RU2576591C2 - Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы - Google Patents

Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы Download PDF

Info

Publication number
RU2576591C2
RU2576591C2 RU2014116732/08A RU2014116732A RU2576591C2 RU 2576591 C2 RU2576591 C2 RU 2576591C2 RU 2014116732/08 A RU2014116732/08 A RU 2014116732/08A RU 2014116732 A RU2014116732 A RU 2014116732A RU 2576591 C2 RU2576591 C2 RU 2576591C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltages
sawtooth
input
output
circuit
Prior art date
Application number
RU2014116732/08A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014116732A (ru
Inventor
Александр Васильевич Горепёкин
Роман Александрович Горепёкин
Дмитрий Зурабович Циклаури
Original Assignee
Александр Васильевич Горепёкин
Роман Александрович Горепёкин
Дмитрий Зурабович Циклаури
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Васильевич Горепёкин, Роман Александрович Горепёкин, Дмитрий Зурабович Циклаури filed Critical Александр Васильевич Горепёкин
Priority to RU2014116732/08A priority Critical patent/RU2576591C2/ru
Publication of RU2014116732A publication Critical patent/RU2014116732A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2576591C2 publication Critical patent/RU2576591C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерений, вычислительной техники и предназначено для прямого и обратного преобразования сигналов произвольной формы. Техническим результатом является уменьшение среднеквадратичной погрешности, максимального уклонения и ступенчатости восстановленного сигнала. Устройство содержит источник сигнала произвольной формы, интеграторы на операционных усилителях, отсчитывающие и запоминающие элементы, схемы вычисления коэффициентов преобразования, резисторы, операционный усилитель, генератор напряжений Уолша, формирователь ортогональных пилообразных напряжений, схемы умножения двух одновременно изменяющихся напряжений. 2 н.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Изобретение относится к области измерений, вычислительной и импульсной технике и предназначено для прямого, обратного преобразований и фильтрации сигналов произвольной формы и различной природы (речь, музыка, видео, связь и т.д.).
Известны различные базисы преобразований сигналов Фурье, Уолша, Адамара, Хаара, Добеши и т.д. [1, 2, 5, 6, 7, 8, 9]. Выбор типа анализирующего базиса для обработки сигналов, как правило, определяется тем, какую информацию необходимо извлечь из сигнала. Каждый базис имеет свои характерные особенности во временном и частотном пространствах. С помощью различных базисов можно полнее выявить и подчеркнуть те или иные свойства преобразованного сигнала. При этом другим аспектом выбора является скорость и объем вычислений.
Наиболее часто наряду с классическим преобразованием Фурье используются преобразования Уолша или Адамара [5, 7, 8, 9]. Эти преобразования имеют быстрые алгоритмы вычисления.
Непрерывное преобразование Фурье дает непрерывный восстановленный сигнал. Недостатком преобразования является то, что резкие (импульсные) локальные изменения в преобразуемом сигнале сглаживаются в восстановленном сигнале, в результате чего максимальные уклонения в локальных зонах сигнала могут достигать достаточно больших значений [10]. Стр. 451, 452 и черт. 118. Приложение 1.
Недостатком преобразования Уолша является существенная ступенчатость в восстановленном сигнале из-за того, что базисные функции принимают только два значения ±1 [1]. Приложение 2. Стр. 47, 48 рис. 1.1.4-1 и стр. 160. В результате этого максимальные уклонения восстановленного сигнала от исходного в отдельных точках достигают больших значений.
Напряжения Уолша и ортогональные пилообразные напряжения относятся к классу линейных функций. Последовательность операций преобразований по ортогональным пилообразным аналогична последовательности преобразования по напряжениям Уолша. Учитывая то, что последовательность преобразования Уолша наиболее близко к преобразованию по ортогональным пилообразным напряжениям, преобразование Уолша выбрано в качестве прототипа.
Согласно преобразованию с использованием прямоугольных двуполярных напряжений Уолша, принимающих только два значения ±1 (см. Приложение 2, стр. 159-164) в [1], при прямом преобразовании сигнала (вычислении коэффициентов преобразования) выполняют следующие операции:
- параллельно (одновременно) генерируют напряжения Уолша;
- параллельно умножают сигнал в виде непрерывно изменяющегося напряжения (без оцифровывания) на напряжения Уолша;
- параллельно вычисляют значения интегралов от произведений напряжения сигнала на напряжения Уолша на промежутках времени, равных периоду напряжения Уолша с числом секвент, равной единице (число секвент - это число пересечения напряжения Уолша с осью времени);
- отсчитывают значения интегралов, равные значениям коэффициентов преобразования aj по напряжениям Уолша.
При обратном преобразовании сигнала (восстановлении и фильтрации):
- параллельно умножают коэффициенты преобразования по напряжениям Уолша в виде напряжений, полученных при прямом преобразовании, на напряжения Уолша;
- параллельно суммируют произведения коэффициентов преобразования, в виде напряжений, на напряжения Уолша, формируют восстановленный сигнал, представляющий собой среднеквадратичное приближение входного сигнала или фильтрованный сигнал, полагая отдельные значения коэффициентов преобразования равные нулю.
