Способ обработки аналоговых сигналов

 

Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано в цифровых системах контроля и управления, функционирующих в реальном масштабе времени, для сбора и первичной обработки результатов измерения параметров объектов , снимаемых с аналоговых датчиков. Цель изобретения - повышение точности достигается за счет того, что в способе, включающем групповой опрос аналогового сигнала через постоянный интервал време-. ни, осуществляют дополнмтельнукъдискретизацию внутри каждой группы осуществляют со случайным шагом в момент времени: tnR1 t0 + nT + 1Т0 + где t0 - время выключения цифрового устройства; Т- межгрупповой шаг дискретизации; Т0 - равномерный шаг дискретизации в г-руппе; п 1, 2, 3,... - номер группы; I - O.L- 1 - номер отсчета в группе; hnl+1 - случайный шаг дискретизации в группе, и на каждом шаге опроса определяют минимальное и максимальное значения высокочастотной составляющей сигнала и используют их при оценке аналогового сигнала, 4 табл., 2 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 М 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4827060/24 (22) 21,05,90 (46) 23.01,93. Бюл. N. 3 (71) Кемеровский государственный университет (72) В.Я,Карташов, С.В.Егоров и Е.С.Каган (73) Кемеровский государственный университет (56) 1, Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. — M.: Радио и связь, 1982,с, 50-55.

2, Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами/Под ред. Т.Харрисона. — М,: Мир, 1976, т. 2, с. 414 — 415 (прототип). (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ

СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано в цифровых системах контроля и управления, функционирующих в реальном масштабе

Изобретение относится к области технической кибернетики и может найти применение в цифровых системах контроля и управления, функционирующих в реальном масштабе времени, для сбора и первичной обработки результатов измерения параметров объектов, снимаемых с аналоговых датчиков.

При функционировании реальных объектов контроля. управления, исследования (в дальнейшем объекта анализа) их состояние часто описывается нестационарными сигналами, которые помимо информативной низкочастотной составляющей содержат информативную высокочастотную составляющую. Простейшим представителем такого сигнала является гледующее модельное описание:..242,, 1790800 А3 времени, для сбора и первичной обработки результатов измерения параметров объектов, снимаемых с аналоговых датчиков.

Цель изобретения — повышение точности достигается за счет того, что в способе, включающем групповой опрос аналогового сигнала через постоянный интервал време-, ни, осуществляют дополнительнуюдискретизацию внутри каждой группы осуществляют со случайным шагом в момент времени: t = тр+ пТ+ !Тр+ hn где

1+1 I+1, t, -- время выключения цифрового устройства; Т вЂ” межгрупповой LUBf дискретизации; Тр — равномерный шаг дискретизации вг пппе; n = 1, 2, 3..., — номер группы; I — 0,1 -1—

I+1 номер отсчета в группе; h> — случайный шаг дискретизации в группе, и на каждом шаге опроса определяют минимальное и максимальное значения высокочастотной составляющей сигнала и используют их при оценке аналогового сигнала, 4 табл., 2 ил.

y(t) = x(t, v)+ A(t, v)sfn(ce(l>)t+ p) + e(t), в котором y(t) — измерительный сигнал;

x(t,v ) — информативная низкочастотная составляющаяя, характеризующая изменения объекта анализа во времени от причинных изменений состояния внешней среды (EI том числе и от реализации управляющих воздействий на объект анализа) и внутреннего состояния объекта анализа (этот факт отражен введением параметра v ); А(т,1 ) — амплитудная характеристика высокочастотной составляющей з1п(в (v )t + р ), причем изменения A(t, v), в(1 ) во времени определены также, как и для х(т,1 ); с (t) -- измерительная случайная помеха. Если положить

