Аналого-цифровой анализатор сигналов Российский патент 2024 года по МПК G06F1/02 H03L7/183 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике для вычисления спектра Фурье случайных и регулярных сигналов и может быть использовано преимущественно в технике кодирования и приема служебной информации частотно манипулированных сигналов, а также для поиска резонансных частот объекта, подвергающегося воздействию сигналов широкого спектра.

Уровень техники

а) Описание аналогов

Известен двухканальный анализатор сигналов R.H. Grate and W.Mc. Kinney, Advanced Digital Signal Analyzer Probes Low-Frequency Signal with Ease and Precision, Hewlett Packard Journal (oct 1977, vol 29n page 7), содержащий в своем составе источник тест сигнала, фильтры против перепутывания частот, АЦП, цифровые фильтры в составе процессора быстрого преобразования Фурье /БПФ/.

Недостатком известного двухканального анализатора сигналов является низкая точность за счет дополнительной погрешности, обусловленной реальной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) измерительного тракта анализатора.

б) Описание ближайшего аналога (прототипа)

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому аналого-цифровому анализатору сигналов является двухканальный анализатор БПФ /Н. Herlyfsen, Dual channel FFT Analysis(partl) Technical Review, B&K 1981, №1 р 12/, содержащий в своем составе источник тест сигнала, коммутатор, триггер, фильтры предварительной выборки, АЦП, цифровой фильтр, процессор БПФ.

Недостатком прототипа является низкая точность вычисления спектра ввиду наличия погрешности, обусловленной реальной АЧХ измерительного тракта двухканального анализатора спектра БПФ.

Раскрытие изобретения

а) технический результат, на достижение которого направлено изобретение

Целью изобретения аналого-цифрового анализатора сигналов является -повышение точности вычисления спектра Фурье случайных и регулярных сигналов при приеме служебной информации частотно манипулированных сигналов.

б) Совокупность существенных признаков Для достижения цели в предлагаемый анализатор сигналов, содержащий источник тест сигнала, коммутатор, анализатор спектра Фурье, триггер, схему И, которая своим выходом подключена к первому входу управления анализатора спектра Фурье и запускает его сначала в первом режиме по шине КАЛИБРОВКА, а затем во втором режиме анализа спектра по шине ПУСК, аналоговый ВХОД предлагаемого анализатора подключен к первому входу коммутатора, к его второму входу подключен источник тест сигнала, последний вход коммутатора соединен с первым выходом триггера, который устанавливается сигналом по шине КАЛИБРОВКА, а сбрасывается сигналом СТОП анализатора спектра Фурье, второй вход которого с связан выходом коммутатора, дополнительно введены: блок вычисления обратной величины модуля спектра, умножитель, блок памяти, счетчик адреса, два формирователя импульсов, при этом выход СИ анализатора запускает первый, второй формирователи импульсов и счетчик адреса, вход сброса которого подключен к выходу СТОП анализатора спектра Фурье, при этом первый вход первого формирователя импульсов вместе первым входом управления блока вычисления обратной величины модуля спектра и последним входом коммутатора подключены к первому выходу триггера, второй выход которого подключен к второму входу второго формирователя импульсов, выход которого подключен к третьему входу умножителя и выходной шине ГОТОВ, второй вход умножителя с соответствующим входом блока вычисления обратной величины модуля спектра соединен с информационным выходом ИНФ анализатора спектра Фурье, выход блока памяти соединен с первым входом умножителя, выход счетчика адреса подключен к входу адреса блока памяти, третий вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, при этом выход умножителя является информационным выходом аналого-цифрового анализатора сигналов, ВЫХОД.

в) Причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительного ввода блока вычисления обратной величины модуля спектра, умножителя, блока памяти, счетчика адреса, двух формирователей импульсов, при этом, выход СИ анализатора спектра Фурье запускает первый, второй формирователи импульсов и счетчик адреса, вход сброса которого подключен к выходу СТОП анализатора спектра Фурье, при этом, первый вход первого формирователя импульсов вместе с первым входом управления блока вычисления обратной величины модуля спектра и последним входом коммутатора подключены к первому выходу триггера, второй выход триггера подключен к второму входу второго формирователя импульсов, выход которого подключен к третьему входу умножителя и выходной шине ГОТОВ, второй вход умножителя с соответствующим входом блока вычисления обратной величины модуля спектра соединен с информационным выходом ИНФ анализатора спектра Фурье, выход блока памяти соединен с первым входом умножителя, выход счетчика адреса подключен к входу адреса блока памяти, третий вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, при этом выход умножителя является информационным выходом аналого-цифрового анализатора сигналов ВЫХОД.

Кроме того, заявленный технический результат обеспечен следующими известными выражениями (1…4), при подаче сигнала X(t) на вход анализатора, на его выходе получаем модуль спектра определяемый из формулы:

где, |Х(ω)| - модуль спектра входного сигнала,

|S(ω)| - модуль спектра на выходе анализатора,

|Н(ω)| - амплитудно-частотная характеристика тракта анализатора.

Если допустить реализуемость тест сигнала с модулем спектра:

(сведения о таком сигнале помещены, например, в проспекте FFT SPECTRUM ANALYZER SOLARTRON SHLUMBERGER 1/86, p 16) и в заданном частотном диапазоне подать на анализатор тест сигнал с модулем спектра (2), то на выходе модуль спектра будет равен:

Таким образом, принимая во внимание 1-3, модуль спектра исследуемого сигнала равен:

где, |S_ис(ω)| - модуль спектра исследуемого сигнала на выходе анализатора.

При практической реализации тест сигнала необходимо, чтобы погрешность аппроксимации спектральной характеристики тест сигнала была гораздо меньше погрешности вычисления спектра самого анализатора.

Предлагаемый аналого-цифровой анализатор, реализует соотношение (4). Например, при подаче сигнала, изображенного на фиг. 1 со спектром |Х_тс(ω)|=1 в диапазоне до 2500 Гц, при неравномерности спектральной характеристики -0,14 дБ, анализатор спектра Фурье вычисляет в соответствии с |S_тс(ω)|=|Н_тс(ω)| (3) спектр тест сигнала и например, 1000 отсчетов запоминаются в блоке памяти, затем после подключения исследуемого сигнала к анализатору спектра Фурье, последний производит вычисление по (1), а также параллельно по каждому из 1000 отсчетов, используя данные из блока памяти, вычисляется окончательный результат по формуле (4).

Заявителям известно устройство коррекции амплитудной характеристики, в котором корректирующая функция записана в ПЗУ, с учетом заранее определенных искажений амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

/Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах. Под ред. Б.Ф. Высоцкого. М., «Радио и связь», 1984 г., с. 24/.

Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что его структура не сориентирована на заранее определенные искажения АЧХ. В предложенном устройстве корректирующая функция не определена заранее, а является спектром тест сигнала, параметры которого могут программироваться с учетом частотного диапазона исследуемого сигнала, кроме того, глубина охвата корректирующей функции в предложенном устройстве очевидно больше, т.к. в известном устройстве глубина ограничивается структурой анализатора спектра Фурье, а в предложенном-измерительным трактом анализатора, содержащего в своем составе источник тест сигнала, коммутатор, триггер, фильтры предварительной выборки, АЦП, цифровой фильтр, процессор БПФ, умножитель, блок вычисления обратной величины модуля спектра и блок памяти.

Известно также устройство компенсации искажения спектра, вносимого заранее определенной неравномерностью АЧХ, основанной на том, что входной сигнал предварительно пропускают через цифровой фильтр, АЧХ которого равна обратной величине, компенсируемой АЧХ. /Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., «Мир», 1978 г., с. 334/. Таким образом, последовательное соединение устройств в целом обеспечивает равномерную АЧХ. Этот метод также основан на том, что компенсирующая функция определена заранее, стабильна во времени и не зависит от внешних воздействий.