Для количественной оценки преобразований по напряжениям Уолша и предложенным ортогональным пилообразным напряжениям используют среднюю квадратичную погрешность
Figure 00000001
где F(t) - исходный сигнал;
G(t) - восстановленный сигнал, и наибольшее уклонение восстановленного сигнала G(t) от исходного F(t)
Figure 00000002
В целях убедительного обоснования сущности недостатка преобразования по напряжениям, тождественным функциям Уолша подвергнем прямому и обратному преобразованиям сигнал
Figure 00000003
Вычислив коэффициенты разложения по напряжениям Уолша, получили:
Gy(t)=0,637wal(1, t)-0,264wal(5, t)+0,159wal(8, t)-0,052wal(9, t)-0,159wal(10, t)-0,127wal(13, t).
Графики исходной F(t) и восстановленной Gy(t) функции, а также график уклонения Δy(t)=F(t)-Gy(t) приведены на фиг. 1.
Средняя квадратичная ошибка составляет
Figure 00000004
Уклонение функции Gy(t) от F(t) в отдельных точках большое Δy(t)=0,507.
Из результатов преобразования сигнала по напряжениям тождественным функциям Уолша очевидно, что восстановленный сигнал имеет ступенчатый характер и обладает достаточно большими максимальными уклонениями Δy(t) от исходного сигнала.
Целью изобретения является повышение точности преобразования сигнала произвольной формы за счет уменьшения ступенчатости и уклонения восстановленного сигнала от исходного.
Цель достигается тем, что в предлагаемом преобразовании сигнала используют ортогональные пилообразные напряжения, тождественно изменяющиеся в соответствии со значениями функций.
Cln0(t)=1;
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019
где t - время;
l - полупериод преобразования напряжения Sln1(t);
[…] - выделение целой части.
Коэффициенты преобразования при использовании ортогональных пилообразных напряжений определяются из следующих равенств:
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025
Figure 00000026
Figure 00000027
Способ реализуется следующим образом:
- двуполярные напряжения Уолша с числом секвент 2, 4, 16 и 1, 3, 7 параллельно (одновременно) интегрируют с помощью интегралов на операционных усилителях. В результате интегрирования формируют пилообразные напряжения, аналогичные по характеру изменения тригонометрическим функциям синуса и косинуса с числом секвент 1, 3, 15 и 2, 4, 8:
Figure 00000028
Figure 00000029
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000033
- пилообразные напряжения Cln4(t) и Cln8(t) умножают на двуполярные напряжения Уолша. В результате чего формируют дополнительные пилообразные напряжения с числами секвент 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 и 14:
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000036
Figure 00000037
Figure 00000038
Графики напряжений (6) и (7) приведены на фиг. 2;
- пилообразные напряжения (6) и (7) упорядочивают по возрастанию чисел секвент; приводят к ортогональному виду, дополняют напряжением и
Figure 00000039
и тем самым формируют ортогональные пилообразные напряжения (4);
- параллельно умножают напряжение сигнала F(t) на пилообразные напряжения (4), начиная с нулевого номера по пятнадцатый;
- параллельно вычисляют значения интегралов от произведений напряжения сигнала на напряжения (4);
- затем, используя значения интегралов, вычисляют значения коэффициентов преобразования bn из равенств (5) в виде напряжений.
При обратном преобразовании (восстановлении сигнала, фильтрации) по пилообразным напряжениям (4):
- параллельно умножают напряжения bn, соответствующие значениям коэффициентов преобразования, на напряжения (4);
- результат умножения, затем, параллельно суммируют и, тем самым, восстанавливают (обнуляя отдельные коэффициенты bn, фильтруют) сигнал. Для оценки возможности преобразования сигнала по ортогональным пилообразным напряжениям выполнено преобразование сигнала F(t).
В результате преобразования сигнала с использованием ортогональных пилообразных напряжений из (4) получены коэффициенты bn:
b0(0)=0; b5(0)=0,115; b10(0)=-0,152;
b1(0)=1,216; b6(0)=0; b11(0)=-0,152;
b2(0)=0; b7(0)=0; b12(0)=0; b15(0)=0,
b3(0)=0,076; b8(0)=0,152; b13(0)=0,011;
b4(0)=0; b9(0)=0,047; b14(0)=0;
а из (1) и (2):
Δn=0,156;
εn=0,001178.
Графики исходного сигнала F(t) и восстановленного Gn(t) приведены на фиг. 3.
Сравнивая среднюю квадратичную погрешность преобразования Уолша
Figure 00000040
и максимальное уклонение Δy=0,507 со средней квадратичной погрешностью преобразования по пилообразным напряжениям εn=0,001178 и Δn=0,156, находим, что средняя квадратичная погрешность преобразования по пилообразным напряжениям меньше в 15 раз, а максимальное уклонение - в три раза, к тому же в восстановленном сигнале резко уменьшилась ступенчатость.
Таким образом, решена техническая задача конструирования базиса в основе которого используются ортогональные пилообразные напряжения (4), позволившего получить технический результат в существенном уменьшении как среднеквадратичной погрешности, так и максимального уклонения восстановленного сигнала от исходного.
Сравнивая сущность операций преобразования Уолша с сущностью операций преобразования с использованием ортогональных пилообразных напряжений (4) находим:
