Способ выделения огибающей сигнала случайного процесса

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразованию сигналов случайных процессов, и может быть использовано в автоматине вычислительной, бытовой, медтехнике и телеметрических системах. Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение алгоритма операции "выделяют" за счет построения операции "анализируют" во временной области. Технический результат достигается тем, что в способе выделения огибающей сигнала случайного процесса, заключающегося в отсчете момента изменения знака первой производной сигнала для считывания текущих значений координат сигнала в данный момент, дополнительно задают алгоритм выделения, анализируют значения сигнала в каждый момент изменения знака первой производной сигнала путем запоминания значения амплитуды и сравнения его с последующим значением, по результатам сравнения принимают решение о знаке первой производной огибающей, по принятому решению фиксируют данные об амплитуде и знаке и формируют сигнал считывания информации, выделяют сигнал для считывания текущих значений координат сигнала в данный момент. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к анализу модулированных сигналов и может быть использовано в автоматике, радиотехнике и кодовых системах, например, замках, управлении бытовой техникой и цветовой визуализации музыкальных/речевых произведений.

Известен по заявке N 63 46611 от 16.09.88 г, Япония, способ выборки данных, заключающийся в извлечении нескольких дискретных значений входного аналогового сигнала для каждого периода выборки и выборке из этих дискретных данных в качестве данных, характеризующих в целом период выборки дискретных данных, имеющих максимальное отклонение относительно данных, извлеченных в предыдущем периоде выборки.

Недостаток данного способа заключается в необходимости дополнительных и сравнительно сложных операций для выбора экстремальных значений, что связано с временными затратами и задержкой в получении конечного результата при оптимизации результатов по критериям Шеннона/Котельникова.

Прототипом по технической сущности предполагаемого изобретения является способ по И.А.Липкин "Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования". М. , Сов. радио, 1978, стр. 22 преобразования по теоремам Шеннона и Котельникова для стационарного сигнала, заключающийся в том, что непрерывный сигнал u(t), спектр которого ограничен сверху частотой F_в, полностью определяется своими значениями, отсчитываемыми в дискретных точках через интервалы dt=l/2F_в.

Недостаток данного способа заключается в необходимости передавать избыточные данные с невысокой информационной ценностью для восстановления сигнала непрерывного случайного процесса, т.к. условия теорем для реальных сигналов не удовлетворяются, поскольку они представляют процессы, ограниченные во времени, и поэтому их спектр не ограничен.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение информационной ценности отсчета при выделение огибающей сигнала случайного процесса за счет построения операции анализируют во временной области.

Технический результат достигается тем, что в способе выделения огибающей сигнала случайного процесса, заключающегося в том, что последовательно отсчитывают данные о значении сигнала, дополнительно задают алгоритм выделения момента изменения знака первой производной огибающей случайного процесса, анализируют значения сигнала в каждый момент изменения знака первой производной сигнала, для чего запоминают значение амплитуды в каждый заданный момент изменения знака первой производной сигнала и сравнивают его с последующим значением заданного момента изменения знака первой производной сигнала, по результатам сравнения принимают решение о знаке первой производной огибающей, по принятому решению фиксируют данные об амплитуде, знаке и формируют сигнал считывания информации, выделяют сигнал для считывания текущих значений координат сигнала в данный момент.

Известно, что ценность количества информации Р.Л. Стратонович, Теория информации, "Сов. радио", М., 1975, стр. 325-333, исходной мерой которой является хартлиевское количество информации, непосредственно связана с количеством реализации (отсчетов) и "определяется как максимальная выгода, которую можно подучить от хартлиевского количества информации" (стр.304).

Введение операции задают алгоритм выделения момента изменения знака первой производной огибающей случайного процесса необходимо и достаточно для определения момента достижения значением сигнала наибольшей ценности, что повышает информационную ценность передаваемого результата при исключении избыточности данных. Можно показать, что низшие моменты имеют более важное значение, чем высшие. В большинстве практических случаев плотность вероятности P(x) имеет наиболее существенное значение в интервале, расположенном около математического ожидания m_j, причем длина этого интервала имеет порядок σ_j = VD_j. Если в этом интервале функция ϕ(x) достаточно гладкая, то ее с необходимой степенью точности можно представить рядом Тейлора в окрестности точки m_j: Подставив это разложение в выражение момента с учетом центральных моментов получим Если функция ϕ(x) изменяется в указанном интервале достаточно плавно, то в разложении можно ограничиться учетом лишь первых двух членов. При этом M{ϕ(x)} = m_f(j)~ ϕ(m_j)+ 0,5ϕ(m_j)D_j. Отсюда видно, что матожидание достаточно плавной функции от случайной величины приближенно определяется матожиданием и дисперсией, роль высших моментов убывает с увеличением их порядка.

Кроме того, введенная операция необходима и достаточна для нового качества - адаптивность. В алгоритме способа исключена зависимость от частотных свойств входного сигнала, т.е. он работоспособен в широком диапазоне частот и независимо от формы/спектра входного сигнала (синусоида, треугольник, трапеция. . .) обеспечивает минимально-необходимое количество отсчетов для оптимального его восстановления с информационной ценностью каждого из них порядка 0,95.