На основании вышеизложенного, в результате сопоставительного анализа известных анализаторов и предлагаемого делаем вывод, что последний аналого-цифровой анализатор сигналов обладает отличительными признаками /новизной/ и полезностью.

Доказательства соответствия заявленного изобретения условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень»

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественные всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Краткое описание чертежей

- фиг. 1 функциональная схема аналого-цифрового анализатора сигналов;

- фиг. 2 временные диаграммы работы аналого-цифрового анализатора;

- фиг. 3 структурная схема анализатора 3 спектра Фурье.

Перечень сигналов и блоков устройства применяемых в документации:

"ВХОД" - входная шина исследуемого сигнала, вход 1 коммутатора 2 аналоговых сигналов;

1 - источник тест сигнала, вход 2 коммутатора 2 аналоговых сигналов;

2 - коммутатор аналоговых сигналов;

3 - анализатор спектра Фурье;

4 - блок вычисления обратной величины модуля спектра;

5 - умножитель;

6 - блок памяти;

7 - счетчик адреса;

8 - триггер;

9 - схема И;

10, 11 - формирователи импульсов τ₁₀, τ₁₁ задержки соответственно;

12 - шина "КАЛИБРОВКА ";

13 - шина "ПУСК";

14 - шина "ВЫХОД";

15 - шина "ГОТОВ".

- сигнал U_3СИ синхроимпульсы с выхода анализатора 3 спектра Фурье;

- сигналы U₅, U₁₄ на выходной информационной шине 14;

- сигнал U₁₂ «Калибр» начала первого режима работы;

- сигнал U_3СТОП окончания процесса получения результатов;

- сигнал U₁₃ «Пуск» начала второго режима работы;

- выходная информационная шина 14;

- сигнал U₁₀ выхода формирователя 10 импульсов;

- сигнал «ГОТОВ», U₁₁ с выхода формирователя 11 импульсов;

- аттенюатор 16;

- фильтр аналоговый 17;

- АЦП 18;

- вычислитель 19 в составе блока 20;

- информационная шина ВЫХОД предварительных результатов;

- блок 20 управления анализатора 3 спектра Фурье;

- сигнал с первого выхода блока 20 - импульсы синхронизации АЦП;

- адресные данные снимаемыми с второго выхода блока 20;

- информация с выхода АЦП 17;

- сигнал СИ с 3-го выхода блока 20 управления;

- сигнал СТОП с 4-го выхода блока 20 управления;

Осуществление изобретения

а) Технические средства осуществления изобретения с реализацией указанного в заявке назначения

Аналого-цифровой анализатор сигналов показанный на фиг. 1 содержит источник 1 тест сигнала, соединенный через коммутатор 2 с анализатором 3 спектра Фурье, блок 4 вычисления обратной величины модуля спектра, умножитель 5, блок 6 памяти, счетчик 7 адреса, триггер 8, схему 9 И, два формирователя 10 и 11 импульсов. Первый выход схемы 9 И подключен к шине 12 «КАЛИБРОВКА» и первому входу триггера 8, второй вход подключен к шине 13 «ПУСК», первый выход триггера 8 подключен к третьему входу коммутатора 2 и первым входам первого формирователя 10 импульсов и блока 4 вычисления обратной величины модуля спектра, выход которого подключен к первому входу блока 6 памяти, выход которого подключен к первому входу умножителя 5, второй вход которого соединен с соответствующим входом блока 4 и подключен к информационному выходу ИНФ анализатора 3 спектра Фурье, выход СИ которого подключен к второму входу первого формирователя 10 импульсов и к первому входам второго формирователя 11 импульсов и счетчика 7 адреса, второй вход которого вместе со вторым входом триггера 8 подключен к выходу «СТОП» анализатора 3 спектра Фурье, выход счетчика 7 адреса подключен к второму входу блока 6 памяти, третий вход которого подключен к первому выходу формирователя 10 импульсов, а выход второго формирователя 11 импульсов подключен к третьему входу умножителя 5 и шине «ГОТОВ», при этом выход последнего является выходом аналого-цифрового анализатора, аналоговый вход которого подключен к второму входу коммутатора 2.