- что этап формирования (генерации) пилообразных напряжений (4), существенно отличаются от генерации напряжений Уолша. Пилообразные напряжения являются изменяющимися функции времени на всем временном интервале, а напряжения Уолша - разрывными функциями времени, принимающими только два значения ±1;
- в связи с тем, что напряжения Уолша принимают значения ±1, умножения напряжения сигнала F(t) сводится к простой операции присвоения знака сигналу F(t) на отрезках функции wal(j, t), а умножение напряжения сигнала F(t) при использовании ортогональных пилообразных напряжений является операция умножения двух изменяющихся напряжений F(t) и пилообразных напряжений на всем временном промежутке преобразования;
- при интегрировании произведения напряжения сигнала F(t) на напряжения wal(j, t) интеграл можно представить в виде суммы интегралов только от напряжения самого сигнала с учетом того, что функции wal(j, t) принимают только значения ±1, например, для wal(j, t):
Figure 00000041
а интегрирование произведений напряжения сигнала F(t) на пилообразные напряжения (4) существенно отличается, так, например (см. фиг. 2):
Figure 00000042
- из операции отсчитывания и вычисления коэффициентов преобразования по напряжениям Уолша следует, что все коэффициенты, стоящие перед интегралами, равны между собой и равны 1 [1], а из (5) следует, что коэффициенты, стоящие перед интегралами при преобразовании по ортогональным пилообразным напряжениям, не все равны между собой.
При обратном преобразовании (восстановлении, фильтрации) сигнала:
- умножение напряжений, равных значениям коэффициентов преобразования aj по напряжениям Уолша, на напряжения wal(j, t) сводится к простой операции умножения на ±1, а умножение коэффициентов разложения bn по пилообразным напряжениям (4) является умножением на непрерывно изменяющие напряжения;
- суммирование напряжений при восстановлении сигнала в преобразовании Уолша представлено в виде суммы одночленных слагаемых ajwal(j, t), а суммирование произведений пилообразных напряжений (4) на напряжения, равные значениям преобразования (4), включает как одночленные слагаемые типа b2Cln2(t), так и представленные в виде суммы
Figure 00000043
.
Из сравнения одноименных операций преобразований Уолша с использованием пилообразных напряжений следует, что преобразование с использованием пилообразных напряжений при выполнении всех операций имеет свои отличия.
Известны устройства, реализующие преобразования Уолша [1, 7, 8, 9]. В [1], рис. 2.1.3-8 на с. 162 Приложение 2, представлено устройство, полностью реализующее операции, содержащиеся в преобразовании с использованием напряжений Уолша. В [7] предложены решения, направленные на уменьшение числа модулей и связей между модулями по сравнению с устройством в [8, 9].
В предлагаемом устройстве с использованием пилообразных напряжений последовательность выполнения операций аналогична последовательности операций в устройстве преобразования Уолша в [1], поэтому устройство, представленное в [1], наиболее близко к устройству, реализующему преобразование по ортогональным пилообразным напряжениям.
Устройство прототипа, реализующее преобразование сигнала по напряжениям Уолша, представлено в виде секвентного фильтра, который в равной мере используется как в преобразователях сигналов вокодерах (см. стр. 162, 163 в [1], Приложение 2), так и в секвентных фильтрах (рис. 2.1.3-8 в [1]). Секвентный фильтр общего вида согласно [1] представлен схемой, приведенной на фиг. 4.
Для выполнения преобразования с использованием пилообразных напряжений схема секвентного фильтра (фиг. 4) дополнена формирователем ортогональных пилообразных напряжений блок 8 (см. фиг. 5) и схемами вычисления коэффициентов преобразования блоки 10, 11.1-11.15.
Так как схемы умножения на М01÷M15 в прототипе (фиг. 4) выполняют умножение сигнала только на ±1 на отдельных промежутках преобразования, а при преобразованиях с использованием ортогональных пилообразных напряжений необходимы схемы умножения двух одновременно изменяющихся напряжений. Поэтому схемы умножения М0-Ms заменены на схемы AD539 [4], Приложение 3, блоки 9.1-9.30 (фиг. 5), которые выполняют именно умножение двух одновременно изменяющихся напряжений.
Все остальные блоки секвентного фильтра используются без изменений, а именно: блоки интеграторов 2.0-2.15 тождественны блокам J0-Js; блоки отсчитывания и запоминания 3.0-3.15 тождественны блокам Н0-HS; блоки 4.0-4.15; 5 и 6 тождественны сумматору R/k(0)-R/k(s), R и операционному усилителю.
В результате отмеченных дополнений и замены получена схема устройства преобразования сигнала с использованием пилообразных напряжений фиг. 5, где выходы генератора напряжений Уолша 7 соединены с одноименными входами формирователя ортогональных пилообразных напряжений (ФОПН) 8, фиг. 5, выходы 1-15 ФОПН попарно соединены соответственно с входами 2 схем умножения двух одновременно изменяющихся напряжений 9.1-9.15 первой группы и 9.16-9.30 второй группы типа AD539, а выход источника сигнала F(t) соединен параллельно с входами 1 схем умножения 9.1-9.15. На выходах схем умножения 9.1-9.15 формируют произведения напряжения сигнала F(t) на ортогональные пилообразные напряжения ФОПН.
Выходы схем умножения 9.1-9.15 первой группы соединены с одноименными входами интеграторов 2.1-2.15, кроме этого, выход источника сигнала F(t) соединен с входом интегратора 2.0, в результате на выходах интеграторов 2.0-2.15 получают 16 значений интегралов на промежутках интегрирования 21.
