RU2810949C1 - Способ формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810949C1 RU2810949C1 RU2023102551A RU2023102551A RU2810949C1 RU 2810949 C1 RU2810949 C1 RU 2810949C1 RU 2023102551 A RU2023102551 A RU 2023102551A RU 2023102551 A RU2023102551 A RU 2023102551A RU 2810949 C1 RU2810949 C1 RU 2810949C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- block
- samples
- sampling period
- measuring
- input
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 108
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 52
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 35
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 12
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Группа изобретений относится к области многоканальной передачи информации и может быть использовано в многоканальной телеметрии, информационно-измерительных системах, медицинских приборах, в частности при обработке сигналов электрокардиограммы. Техническим результатом изобретения является уменьшение среднеквадратической погрешности восстановления исходного непрерывного измерительного сигнала, представленного в виде групп дискретных отсчетов, с помощью фильтра нижних частот. В способе формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов изменение сдвига во времени дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета пропорционально изменению периода дискретизации. Устройство формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные первый (2) и второй (3) блоки памяти, блок (4) измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, блок (5) формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. Вход первого блока памяти является входом устройства (7). Первый вход (21) блока (6) формирования дискретных отсчетов соединен с выходом второго блока памяти (3), а выход является выходом устройства (28). Входы со второго (25) по (N+1)-й (27) блока (6) формирования дискретных отсчетов подключены к соответствующим выходам блока (5) формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. 2 н.п. ф-лы, 22 ил.
Description
Изобретение относится к области многоканальной передачи информации и может быть использовано в многоканальной телеметрии, информационно-измерительных системах, медицинских приборах, в частности, при обработке сигналов электрокардиограммы.
В многоканальных информационно-измерительных системах с временным разделением каналов входные непрерывные измерительные сигналы преобразуются в дискретные отсчеты. Способ формирования дискретных отсчетов реализуется с помощью коммутаторов каналов, ключевые элементы которых под действием сигналов управления от устройства управления соединяют на заданный интервал времени и с заданным периодом повторения источники измерительных сигналов с групповым трактом для последующего преобразования и обработки [1, раздел 12-2].
Если амплитуда дискретных отсчетов изменяется по закону изменения информативного сигнала, то есть, имеет место амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), то спектр последовательности таких отсчетов содержит [2, раздел 5.3.2] составляющие на частотах, кратных частоте дискретизации,
где k - номер спектральной зоны,
Fd - частота дискретизации,
Td=1/Fd - период дискретизации
τ - длительность импульса дискретного отсчета,
Uo - амплитуда смодулированных отсчетов, равная амплитуде модулирующего сигнала; боковые составляющие в каждой k-й спектральной зоне
где Fc - максимальная частота в спектре информативного сигнала,
0<m≤1 - коэффициент амплитудной модуляции;
составляющие информативного сигнала в нулевой спектральной зоне
и постоянную составляющую
Одним из способов демодуляции АИМ-сигнала является непосредственное выделение из спектра последовательности дискретных отсчетов спектральных составляющих информативного сигнала с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) [2, раздел 5.3.2]. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) реальных ФНЧ неидеальны из-за наличия переходной зоны между областью частот пропускания и областью частот подавления спектральных составляющих фильтруемого сигнала. Попадание левых боковых составляющих 1-й спектральной зоны с частотами в переходную зону АЧХ ФНЧ может приводить к искажению восстанавливаемого информативного сигнала за счет интермодуляционных помех. Чем ближе максимальная частота Fc в спектре информативного сигнала к значению тем сильнее влияние интермодуляционных помех на восстанавливаемый информативный сигнал. Для уменьшения этого влияния необходимо уменьшать переходную зону АЧХ ФНЧ, что достигается увеличением порядка фильтра. Это, в свою очередь, проводит к усложнению ФНЧ, а при цифровой реализации ФНЧ к увеличению количества вычислительных операций. Кроме этого, при заданной частоте Fd дискретизации максимальная частота Fc в спектре информативного сигнала теоретически не может превышать
Перечисленные особенности известного способа формирования дискретных отсчетов измерительного сигнала [1], проявляющиеся при демодуляции этих отсчетов, являются недостатками известного способа [1].
Преодолеть эти недостатки можно за счет преобразования простых (одиночных) отсчетов измерительных сигналов в сложные дискретные отсчеты, представляющие из себя группу отсчетов.
Известен способ формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов, заключающийся в преобразовании простых (одиночных) дискретных отсчетов измерительных сигналов в сложные дискретные отсчеты (СДО), состоящие из группы отсчетов [3, раздел 3.4] (прототип). Данное преобразование достигается тем, что к каждому основному отсчету добавляют одну или несколько пар дополнительных отсчетов, причем в каждой i-й паре один отсчет сдвинут относительно основного отсчета влево на время а второй - вправо на это же время Длительности каждого из дополнительных отсчетов равны длительности τ основного отсчета, а амплитуды отсчетов каждой пары умножаются на масштабный коэффициент Кi. При соответствующем выборе параметров дополнительных отсчетов и Кi, такое преобразование обеспечивает подавление всех составляющих выбранных спектральных зон в спектре последовательности СДО. Число подавляемых спектральных зон определяется числом пар дополнительных отсчетов: одна пара дополнительных отсчетов позволяет подавить одну спектральную зону, две пары - две спектральных зоны и т.д.