Операция "выделяют момент изменения знака первой производной входного сигнала", заключается в том, что для последовательного формирования эталонных уровней напряжения больше-меньше, сравнения их с входным сигналом, поочередного формирования в зависимости от результатов сравнения уровней напряжения больше-меньше и входного сигнала, дополнительно формируют сетку частот f, устанавливают максимальную частоту f поочередного формирования уровней больше-меньше, задают нормы скорости изменения входного напряжения меньше-в норме-больше, задают нормы допустимых значений входного сигнала, проверяют очередность формирования уровней напряжения больше-меньше и в результате определяют соответствие длительности факта отклонения очередности и соответствие скорости изменения заданным нормам, по отклонениям в очередности формирования уровней больше-меньше в момент отклонения принимают решение о знаке первой производной с последующим формированием сообщения о знаке первой производной входного сигнала, по изменению этого сообщения формируется сигнал о моменте изменения знака первой производной входного сигнала, по результатам определения длительности факта отклонения и соответствию скорости изменения сигнала принимают решение о частоте f формирования эталонных уровней больше-меньше, выделяют результаты преобразования при достижении сигналом допустимых значений с последующим блокированием формирования эталонных уровней предельных значений до момента снижения уровня входного сигнала. Введение операции "задают алгоритм выделения" необходимо для снижения избыточности данных с малой информационной ценностью. Наибольшей ценностью в данном случае по Больцману и Хартли обладает именно момент изменения знака первой производной огибающей, факт выделения которого упрощает совокупность последующих операций. В частности, алгоритм выделения может содержать критерий обработки только одной из составляющих, например, верхней или разделение для последующей автономной обработки верхней от нижней составляющих сигнала. В качестве примеров могут служить сигналы с одной боковой составляющей или электрокардиосигналы (ЭКС).

Введение операции "анализируют" необходимо и достаточно для получения оптимального объема данных о сигнале, достаточном для восстановления информационной составляющей сигнала случайного процесса без введения известных адаптивных алгоритмов, работающих с априори накладываемыми ограничениями, и не зависимо от частоты входного сигнала обеспечивает регистрацию координат 2-3 точек, что в соответствии с теоремами Шеннона/Котельникова необходимо и достаточно для восстановления сигнала. Следует отметить, новое качество позволяет реализовать увеличение коэффициента сжатия полосы частот

где K - коэффициент сжатия по числу отсчетов;
n - объем информационной части слова несжатых данных;
m_ин - объем информационной части слова сжатых данных;
m_сл - объем служебной информации, приходящей на один существенный отсчет.

В среднем величина коэффициента сжатия по числу отсчетов лежит в пределах 5. . .100 раз, снижаются непроизводительные затраты для по следующей обработки полученной при этом информации.

Введение операции "запоминают координаты сигнала" необходимо и достаточно для сохранения данных о сигнале при выполнении операции "принимают решение по результатам сравнения", т.к. сигнал имеет чередующее изменение знака du/dt.

Введение операции "сравнивают текущее значение с предыдущим значением" необходимо и достаточно для получения результата об изменении сигнала для операции "принимают решение".

Введение операции принимают решение о знаке первой производной огибающей, по принятому решению необходимо и достаточно для отсчета и формирования сигнала считывания данных с наибольшей информационной ценностью (по Больцману или Хартли).

Известны по патенту США N 4752897, кл. G 06 F 15/20, 1988, операции формирования сигналов, которые преобразуют непрерывный процесс в цифровую форму путем дискретных выборок. Эти первые цифровые сигналы преобразуют во вторые, характеризующие меньшую частоту первых цифровых сигналов, при этом вторые цифровые сигналы определяют заданные явления в непрерывном процессе. Большой объем промежуточных операций снижает оперативность принятия решения об изменениях в контролируемом процессе, т.е. обладает худшими показателями технологичности, что и ограничивает область его применения.

Введение операции "фиксируют данные об амплитуде и знаке" необходимо и достаточно для согласования последующих операций со скоростью поступления информации о контролируемом сигнале.

Введение операции "формируют сигнал считывания информации" необходимо и достаточно для идентификации факта поступления данных в последующих сопрягаемых операциях.

Таким образом, совокупность введенных операций и последовательность их выполнения необходима и достаточна для достижения поставленной цели;
Формирование необходимого и достаточного объема данных для выделения огибающей сигнала контролируемого процесса, являющегося в общем случае случайным, повышения ценности данных до 95%, а также для обеспечения достоверности результатов преобразования при достаточно простых операциях, количество отсчетов определяется только характеристиками входного сигнала и формируется в момент изменений знака первой производной входного сигнала.

На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм способа, на фиг. 2 - вариант структуры схемы устройства выделения огибающей сигнала случайного процесса, где АЦП выполнено по патенту N 2024194 РФ, кл. H 03 M 1/48 1994 г.