A(tp ) = О, то получается сигнал. который традиционно рассматривэетс л в гепретиче1790800 ских и прикладных исследованиях по цифровым системам контроля и управления. Таким образом, представленный класс сигналов является достаточно широким с точки зрения возникновения их в реальных условиях. Такая модель сигнала наиболее близко характеризует изменения таких физических величин, KBK давление, плотность, скорость,"койцентрация и т.п. Введение параметра Фв обобщенном смысле может характеризовать функциойирование объекта при вибрации, при "выходе из устойчивого состояния, при нахождении объекта анализа в предаварийном или аварийном состоянии, при различных катастрофических явлениях. Сигналы подобной структуры рассматриваются в ряде источников (Волков

tO.Í. и др. Технолог-доменщик: Справочник. — M,: Металлургия, .1986, с. 163 — 174;

Обнаружение изменения свойств сигналов и динамических систем/Под ред. М,Бассвиля, А.Банвениста. — М.: Мир, 1989 и др,).

Существенными признаками для сигналов такой структуры являются оценки низкочастотной составляющей х(т v ), верхней и нижней огибающих A (t, v), A„(t, у), Известен способ обработки аналоговых сигналов, основанный на использовании случайной дискретизации сигналов (1). Согласно способу шаг дискретизации в каждый момент дискретизации является случайной величиной, При использовании случайной дискретизации аналогового сигнала его дискретное представление является последовательностью значений сигнала в моменты. времени

tn = tp + hi, i=1 где t> — время включения цифрового устройства, hi — случайный шаг дискретизации, являющийся случайной величиной, равномерно распределенной на интервале (hmin Апах).

Однако при применении в системах контроля и управления известных способов обработки аналоговых сигналов не удается получить три оценки x(t, v) A,(tó ) An (t, v) на каждый момент времени. Коме того, при применении способа обработки с использованием равномерной дискретизации из-за эффекта подмены частот получают искажен ную информацию о частотных составляющих аналогового нестационарного сигнала, Применение способа обработки с использованием случайной дискретизации в значительной мере противодействует возникновению эффекта подмены частот, но с другой стороны существенно усложняет решение задачи восстановления сигнала, При использовании известнь)x способов обработки аналоговых сигналов при применении специального математического аппарата возможно ретроспективно оценить огибающие сигнала. Однако такой подход не приемлем в системах реального времени в силу наличия значительной временной задержки, Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обработки аналоговых сигналов, основанный на использовании групповой равномерной дискретизации аналогового сигнала (2), Способ заключается в том, что определяют моменты времени, 5

10 в которые Следует опрашивать аналоговый

15 сигнал

tn =то+ пТ+ 1То, 1+1 где to — время исключения цифрового устройства; Т вЂ” межгрупповой шаг дискретизации; To — равномерный шаг дискретизации

20 в группе; A = 1,2 3,;.. — номер группы,! = ОЛ -1 — номер отсчета в группе.

Для этого определяют начальные моменты групповой дискретизации 1о+ пТ, затем — определяют моменты опроса в группе

25 тп +1 = tо+ AT+ ITО.

Следующей операцией является опрос аналогового сигнала в моменты времени tn

Аналоговый сигнал опрашивается группами по1 значений. В результате такого опроса в

30 каждой группе получают L значений аналогового сигнала Yn, Yn „„Yn . Вычисляют

2 L арифметическое среднее полученных значений

L— - 1i+1 Уп

Yn=

35 которое соответствует мгновенному значению аналогового сигнала в момент времени

40 to+ AT.

Недостатком этого способа является то, что он предназначен для определения оценки низкочастотной составляющей аналогового сигнала x(t, v) и не позволяет получать

45 в реальном масштабе времени оценки А (1, v), Ао(, v). Кроме того, из-за эффекта подмены частот при равномерной дискретизации внутри группы невозможно точно, даже ретроспективно, оценить высокочастотные со50 ставляющие аналогового сигнала.

Используемая в способе групповая равномерная дискретизация также чувствительна к изменению частоты сигнала в процессе обработки, поскольку равномерный шаг ди55 скретизации в группе То зависит от граничной частоты аналОгового сигнала.