Выходы интеграторов 2.0-2.15 соответственно соединены с входами отсчитывающих и запоминающих элементов 3.0-3.15. На выходах отсчитывающих и запоминающих элементов получают и сохраняют значения интегралов I0÷I15 в виде напряжений.
Выходы отсчитывающих и запоминающих элементов 3.0-3.15 соединены с входами схем вычисления коэффициентов преобразования 10, 11.1-11.15 на выходах этих схем в соответствие с (5) получают коэффициенты преобразования, начиная с b0 по b15 по пилообразным напряжениям (4).
Для выполнения обратного преобразования (фильтрации) фиг. 5 выходы 0-15 схем вычисления коэффициентов преобразования 10, 11.1-11.15, начиная с нулевого по пятнадцатый соединены соответственно с входами 1 схем умножения 9.16-9.30 второй группы типа AD539, а выходы 1-15 ФОПН блок 8 соединим с входами 2 схем умножения 9.16-9.30. На выходах схем умножения 9.16-9.30 формируют параллельно произведения ортогональных пилообразных напряжений (4) и коэффициентов преобразования bn в виде напряжений. Выходы схем умножения блоки 9.16-9.30 и выход 0 схемы вычисления коэффициента 10 соединены с входами 4.0-4.15 сумматора 6, на выходе сумматора получают восстановленный сигнал Gn(t).
Сравнивая схему фиг. 4 и фиг. 5, находим, что в схеме преобразования с использованием пилообразных напряжений дополнительно включены ФОПН блок 8, схемы вычисления коэффициентов 10, 11.1-11.15, заменены умножением М01÷M0s и M11÷Ms умножения сигнала на ±1 фиг. 4 на схемы умножения 9.1-9.30 типа AD539 [4]. В связи с введением дополнительных схем ФОПН вычисления значений коэффициентов преобразования и замены схем умножения введены дополнительные связи между генератором напряжений Уолша 7 и ФОПН 8, между ФОПН и схемами умножения 9.1-9.30; отсчитывающими и запоминающими элементами 3.0-3.15; схемами вычисления коэффициентов 10, 11.1-11.15 и входами 4.0-4.15 сумматора 6.
Таким образом, схема преобразования с использованием ортогональных пилообразных напряжений фиг. 5 отличается от схемы преобразования Уолша фиг. 4 новыми блоками являются:
1. Формирователь ортогональных пилообразных напряжений (блок 9.1-9.15).
2. Схемы вычисления коэффициентов (блоки 10; 11.1-11.15), стоящих перед интегралами в (5).
3. Схемы умножения двух одновременно изменяющихся напряжений типа AD0539.
Схемы AD539 выпускаются серийно и в схемах фиг. 5 используются по своему прямому назначению.
Аппаратная реализация формирования ортогональных пилообразных напряжений, блоки 13.1, 13.2 и 13.3 фиг. 13, осуществляется с помощью схемы, приведенной на фиг. 6, включающей операционный усилитель ОУ1 и ключ S, формирующий двуполярные импульсы со стабильной амплитудой. Ключ S управляется напряжениями Уолша. Интегратор на операционном усилителе ОУ2, интегрируя двуполярные напряжения формирует пилообразное напряжение аналогичное по характеру изменения синуса [3].
При подаче на диод Д1 блок 13 фиг. 6 от генератора FG напряжений Уолша wal(2, t), wal(4, t), wal(6, t) на выходе 3 соответственно формируются пилообразные напряжения Sln1(t), Sln3(t) и Sln15(t).
Например, при подаче напряжения wal(2, t) на диод Д1 формируются однополярные отрицательные импульсы, под воздействием которых при wal(2, t)=+1 на входе 1 блока 13 и контакте 4 ключа S напряжение равно нулю, контакты 2 и 3 замкнуты.
На выходе 3 ключа S напряжение U2(t)=-UОП. При wal(2, t)=-1 замкнуты контакты 1 и 3 ключа S, а U2(t)=UОП.
На выходе интегратора ОУ2
Figure 00000044
или в общем виде
Figure 00000045
где
Figure 00000046
[3].
На фиг. 7 приведены графики изменения напряжений в схеме фиг. 6 при i=1.
На фиг. 8 приведена схема формирования пилообразных напряжений Cln2(t), Cln4(t) и Cln8(t) блок 14, включающая схему формирования блок 13 и сумматор ОУ3.
На фиг. 9 приведены графики изменения напряжений в схеме фиг. 8.
На фиг. 10 приведена схема формирования напряжений с номерами секвент 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 и 14, блок 15.
При подаче на вход 1 блока 15, фиг 10 напряжения Cln4(t) и на вход 3 напряжения wal(1, t) на выходе диода Д формируется положительный импульс от wal(1, t), контакты 1 и 3 замыкаются. На выходе 2 блока 15 получаем Sln4(t), а при запертом диоде Д Q1(t)=1 замыкаются контакты 2 и 3. На выходе 2 получаем минус Cln4(t). На промежутках 2l на выходе 2 блока 15 получаем Cln5(t). На фиг 11 приведены изменения напряжений в схеме блок 15. Аналогично формируются другие пилообразные напряжения с числами секвент 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 и 14.
На фиг. 12 представлены схемы приведения пилообразных напряжений к ортогональному виду (4) с использованием сумматоров путем установки коэффициентов передачи с помощью резонаторов в сумматорах Σ1 и Σ2 в соответствие с (4).
На фиг. 13 приведена схема формирователя ортогональных напряжений (ФОПН) блок 8 фиг. 5, включающая блоки 13.1-13.3; 14.1-14.3; 15.1-15.9.
Из (5) находим, что при l=1 коэффициенты, стоящие перед интегралами:
Figure 00000047
Умножая значения интегралов J0÷J15 на соответствующие коэффициенты Cn, получают значение коэффициентов преобразования bn по ортогональным пилообразным напряжениям (4).