В исходном состоянии до прихода сигнала по шине 12 «КАЛИБРОВКА» на выходе СИ анализатора 3, на первом выходе триггера 8 на выходе счетчика 7 адреса-состояние лог. «0»; на выходе «СТОП» анализатора 3, на шине 13, на выходах первой и второй схем 10 и 11 задержки-состояние лог. «1».

б) возможность получения, указанного заявителем технического результата

Аналого-цифровой анализатор сигналов работает следующим образом. По импульсу U₁₂ с шины 12 "КАЛИБРОВКА" триггер 8 устанавливается в состояние лог. «1» U₈ и коммутатор 2 подключает выход источника 1 тест сигнала ко входу анализатора 3. Импульс с выхода схемы 9 И запускает анализатор 3 для вычисления, в качестве примера, 1000 отсчетов спектра |S_тс(ω)| тест сигнала. Уровнем лог. «1» с первого выхода триггера 8 включается блок 4 вычисления обратной величины модуля спектра 1/|S_тс(ω)|, который обрабатывает поступающую на его вход информацию с соответствующего выхода ИНФ анализатора 3 спектра Фурье. С выхода блока 4 информация поступает на первый вход блока 6 памяти для записи по адресу, сформированному счетчиком 7 адреса, который работает синхронно с анализатором 3, (см. U_3си). При этом запись информации в блок 6 производится по сигналу U₁₀ с выхода формирователя 10 через время τ₁₀, необходимое для вычисления обратной величины модуля 1/|S_тс(ω)| спектра. По окончании вычисления 1000 отсчетов |S_тс(ω)| тест сигнала анализатор 3 выдает импульс U_3стоп с выхода СТОП, по которому триггер 8 устанавливается в нуль, при этом в нуль сбрасывается также счетчик 7 адреса U₇, блокируется работа блока 4 вычисления обратной величины модуля спектра и на выходе формирователя 10 появляется уровень лог. «1». К этому моменту времени в блоке 6 памяти уже хранятся данные об обратной величине модуля 1/|S_тс(ω)| спектра.

Второй режим работы аналого-цифрового анализатора начинается по приходу импульса U₁₃ «ПУСК» с шины 12 уровнем лог. «0» с первого выхода триггера 8, при этом коммутатор 2 подключает вход анализатора 3 к исследуемому сигналу. Уровень лог. «1» с выхода формирователя 10 подключает блок 6 памяти в режим «ЧТЕНИЕ», выходные данные которого поступают на вход умножителя 5, в качестве множителя, где умножаются на данные, в качестве множимого, поступающие на его второй вход с информационного выхода анализатора 3 Фурье.

В этом режиме реализуется вычислительная операция: |Х_ис(ω)|=|S_ис(ω)|/|S_тс(ω)|, результатом которой является считывание данных произведения | Х_ис(ω)| (см. U₁₄, фиг. 2), с умножителя 5 на шину 14 «ВЫХОД», по сигналу U₁₁ «ГОТОВ» с выхода формирователя 11. Сигнал «ГОТОВ» образован от задержанного U_3си„ на время τ₁₁ необходимое для корректной работы умножителя 5.

С целью доказательства возможности повышения точности вычисления модуля спектра предлагаемым устройством, необходимо упомянуть источник тест сигнала-цифровой генератор с возможностью исключения частот (ЦГВИЧ) RU 2807590 С1 МПК G06F 1/02 (2006.01), опубликовано: 16.11.2023 Бюл. №32, который позволяет синтезировать синусоидальный полигармонический сигнал в задаваемом диапазоне частот с нормированной амплитудой. 1000 отсчетов спектра такого сигнала дают распределение амплитуд спектральных составляющих с неравномерностью, не хуже ≤1,14db. (0,984). Положим, что неравномерность АЧХ АСФ составляет -1db (0,89) и соответствует погрешности передачи амплитуды δ_фпрд=11%. Пользуясь предлагаемым АЦА и зная, что его ЦГВИЧ имеет погрешность передачи амплитуды спектральных составляющих δ_тспрд=2%, считаем что, АЦА за счет ограничения неравномерности спектра амплитуд источника 1 тест сигнала, позволит обеспечить повышение точности вычисления спектра амплитуд исследуемого сигнала не менее, чем 5-ть раз.