Подобное преобразование одиночных дискретных отсчетов в СДО с подавлеными несколькими спектральными зонами, начиная с первой и оставленной нулевой спектральной зоной обеспечивает [3, с. 79, рис. 3.10, д]:
- снижение требований к порядку фильтров нижних частот (ФНЧ), используемых для выделения из нулевой спектральной зоны СДО составляющих информативного сигнала;
- ослабление интермодуляционных искажений без увеличения порядка ФНЧ;
- расширение частотного диапазона преобразуемого информативного сигнала без увеличения частоты дискретизации.
Масштабные коэффициенты Ki в этом случае определяются из решения системы я уравнений при заданных значениях сдвигов дополнительных отсчетов [3]:
где n - количество подавляемых спектральных зон.
При постоянстве периода дискретизации данный способ формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов на основе преобразования одиночных отсчетов в сложные дискретные отсчеты обеспечивает подавление всех спектральных составляющих выбранной спектральной зоны.
На фиг. 1 приведена последовательность дискретных отсчетов (обозначены цифрой 2), модулированных по амплитуде измерительным сигналом (обозначен цифрой 1), который содержит две гармонические составляющие на частотах Fc1 и Fc2>Fc1. При построении графиков использовался модельный сигнал с частотами составляющих Fc1=0.15 Гц и Fc2=0.25 Гц, из которого брались дискретные отсчеты с частотой Fd=1 отс/с.
На фиг. 2 показан спектр амплитуд (далее спектр) последовательности дискретных отсчетов. (Здесь и далее спектры амплитуд рассматриваемых сигналов рассчитывались и визуализировались с помощью программы Mathcad). Показаны нулевая, первая и вторая спектральные зоны. Спектр содержит в нулевой спектральной зоне составляющие на частотах Fc1 и Fc2 (обозначены соответственно цифрами 1 и 2), составляющие на частотах kFd, где k=1, 2, … - номера спектральных зон (эти составляющие обозначены цифрами 5 и 10), боковые спектральные составляющие на частотах (для k=1 обозначены цифрами 6 и 4, а для k=2 - цифрами 11 и 9) и (для k=1 обозначены цифрами 7 и 3, а для k=2 - цифрами 12 и 8).
На фиг. 3 показана последовательность СДО полученных из предыдущей последовательности отсчетов (фиг. 1) добавлением к каждому отсчету одной пары дополнительных отсчетов (обозначены цифрой 3) с масштабными коэффициентами, определенными из (1) при k=1. В этом случае в спектре СДО будет полностью подавлена первая спектральная зона с составляющими на частотах Fd, Fd-Fc1, Fd-Fc2, Fd-Fc1 и Fd+Fc2. Спектр СДО с подавленной первой спектральной зоной показан на фиг. 4.
Иначе обстоит дело в случае вариабельности частоты дискретизации. Вариабельность частоты дискретизации может вноситься в процесс дискретизации неумышленно под влиянием различных причин [4, раздел 1.6], например, при нарушении функционирования регулярного дискретизатора из-за изменения частоты следования тактовых импульсов или влияния внешних факторов (температура, изменение питания и т.п.). Обычно в этих случаях девиация частоты дискретизации составляет сотые доли от номинального значения. В измерительных информационных системах, используемых для обработки и анализа биомедицинских сигналов, когда частота их дискретизации определяется частотой сердечных сокращений, которой физиологически присуща вариабельность, девиация частоты дискретизации может достигать двух десятых от средней частоты сердечных сокращений.
При вариабельности частоты дискретизации в спектре последовательности дискретных отсчетов появляются составляющие на частотах где Fm - частота сигнала, модулирующего частоту дискретизации, q=1, 2, … [2, раздел 5.3.5]. При низких значениях индекса частотной модуляции (менее единицы) можно ограничиться рассмотрением составляющих q=1. Спектр последовательности дискретных отсчетов с вариабельностью частоты дискретизации показан на фиг. 5. Наличие модуляции частоты дискретизации приводит к нарушению симметричности боковых составляющих (обозначены цифрами 4, 6 на фиг. 5) и (обозначены цифрами 3, 7 на фиг. 5) [5 раздел 3.8].
Цифровые обозначения спектральных составляющих в первой спектральной зоне (k=1) такие же, как на фиг. 2. Составляющие на частотах Fd+Fm и Fd-Fm обозначены соответственно цифрами 8 и 9 (в примерах с модельным сигналом Fm=0.1 Гц, относительное изменение периода дискретизации δTd=0.1).
При постоянных значениях сдвигов дополнительных отсчетов относительно основных отсчетов измерительного сигнала в случае вариабельности периода дискретизации Td нарушается постоянство отношения при отклонениях Td от номинального значения. Это приводит к тому, что условие (1) не будет выполняться при отклонениях Td от номинального значения, и не все составляющие спектральной зоны будут подавлены. Спектр СДО с подавляемой первой спектральной зоной при вариабельности периода дискретизации показан на фиг. 6. Цифровые обозначения спектральных составляющих такие же, как на фиг. 5.