Устройство фиг.2, содержит АЦП 1, блок запоминания 2, блок выделения 3, блок фиксации 4. Вход Вх устройства через последовательное соединение АЦП 1, блок выделения 3, блок фиксации 4, блок запоминания 2 подключен к выходной шине Вых. Шина Вых АЦП 1 связана со вторым входом блока выделения 3, второй выход блока выделения 3 соединен с блоком запоминания 2.

Работу способа рассмотрим на примере сигнала фиг. 1a с верхней огибающей. В исходном состоянии в алгоритме задают, например, критерий: выделяют верхнюю огибающую, т. е. в момент изменения du/dt знака первой производной сигнала с плюса на минус (на фиг.1a точки 2, 3, 4, 5, 6), обладающая трапецеидальной составляющей: точки 5-6.

Анализируют амплитуду, получаемую по данному критерию, как результат операции выделяют момент du/dt -изменения знака первой производной сигнала фиг. 1b. Повышение информационной ценности при выделении огибающей сигнала случайного процесса основано на определении моментов du^o/dt изменения знака первой производной огибающей фиг.1b этого сигнала. Критерий выделения момента du^o/dt - изменение знака приращения амплитуды в заданные моменты du/dt изменения знака первой производной сигнала фиг.1a. Анализ по данному критерию - сравнение значения амплитуды в момент t_i+1 с запомненными данными предыдущего t_i с учетом знака du/dt. В каждый последующий момент t_i+1 подтверждается знак и запоминается соответствующая координата. В момент времени t_i+1 фиг. 1b в результате изменения величины сигнала фиг.1a, фиксируют знак фиг. 1f и координаты точки t_i и формируют сигнал считывания информации фиг. 1c. При этом запоминают данные точки t_i+1 - координата и знак. Знак du^o/dt на фиг.1f представлен в двоичной системе. Алгоритм преобразования позволяет выделять в сигнале трапецеидальные составляющие: точки 5-6, что отражается du^o/dt=0 фиг.1f.

Таким образом, получена информация об огибающей сигнала в виде последовательности отсчетов, по которым соответствующим алгоритмом может быть восстановлена огибающая с достаточно высокой достоверностью и точностью. Как показано выше, погрешность определяется составляющими высших порядков не превышает 5-6%.

Рассмотрим работу варианта устройства на фиг.2.

Следствием поступления сигнала в момент времени t₀ на вход Вх АЦП 1 является формирование сигнала на его выходе знак полярности сигнала фиг.2 и данных на шине вых. В зависимости от заданного алгоритма выделения блок выделения 3 выдает сигнал фиг.1b, фиксирующий начальный уровень входного сигнала в нем и полярность сигнала в блоке фиксации 4. Полярность сигнала фиг.1f определяется результатом схемы сравнения в блоке 3 в виде "< ", ">". Для огибающей фиг.1a максимумы "+/-" это будет, знак ">", для огибающей минимумы "-/+" это будет знак "<". Срабатывание схемы сравнения в блоке выделения 3 инициирует сигнал на входе блока запоминания 2, который фиксирует в ОЗУ 2 информацию; координаты (амплитуда, время) и знак du/dt. На выход устройства блок выделения 3 транслирует факт формирования информационных данных для сопряжения скорости ввода в сопрягаемую систему.

Последовательность отсчетов в моменты времени 2, 4, 5, 8, 9 обеспечивает считывание информации об огибающей для передачи по каналу связи с выхода устройства.

Положительный технико-экономический эффект данного технического решения определяется:
повышением информационной ценности отсчета при выделение огибающей сигнала случайного процесса,
исключением избыточности в передаваемой информации,
представлением информации об огибающей сигнала в цифровом двоичном коде,
возможностью микроэлектронного исполнения, т. к. отсутствуют частотно зависимые компоненты,
область применения технического исполнения не зависит от несущей частоты сигнала, что расширяет область применения.

Действие способа и варианта устройства проверено на макетах, выполненных на ИС серии 564, 140, а также промоделировано на ПЭВМ. Результаты макетирования проводились для несущей порядка 500 кГц, моделирование для несущей порядка 3 МГц. Для сравнения дееспособности макетирование проводилось с амплитудно-модулированным сигналом и с электрокардиосигналом, в результате чего была построены быстрые и медленные волны 1-го и 2-го вида работы сердечного ритма человека.

Результаты подтвердили работоспособность и эффективность введенных операций для применения в различных областях - технике и медицине.

Формула изобретения

Способ выделения огибающей сигнала случайного процесса, в соответствии с которым последовательно отсчитывают данные о значении сигнала, отличающийся тем, что выделяют момент t_i изменения знака первой производной сигнала для отсчета текущих значений координат сигнала, анализируют значение сигнала в каждый выделенный момент t_i, для чего запоминают значение амплитуды и знака первой производной огибающей упомянутого сигнала и сравнивают его со значением амплитуды и знака первой производной огибающей сигнала последующего выделенного момента t_i+1 изменения знака первой производной сигнала, в случае принятия решения изменения знака первой производной огибающей сигнала фиксируют значение амплитуды и знака в выделенный момент t_i в качестве информационного результата об огибающей и формируют сигнал считывания информации, после чего амплитуду и знак производной сигнала в выделенный момент t_i+1 запоминают для последующего анализа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2