Для вычисления b0 используют резистивный делитель из двух одинаковых резисторов блок 10 фиг. 14, а для всех остальных используют операционные усилители с соответствующими коэффициентами усиления
Figure 00000048
, 2 и
Figure 00000049
.
Схемы вычисления коэффициентов блоки 10 и 11.1-11.15 фиг. 5, стоящих перед интегралами, приведены на фиг. 14.
Предложенный способ отличается от преобразования Уолша тем, что в преобразовании используются ортогональные пилообразные напряжения, которые формируют интегрированием и умножением напряжений Уолша, приводят к ортогональному виду, умножают напряжение сигнала на ортогональные пилообразные напряжения, интегрируют это произведения на промежутках длиной 2l и, используя полученные значения интегралов, вычисляют значения коэффициентов преобразования bn в виде напряжений;
- при обратном преобразовании (восстановлении, фильтрации) сигнала по пилообразным напряжениям;
- параллельно умножают ортогональные пилообразные напряжения на напряжения, соответствующие значениям коэффициентов разложения;
- параллельно суммируют полученные напряжения, восстанавливают сигнал либо, положив отдельные коэффициенты bn=0, фильтруют сигнал F(t).
Достигнутый технический результат заключается в уменьшении в несколько раз среднеквадратичной погрешности, максимального уклонения восстановленного сигнала от исходного и ступенчатости восстановленного сигнала по сравнению с преобразованием Уолша, вызванных тем, что базисные функции принимают только два значения ±1.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый способ практически реализуем в устройстве, которое может быть изготовлено на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Данный способ и реализующее его устройство преобразования сигнала произвольной формы могут найти очень широкое применение в разнообразных областях (измерительная техника, связь, запись-воспроизведение аудио-видеоконтента и т.д.).
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы отвечают критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и могут быть защищены патентом РФ на изобретение.
Графические материалы, поясняющие сущность изобретения
Фиг 1. Графики исходного сигнала F(t), восстановленного сигнала Gy(t) с использованием преобразования напряжений Уолша и уклонения Δy восстановленного сигнала от исходного.
Графики отражают ступенчатость преобразования Уолша и характер уклонения восстановленного сигнала от исходного.
Фиг. 2. Графики предлагаемых пилообразных напряжений, упорядоченных по возрастанию чисел секвент.
Графики отражают характер изменения пилообразных напряжений.
Фиг. 3. Графики исходного сигнала F(t) и восстановленного сигнала Gn(t) с использованием ортогональных напряжений (4).
Графики восстановленного сигнала Cn(t) показывают существенное уменьшение ступенчатости и уклонения.
Фиг. 4. Схема устройства-прототипа преобразования с использованием напряжений Уолша.
Схема отражает состав блоков и связей преобразования Уолша, включающего:
FG - генератор напряжений Уолша;
М0-Ms - умножители, выполняющие умножение на ±1;
J0-Js - интеграторы;
Н0-Hs - отсчитывающие и запоминающие элементы;
Сумматор на операционном усилителе R/k(0)-R/K(S), R.
Выходы генератора напряжений Уолша F(t) соединены с одним из входов 15 схем умножения на ±1 М01÷M0s, а вторые входы схем умножения М01÷M0s соединены с выходами источника сигнала F(θ), выходы схем умножения М01÷M0s соединены с выходами 16 схем вычисления значений интегралов J0÷Js от произведений напряжения сигнала на напряжения Уолша, выходы схем вычисления значений интегралов соединены с выходами 16 схем отсчитывания и запоминания Н0÷Hs, на выходах которых получают коэффициенты преобразования по напряжениям Уолша в виде напряжений, для обратного преобразования (фильтрации) выходы 16 схем отсчитывания и запоминания Н0÷Hs соединены соответственно с первыми входами 16 схем умножения на ±1 M11÷M1s, а вторые входы этих 16 схем умножения M11÷M1s соединены с соответствующими выходами генератора напряжений Уолша, выходы схем умножения M11÷M1s соединены с входами сумматора на операционном усилителе ОУ.
Фиг. 5. Схема устройства, реализующего предлагаемый способ с использованием ортогональных пилообразных напряжений (5).
Согласно фиг. 5 предлагаемое устройство включает:
блок 1 - генератор сигнала произвольной формы;
блоки 2.0-2.15 - интеграторы на операционных усилителях;
блоки 3.0-3.15 - отсчитывающие и запоминающие элементы;
блок суммирования 6 с резонаторами 4.0-5.15 и резонаторами и резонатором обратной связи 5.0;
блок 7 - генератор напряжений Уоша;
блок 8 - вновь введенный формирователь ортогональных пилообразных напряжений;
блок 9.1-9.30 - схемы умножения двух одновременно изменяющихся напряжений типа AD539, заменившие схемы умножения М0÷Ms;
блоки 10; 11.1-11.15 - вновь введенные схемы вычисления коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям.
На схеме отражены вновь дополнительно введенные блоки: формирования пилообразных напряжений (блок 8) из напряжений Уолша; схемы вычисления коэффициентов 10, 11.1-11.15, стоящих перед блоками суммирования 4.0, 4.1-4.15. Отражена замена умножителей М0÷Ms на схемы умножения 10.1-10.15 и 10.16-10.30, а также отражены дополнительные связи блоков 9; 10.1-10.30; 11; 12.1-12.15 с блоками, используемыми в схеме фиг. 4.