Из фиг. 6 видно, что спектральная составляющая на номинальной частоте дискретизации Fd полностью подавлена, а составляющие на частотах полностью не подавлены, а только ослаблены. Их амплитуда уменьшена в 3-6 раз по сравнению с амплитудами составляющих на этих частотах в спектре последовательности одиночных отсчетов, представленном на фиг. 2. Амплитуды обусловленных вариабельностью частоты (периода) дискретизации спектральных составляющих на частотах уменьшены в 2.5 раза.
Это является недостатком известного способа [3] (прототипа) формирования дискретных отсчетов измерительного сигнала в условиях вариабельности периода дискретизации.
Можно существенно увеличить коэффициенты ослабления амплитуд спектральных составляющих подавляемых спектральных зон в спектре последовательности сложных дискретных отсчетов в условиях вариабельности периода дискретизации, обеспечив при этом уменьшение погрешности восстановления информативного сигнала при его восстановлении с помощью фильтра нижних частот, за счет изменения интервалов сдвига дополнительных отсчетов относительно основного отсчета пропорционально изменяющемуся периоду дискретизации.
Предложенный способ позволяет устранить недостатки известного способа [3] (прототипа) и получить технический результат, который заключается в уменьшении среднеквадратической погрешности восстановления исходного непрерывного измерительного сигнала, представленного сложными дискретными отсчетами, с помощью фильтра нижних частот.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Формируют последовательность следующих с периодом дискретизации Td групп отсчетов, образующих сложные дискретные отсчеты (СДО), каждая группа отсчетов включает нечетное число N одиночных отсчетов, один из которых является центральным (основным), а остальные 2n отсчетов - дополнительными, где n - число пар дополнительных отсчетов, равное числу подавляемых спектральных зон в спектре СДО, один из отсчетов в каждой паре сдвинут влево от центрального на заданный временной интервал где , а другой - вправо на такой же интервал i=1, 2, …, n. Дополнительные отсчеты каждой i-й пары масштабируют путем умножения на масштабные коэффициенты Ki, которые определяются из решения системы уравнений
где Td - номинальный период дискретизации,
n - число спектральных зон, которые должны быть подавлены в спектре последовательности СДО,
k=1, 2, …, n - номера подавляемых спектральных зон.
Измеряют текущий период дискретизации Tdl как интервал времени между l-м и (l+1)-м сигналами управления и на этом же интервале запоминают текущие значения измерительного сигнала. При заданном коэффициенте Ci определяют значения сдвигов дополнительных отсчетов каждой пары дополнительных отсчетов из условия С началом следующего (l+1)-го периода дискретизации запомненные на l-м периоде дискретизации текущие значения измерительного сигнала запоминают повторно, задерживая этим измерительный сигнал на один период дискретизации, формируют на (l+1)-м периоде дискретизации сигналы подключения измерительного сигнала к групповому тракту, представляющие собой группы сигналов, следующих с периодом Tdl, включающие нечетное число N одиночных сигналов, один из которых является центральным (основным), а остальные 2n сигналов - дополнительными, где n - число пар дополнительных сигналов, один из сигналов в каждой паре сдвигают влево от центрального на временной интервал пропорциональный значению Tdl l-го периода дискретизации, а другой - вправо на такой же интервал i=1, 2, …, n, с помощью которых подключают задержанный измерительный сигнал к групповому тракту, формируя таким образом сложные дискретные отсчеты измерительного сигнала.
Достижение технического результата за счет выполнения предложенных выше действий обеспечивается следующим. Для каждого l-го периода дискретизации дополнительные отсчеты сдвигаются относительно центрального отсчета на интервал времени пропорциональный значению Tdl этого периода, обеспечивая постоянство отношения Ci, при котором определялись масштабные коэффициенты Ki, для i-й пары дополнительных отсчетов.
Спектр последовательности сформированных предлагаемым способом СДО с подавленной первой спектральной зоной при вариабельности периода дискретизации показан на фиг. 7. Цифровые обозначения спектральных составляющих такие же, как на фиг. 5.
Из сравнения амплитуд спектральных составляющих первой спектральной зоны спектра последовательности одиночных дискретных отсчетов и СДО, сформированных предложенным способом, следует, что:
- амплитуда спектральной составляющая на номинальной частоте дискретизации Fd уменьшена в 22 раза,
- амплитуды составляющих на частотах уменьшены соответственно в 39 и 62 раза,
- амплитуды составляющих на частотах уменьшены соответственно в 20 и 46 раз,
- амплитуды обусловленных вариабельностью частоты (периода) дискретизации спектральных составляющих на частотах уменьшены соответственно в 20 и 22 раза.
Уменьшение по сравнению с прототипом амплитуд спектральных составляющих подавляемой спектральной зоны в спектре последовательности сложных дискретных отсчетов, сформированных предложенным способом, позволяет получить технический результат, который заключается в уменьшении среднеквадратической погрешности восстановления исходного непрерывного измерительного сигнала, представленного сложными дискретными отсчетами, с помощью фильтра нижних частот.
Возможный вариант реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:
- фиг. 8 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ,
- фиг. 9 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства,
- фиг. 10 - вариант реализации масштабирования дополнительных отсчетов.
Реализация технического результата, который заключается в уменьшении среднеквадратической погрешности восстановления фильтром нижних частот исходного непрерывного измерительного сигнала, возможна с помощью устройства формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов, содержащего блок управления, блок формирования сложных дискретных отсчетов, выход которого является выходом устройства, в которое дополнительно введены первый и второй блоки памяти, блок измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, блок формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту.
