Генератор высокочастотных сигналов произвольной формы Российский патент 2023 года по МПК G06F1/02 H03K4/02 G06G7/62 

Изобретение может быть использовано в генераторах сигналов сложной формы, а также в моделирующих системах, предназначенных для исследования радиотехнических систем.

Известен «Универсальный генератор сигналов произвольной формы» [1] по патенту РФ на изобретение №2060536, основанный на применении генератора тактовых импульсов, двух счетчиков, двух дешифраторов, восьми регистров, элемента ИЛИ, триггера, трех мультиплексоров, двух схем сравнения, трех блоков памяти, пяти сумматоров, трех умножителей, блока постоянной памяти, преобразователя код-напряжение, аналогового фильтра. На выходе генератора формируется сигнал произвольной формы с изменяемым законом модуляции. Устройство обеспечивает генерацию сигналов произвольной формы, например, с регулируемой временной задержкой.

Недостатком устройства [1] является громоздкость, и, как следствие, низкая надежность устройства.

Известно «Устройство для моделирования сигналов в питающей сети» [2] по патенту РФ на изобретение №1735875, заключающееся в том, что расширение функциональных возможностей электроизмерительной техники осуществляется за счет моделирования сигналов произвольной формы. Устройство содержит первый и второй источники постоянного напряжения, шунтирующий диод, первый и второй транзисторные ключи, инвертор, три переключателя, усилитель рассогласования выходного и опорного напряжения, первый и второй ограничительные диоды и формирователь опорного напряжения. В устройстве обеспечивается формирование импульсов заданной формы и амплитуды как на активной, так и на активно-емкостной нагрузке, при этом формирование всплесков или провалов напряжения осуществляется от уровня, близкого первому источнику постоянного напряжения, и не зависит от тока нагрузки.

Недостатком устройства [2] является то, что оно относится к моделирующим устройствам аналоговой вычислительной техники и имеет низкую точность.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является «Устройство для моделирования сигналов произвольной формы» [3] по патенту РФ на изобретение №2186456, основанное на моделировании периодических изменений напряжения произвольной формы. Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов и многовходовой сумматор, выход которого соединен с выходным зажимом устройства, счетчик, регистры, переключатели и источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого объединен со входами управления сдвигом регистров и тактовым входом счетчика и подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы счетчика соединены с информационными входами соответствующих регистров, выходы которых через переключатели соединены с соответствующими входами сумматора.

Недостатком прототипа [3] является то, что на выходе устройства можно получать только различные ступенчатые сигналы произвольной формы.

Технический результат предлагаемого изобретения - генерирование сигнала произвольной формы, с требуемым спектром.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предложенном устройстве, функциональная схема которого приведена на фиг.1, используется формирователь сигнала произвольной формы, представляющий собой наборное поле с хранящимися ячейками градаций зависимости амплитуды от частоты 1, блок преобразования Фурье 2, цифроаналоговый преобразователь 3, усилительное устройство 4.

Формирователь сигнала произвольной формы - это устройство для создания сигнала заданной структуры, осуществляющее преобразования формы сигнала, когда на вход подается сигнал в виде оцифрованного амплитудно-частотного спектра в комплексной форме (АЧС_кф), а на выходе сигнал имеет вид зависимости амплитуды от времени.

В состав формирователя сигнала произвольной формы входят: пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти, в которой записывается амплитудно-частотный спектр (АЧС_кф); пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти, в которой записывается сигнал во временной области ƒ=U(t); устройство, осуществляющее обратное преобразование Фурье в цифровом виде.

Пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти, в которой записывается АЧС_кф, представим в виде двух подмассивов: подмассив ячеек памяти для записи амплитудно-частотного спектра (АЧС) и подмассив ячеек памяти для записи фазочастотного спектра (ФЧС).

Под амплитудно-частотным спектром понимается зависимость амплитуд гармонических составляющих спектра сигнала от их частот.

Под фазочастотным спектром понимается зависимость начальных фаз гармонических составляющих спектра сигнала от их частот.

Подмассив ячеек памяти для записи АЧС - пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти для получения АЧС, состоящий из 1, 2, …, n, …, N ячеек.

Размерность N определяется по формуле Котельникова:

где F_max - максимальная частота спектра сигнала.

Каждому элементу n массива памяти из 1, 2, …, n, …, N ячеек соответствует определенное значение частоты.

Шаг дискретизации по частоте Δƒ определяется по формуле

Каждой ячейке 1, 2, …, n, …, N подмассива памяти для записи (АЧС), ставится в соответствие элемент памяти, в который заносится оцифрованное значение амплитуды сигнала (в вольтах) A_n на частоте (n⋅Δƒ), что позволяет задавать форму АЧС сигнала в цифровом виде.

Одновременно с АЧС задается фазочастотный спектр сигнала ϕ(ƒ)=ϕ(ƒ)₁, …,…ϕ(ƒ)_n, …, ϕ(ƒ)_N.

Подмассив ячеек памяти для записи ФЧС - пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти для получения ФЧС, состоящий из 1…, 2…, n…, N ячеек.

Размерность N определяется по формуле Котельникова:

Каждому элементу N массива памяти из 1, 2, …,. n, …, N ячеек соответствует определенное значение частоты.

