Способ дискретного дифференцирования электрических сигналов и устройство для его осуществления Советский патент 1979 года по МПК H03K5/07 G06G7/18 

1

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при вторичной обработке принимаемых сигналов с помощью вычислительных устройств, а также в информационно-измерительных системах различного назначения.

При вторичной обработке получаемой информации возникает задача дискретного дифференцирования электрических сигналов, которая заключается в измерении и регистрации разностей их мгновенных значений в граничных точках временных интервалов А1

Известен способ дискретного дифференцирования электрических сигналов, используемый в цифровых дифференциальных анализаторах, который заключается в образовании кратковременных вырезок сигнала в начальный и конечный моменты временного интервала Ai, преобразовании амплитуд этих вырезок в цифровую форму, запоминании амплитуды первой вырезки, их вычитании и регистрации полученной величины 1.

Этот способ обладает низкой помехозащищенностью по отношению к импульсным помехам, а также малым быстродействием и низкой точностью аналого-цифрового преобразования.

Известен также способ измерения разности мгновенных значений сигнала в начальный и конечный моменты временного интервала А который включает образование кратковременных вырезок принимаемого сигнала в начальный и конечный моменты временного интервала Ai, запоминание амплитуды первой вырезки, инвертирование второй вырезки, их суммирование и регистрацию полученной в результате суммирования величины. Способ реализуется устройством, содержащим фазоинвертор и стробирующий каскад, выход которого подключен к входу регистратора, а также синхронизатор, первый выход которого соединен с первым входом стробирующего каскада 2.

Данный способ и реализующее его устройство обладают низкой помехозащищенностью к импульсным помехам, которые вызывают значительные искажения сигнала в моменты стробирования. Кроме того, необходимость малоискаженной передачи сигнала к моменту первой вырезки делает необходимым расширение полосы пропускания импульсной информационно-измерительной системы, что приводит к снижению ее помехоустойчивости. С целью повышения помехозащищенности информационно-измерительных систем с дискретным дифференцированием принимаемых сигналов по предлагаемому способу во временном интервале Д генерируют вспомогательный сигнал вида т (2л -l)vi S osTt где А - амплитуда; t - время; п - ряд натуральных чисел от 1 до т, перемножают его с входным сигналом и интегрируют результирующий сигнал. При этом число косинусоидальных колебаний т, образующих вспомогательный сигнал, выбирают, исходя из обеспечения наибольщей точности измерения разности мгновенных значений принимаемого сигнала в условиях помех.; Такой способ может быть осуществлен предлагаемым устройством, в которое введены генератор вспомогательного сигнала, перемножитель, два интегратора и коммутатор, выход которого подключен к второму входу стробирующего каскада, а входы коммутатора соответственно подключены к выходам интеграторов и к второму выходу синхронизатора, вход которого соединен с первым выходом генератора вспомогательного сигнала, второй выход которого подключен к входу перемножителя, выход перемножителя соединен с входом первого интегратора через фазоинвертор, а с входом второго интегратора непосредственно. На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства для реализации способа дискретного дифференцирования электрических сигналов. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Во временном интервале А генерируют вспомогательный сигнал вида

.Л(2п -)я

л/ А

м

/

перемножают его с принимаемым сигналом и интегрируют произведение обоих сигналов. В момент окончания временного интервала Д образуют кратковременную вырезку проинтегрированного произведения и регистрируют ее амплитуду. Амплитуда вырезки является оценкой разности мгновенных значений принимаемого сигнала в граничных точках временного интервала Д/. Изобретение основано на том, что разность значений аналитической функции л;(О, принимаемых ею в граничных точках 0 и временного интервала Д, может быть определена путем весового интегрирования этой функции по формуле

и

(0)-((02cosX

X

6л 1

сумма первых т членов весовой функции. Таким образом, имеет место свойственное всем информационным системам противоречие между малоискаженным воспроизведением информационного параметра сигнала и помехоустойчивостью системы, которое заключается в том, что при малом числе слагаемых т велики искажения сигнала, но высока помехоустойчивость системы, а при большом т искажения сигнала уменьшаются, но падает помехоустойчивость. И то, и другое ведет к уменьшению точности измерения. Поэтому оптимальное число слагаемых т выбирают, исходя из априорных сведений о сигнале и мощности шума,

действующего на вход системы, руководствуясь формулой

5JA;(0) - (01 - I- f л:(О V, COSX 6 X()L,,. где весовая функция (2л - 1) 71 М представляет собой тригонометрическое разложение периодической последовательности знакопеременных стробирующих функций Дирака. Из формулы следует, что измерение разности мгновенных значений принимаемого сигнала может быть осуществлено путем его перемножения с вспомогательным сигналом (2л-1)- , y(t)A COS . Величина интеграла будет представлять собой оценку измеряемого параметра сигнала х(0)-л:(Д/). При этом с увеличением числа слагаемых т точность измерения возрастает, и при неограниченно большом т результат измерения оказывается точным. Однако наличие щума, действующего на вход системы, приводит к тому, что с ростом т падает помехоустойчивость приемного тракта и, следовательно, точность измерения информационного параметра сигнала. Это подтверждается выражением i/ i/ fcpf40rf -2). где L/ia - среднее квадратическое напряжение шума на выходе линейной системы; - спектральная плотность мощности белого щума, действующего на ее вход; т 4 . (2я-1)л ш(0(2/г-1)

tdt

/«, Д

где 6m - ошибка измерения информационного параметра сигнала;

x(t) -функция, аппроксимирующая сигнал в интервале Д.