Первый вход первого блока памяти является входом устройства. Выход первого блока памяти соединен с первым входом второго блока памяти. Первый выход блока управления соединен с первым входом блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, со вторым входом первого блока памяти, со вторым входом второго блока памяти и с первым входом блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. Второй выход блока управления соединен со вторым входом блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета и со вторым входом блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. Первый выход блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета соединен с третьим входом второго блока памяти. Второй выход блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета подключен к третьему входу блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. Выход второго блока памяти подключен к первому входу блока формирования сложных дискретных отсчетов. Первый, второй, …, N-й выходы блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту соединены соответственно со вторым, третьим, …, (N+1)-м входами блока формирования сложных дискретных отсчетов, выход которого является выходом устройства.
Устройство для реализации предложенного способа формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов содержит (фиг. 8) блок управления 1, первый 2 и второй 3 блоки памяти, блок 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, блок 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, блок 6 формирования сложных дискретных отсчетов.
Первый вход 7 первого блока памяти 2 является входом устройства, выход первого блока памяти 2 соединен с первым входом 13 второго блока памяти 3, первый выход 8 блока управления 1 соединен с первым входом 10 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, со вторым входом 11 первого блока памяти 2, со вторым 15 второго блока памяти 3 и с первым входом 18 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, второй выход 9 блока управления 1 соединен со вторым входом 12 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета и со вторым входом 19 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. Первый выход 14 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета соединен с третьим входом 16 второго блока памяти 3, второй выход 17 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета подключен к третьему входу 20 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. Выход второго блока памяти 3 подключен к первому входу 21 блока 6 формирования сложных дискретных отсчетов. Первый 22, второй 23, … N-й 24 выходы блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту соединены соответственно со вторым 25, третьим 26, … (N+1)-м 27 входами блока 6 формирования сложных дискретных отсчетов, выход 28 которого является выходом устройства.
Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, приведены на фиг. 9. Для наглядности представлены результаты моделирования работы устройства в программе схемотехнического моделирования Microcap при реализации устройства на аналоговых элементах и рассмотрен вариант формирования СДО с одной подавленной спектральной зоной (первой, т.е. в приведенной выше системе уравнений для определения масштабных коэффициентов k=n=1, и система уравнений преобразуется в одно уравнение, соответственно число выходов блока 5 N=3. Решение этого уравнения относительно К1 дает результат К1=-1.618).
Сигнал с выхода 8 блока управления 1 представляет собой последовательность тактовых импульсов (фиг. 9, а), поступающих на первые входы 10 и 18 соответственно блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета и блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, а также на вторые входы 11 и 15 первого 2 и второго 3 блоков памяти. Тактовые импульсы предназначены для подсчета в блоке 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, для фиксации в каждом периоде дискретизации текущих значений поступающего на первый вход 7 первого блока памяти 2 исходного информативного сигнала (обозначен цифрой 1 на фиг. 9, г), фиксации в каждом периоде дискретизации запомненных в первом блоке памяти 2 значений измерительного сигнала, поступающего на первый вход 13 второго блока памяти 3, и формирования последовательности сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. На фиг. 9 выделено десять текущих значений, что достаточно для пояснения работы устройства. Одно из зафиксированных на время периода дискретизации текущих значений выделено на фиг. 9, г жирной ступенчатой линией. В реальных устройствах число фиксируемых текущих значений входного информативного сигнала может быть существенно больше. Например, при реализации устройства на основе средств вычислительной техники число фиксируемых значений может быть от двухсот до тысячи и более и зависит от объема памяти использующихся элементов. Сигнал со второго выхода 9 блока управления 1 (фиг. 9, б) имеет период повторения, равный периоду дискретизации. Как отмечалось выше, период дискретизации под влиянием различных факторов может изменяться. Соответственно изменяется и период импульсов со второго выхода 9 блока управления 1. При поступлении этого сигнала на второй вход 12 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета в момент времени, совпадающий с его задним фронтом, начинается процесс измерения очередного l-го периода дискретизации (фиг. 9, в). Измерение текущего l-го периода дискретизации осуществляется в виде подсчета числа тактовых импульсов, поступающих на первый вход 10 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, расположенных между соседними импульсами со второго выхода 9 блока управления 1. На фиг. 9, в процесс подсчета импульсов показан в виде нарастающего пилообразного напряжения.
Измерение длительности Tdl текущего l-го периода дискретизации заканчивается в момент времени, соответствующий переднему фронту очередного импульса со второго выхода 9 блока управления 1, т.е. началу следующего (l+1)-го периода дискретизации. Сдвиги дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета определяются в блоке 4 как Ci-я часть (0<Ci<0.5, i=1, 2, …, n; n - число подавляемых спектральных зон в спектре сформированной последовательности СДО, в рассматриваемом примере n=1) от измеренного значения Tdl периода дискретизации.
