картман С.М. Сокращение избыточности как практический метод сжатия данных. Пер. с англ.: ТИИЭР, 1967, Т. 55, №3, - С. 8-20], [Ольховский Ю.Б., Новоселов О.Н., Мановцев А.П. Сжатие данных при телеизмерениях. Под ред. В.В. Чернова. - М.: Сов. радио, 1971. - 304 с.]. Эти устройства обычно содержат аналого-цифровой преобразователь, управляемый генератор частоты дискретизации, интерполятор (экстраполятор), узел временной привязки отсчетов с таймером. В качестве прототипа выбрано типовое из таких устройств, адаптивное телеметрическое устройство [Авторское свидетельство СССР №538386. Адаптивное телеметрическое устройство. В.Я. Баржин и др. Опубл. в Бюл. №45, 05.12.1976], близкое по совокупности признаков к заявленному изобретению.

Прототип содержит задающий генератор, аналого-цифровой преобразователь и решающее устройство. Сходными с признаками заявленного устройства являются такие признаки прототипа: аналого-цифровой преобразователь непосредственной дискретизации с входом аналогового сигнала и входом синхронизации, узел временной привязки отсчетов, первый вход которого подключен к первому выходу аналого-цифрового преобразователя, у которого второй выход подключен к входу таймера, выход которого подключен к второму входу узла временной привязки отсчетов, и управляемый генератор частоты дискретизации, выход которого соединен с входом синхронизации аналого-цифрового преобразователя и входом таймера.

Недостатком прототипа является то, что оно реализует один заданный алгоритм сжатия и восстановления с заданной структурой, не разделяет погрешности дискретизации от элиайзинга и интерполяции и, следовательно, не гарантирует эффективное их подавление.

Задача изобретения решается тем, что в устройстве адаптивного аналого-цифрового преобразования новым является то, что оно дополнительно содержит цифровой фильтр одной гармоники, у которого первый вход подключен к первому выходу аналого-цифрового преобразователя, а второй вход - к внешнему входу установки числа отсчетов в памяти цифрового фильтра одной гармоники, регулятор, у которого первый вход подключен к выходу цифрового фильтра одной гармоники, второй вход - к внешнему входу установки допустимой величины амплитуды гармоники на частоте Найквиста, а выходы на повышение и на понижение частоты гармоники - соответственно к первому и второму входам управляемого генератора частоты дискретизации, выход которого дополнительно подключен к третьему входу цифрового фильтра одной гармоники, при этом первый выход аналого-цифрового преобразователя является также внешним выходом «естественного потока» существенных отсчетов, а выход узла временной привязки отсчетов является внешним выходом потока отсчетов с временной привязкой отсчетов.

Изобретение, как одно из возможных исполнений устройства для осуществления заявленного способа адаптивного аналого-цифрового преобразования, представлено на фиг. 2.

В состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП) непосредственной дискретизации, узел временной привязки отсчетов 2 (УВП), таймер 3 (Т), цифровой фильтр одной гармоники 4 (ЦФОГ), регулятор 5 (Р), управляемый генератор частоты дискретизации 6 (УГЧ).

АЦП 1 непосредственной дискретизации может быть любого типа с входом внешней синхронизации отсчетов. УВП 2 служит для присоединения к кодам отсчета кода текущего времени или ширины временного интервала дискретизации.

Таймер 3 предназначен для выработки и считывания кодов времени для привязки отсчетов, УГЧ 6 предназначен для выработки сигнала частоты дискретизации f₀ под внешним управлением на понижение или повышение, цифровой фильтр 4 служит для получения оценки амплитуды гармоники на частоте Найквиста по N отсчетам при текущей частоте дискретизации f₀. Регулятор 5 предназначен для выработки сигналов управления на понижение (-) или повышение (+) частоты дискретизации f₀ по результатам сравнения оценки амплитуды гармоники на частоте Найквиста с заданным извне допустимым значением X(f_H)_доп. Внешними входами-выходами устройства являются: вход аналогового сигнала x{t), соединенный с входом АЦП 1, вход кода числа N отсчетов фильтрации, поданный на соответствующий вход ЦФОГ 4, вход допустимого значения оценки амплитуды Х(f_H)_доп на частоте Найквиста, поданный на соответствующий вход регулятора 6, выход {х(k)} нерегулярного потока существенных отсчетов, выход {x(k,t)} отсчетов дискретизированного сигнала с временной привязкой, соединенный с выходом УВП 2. Кроме того, выход х(k) АЦП 1 соединен с входом ЦФОГ 4, выход которого подан на вход регулятора 5, выходы которого на повышение (+) и понижение (-) соединены с соответствующими входами генератора частоты дискретизации 6, выход частоты дискретизации f₀ которого подан на одноименный вход АЦП 1 и далее на вход таймера 3.