В предлагаемом устройстве выходы генератора напряжений Уолша 7 с числами секвент 1, 2, 3, 4, 7 и 16 соединены с одноименными входами формирователя ортогональных пилообразных напряжений 8, выходы которого соединены с входами первых сомножителей d15 схем умножения 9.1-9.15 типа AD539 первой группы, а входы вторых сомножителей с этих схем умножения соединены параллельно и с выходом источника сигнала 1, выходы 15 схем умножения 9.1-9.15 и выход источника сигнала 1 соединены с входами 16 интеграторов 2.0-2.15, выходы которых являются входами 16 элементов отсчитывания и запоминания 3.0-3.15, выходы элементов отсчитывания и запоминания 3.0-3.15 соединены с входами 16 схем вычисления коэффициентов преобразования по пилообразным напряжениям 10; 11.1-11.15, на выходах которых и получают коэффициенты преобразования по пилообразным напряжениям b0÷b15, для обратного преобразования выходы схем вычисления коэффициентов преобразования 10; 11.1-11.15 соединены с входами вторых сомножителей с 16 схем умножения 9.16-9.30 второй группы типа AD539, а входы первых сомножителей d этих схем умножения соответственно соединены с выходами формирователя ортогональных пилообразных напряжений 8, выходы 16 схем умножения 9.16-9.30 соединены с входами сумматора на операционном усилителе 6 резисторы 4.0-4.15, на выходе которого получают восстановленный сигнал.
Фиг. 6. Схема формирования пилообразных напряжений, изменяющихся аналогично функциям синуса из напряжений Уолша (блоки 13.1; 13.2; 13.3 фиг. 13).
В схеме приведены элементы и связи, обеспечивающие формирование пилообразных напряжений Sln1(t); Sln3(t) и Sln15(t) из напряжений Уолша wal(2, t), wal(4, t) или wal(16, t) при подаче их на вход диода Д1.
Фиг. 7. Графики изменения напряжений в схеме фиг. 6 при формировании напряжения Sln1(t).
Графики иллюстрируют процессы в схеме фиг. 6.
Фиг. 8. Схема формирования пилообразных напряжений, изменяющихся аналогично функциям косинуса из напряжений Уолша (блоки 14.1; 14.2; и 14.3 фиг. 13).
В схеме приведены элементы и связи, которые при подаче на вход 1 (Д1) напряжений Уолша wal(1, t), wal(3, t) или wal(7, t) на выходе формируют пилообразные напряжения Cln2(t), Cln4(t) или Cln8(t).
Фиг. 9. Графики изменения напряжений в схеме формирования пилообразных напряжений в схеме фиг. 8 при формировании напряжений Cln1(t).
Фиг. 10. Схема формирования пилообразных напряжений с числами секвент 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 (блоки 15.1-15.9 фиг. 13).
В схеме изображены элементы и связи, позволяющие при подаче на вход 1 напряжений Cln4(t) или Cln8(t), а на вход 3 напряжений Уолша, на входе 2 формировать пилообразные напряжения с числами секвент 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 и 14.
Фиг. 11. Графики изменения в схеме фиг. 10 при формировании напряжений Sln5(t) из Cln4(t) путем подачи на вход 1 фиг. 10 напряжения Cln4(t), а на вход 3 напряжения Уолша wal(1, t).
Фиг. 12. Схемы приведения пилообразных напряжений (6) и (7) к ортогональному виду в соответствие с (4).
В качестве схем приведения к ортогональному виду приведены схемы на операционных усилителях, суммирующие или вычитающие два сигнала. Коэффициенты суммирования или вычитания устанавливаются выбором резисторов R; R1; R2 и R3 в соответствие с (8).
Фиг. 13. Схемы формирования ортогональных пилообразных напряжений (4) из напряжений Уолша, где:
wal(j, t) - напряжения Уолша;
блоки 13.1-13.3 - формирователи пилообразных напряжений, изменяющихся аналогично функциям синуса;
блоки 14.1-14.3 - формирователи пилообразных напряжений, изменяющихся аналогично косинусу;
блоки 15.1-15.9 - формирователи дополнительных пилообразных напряжений с числами секвент 5, 6, 7, 9, 10, 1, 12, 13 и 14;
схемы формирования ортогональных пилообразных напряжений в соответствии с (4);
блоки Σ1; Σ2 - формирователи ортогональных пилообразных напряжений (4).
Фиг. 14. Схемы вычисления коэффициентов Cn, стоящих перед интегралами в (5).
В качестве схем вычисления коэффициентов С, стоящих перед интегралами в схеме (5), используются операционные усилители, коэффициенты усиления которых определяются соотношением резисторов R1, R2 и R3.
Для коэффициента C0 в схеме оба резистора равны.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Хармут Х.Ф. Теория секвентного анализа. Основы и применения. - М.: Мир, 1980. - 576 с.
2. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Перевод с англ. - М.: Мир. T.1б 2, 1982. - 310 с.
3. Фолькенберри Л.М. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985. - 572 с.
4. Микросхема AD539 умножения аналоговых сигналов. http://www/analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD539/pdf.
5. George Kechriotis. System and method for computing and unordered Hadamard transform. Грант US 6766342 B2, кл. G06F 17/14, дата публикации 20 июля 2004 г.
6. George Kechriotis. System and computer-implemented method for performing multi-stage fast Walsh transform. Грант US 6505224 B1, кл. G06F 17/14, дата публикации 7 января 2003 г.
7. Ермаков В.Ф. Устройство для выполнения преобразований Уолша (его варианты). Патент RU 2203506 C2, кл. G06F 17/14, дата публикации 27 апреля 2003 г.
8. Авторское свидетельство СССР № 553547, кл. G01R 23/16, 1977.
9. Авторское свидетельство СССР № 203911, кл. G06R 7/62, 1982.
10. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Наука, 21 изд., стереотипное. Т.2. - 1974. - 656 с.

