Способ и устройство точного аналогового деления мгновенной частоты сигналов

 

Исходный сигнал дополняют сигналом, сопряженным с ним по Гильберту. При этом выделяют огибающую выходного сигнала, определяя квадратный корень суммы квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов. При этом используют сигнал, полученный после преобразования выходного сигнала путем умножения его мгновенной частоты в K-1 раз. Входной сигнал делят на полученную огибающую выходного сигнала. Выходной сигнал с частотой, в К раз меньшей частоты входного сигнала, получают в результате суммирования сигналов, каждый из которых получен перемножением соответствующих из указанных пар сигналов, сопряженных по Гильберту. Устройство содержит фазовращатели, сумматор однополосного модулятора, демодулятор огибающей, два перемножителя, делитель аналоговых сигналов и блок умножения мгновенной частоты в K-1 раз. Демодулятор огибающей состоит из двух квадратичных детекторов, сумматора, блока извлечения квадратного корня. Технический результат - обеспечение высокого качества передачи широкополосных звуковых сигналов путем повышения точности аналогового деления частоты, минимального расхода на персонал с возможно меньшими помехами в работе железной дороги. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Группа изобретений относится к области приборостроения, может быть использована при передаче звуковых сигналов, при их записи и воспроизведении и предназначена для точного аналогового деления мгновенной частоты звуковых сигналов без возникновения заметных на слух искажений у восстановленных сигналов и заметного уменьшения отношения сигнал/шум, что например, необходимо при реализации изобретения по а.с. СССР N 1644212.

Известен способ деления частоты, предложенный Марку П. и Дагэ Ж. [1,2,3] .

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, а именно: точного аналогового деления мгновенной частоты без заметных на слух искажений у восстановленных сигналов и заметного уменьшения отношения сигнал/шум относится то, что хотя авторы записывали деление мгновенной частоты на передающей стороне канала и умножение ее на приеме, но на самом деле делали не то, что записывали [3]. На наш взгляд в качестве объяснения достаточно сказать, что непрерывное изменение мгновенной частоты при обработке сигналов по этому методу заменялось ступенчатым уже на передающей стороне. Этим объясняются возникавшие искажения, потеря части информации в процессе передачи.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному в группе изобретений по совокупности признаков является способ, реализованный в устройстве по а.с.СССР N 714473.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа и устройства для его осуществления, принятых за прототип, относится то, что для деления мгновенной частоты звукового сигнала необходимо: - во-первых, выделить эту модулирующую функцию в виде пропорционального напряжения (или тока); - во-вторых, масштабно уменьшить это напряжение в необходимое число раз; - в-третьих, синтезировать по этой уменьшенной мгновенной частоте требуемый звуковой сигнал.

Сам по себе факт частотной демодуляции приводит к уменьшению помехоустойчивости сигнала, как действие, обратное частотной модуляции, которая, как известно, позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости. То есть отношение мощности полезного сообщения к мощности шума на выходе ЧМ демодулятора больше, чем то же отношение, но на входе приемника [4]. Другими словами, частотно-модулированный сигнал меньше искажается шумами в канале передачи, чем, например, сигналы с амплитудной модуляцией. Установлено [4], что мгновенная частота суммы сигнала и шума практически равна мгновенной частоте того колебания, которое больше по величине. В паузах звучаний в канале передачи кроме шума нет ничего. Поэтому на выходе частотного демодулятора мы получаем не только мгновенную частоту сигнала. На выходе частотного демодулятора мгновенные частоты сигнала и шума сменяют друг друга с частотой следования пауз, так как паузы являются неотъемлемой частью звуковых сигналов. Кроме того, за счет подавления слабого сигнала более сильным искажены оказываются частоты сигналов при переходных процессах, а это не только начало и конец каждого звука, но иногда и самая его середина. Это объясняет заметные на слух искажения, возникающие у восстановленных сигналов, и заметное понижение отношения сигал/шум.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в повышении качества передачи широкополосных звуковых сигналов по узкополосным каналам. В частности по каналам с записью сигналов на движущийся носитель (например, магнитную ленту, кинопленку).

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений, заключается в точном аналоговом делении в К раз (например в 10 раз) мгновенной частоты звуковых сигналов без возникновения заметных на слух искажений у восстановленных сигналов и заметного уменьшения отношения сигнал/шум.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что как и в известном способе, исходный звуковой сигнал дополняют сигналом, сопряженным с ним по Гильберту, выделяют огибающую выходного сигнала, определяя квадратный корень суммы квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, но в отличие от прототипа для формирования сопряженных по Гильберту сигналов при выделении огибающей выходного сигнала используют сигнал, полученный после преобразования выходного сигнала путем умножения его мгновенной частоты в К-1 раз, входной сигнал делят на полученную огибающую выходного сигнала, а выходной сигнал с частотой, в К раз меньшей частоты входного сигнала, получают в результате суммирования сигналов, каждый из которых получен перемножением соответствующих из указанных пар сигналов, сопряженных по Гильберту.

В качестве примера реализации заявляемого способа предлагается устройство.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство, которое включает первый фазовращатель, реализующий преобразование Гильберта, демодулятор огибающей, состоящий из двух квадратичных детекторов, сумматора и блока извлечения квадратного корня, два перемножителя и делитель аналоговых сигналов, дополнительно снабжено сумматором однополосного модулятора, вторым фазовращателем и блоком умножения мгновенной частоты в К-1 раз, причем первым входом делителя аналоговых сигналов образован вход устройства, второй вход упомянутого делителя соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, а выход - с входом первого фазовращателя, два выхода которого соединены с первыми входами перемножителей, выходы последних - с входами сумматора однополосного модулятора, выход которого через блок умножения мгновенной частоты в К-1 раз подключен к входу второго фазовращателя, два выхода которого подключены к вторым входам перемножителей и входам квадратичных детекторов, выходы которых соединены с входами сумматора в демодуляторе огибающей, а выход последнего - с входом блока извлечения квадратного корня, при этом выходом сумматора однополосного модулятора образован выход устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог как для способа, так и для устройства, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию "новизна" действующего законодательства.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявителем проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что каждый из объектов изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательской уровень" действующего законодательства.

