Способ синтеза сплайна сигнала и синтезатор для его осуществления на интерполяторе Бесселя Российский патент 2023 года по МПК H03K4/02 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах для генерирования сигналов заданной формы контрольно-диагностических систем радиоаппаратуры.

В настоящее время промышленностью выпускается целый ряд генераторов сигналов произвольной формы (англ. - Arbitrary Waveform Generator (AWG)) [https://ru.qaz.wiki/wiki/Arbitrary_waveform_generator, https://dipaul.ru/catalog/element/33509b_generator_signalov_trueform_20_mgts_1_kanal]. Эти цифровые устройства могут генерировать любые математически описанные сигналы, включая синусоидальные, импульсные, модулированные, многотональные, поляризованные и фазоуправляемые сигналы [ Khursheed, Saqib and Reddy, Sudhakar Mannapuram (2020) LFSR generation for high test coverage and low hardware overhead. IET Computers & Digital Techniques, 14 (1). 27 - 36]. Данный тип генераторов широко применяется при тестировании физических систем, когда требуется стабильный и надежный источник для моделирования реакции объекта на заданное воздействие. Они являются важнейшими элементами испытательного оборудования в процессах имитации нормальной работы устройств при наладке. Тестовые сигналы можно вводить в тестируемое устройство и анализировать результаты обработки при прохождении в электрических цепях, подтверждая правильную работу устройства или выявляя в нем неисправность.

Конструктивно генераторы обычно оформлены в виде автономного блока. Их габаритные размеры и масса ограничивают применение в качестве встроенных устройств радиотехнических систем. С целью снижения массогабаритных показателей можно упростить конструкцию применяемых цифровых генераторов. Однако при этом резко возрастает влияние квантования на качество сигнала. Проблемы квантования сигналов создают проблемы дальнейшей аналоговой обработки. Повышенные требования к конструкции и электрическим параметрам, связанные с условиями применения в качестве встроенных устройств, заставляют искать более рациональные технические решения по сравнению с цифровыми моделями генераторов.

В патенте на изобретение [№ 886223, 30.1.81 г. Реестр изобретений СССР] предложено устройство для генерирования сигналов заданной формы. Работа устройства основана на накоплении в цифровом счетчике значений уровней напряжения сигнала в заданных временных интервалах. Накопленный цифровой код преобразуется в аналоговый уровень напряжения на выходе. Недостатком устройства является низкая скорость накопления уровней напряжения, связанная с накоплением в цифровом счетчике значений уровней напряжения сигнала, и ступенчатый вид формируемого сигнала.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа устройства и способа синтезатора сплайна сигнала на интерполяторе Бесселя, является устройство для моделирования сигналов сложной формы на основе функций Каждана [RU 2214039 C2 Автор(ы): Ермаков В.Ф., Каждан А.Э., Черепов В.И. Опубликовано: 10.10.2003 Бюл. № 28] В изобретении применены преобразования Уолша и Хаара. На выходе сумматора формируется сложный ступенчатый сигнал. Изменяя коэффициенты усиления по различным входам сумматора, можно получать на выходе устройства различные ступенчатые сигналы сложной формы. Используется источники опорного напряжения (2^N-2) переключатели (8-15), где N - число ортогональных составляющих генерируемого спектра функций Каждана, производных от спектра функций Радемахера, путем единичных сдвигов, базисных составляющих спектра на угол, кратный Т/2N, где Т - период моделируемого сигнала, выходной зажим. Недостатком такого устройства и способа генерирования сигнала является невозможность применения для синтеза высокочастотных сигналов, т.к. требует последовательного накопления в регистрах значений сигнала в каждой точке сравнения с опорным напряжением. Также существенным недостатком является ограничение точности воспроизведения сигнала количеством регистров N.

Решаемая изобретением техническая задача - повышение частоты генерируемых сигналов при снижении искажений.