Целью изобретения является повышение точности обработки аналоговых сигналов, 1790800

Э

Г1оставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа, заключающегося в том, что осуществляют от времени 1, + nT дискретизацию аналогового сигнала группами с фиксированным числом отсчетов с постоянным интервалом времени между группами и производят оценку аналогового сигнала для момента времени

to+ nT, осуществляют дополнительную дискретизацию внутри каждой группы со случайным шагом опроса в моменты времени

1.+1 (+1, =!o + пТ+ ITo + hn где то — время включения цифрового устройства, Т вЂ” межгрупповой шаг дискретизации, То — равномерный шаг дискретизации в группе, h — случайный шаг дискретизаL+1 ции в группе, n = 1,2,3,... — номер группы обработки,! = О,L-1 — номер отсчета в группе, и в каждом шаге опроса определяют минимальное и максимальное значения амплитуды высокочастотной составляющей сигнала и используют их при оценке аналогового сигнала.

При дискретизации аналогового сигнала внутри группы преднамеренно вносится элемент случайности за счет введения в формулу, определяющую моменты времени дискретизации, случайного шага дискретиЕ+1, зации hn равномерно распределенного на интервале 0 hn n< T„. где Т, — равL1( номерный шаг дискретизации в группе, определяемый граничной частотой аналогового сигнала по теореме Котельникова. Введение таким образом случайности в процедуру дискретизации позволяет получить значения аналогового сигнала в моменты времени t,, удовлетворяющие

L+1 условию

to+ пТ+(1+ 1)То 5 tn 5 to+ пТ+(!+

+ 2)То.

Введение случайности в процедуру дискретизации увеличивает вероятность определения амплитудных характеристик высо кочастотной составляющей аналогового сигнала за счет уменьшения эффекта подмены частот при случайной дискретизации в группе. Введение случайности в групповую дискретизацию позволяет сделать способ менее чувствительным к изменениям частоты сигнала, поскольку он не требует точного соответствия равномерного шага дискретизации условиям теоремы Котельникова при изменении частоты сигнала, Значение межгруппового шага дискретизации Т выбирается из условия Т > LTQ.

Число отсчетов в группе L определяется из условия желаемой точности оценки верхней и нижней огибающих высокочастотной составляюгцей аналогового сигнала. Увеличение числа случайных QTcvpToa в группе ведет в более точному определению характеристик А„(,v ), An(tv ) высокочастотной составляющей аналогового сигнала в реаль5 ном времени. Однако число отсчетов в группе должно удовлетворять условию г L < (Т /Т.), где (.) — целая часть числа, Td — время, предоставляемое для групповой дискретизации в

10 цифровой системе, Особенностью предлагаемого способа является извлечение полезной информации о значениях амплитудных характеристик из высокочастотной составляющей аналогово15 го сигнала, которая ранее не учитывалась.

Способ осуществляется следующим образом.

L+1

Определяют моменты времени tn

+n T+ ITo + hn Для этого сначала опредеL+1.

20 ляют начальные моменты групповой дискретизации to + nT. затем определяют опорные моменты времени в текущей группе отсчетов to+ nT+ ITQ и для каждой группы отчетов датчиком случайных чисел, имею25 щим равномерный закон распределения на интервале (О,TQ), получают последовательность из L элементов случайных шагов дискретизации в группе (hn, hn, ",hn }.

2 L

В результате случайной дискретизации

30 аналогового сигнала в моменты времени в каждой группе получают L значений

Е+1

Yn, Yn,.„,Yn . Среди полученных значений

2 находят максимальное Yïm ", минимальное

Y, " и среднее оп

35 YBIBx + ym)n и и и

Эти действия могут, например, быть реализованы в виде схем аналогового моделирования (Тетельбаум И.M., Шнейдер Ю.P.).