Claims (2)

1. Способ преобразования сигнала произвольной формы, содержащий при прямом преобразовании параллельное формирование напряжений Уолша, принимающих значения ±1, умножения этих напряжений на напряжение сигнала, интегрирование напряжений от произведений напряжений Уолша на напряжение сигнала, вычисление, отсчитывание и запоминание коэффициентов преобразования Уолша, при обратном преобразовании сигнала, умножение коэффициентов преобразования на соответствующие напряжения Уолша и суммирование полученных напряжений, восстанавливающее сигнал, отличающийся тем, что напряжения Уолша с числом секвент 1, 3, 7, 2, 4 и 16 интегрируют, в результате этого формируют пилообразные напряжения с числами секвент 1, 3, 15 и 2, 4, 8; пилообразные напряжения с числами секвент 4 и 8 умножают на напряжения Уолша формируют пилообразные напряжения с числами секвент 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 и 14, все пилообразные напряжения упорядочивают по возрастанию чисел секвент, приводят к ортогональному виду и тем самым формируют ортогональные пилообразные напряжения, изменяющиеся в соответствие со следующими равенствами:
Cln0(t)=1;
Figure 00000050

Figure 00000051

Figure 00000052

Figure 00000053

Figure 00000054

Figure 00000055

Figure 00000056

Figure 00000057

Figure 00000058

Figure 00000059

Figure 00000060

Figure 00000061

Figure 00000062

Figure 00000063

Figure 00000064

где t - время;
l - полупериод преобразования напряжения Sln1 (t);
[…] - выделение целой части;
- параллельно умножают напряжение сигнала F(t) на ортогональные пилообразные напряжения;
- параллельно вычисляют значения интегралов от произведений сигнала и ортогональных пилообразных напряжений на промежутках длиной 2l;
- из значений интегралов, вычисляют значения коэффициентов преобразования по пилообразным напряжениям bn в виде напряжений в соответствие с равенствами:
Figure 00000065

Figure 00000066

Figure 00000067

Figure 00000068

Figure 00000069

Figure 00000070

Figure 00000071

Figure 00000072

при обратном преобразовании (восстановлении, фильтрации) сигнала по пилообразным напряжениям:
параллельно умножают ортогональные пилообразные напряжения на напряжения, соответствующие значениям коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям, затем параллельно суммируют полученные напряжения, восстанавливают сигнал, либо, положив отдельные коэффициенты bn=0, фильтруют сигнал.
2. Устройство, реализующее способ преобразования сигнала произвольной формы, содержащее источник сигнала произвольной формы,
0-й, 1-й, 2-й, …, 15-й блоки интеграторов,
0-й, 1-й, 2-й, …, 15-й блоки отсчитывающих и запоминающих элементов,
0-й, 1-й, 2-й, …, 15-й резисторы,
резистор обратной связи, операционный усилитель, генератор напряжений Уолша с числами секвент от 0 до 16;
выход источника сигнала произвольной формы через 0-й блок интеграторов подключен к входу 0-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов;
выход 1-го блока интеграторов подключен к входу 1-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов, выход 2-го блока интеграторов - к входу 2-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов, … выход 15-го блока интеграторов - к входу 15-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов;
к входу операционного усилителя подключен выход 0-го резистора, 1-го резистора, 2-го резистора, … 15-го резистора, а также выход резистора обратной связи;
выход операционного усилителя, являющийся одновременно выходом устройства, подключен к входу резистора обратной связи;
отличающееся тем, что в него введены
формирователь ортогональных пилообразных напряжений с числами секвент от 1 до 15,
1-я, 2-я, …, 30-я схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений;
0-я, 1-я, 2-я, …, 15-я схемы вычисления коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям;
выходы генератора напряжений Уолша с числами секвент 1, 2, 3, 4, 7 и 16 подключены к входам формирователя ортогональных пилообразных напряжений 1, 2, 3, 4, 7 и 16;
выход источника сигнала произвольной формы подключен к первым входам 1-й, 2-й, … и 15-й схем умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений;
первый выход формирователя ортогональных пилообразных напряжений подключен ко второму входу 1-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений и ко второму входу 16-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений, второй выход формирователя ортогональных пилообразных напряжений подключен ко второму входу 2-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений и ко второму входу 17-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений, … пятнадцатый выход - ко второму входу 15-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений и ко второму входу 30-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений;
выход 1-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений подключен к входу 1-го блока интеграторов, выход 2-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений - к входу 2-го блока интеграторов, … выход 15-й схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений - к входу 15-го блока интеграторов;
выход 0-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов через 0-ю схему вычисления коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям подключен к входу 0-го резистора сумматора;
выход 1-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов через последовательно соединенные 1-ю схему вычисления коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям и 16-ю схему умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений подключен к входу 1-го резистора, выход 2-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов через последовательно соединенные 2-ю схему вычисления коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям и 17-ю схему умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений подключен к входу 2-го резистора сумматора, … выход 15-го блока отсчитывающих и запоминающих элементов через последовательно соединенные 15-ю схему вычисления коэффициентов преобразования по ортогональным пилообразным напряжениям и 30-ю схемы умножения двух непрерывно-изменяющихся напряжений подключен к входу 15-го резистора.
RU2014116732/08A 2014-04-24 2014-04-24 Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы RU2576591C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014116732/08A RU2576591C2 (ru) 2014-04-24 2014-04-24 Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014116732/08A RU2576591C2 (ru) 2014-04-24 2014-04-24 Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014116732A RU2014116732A (ru) 2015-10-27
RU2576591C2 true RU2576591C2 (ru) 2016-03-10