Указанная техническая задача в способе синтеза сплайна сигнала достигается тем, что используют четыре постоянных узловых напряжения u_-1,u₀,u₁, u₂ , которые подают на входы синтезатора, находят сумму напряжений u_-1, u₀, u₁, u₂ по формуле:

находят сумму напряжений u_-1,u₀,u₁, u₂ по формуле:

находят напряжение по формуле:

напряжение направляют на вход интегратора, который выполняет интегрирование по формуле:

напряжение направляют на вход интегратора, который выполняет двойное интегрирование по формуле:

находят напряжение выходного сигнала , суммируя напряжения:

Указанная техническая задача в синтезаторе сплайна (СС) решается благодаря тому, что СС (Фиг.1) состоит из двух интеграторов 1, 2, трех сумматоров 3, 4, 5, пяти делителей напряжения 6,7,8,9, 10, первый вход 11 СС подключен к входу второго делителя 7 и к первому входу 12 первого сумматора 3, второй вход 13 СС подключен ко второму входу 14 первого сумматора 3, к первому входу 15 второго сумматора 4 и к входу пятого делителя 10, третий вход 16 СС подключен к третьему входу 17 первого сумматора 3, к третьему входу 18 второго сумма 4, четвертый вход 19 СС подключен к четвертому входу 20 первого сумматора 3 и входу первого делителя 6, выход первого делителя 6 подключен ко второму входу 21 второго сумматора 4, выход второго делителя 7 подключен к четвертому входу 22 второго сумматора 4, выход первого сумматора 3 подключен к первому входу 23 второго интегратора 2, выход второго сумматора 4 подключен к первому входу 24 первого интегратора 1, пятый вход 25 СС подключен ко второму входу 26 первого интегратора 1 и к второму входу 27 второго интегратора 2, выход первого интегратора 1 подключен к входу третьего делителя 8, выход второго интегратора 2 подключен к входу четвертого делителя 9, выход третьего делителя 8 подключен к первому входу 28 третьего сумматора 5, выход четвертого делителя 9 подключен к второму входу 29 третьего сумматора 5, выход пятого делителя 10 подключен к третьему входу 30 третьего сумматора 5, выход третьего сумматора 5 подключен к выходу 31 СС.

Рассмотрим способ синтеза сплайна сигнала по четырем заданным значениям узловых напряжений. Для получения сплайна сигнала воспользуемся выражением параболической интерполяции по формуле Бесселя. Пусть - нормированное время, которое отсчитывается от момента t₀. Тогда и выражение для исчисления функции в точки t можно представить в виде

где - заданные напряжения в узлах.

В интегральном виде формула (7) параболического интерполятора Бесселя приобретет следующий вид:

Выполним масштабирование выходного сигнала с коэффициентом 1/5. Тогда формулу (8) можно переписать в виде зависимости масштабированного сигнала от уровней узловых напряжений на входе синтезатора

Работу устройства поясняет формула (9) и структура СС на фиг. 1.

На входы 11, 13, 16, 19 подаются узловые напряжения соответственно . С первого инверсного входа 12 в сумматор 3 подается напряжение , со второго входа 14 подается напряжение , с третьего инверсного входа 17 подается напряжение , с четвертого входа 20 подается напряжение . С выхода первого сумматора 3 суммарное напряжение передается на вход 23 интегратора 2 для двойного интегрирования. После интегрирования переменное напряжение на четвертый делитель 9. С первого инверсного входа 15 на второй сумматор 4 поступает напряжение . Со второго инверсного входа 21 в сумматор 4 из делителя 6 подается напряжение . С третьего входа 18 на второй сумматор 4 поступает напряжение . С четвертого входа 22 на второй сумматор 4 из делителя 7 поступает напряжение . Выходное суммарное напряжение второго сумматора 4 подается на первый вход 24 первого интегратора 1, на выходе которого образуется линейно изменяющийся сигнал . На входы третьего сумматора 5 подают три напряжения: с третьего делителя 8 напряжение , с четвертого делителя 9 напряжение , с пятого делителя 10 постоянное напряжение . На выход 31 СС будет подан суммарный сигнал в виде интерполированного переменного напряжения , форма которого определена выражением (9). Управление работой СС осуществляется подачей на вход 25 импульсов сброса интеграторов 1 и 2. Импульсы сброса поступают на вход СС с периодом τ, выбор которого определяет интервал интерполяции.