В момент времени, соответствующий окончанию измерения периода дискретизации, т.е. в момент времени, совпадающий с началом очередного (l+1)-го периода дискретизации, сигнал с первого выхода 14 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, поступающий на третий вход 16 второго блока памяти 3, разрешает запись во второй блок памяти 3 значений измерительного сигнала, запомненных в блоке памяти 2 в интервале времени, соответствующем l-му периоду дискретизации. Этим обеспечивается задержка текущих значений измерительного сигнала, расположенных на l-м периоде дискретизации, на один период дискретизации. Задержанный измерительный сигнал обозначен цифрой 1 на фиг. 9, ж. Сигналы со второго выхода 17 блока 4 измерения очередного периода дискретизации и определения сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервалы времени, равные сдвигам τСДil дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета (фиг. 9, д), поступают на третий вход 20 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, на второй вход 19 которого поступают со второго выхода 9 блока управления 1 следующие с периодом дискретизации импульсы, которые разрешают начало формирования очередной группы сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту (фиг. 9, е). На первый вход 18 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту поступают с первого выхода 8 блока управления 1 тактовые импульсы (фиг. 9, а), обеспечивая синхронизацию формируемых сигналов управления(обозначены цифрами 2 и 3 на фиг. 9, е) подключением задержанного измерительного сигнала (обозначен цифрой 1 на фиг. 9, ж) к групповому тракту с моментами фиксации текущих значений входного измерительного сигнала (обозначен цифрой 1 на фиг. 9, г) в первом блоке памяти 2.
Сигналы с первого 22 и N-го 24 выходов (обозначены цифрами 3 на фиг. 9, е) блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, соответствующе моментам формирования пар боковых отсчетов, и сигнал с выхода 23 (обозначен цифрой 2 на фиг. 9, е), соответствующий моменту формирования центрального отсчета, поступают соответственно на второй 25, (N+1)-й 26, третий 27 входы блока 6 формирования сложного дискретного отсчета, на первый вход 21 которого поступает с выхода второго блока памяти 3 задержанный измерительный сигнал (обозначен цифрой 1 на фиг. 9, ж), разрешая подключение этого измерительного сигнала к выходу 28 устройства и формируя тем самым сложные дискретные отсчеты измерительного сигнала, состоящие из основного отсчета (обозначен цифрой 2 на фиг. 9, ж) и дополнительных отсчетов, взятых с масштабными коэффициентами 7(, (обозначены цифрами 3 на фиг. 9, ж).
На фиг. 10 показан фрагмент схемы моделирования устройства, соответствующий блоку 6 формирования сложных дискретных отсчетов. На первый вход 21 блока поступает задержанный на текущий период дискретизации измерительный сигнал (обозначен цифрой 1 на фиг. 9, ж). Подключение этого сигнала к выходу устройства и формирование дискретных отсчетов измерительного сигнала осуществляется с помощью ключевых элементов S22, S23, S24. Управление этими ключевыми элементами осуществляется сигналами, поступающими с выходов 22-24 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. В схеме формирователи этих сигналов моделируются генераторами прямоугольных импульсов V25, V26, V27.
Формирование центрального отсчета осуществляется под действием сигнала с выхода 23 блока 5 формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту. В скобках показано цифровое обозначение этого сигнала на фиг. 9, е. Дополнительные отсчеты формируются в моменты действия сигналов с выходов 22 и 24. В скобках также показано обозначение этих сигналов на фиг. 9, е. Масштабирование дополнительных отсчетов выполнено с помощью операционного усилителя Х13, включенного по инвертирующей схеме, коэффициент передачи которого КМ=-R2/R1 выбирается равным масштабирующему коэффициенту Ki, полученному из решения приведенной выше системы уравнений. В рассматриваемом примере в спектре СДО подавляется первая спектральная зона, т.е. i=1, поэтому достаточно реализовать один масштабный коэффициент Ki. Центральный отсчет (обозначен цифрой 2 на фиг. 9, ж) формируется при замыкании ключевого элемента S24, подключающего измерительный сигнал к выходу 28 устройства. Дополнительные отсчеты (обозначены цифрами 3 на фиг. 9, ж) формируются при замыкании ключевых элементов S22 и S23, соединяющие выход масштабирующего усилителя X13 с выходом 28 устройства. Операционные усилители X12 и Х22, включенные по схеме повторителя напряжения, служат для согласования блока 6 формирования сложных дискретных отсчетов с предыдущими и последующими блоками обработки измерительного сигнала.
Реализация предложенного способа с помощью описанного устройства обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в уменьшении среднеквадратической погрешности восстановления исходного непрерывного измерительного сигнала с помощью фильтра нижних частот, за счет уменьшения, по сравнению с прототипом, амплитуд спектральных составляющих подавляемой спектральной зоны в спектре последовательности сложных дискретных отсчетов, что достигается изменением сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета пропорционально изменяющемуся периоду дискретизации.
Проиллюстрируем это следующими примерами. Еще раз приведем исходные данные, при которых формировались сложные дискретные отсчеты модельного измерительного сигнала.
Измерительный сигнал описывается выражением
где U0=1 В - постоянная составляющая, Fc1=0.15 Гц, Fc2=0.25 Гц.