Основанием для практической реализации АСФ может служить структурная схема на фиг. 3 анализатора 3 спектра Фурье, который состоит из последовательно соединенных: аттенюатора 16, фильтра аналогового 17, АЦП 18, вычислителя 19 с выходной информационной шиной ВЫХОД, входная шина «ПУСК» подключена к входу предлагаемого анализатора через схему 9И и далее блоку 20 управления, первый выход которого соединен с входом синхронизации АЦП, второй с вычислителем 19, третий выход - это СИ, четвертый выход - сигнал СТОП, по которому прекращается выдача предварительных результатов вычисления спектра.

Изобретение относится к автоматике и радиоизмерительной технике в технике кодирования для проверки точности вычисления спектра Фурье частотно-манипулированных сигналов. Анализатор сигналов содержит измерительный тракт АЦА, состоящий из: источника тест-сигнала, коммутатора с АСФ, БОВМС, умножителя, блока памяти, счетчика адреса, триггера, схемы И, двух формирователей импульсов. Схема И с шиной ПУСК, КАЛИБРОВКА и триггером управляют переключением режимов анализатора, триггер и АСФ синхронизирует работу всего устройства через формирователи импульсов, которые подают сигналы на умножитель, БОВМС и блок памяти, а АСФ через информационный выход ИНФ обеспечивает данными: БОВМС в 1-м режиме, умножитель в 2-м режиме. Сигнал с выхода СТОП АСФ прекращает работу измерительного цикла, сбрасывая счетчик адреса, триггер подготавливает анализатор к началу 1-го режима работы, второй формирователь импульсов сигналом на шине ГОТОВ и 3-м входе умножителя разрешает считывание результата с шины ВЫХОД, при этом последний является выходом АЦА. Технический результат - повышение точности вычисления спектра Фурье случайных и регулярных сигналов при приеме служебной информации частотно-манипулированных сигналов. 3 ил.

Аналого-цифровой анализатор сигналов, содержащий источник тест-сигнала, коммутатор, анализатор спектра Фурье, триггер, схему И, которая своим выходом подключена к первому входу управления анализатора спектра Фурье и запускает его сначала в первом режиме по шине КАЛИБРОВКА, а затем во втором режиме анализа спектра по шине ПУСК, аналоговый ВХОД предлагаемого анализатора подключен к первому входу коммутатора, к его второму входу подключен источник тест-сигнала, последний вход коммутатора соединен с первым выходом триггера, который устанавливается сигналом по шине КАЛИБРОВКА, а сбрасывается сигналом СТОП анализатора спектра Фурье, второй вход которого с связан выходом коммутатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены: блок вычисления обратной величины модуля спектра, умножитель, блок памяти, счетчик адреса, два формирователя импульсов, при этом выход СИ анализатора запускает первый, второй формирователи импульсов и счетчик адреса, вход сброса которого подключен к выходу СТОП анализатора спектра Фурье, при этом первый вход первого формирователя импульсов вместе с первым входом управления блока вычисления обратной величины модуля спектра и последним входом коммутатора подключены к первому выходу триггера, второй выход которого подключен к второму входу второго формирователя импульсов, выход которого подключен к третьему входу умножителя и выходной шине ГОТОВ, второй вход умножителя с соответствующим входом блока вычисления обратной величины модуля спектра соединен с информационным выходом ИНФ анализатора спектра Фурье, выход блока памяти соединен с первым входом умножителя, выход счетчика адреса подключен к входу адреса блока памяти, третий вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, при этом выход умножителя является информационным выходом аналого-цифрового анализатора сигналов ВЫХОД.