Данный вид СС применим в генераторах сигналов заданной формы. Последовательное соединение нескольких СС позволяет сформировать сигналы из сопряженных сплайнов. Каждый i-й СС в этом соединении получает на входе тетраду напряжений и генерирует очередной сплайн сигнала, сопряженный с i-1-м сплайном. Минимальные искажения сигнала определены сопряжением значений и первых производных сплайнов в узлах при их стыковке. Возможность работы СС в мегагерцовом диапазоне потребует применения высокочастотных интеграторов.

По сравнению с цифровыми аналогами синтезатор сплайна сигнала на интерполяторе Бесселя обладает меньшей конструктивной и функциональной сложностью, т.к. не требует цифроаналоговых преобразования и алгоритмов обработки сигналов. Это приводит к снижению массогабаритных показателей и стоимости устройства.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемые устройство и способ обеспечивают по сравнению с существующими техническими решениями заявленные преимущества.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями существенных признаков, тождественными всем признакам заявленного способа и устройства, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".

Предложенное устройство и способ являются промышленно применимыми к существующим техническим средствам и соответствуют критерию «изобретательский уровень», так как они явным образом не следуют из существующего уровня техники.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Изобретение относится к средствам генерирования сигналов заданной формы контрольно-диагностических систем радиоаппаратуры. Технический результат – уменьшение искажений на повышенных частотах генерируемых сигналов. Для достижения указанного технического результата в способе синтеза сплайна сигнала применяется интерполирование постоянных узловых напряжений с помощью параболической формулы Бесселя. В патентуемом синтезаторе сплайна сигнала компоненты формулы Бесселя моделируются с помощью делителей напряжения, сумматоров и интеграторов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ синтеза сплайна сигнала, в котором для получения сигнала используют четыре постоянных узловых напряжения u_-1, u₀, u₁, u₂ , которые подают на входы синтезатора, находят сумму напряжений u_-1, u₀, u₁, u₂ по формуле:

находят сумму напряжений u_-1, u₀, u₁, u₂ по формуле:

находят напряжение по формуле:

напряжение направляют на вход интегратора, который выполняет интегрирование по формуле:

напряжение направляют на вход интегратора, который выполняет двойное интегрирование по формуле:

находят напряжение выходного сигнала , суммируя напряжения:

2. Синтезатор сплайна (СС), в котором используются: два интегратора, три сумматора, пять делителей напряжения, первый вход СС подключен к входу второго делителя и к первому входу первого сумматора, второй вход СС подключен ко второму входу первого сумматора, к первому входу второго сумматора и к входу пятого делителя, третий вход СС подключен к третьему входу первого сумматора, к третьему входу второго сумматора, четвертый вход СС подключен к четвертому входу первого сумматора и входу первого делителя, выход первого делителя подключен ко второму входу второго сумматора, выход второго делителя подключен к четвертому входу второго сумматора, выход первого сумматора подключен к первому входу второго интегратора, выход второго сумматора подключен к первому входу первого интегратора, пятый вход СС подключен ко второму входу первого интегратора и к второму входу второго интегратора, выход первого интегратора подключен к входу третьего делителя, выход второго интегратора подключен к входу четвертого делителя, выход третьего делителя подключен к первому входу третьего сумматора, выход четвертого делителя подключен ко второму входу третьего сумматора, выход пятого делителя подключен к третьему входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к выходу СС.