Family

ID=54362711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014116732/08A RU2576591C2 (ru) 2014-04-24 2014-04-24 Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2576591C2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682862C2 (ru) * 2017-03-06 2019-03-21 Роман Александрович Горепекин Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы с использованием ступенчатых пилообразных функций
RU2682860C2 (ru) * 2017-07-12 2019-03-21 Александр Васильевич Горепекин Способ и устройство преобразования сигналов произвольной формы с использованием пилообразных ступенчатых вейвлетов

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU922721A2 (ru) * 1980-06-24 1982-04-23 Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им. В.И.Ульянова (Ленина) Устройство ортогонального преобразовани по Уолшу
RU2012047C1 (ru) * 1989-08-17 1994-04-30 Шарафиддин Мухамед Абдульрауф Устройство для ортогонального преобразования цифровых сигналов по уолшу-адамару
US5357454A (en) * 1991-07-25 1994-10-18 Ericsson Ge Mobile Communications Holding, Inc. Fast walsh transform processor
US6505224B1 (en) * 1999-09-29 2003-01-07 Sun Microsystems, Inc. System and computer-implemented method for performing multi-stage fast Walsh transform
RU2203506C2 (ru) * 2000-05-15 2003-04-27 Ермаков Владимир Филиппович Устройство для выполнения преобразований уолша (его варианты)
US6735167B1 (en) * 1999-11-29 2004-05-11 Fujitsu Limited Orthogonal transform processor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU922721A2 (ru) * 1980-06-24 1982-04-23 Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им. В.И.Ульянова (Ленина) Устройство ортогонального преобразовани по Уолшу
RU2012047C1 (ru) * 1989-08-17 1994-04-30 Шарафиддин Мухамед Абдульрауф Устройство для ортогонального преобразования цифровых сигналов по уолшу-адамару
US5357454A (en) * 1991-07-25 1994-10-18 Ericsson Ge Mobile Communications Holding, Inc. Fast walsh transform processor
US6505224B1 (en) * 1999-09-29 2003-01-07 Sun Microsystems, Inc. System and computer-implemented method for performing multi-stage fast Walsh transform
US6735167B1 (en) * 1999-11-29 2004-05-11 Fujitsu Limited Orthogonal transform processor
RU2203506C2 (ru) * 2000-05-15 2003-04-27 Ермаков Владимир Филиппович Устройство для выполнения преобразований уолша (его варианты)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682862C2 (ru) * 2017-03-06 2019-03-21 Роман Александрович Горепекин Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы с использованием ступенчатых пилообразных функций
RU2682860C2 (ru) * 2017-07-12 2019-03-21 Александр Васильевич Горепекин Способ и устройство преобразования сигналов произвольной формы с использованием пилообразных ступенчатых вейвлетов

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014116732A (ru) 2015-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ruzhansky et al. Nonharmonic analysis of boundary value problems
Yüzbaşı Numerical solutions of fractional Riccati type differential equations by means of the Bernstein polynomials
Bhrawy et al. A new Bernoulli matrix method for solving high-order linear and nonlinear Fredholm integro-differential equations with piecewise intervals
El-Sayed The decomposition method for studying the Klein–Gordon equation
Maleknejad et al. A new approach to the numerical solution of Volterra integral equations by using Bernstein’s approximation
Zhi et al. A generalized convolution theorem for the special affine Fourier transform and its application to filtering
du Toit Mouton et al. One-dimensional spectral analysis of complex PWM waveforms using superposition
Huang et al. Dilation method for finding close roots of polynomials based on constrained learning neural networks
RU2576591C2 (ru) Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы
Shoukralla et al. Numerical solution of a certain class of singular Fredholm integral equations of the first kind via the Vandermonde matrix
Bianchi et al. A QQ→ QQ planar double box in canonical form
Bairwa et al. Analytical solution of time-fractional Klien-Gordon equation by using Laplace-Adomian decomposition method
Gavrea On a convexity problem in connection with some linear operators
RU2682862C2 (ru) Способ и устройство преобразования сигнала произвольной формы с использованием ступенчатых пилообразных функций
Al-Tarawneh Solving fractional differential equations by using conformable fractional derivatives definition
RU2557754C1 (ru) Способ вейвлет-преобразования сигнала произвольной формы
Milovanović A note on extraction of orthogonal polynomials from generating function for reciprocal of odd numbers
Da Stability of the difference type methods for linear Volterra equations in Hilbert spaces
Mohamed Comparison differential transformation technique with adomian decomposition method for dispersive long-wave equations in (2+ 1)-dimensions
Marmarelis Identification and modelling of a class of nonlinear systems
Sidorov et al. On the Period Length Modulo p of the Numerators of Convergents for the Square Root of a Prime Number p
RU2682860C2 (ru) Способ и устройство преобразования сигналов произвольной формы с использованием пилообразных ступенчатых вейвлетов
Reich et al. A remark on Schröder’s equation: formal and analytic linearization of iterative roots of the power series f (z)= z f (z)= z
Malaschonok Parallel Laplace method with assured accuracy for solutions of differential equations by symbolic computations
Ahad et al. Fractional Order Calculus and Derivative Implementation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200425