Практика аналогового моделирования динамических систем. М„Энергоатомиздат, 1987), Полученные значения Y Ynm Yn будут соответствовать оценкам верхней А (t, v), нижней An(t,v) огибающих высокочастот45 ной составляющей и низкочастотной составляющей x(t, v) аналогового сигнала на момент времени to+ nT.

Моделирование способа обработки аналогового сигнала проведено на установке, составляющей из цифрового устройства

1, имеющего устройство связи с обьектом (УСО) 2, генератор 3 сигналов и осциллограф

4. Схема установки приведена на фиг.1.

С помощью генератора сигналов генерируют сигнал нужной частоты и амплитуды, вид которого отслеживается осциллографом, Б соответствии с разработанной программой цифровое устройство

1790800

Модель сигнала имеет вид Y = А sin о> t, где А=2 В, в =2nf

25 Гц, если t< 100

50 Гц, если 100 т < 220

5 100 Гц, если 220 1 < 500

200 Гц, если 500 t

Равномерный шаг дискретизации в группе

То = 0,005 с, °

Случайный шаг дискретизации в группе

10 вычисляется с использованием датчика случайных чисел, имеющего равномерный закон распределения на интервале(0;0,005).

Число отсчетов в группе выбрано L = 9.

Межгрупповой шаг дискретизации выбран

15 Т = 40 с. За момент включения цифрового устройства принят нулевой момент отсчета о = 0.

B табл.З приведены выборочные результаты групповой случайной дискретиза20 ции в моменты времени

ln = to + nt + iTo + iln

I+1 L+1 и групповой равномерной дискретизации в моменты времени

1.+1 tn = to + nt+ iTp.

25 В табл,4 приведены оценки верхней, нижней огибающих высокочастотной составляющей и низкочастотной составляющей, полученные с использованием случайной и равномерной дискретизации в

Ç0 группах с учетом предлагаемой последующей обработкой полученных значений, Предлагаемый способ позволяет повысить точность обработки аналогового сигнала по сравнению с прототипом за счет учета

35 оценки амплитудных характеристик высокочастотной составляющей сигнала при введении элемента случайности.

При увеличении частоты сигнала уменьшается точность по прототипу, предлагае40 мый способ к изменению частоты практически не чувствителен (см.табл.4) и позволяет точно оценивать амплитудные характеристики сигнала для широкого диапазона частот.

Формула изобретения

Способ обработки аналоговых сигналов, заключающийся в том, что осуществляют от момента to + nT дискретизацию аналогового сигнала группами с фиксиро- 55 ванным числом отсчетов с постоянным интервалом времени между группами и производят оценку аналогового сигнала для момента времени to+ nt, о т л и ч а ю щ и йчерез УСО обрабатывает сгенерированный сигнал, Общий вид модели генерируемого сигнала имеет вид

Y = A sin co t, где А — амплитудэ сигнала, а — круговая частота сигнала.

Пример 1. Демонстрация способа обработки аналогового сигнала.

Пусть модель сигнала имеет вид У = А

sin вт, где а = 2nf = 200n, f = 100 Гц;

А =(2 если t < 60 с

4 5 если t 60 с

Поскольку генерируемый сигнал имеет частоту f = 100 Гц, равномерный шаг дискретизации в группе определяется.по теореме Котельникова To = i/2f =,0,005 с.

Случайный шаг дискретизации в группе вычисляется с использованием датчика случайных чисел, имеющего равномерный закон распределения на интервале (О; 0,005).

Число отсчетов в группе выбрано L = 9, Межгрупповой шаг дискретизации выбран

Т = 40 с. За момент включения цифрового устройства принят. нулевой момент отсчета то = 0.

В табл,1 приведены результаты групповой случайной дискретизации в трех группах.

В табл,2 приведены оценки верхней Ау (t), нижней Ап (т) огибающих высокочастотной составляющей и низкочастотной составляющей x(t), полученные в результате обработки аналогового сигнала.