Устройство работает следующим образом. На вход ЦФОГ 4 поступает извне значение N числа отсчетов для фильтра одной гармоники, а на вход регулятора 5 поступает извне значение X(f_H)_доп допустимой амплитуды гармоники на частоте Найквиста. С выхода управляемого генератора частоты УГЧ 6 импульсы частоты дискретизации f₀ поступают на вход синхронизации АЦП 1, который выполняет преобразование значения аналогового сигнала x(t) в цифровой отсчет х(k), поступающий на вход ЦФОГ 4, выход {х(k)}и вход УВП 2 для временной привязки отсчетов и формирования последовательности {x(k,t)}, поступающей на внешний выход устройства. В ЦФОГ4 по N текущим отсчетам {x(k)} вычисляется по формуле (3) амплитуда гармоники на частоте Найквиста Х(f_H), значение которой поступает на вход регулятора 5, где сравнивается с величиной X(f_H)_доп. Если X(f_H)>Х(f_H)_доп, то регулятор 5 вырабатывает сигнал (+) на повышение частоты дискретизации f₀, если X(f_H)<Х(f_H)_доп, то регулятор 5 вырабатывает сигнал (-) на понижение частоты дискретизации f₀. Эти сигналы поступают на УГЧ 6, на выходе которого устанавливается новое значение частоты дискретизации f₀, поступающее далее на синхронизирующий вход АЦП 1, таймер 3 и ЦФОГ 4. Таким образом поддерживается нерегулярный поток цифровых отсчетов {x(k)} сигнала, содержащих только существенные отсчеты без избыточности и с гарантированной погрешностью от элиайзинга. Одновременно формируется асинхронный поток отсчетов {x(k,t)} c временной привязкой.

Группа изобретений относится к измерительной технике. Технический результат - обеспечение заданной точности аналого-цифрового преобразования за счет обеспечения контролируемого уменьшения или исключения погрешности дискретного представления сигнала путем управления частотой дискретизации. Для этого предложен способ аналого-цифрового преобразования с управлением частотой дискретизации аналогового сигнала по контролю изменчивости цифрового сигнала, который заключается в том, что сигналы управления на повышение и понижение частоты дискретизации устанавливают после сравнения с заданным допустимым значением амплитуды гармоники на частоте Найквиста, полученной цифровой фильтрацией одной гармоники из последовательности N цифровых отсчетов сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя. Причем задаваемые извне число N отсчетов цифрового фильтра и допустимое значение амплитуды гармоники на частоте Найквиста устанавливают априорно при рациональном выборе значения допустимой погрешности от элиайзинга и значения интенсивности потока отсчетов на основании данных о модели спектра типовых преобразуемых сигналов, а также предложено устройство для осуществления указанного способа. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ адаптивного аналого-цифрового преобразования с управлением частотой дискретизации аналогового сигнала по контролю изменчивости цифрового сигнала, отличающийся тем, что сигналы управления на повышение и на понижение частоты дискретизации устанавливают после сравнения с заданным извне допустимым значением амплитуды гармоники на частоте Найквиста, полученной цифровой фильтрацией одной гармоники из последовательности N цифровых отсчетов сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя непосредственной дискретизации, причем задаваемые извне число N отсчетов цифрового фильтра и допустимое значение амплитуды гармоники на частоте Найквиста устанавливают априорно при рациональном выборе значения допустимой погрешности от элиайзинга и значения интенсивности потока отсчетов на основании данных о модели спектра типовых преобразуемых сигналов.

2. Устройство для адаптивного аналого-цифрового преобразования, содержащее аналого-цифровой преобразователь непосредственной дискретизации с входом аналогового сигнала и входом синхронизации, узел временной привязки отсчетов, первый вход которого подключен к первому выходу аналого-цифрового преобразователя, у которого второй выход подключен к входу таймера, выход которого подключен к второму входу узла временной привязки отсчетов, и управляемый генератор частоты дискретизации, выход которого соединен с входом синхронизации аналого-цифрового преобразователя и входом таймера, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит цифровой фильтр одной гармоники, у которого первый вход подключен к первому выходу аналого-цифрового преобразователя, а второй вход - к внешнему входу установки числа отсчетов в памяти цифрового фильтра одной гармоники, регулятор, у которого первый вход подключен к выходу цифрового фильтра одной гармоники, второй вход - к внешнему входу установки допустимой величины амплитуды гармоники на частоте Найквиста, а выходы на повышение и на понижение частоты гармоники - соответственно к первому и второму входам управляемого генератора частоты дискретизации, выход которого дополнительно подключен к третьему входу цифрового фильтра одной гармоники, при этом первый выход аналого-цифрового преобразователя является также внешним выходом потока существенных отсчетов, а выход узла временной привязки отсчетов является внешним выходом потока отсчетов с временной привязкой отсчетов.