Устройство, реализующее способ, имеет две характерные особенности, которые вытекают из необходимости дискретного дифференцирования сигнала на смежных временных интервалах Д. Во-первых, интегрирование перемноженных сигналов должно производиться при нулевых начальных условиях, что приводит к необходимости освобождения интегратора от запаса энергии предыдущего измерительного цикла. В связи с этим возникает необходимость использования двух попеременно работающих интеграторов.

Во-вторых, генерирование вспомогательного сигнала, имеющего одинаковую форму на каждом временном интервале Д, имеет технические трудности, обусловленные скачкообразным изменением его мгновенных значений на границах интервалов. Поэтому вспомогательный сигнал целесообразно генерировать в виде суммы гармонических колебаний, а возникающую на смежных временных интервалах смену полярности вспомогательного сигнала компенсировать путем инвертирования фазы преобразованного сигнала на входе (или выходе) одного из интеграторов.

В связи с изложенным устройство для осуществления способа дискретного дифференцирования электрических сигналов состоит из генератора 1 вспомогательного сигнала, перемножителя 2, фазоинвертора 3, интеграторов 4 и 5, коммутатора 6, стробирующего каскада 7, регистратора 8 и синхронизатора 9.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает сигнал, представляющий сумму непрерывных гармонических колебаний. Входной и вспомогательный сигналы поступают на входы перемножителя 2, произведение входного и вспомогательного сигналов поступает с выхода неремножителя 2 на входы двух интеграторов 4 и 5, причем на вход интегратора 5 - непосредственно, а на вход интегратора 4 - через фазоинвертор 3. Интеграторы работают попеременно. В течение одного временного интервала работает интегратор 5. При этом интегратор 4 освобождается от запасов энергии предыдущего цикла. Обесточивание неработающего интегратора и подключение работающего интегратора к входу стробирующего каскада производится коммутатором 6, управляемым синхронизатором 9. В моменты окончания последовательных временных интервалов стробирующий каскад 7, управляемый синхронизатором 9, производит короткие вырезки напряжений, развивающихся на выходах интеграторов 4 и 5. Амплитуды этих вырезок, пропорциональные разностям мгновенных значений принимаемого сигнала в граничных точках последовательных временных интервалов Д, регистрируются регистратором 8, в качестве которого может быть использован аналого-цифровой преобразователь. Синхронизатор 9 вырабатывает из поступающего на его вход вспомогательного сигнала импульсы напряжения, которые управляют коммутатором 6 и стробирующим каскадом 7.

Техническая эффективность способа и реализующего его устройства заключается в повыщении помехоустойчивости информационно-измерительных систем по отношению к импульсным помехам. Если в известном способе появившаяся в момент стробирования импульсная помеха вносит существенную ошибку в результат измерения, то в предлагаемом способе влияние импульсных помех оказывается ослабленным благодаря интегрированию сигнала во временном интервале большой длительности. Отпадает необходимость в измерении мгновенного значения принимаемого сигнала в начальной точке временного интервала Д.

Уменьшению ошибки измерений способствует также устранение операции запоминания амплитуды первой вырезки.

Формула изобретения

1. Способ дискретного дифференцирования электрических сигналов, заключающийся в кратковременной вырезке сигнала в момент окончания временного интервала Д и регистрации амплитуды сигнала в этой вырезке, отличающийся тем, что, с целью повыщения помехоустойчивости, во временном интервале Д генерируют вспомогательный сигнал вида

« (2л -1) я

2 COSД

п 1

- амплитуда;

где

/. 1 - текущее время;

п - ряд натуральных чисел от 1 до т, перемножают его с входным сигналом и интегрируют результирующий сигнал.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее фазоинвертор и стробирующий каскад, выход которого подключен к входу регистратора, а также синхронизатор, первый выход которого соединен с первым входом стробирующего каскада, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости устройства, в него введены генератор вспомогательного сигнала, перемножитель, два интегратора и коммутатор, выход которого подключен к второму входу стробирующего каскада, а

входы коммутатора соответственно подключены к выходам интеграторов и к второму выходу синхронизатора, вход которого соединен с первым выходом генератора всномогательного сигнала, второй выход которого подключен к входу перемножителя, выход перемножителя соединен с входом первого интегратора через фазоинвертор, а с входом второго интегратора непосредственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Преобразование информации в аналого-цифровых вычислительных устройствах и системах. Под ред. Г. М. Петрова. М., «Машиностроение, 1973, с. 266-274.

2.Великий А. Д. и др. Индуктивная электроразведка методом переходных процессов с совмещенными источником и приемником поля. Л., «Недра, 1967, с. 22-25.