Номинальная частота дискретизации Fd=1 отс/с. Соответственно номинальный период дискретизации Td=1 с. Длительность отсчета τ=0.05Td. В спектре последовательности СДО подавлялась одна первая спектральная зона (n=1). В этом случае для формирования СДО используется одна пара дополнительных отсчетов. Масштабный коэффициент К1=-1.618 определен из решения (1) при сдвиге дополнительных отсчетов относительно основного отсчета. Формирование СДО известным способом (прототип) осуществляется при неизменном
Относительное изменение периода дискретизации под действием дестабилизирующих факторов - δTd. Рассмотрен вариант изменения периода дискретизации под действием двух синусоидальных процессов, которые в равной мере влияют на изменение периода дискретизации, при δTd=0.1. Частные относительные изменения периода дискретизации δTd1 и δTd2, обусловленные действием каждого из дестабилизирующих факторов, приняты равными 0.5δTd. Изменяющийся период дискретизации можно описать выражением
где Fm1=0.1 Гц, Fm2=0.2 Гц, l=0, 1, 2, … - номер очередного периода дискретизации.
При формировании СДО предложенным способом сдвиг дополнительных отсчетов относительно основного отсчета изменялся пропорционально периоду дискретизации Таким образом поддерживалось неизменное отношение С интервала сдвига к периоду дискретизации.
Фрагмент последовательности СДО, сформированных предложенным способом с изменяющимся пропорционально периоду дискретизации сдвигом дополнительных отсчетов, показан на фиг. 11 сплошной линией. Пунктиром показаны СДО с постоянным сдвигом дополнительных отсчетов, сформированных известным способом [3] (прототипом).
Обе последовательности СДО пропускались через фильтр нижних частот с частотой среза FCP=0.7 Гц, выполненный на основе окна Кайзера, для выделения информативных составляющих измерительного сигнала, расположенных в нулевой спектральной зоне. На фиг. 12 приведены амплитудно-частотная характеристика ФНЧ (показана штриховой линией) и спектр последовательности СДО (показан линиями с маркерами), сформированных предложенным способом. На фиг. 13 приведены амплитудно-частотная характеристика ФНЧ (показана штриховой линией) и спектр последовательности СДО (показан линиями с маркерами), сформированных известным способом [3] (прототипом). Спектральный анализ выполнен в программе Mathcad. На фиг. 12 и фиг. 13 размерность оси абсцисс - герцы, размерность оси ординат - вольты.
Чтобы обеспечить одинаковые масштабы при сравнении исходного измерительного сигнала с восстановленными с помощью ФНЧ непрерывными измерительными сигналами, последние усиливались с коэффициентом усиления до уровня исходного измерительного сигнала. В свою очередь, исходный сигнал пропускался через такой же ФНЧ, чтобы учесть задержку, возникающую при фильтрации СДО.
На фиг. 14 показаны исходный измерительный сигнал (тонкая линия) и сигнал, восстановленный по дискретным отсчетам, сформированным предложенным способом (утолщенная линия). На фиг. 15 показаны исходный измерительный сигнал (тонкая линия) и сигнал, восстановленный по дискретным отсчетам, сформированным известным способом [3] (прототипом) (утолщенная линия). Для наглядности графики исходного и восстановленного сигналов разнесены по оси ординат на 1 В.
Средние квадратические отклонения (СКО) восстановленных сигналов от исходного сигнала при указанных выше исходных данных составили σ=0.079 В при формировании СДО предложенным способом и σc=0.094 В при формировании СДО известным способом [3] (прототипом).
На фиг. 16 представлены зависимости СКО σ и σс от суммарной относительной изменчивости периода дискретизации где при максимальной частоте в спектре сигнала Пунктирная линия σc25 соответствует СКО восстановленного сигнала при его представлении сложными дискретными отсчетами известным способом [3], сплошная линия σ25 соответствует СКО восстановленного сигнала при его представлении сложными дискретными отсчетами предложеным способом. Размерность оси ординат - вольты.
Выше отмечалось, что представление дискретных отсчетов измерительных сигналов сложными дискретными отсчетами позволяет расширить широкополосность дискретизируемого сигнала без увеличения частоты дискретизации.
Увеличим максимальную частоту сигнала (2): При прежней частоте дискретизации Fd=1 отс/с это значение Fc2 превышает половину значения частоты дискретизации.
На фиг. 17 приведены амплитудно-частотная характеристика ФНЧ (показана штриховой линией) и спектр последовательности СДО (показан линиями с маркерами), сформированных предложенным способом. На фиг. 18 приведены амплитудно-частотная характеристика ФНЧ (показана штриховой линией) и спектр последовательности СДО (показан линиями с маркерами), сформированных известным способом [3] (прототипом).
На фиг. 19 показаны исходный измерительный сигнал (тонкая линия) и сигнал, восстановленный по дискретным отсчетам, сформированным предложенным способом (утолщенная линия). На фиг. 20 показаны исходный измерительный сигнал (тонкая линия) и сигнал, восстановленный по дискретным отсчетам, сформированным известным способом [3] (прототипом) (утолщенная линия).
Средние квадратические отклонения восстановленных сигналов от исходного сигнала в данном случае составили σ=0.069 В при формировании СДО предложенным способом, а при формировании СДО известным способом [3] (прототипом) σc=0.107 В.
На фиг. 21 представлены зависимости СКО σ и σс от суммарной относительной изменчивости периода дискретизации δRd при равенстве и максимальной частоте в спектре сигнала Пунктирная линия σс65 соответствует СКО восстановленного сигнала при его представлении сложными дискретными отсчетами известным способом [3], сплошная линия σ65 соответствует СКО восстановленного сигнала при его представлении сложными дискретными отсчетами предложеным способом. Размерность оси ординат - вольты.