Шаг дискретизации по частоте Δƒ определяется по формуле

Каждой ячейке 1, 2, …, n, …, N подмассива памяти для записи ФЧС ставится в соответствие элемент памяти, в который заносится оцифрованное значение фазы спектра сигнала ϕ_n на частоте (n⋅Δƒ), что позволяет задавать форму ФЧС сигнала в цифровом виде.

Пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти, в которой записывается сигнал во временной области ƒ=U(t) состоит из 1…, 2…, n…, N ячеек. В каждую из 1…, 2…, n…, N ячеек записываются значения зависимости амплитуд гармонических составляющих спектра от времени.

Информация из пронумерованного упорядоченного массива ячеек памяти, в которой записывается амплитудно-частотный спектр поступает на устройство, осуществляющее обратное преобразование Фурье, на выходе которого сигнал поступает в пронумерованный упорядоченный массив ячеек памяти, в которой записывается сигнал во временной области ƒ=U(t).

Устройство работает следующим образом. Формирователь сигнала 1 анализирует помеховую обстановку, строится нормированный спектр помех, в процессе преобразования амплитуд строится инверсный спектр сигнала фиг.2, в блоке 2 с помощью преобразования Фурье из спектра формируется сигнал, создается видеосигнал, поступающий в цифроаналоговый преобразователь, который усиливаясь, излучается в окружающую среду. Созданный сигнал хранится в памяти формирователя сигнала, что позволяет, используя сохраненную информацию, создавать любой вид сигнала и преобразовывать его из спектра в сигнал и наоборот.

Указанные существенные признаки обеспечивают появление у заявленного устройства новых свойств, отличных от прототипа. Это, во-первых, использование спектра сигнала; во вторых, сформированный спектр сигнала дает возможность получить любой произвольный сигнал. Используя сохраненную информацию, можно создавать любой вид сигнала, считывая значения из памяти и пропуская их через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Перечисленные отличия ведут к достижению поставленной цели, что является доказательством их существенности.

Для анализа спектров методом преобразования Фурье может применяться анализ на основе модифицированной формы преобразования Фурье - вращаемого преобразования Фурье (ВПФ), так как анализ Фурье корректно обеспечивает получение частотных компонент сигнала только на квазистационарных интервалах, а в практических приложениях достаточно часто встречаются информационно-измерительные системы (ИИС), в которых сигналы нестационарны. В связи с этим для обработки таких сигналов используем методы время-частотных и время-масштабных преобразований.

Ядро преобразования по методу непрерывного вращаемого преобразования Фурье определяется выражением

где α - угол вращения (параметр вращаемого преобразования Фурье).

Прямое S_α(u) и обратное ВПФ сигнала s(t) выражаются с помощью ядра K_α(t,u) соотношениями

Частотный спектр периодического сигнала состоит из последовательности импульсов, поэтому такой сигнал представляется в форме ряда Фурье коэффициенты разложения, которого определяются выражением

где s(t) - периодический сигнал с периодом Т; {C_n}_n=-∞, …, -1,0, +1, …, ∞ - коэффициенты разложения сигнала в ряды Фурье.

Метод преобразования Фурье дискретного времени (ПФДВ) обеспечивает процедуры вычисления частотных компонент дискретного сигнала. Обычное определение ПФ ДВ представляется в форме с нормализацией частоты. ПФ ДВ без нормализации частоты дают периодический результат преобразования с периодом 2π/Т₁, где Т₁ - интервал дискретизации сигнала.

Определение прямого и обратного ПФ ДВ без нормализации частоты отсчетов сигнала выражается соотношениями:

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия» и обеспечивает достижение положительного эффекта, обозначенного целью патента.

Изобретение относится к генераторам цифровых функций. Сущность заявленного решения заключается в том, что в предложенном устройстве используется формирователь сигнала произвольной формы, представляющий собой наборное поле с хранящимися ячейками градаций зависимости амплитуды от частоты, блок преобразования Фурье, цифроаналоговый преобразователь, усилительное устройство. При этом формирователь сигнала анализирует помеховую обстановку, строится нормированный спектр помех, в процессе преобразования амплитуд строится инверсный спектр сигнала, в блоке преобразования Фурье формируется сигнал, создается видеосигнал, поступающий в цифроаналоговый преобразователь, который усиливаясь, излучается в окружающую среду, созданный сигнал хранится в памяти формирователя сигнала, что позволяет, используя сохраненную информацию, реконструировать любой спектр сигнала и передавать его от сигнала к сигналу. Техническим результатом при реализации заявленного решения является генерирование сигнала произвольной формы с требуемым спектром. 2 ил.

Генератор высокочастотных сигналов произвольной формы, содержащий последовательно соединенные генератор сигналов, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что во внутренней памяти генератора сигнала произвольной формы хранятся амплитудно-частотные и фазочастотный спектры, а его выход последовательно соединен с блоком преобразования Фурье, цифроаналоговым преобразователем, усилительным устройством, при этом генератор сигнала выполнен с возможностью анализировать помеховую обстановку, строить нормированный спектр помех, в процессе преобразования амплитуд строить инверсный спектр сигнала, при этом в блоке преобразования Фурье формируется сигнал, который поступает в цифроаналоговый преобразователь, далее усиливаясь, излучается и сохраняется в памяти генератора сигналов.