RU2800493C1 - Способ синтеза сплайна сигнала и синтезатор для его осуществления на интерполяторе Бесселя - Google Patents

Abstract

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.

Description

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.

Claims (13)

1. Способ синтеза сплайна сигнала, в котором для получения сигнала используют четыре постоянных узловых напряжения u _-1, u ₀, u ₁, u ₂ , которые подают на входы синтезатора, находят сумму напряжений u _-1, u ₀, u ₁, u ₂ по формуле:

находят сумму напряжений u _-1, u ₀, u ₁, u ₂ 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.