На чертеже представлена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - делитель аналоговых сигналов; 2 и 3 - соответственно первый и второй фазовращатели; 4 и 5 - перемножители сигналов; 6 и 7 - квадратичные детекторы; 8 и 9 - сумматоры; 10 - блок умножения мгновенной частоты в (К-1) раз; 11 - блок извлечения квадратного корня.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Примем в качестве математической модели входного сигнала S_вх(t)=S(t)cos x(t), (1) где S(t) - огибающая, то есть модулирующая функция, которая определяет в каждый момент времени амплитуду сигнала, x(t) - текущая фаза, которая равна Причем текущая фаза представляет собой функцию мгновенной частоты ω(t), которая определяет частотные свойства реальных звуковых сигналов.

Допустим, что на выходе предлагаемого устройства, реализующего операции предлагаемого способа деления мгновенной частоты, формируется колебание S_вых(t)=Z(t)cos y(t), (3) причем должны выполняться следующие условия: Z(t)=S(t) и y(t)=x(t)=x(t)/K, (4)
Покажем это.

Примечание.

Поскольку время не трансформируется, то последнее равенство означает, что в К раз должна уменьшиться мгновенная частота.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сигнал на выходе делителя аналоговых сигналов (1)
S_дел(t)=[S(t)/Z(t)]cos x(t), (5)
На выходах ФВ1 (2) этот сигнал (5) дополняется сопряженным с ним по Гильберту сигналом

Каждый из этих сигналов перемножается (4,5) с соответствующим ему сигналом из пары сопряженных по Гильберту колебаний, формируемых ФВ2 (3). Мгновенная частота выходных колебаний умножается в К-1 раз блоком умножения мгновенной частоты БУМЧ (10).

Таким образом, на выходе перемножителя (4).

[S(t)/Z(t)] [cos x(t)] Z(t)[cos(K-1)y(t)]=S(t)[cos x(t)] [cos(K-1)y(t)]. (7)
Аналогично на выходе перемножителя (5)
S(t)[sinx(t)][sin(K-1)y(t)]. (8)
Сигналы (7) и (8) складываются в сумматоре однополосного модулятора (8). При этом формируется выходной сигнал в соответствии с известной формулой: [cosa cosb + sina sinb = cos(a-b)],
S_вых(t)=S(t)cos[x(t) - K-1)y(t)], (9)
который в то же время должен быть равен (3), так как кольцо обратной связи замкнуто. Откуда следуют равенства в каждый момент времени:
- амплитуд Z(t)=S(t) и
- текущих фаз x(t) - (K-1)y(t) = y(t), то есть y(t) = x(t)/K, что и требовалось доказать.

Таким образом выходное колебание равно

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении предназначено для использования в промышленности, именно в технике связи, звукозаписи на движущийся носитель;
- для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и метолов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Литература
1. Marcou P. , Daguet J. New Methods of Speech Trasmission (Centre National d^Etudes des Telecommunications, Franse) (1955).

2. Марку П., Дагэ Ж. Новые методы передачи речи. Сборник статей. Теория передачи сообщений. (Труды третьей международной конференции). Под ред. В.И. Сифорова. - М.:Изд. иностранной лит., 1957, с.158-178.

3. Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи.- М.:Связьиздат, 1963.

4. Виницкий А. С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ.-М.:Советское радио, 1969.

Формула изобретения

1. Способ точного аналогового деления мгновенной частоты сигналов в К раз, при котором исходный сигнал дополняют сигналом, сопряженным с ним по Гильберту, выделяют огибающую выходного сигнала, определяя квадратный корень суммы квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, отличающийся тем, что для формирования сопряженных по Гильберту сигналов при выделении огибающей выходного сигнала используют сигнал, полученный после преобразования выходного сигнала путем умножения его мгновенной частоты в К-1 раз, входной сигнал делят на полученную огибающую выходного сигнала, а выходной сигнал с частотой, в К раз меньшей частоты входного сигнала, получают в результате суммирования сигналов, каждый из которых получен перемножением соответствующих из указанных пар сигналов, сопряженных по Гильберту.

2. Устройство для точного аналогового деления мгновенной частоты сигналов в К раз, содержащее первый фазовращатель, демодулятор огибающей, состоящий из двух квадратичных детекторов, сумматора, блока извлечения квадратного корня, два перемножителя и делитель аналоговых сигналов, отличающееся тем, что оно снабжено сумматором однополосного модулятора, вторым фазовращателем и блоком умножения мгновенной частоты в К-1 раз, причем первым входом делителя аналоговых сигналов образован вход устройства, второй вход упомянутого делителя соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, а выход - с входом первого фазовращателя, два выхода которого соединены с первыми входами перемножителей, выходы последних - с входами сумматора однополосного модулятора, выход которого через блок умножения мгновенной частоты в К-1 раз подключен к входу второго фазовращателя, два выхода которого подключены к вторым входам перемножителей и входам квадратичных детекторов, выходы которых соединены с входами сумматора в демодуляторе огибающей, а выход последнего - с входом блока извлечения квадратного корня, при этом выходом сумматора однополосного модулятора образован выход устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1