На фиг. 22 представлены графики зависимости коэффициента снижения СКО восстановленного сигнала, определенного как отношение O=σc/σ, от относительной изменчивости периода дискретизации δTd при различных значениях максимальной частоты Fc2 в спектре измерительного сигнала. Обозначения на фиг. 22: O25 - коэффициент снижения СКО при (пунктирная линия), O45 - коэффициент снижения СКО при (штриховая линия), O65 - коэффициент снижения СКО при (сплошная линия).
Как видно из графиков на фиг. 22, СКО восстановленного по сложным дискретным отсчетам, сформированным предложенным способом, исходного сигнала уменьшается в 1.2-1.6 раза по сравнению с известным способом [3] (прототипом).
Таким образом, реализация предложенного способа с помощью описанного устройства обеспечивает достижение технического результата, который заключается в уменьшении среднеквадратической погрешности восстановления исходного непрерывного измерительного сигнала, представленного сложными дискретными отсчетами, с помощью фильтра нижних частот.
Литература
1. Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. - М.: «Энергия», 1973. - 592 с.
2. Борисов Ю.П., Пенин П.И. Основы многоканальной передачи информации. - М.: Связь, 1967. - 436 с.
3. Карасев В.В., Михеев А.А., Нечаев Г.И. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с.
4. Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. - М.: Радио и связь, 1982. - 256 с.
5. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов. - 5-е изд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 1994. - 480 с.
Расшифровка обозначений к фиг. 8
1 - блок управления;
2 - первый блок памяти;
3 - второй блок памяти;
4 - блок измерения очередного периода дискретизации и определения и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета;
5 - блок формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту;
6 - блок формирования сложных дискретных отсчетов;
7 - первый вход первого блока памяти (вход устройства);
8 - первый выход блока управления;
9 - второй выход блока управления;
10 - первый вход блока измерения очередного периода дискретизации и определения и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета;
11 - второй вход первого блока памяти;
12 - второй вход блока измерения очередного периода дискретизации и определения и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета;
13 - первый вход второго блока памяти;
14 - первый выход блока измерения очередного периода дискретизации и определения и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета;
15 - второй вход второго блока памяти;
16 - третий вход второго блока памяти;
17 - второй выход блока измерения очередного периода дискретизации и определения и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета;
18 - первый вход блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту;
19 - второй вход блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту;
20 - третий вход блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту;
21 - первый вход блока формирования сложных дискретных отсчетов;
22, 23, …, 24 - первый, второй, …, N-й выходы блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту;
25, 26, …, 27 - второй, третий, …, (N-1)-й входы блока формирования сложных дискретных отсчетов;
28 - выход устройства.
Claims (7)
1. Способ формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов, заключающийся в том, что формируют последовательность следующих с периодом дискретизации Td групп отсчетов, каждая группа отсчетов включает нечетное число N одиночных отсчетов, один из которых является центральным, а остальные 2n отсчетов - дополнительными, где n - число пар дополнительных отсчетов, равное числу подавляемых спектральных зон в спектре последовательности групп отсчетов, один из отсчетов в каждой паре сдвинут влево от центрального на заданный временной интервал τСДi=CiTd, где 0<Ci<0,5, а другой - вправо на такой же интервал τСДi, i=1, 2, …, n, дополнительные отсчеты каждой i-й пары масштабируют путем умножения на масштабные коэффициенты Ki, которые определяются из решения системы уравнений
где Td - номинальный период дискретизации,
n - число спектральных зон, которые должны быть подавлены в спектре последовательности дискретных отсчетов,
k=1, 2, …, n - номера подавляемых спектральных зон,
отличающийся тем, что измеряют текущий период дискретизации Tdl, где l=1, 2, … - номер периода дискретизации, как интервал времени между l-м и (l+1)-м сигналами управления и на этом же интервале запоминают текущие значения измерительного сигнала, при заданном коэффициенте Ci определяют значения сдвигов дополнительных отсчетов каждой пары дополнительных отсчетов из условия τСДil=CiTdl, с началом следующего (l+1)-го периода дискретизации запомненные на l-м периоде дискретизации текущие значения измерительного сигнала повторно запоминают, задерживая этим измерительный сигнал на один период дискретизации, формируют на (l+1)-м периоде дискретизации сигналы подключения измерительного сигнала к групповому тракту, представляющие собой группы сигналов, следующих с периодом Tdl, включающие нечетное число N одиночных сигналов, один из которых является центральным, а остальные 2n сигналов - дополнительными, где n - число пар дополнительных сигналов, один из сигналов в каждой паре сдвигают влево от центрального на временной интервал τСДil, пропорциональный значению Tdl l-го периода дискретизации, а другой - вправо на такой же интервал τСДil, i=1, 2, …, n, с помощью которых подключают задержанный измерительный сигнал к групповому тракту, формируя таким образом дискретные отсчеты измерительного сигнала.