На фиг.2 изображены оценки сигнала, полученные в результате групповой случайной обработки.

Данный пример иллюстрирует способность способа обработки оценивать значения амплитудных характеристик вь1сокочастотной составляющей аналогОвого сигнала на моменты времени to +, n T.

Пример 2. Эффективность способа обработки при изменяющейся частоте аналогового сигнала. с я тем, что, с целью повышения точности, осуществляют дополнительную дискретизацию внутри каждой группы со случайным шагом опроса s моменты времени

= tq + nT + iTp +hp

I+1 I+1 где to — время начала обработки;

Т вЂ” межгрупповой шаг дискретизации; . Tp — равномерный шаг дискретизации в группе;

1790800 а на каждом шаге опроса определяют минимальное и максимальное значения амплитуды высокочастотной составляющей аналогового сигнала и используют их при

5 оценке аналогового сигнала.

Та блица1

Значения аналогового сигнала, В

Случайный шаг диск. в группе, с

Моменты вренмени случ. диск, в г ппе,с

tp+ nt+LTp

Уп

tp +М тп

80

120 — случайный шаг дискретизации в

1+1 группе; п — номер группы, п = 1,2,3,..., 1 — номер отсчета в группе, 1= О,L-1, Номер группы Время начала Опорные модиск, в груп- менты времепе,с ни в группе, с

40,005

40,010 .

40,015

40,020

40,f "3

40,030

40,035

40,040

80,005

80,010

80,015

80,020

80,025

80,030

80,035

80,040

120,005

120,010

120,015

:120,020

120,025

120,030

120,035

120,040

0,0034

0,0010

0;0046

0,0031

0,0006

0,0039

0,0002

0,0027

0,0020

0,0002

0,0022

0,0010

0,0048

0,0024

0,0016

0,0010

0,0032

0,0026

0,0026

0,0004

0,0016

0,0048

0,0018

0,0026

0,0038

0,0028

40,0084

40,0110

40,0196

40,0231

40,0256

40,0339

40,0352

40,0427

80,0020

80,0052

80,0122

80,0160

80,0248

80,0274

80.0316

80,0360

80,0432

120,0026

120,0076

120,0104

120,0166

120,0248

120,0268

120,0326

120,0388

120,0428

-0,0128

-1,9800

-1,4400

2,0000

0,0900

1,8000

0,0032

1,6200

4,0300

-0,0415

2,4400, -4,2400

-4,2300

-0,9600

2,7200

-3,6200

-2,2300 .

0,2300

-4,3300

2,0900

4,4500

0,9200

1,6700

-4,2200

2,7500

1790800

Моменты времени случ. диск. в группах, с

Моменты времени равн. диск, s группах, с

Номер груп- пы

Значения сигн, при

Значения сигн. при равномертс,+ пТ

Сп

40,005

40,010

40,015

40,020

40,025

40,030

40,035

40,040

160

160,005

160,010

160,015

160

320,005

320,010

320,015

320,020

100

320

320,025

320,030

320,035

320,040

200

520

Время нача- Частота ла диск. а аналоговогруппе, с го сигнала, Гц

40,0022

40,0052

40,0122

40,0160

40,0246

40,0274

40,0316

40,0350

40,0432

160,0050

160,0076

160,0104

160,0176

160,0212

160,0266

160,0328

160,0380

160,0440

320,0036

320,0066

320,0104

320,0156

320,0216

320,0296

320,0316 .

320,0392

320,0420

520,0018

520,0064

520,0104

520,0156

520,0228

520,0296

520,0332

520,0390

520,0412

160,020

160,025

160,030

160,035

160,040

520,005

520,010

520.015

520,020

520,025

520,030

520,035

520,040

Таблица2

Таблица3

1790800

Таблица4

-45

Составитель Э.Кондратьева

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M.Têà÷

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 376 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5