2. Устройство многоканальной передачи данных для осуществления способа формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов по п. 1, содержащее блок управления, блок формирования дискретных отсчетов, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены первый и второй блоки памяти, блок измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, блок формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, при этом первый вход первого блока памяти является входом устройства, выход первого блока памяти соединен с первым входом второго блока памяти, первый выход блока управления соединен с первым входом блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета, со вторым входом первого блока памяти, со вторым входом второго блока памяти и с первым входом блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, второй выход блока управления соединен со вторым входом блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета и со вторым входом блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, первый выход блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета соединен с третьим входом второго блока памяти, второй выход блока измерения очередного периода дискретизации и определения значений сдвигов дополнительных отсчетов относительно центрального отсчета подключен к третьему входу блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту, выход второго блока памяти подключен к первому входу блока формирования дискретных отсчетов, первый, второй, …, N-й выходы блока формирования сигналов подключения измерительного сигнала к групповому тракту соединены соответственно со вторым, третьим, …, (N+1)-м входами блока формирования дискретных отсчетов, выход которого является выходом устройства.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2810949C1 true RU2810949C1 (ru) | 2024-01-09 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2251968C1 (ru) * | 2003-09-23 | 2005-05-20 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Способ устранения дрейфа изолинии электрокардиосигнала и устройство для его осуществления |
| RU2302197C1 (ru) * | 2005-10-19 | 2007-07-10 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Способ выделения начала кардиоцикла в реальном времени и устройство для его осуществления |
| CN102749509A (zh) * | 2012-07-26 | 2012-10-24 | 上海宏力半导体制造有限公司 | 信号采样测试方法 |
| RU2507589C2 (ru) * | 2011-11-08 | 2014-02-20 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Способ совместной обработки телеметрических сигналов с временным разделением каналов, зарегистрированных на пространственно разнесенных измерительных средствах |
| CN108572277A (zh) * | 2017-06-28 | 2018-09-25 | 北京航空航天大学 | 多频信号测量方法及系统 |
| US10470718B2 (en) * | 2005-08-17 | 2019-11-12 | Osypka Medical Gmbh | Method for digital demodulation and further processing of signals obtained in the measurement of electrical bioimpedance or bioadmittance in a human subject |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2251968C1 (ru) * | 2003-09-23 | 2005-05-20 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Способ устранения дрейфа изолинии электрокардиосигнала и устройство для его осуществления |
| US10470718B2 (en) * | 2005-08-17 | 2019-11-12 | Osypka Medical Gmbh | Method for digital demodulation and further processing of signals obtained in the measurement of electrical bioimpedance or bioadmittance in a human subject |
| RU2302197C1 (ru) * | 2005-10-19 | 2007-07-10 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Способ выделения начала кардиоцикла в реальном времени и устройство для его осуществления |
| RU2507589C2 (ru) * | 2011-11-08 | 2014-02-20 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Способ совместной обработки телеметрических сигналов с временным разделением каналов, зарегистрированных на пространственно разнесенных измерительных средствах |
| CN102749509A (zh) * | 2012-07-26 | 2012-10-24 | 上海宏力半导体制造有限公司 | 信号采样测试方法 |
| CN108572277A (zh) * | 2017-06-28 | 2018-09-25 | 北京航空航天大学 | 多频信号测量方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Eldar | Compressed sensing of analog signals in shift-invariant spaces | |
| US7394415B2 (en) | Time-interleaved analog-to-digital converter and high speed signal processing system using the same | |
| US5357257A (en) | Apparatus and method for equalizing channels in a multi-channel communication system | |
| Vetterli et al. | Sampling signals with finite rate of innovation | |
| EP1666892B1 (en) | Method for digital sampling of electrical waveforms | |
| CN106911624A (zh) | 一种通道补偿校准方法与系统 | |
| US20210194464A1 (en) | Fri sparse sampling kernel function construction method and circuit | |
| EP0451955A2 (en) | Swept signal analysis instrument and method | |
| US10340933B1 (en) | Time interleaved digital-to-analog converter correction | |
| TWI363567B (en) | Apparatus and method arranged to analyse a signal comprising a series of symbols | |
| Seelamantula et al. | A generalized sampling method for finite-rate-of-innovation-signal reconstruction | |
| CN108763720A (zh) | 采样率可任意下调的ddc的实现方法 | |
| RU2810949C1 (ru) | Способ формирования дискретных отсчетов измерительных сигналов и устройство для его осуществления | |
| JPS6051017A (ja) | アナログ信号の解析及び検索方法及び装置 | |
| US7425908B2 (en) | Method of generating a digital signal that is representative of match errors in an analog digital conversion system with the time interleaving, and an analog digital converter with time interleaving using same | |
| CN105044459A (zh) | 一种谐波分析方法 | |
| CN103941280B (zh) | 基于冲激响应不变法的数字核脉冲高斯成形方法 | |
| CN103777221B (zh) | 基于窗函数法的数字核脉冲信号高斯成形方法 | |
| CN113624269A (zh) | 一种基于谐波的频率响应测量系统及方法 | |
| de la O Serna | On the use of amplitude shaping pulses as windows for harmonic analysis | |
| Quatieri | Short-time spectral analysis with the conventional and sliding CZT | |
| CN107612553A (zh) | 一种脉冲位置任意的信号指数再生核稀疏采样方法 | |
| CN111181527A (zh) | 一种fir滤波器的实现方法 | |
| Serov et al. | Correction Methods of the Magnitude Response of the Power Quality Measurement Channel Containing a Sigma-Delta ADC | |
| EP2897334B1 (en) | Adaptive filtering method and system based on error sub-band |