Способ многоканального формирования и восстановления аналоговых сигналов

Изобретение относится к области многоканальной передачи информации и может быть использовано, в частности, в многоканальной телеметрии, информационно-измерительных системах, информационно-вычислительных комплексах. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в качестве переносчика информации формируют импульсный сигнал сложной формы (ИССФ), для которого приведены условия формирования. ИССФ каждого последующего канала формируют со сдвигом во времени на τ. При восстановлении разделяют канальные ИССФ, элементарные импульсы каждого канального ИССФ поочередно запоминают, запомненные сигналы подают на канальные ФНЧ. Достигаемый технический результат - увеличение по сравнению с прототипом уровней демодулированных канальных сигналов. 1 ил.

 

Изобретение относится к области многоканальной передачи аналоговых сигналов с временным уплотнением и может быть использовано, в частности, в многоканальной телеметрии, информационно-измерительных системах, информационно-вычислительных комплексах.

Известен способ многоканального формирования аналоговых сигналов [1, с.76-81] (аналог). В каждом канале здесь формируются так называемые импульсные сигналы сложной формы (ИССФ) [1, рис.3.8]. Соответствующим выбором параметров канальных ИССФ по условию 3.10 [1] обеспечивается подавление в спектре амплитудно-модулированных ИССФ (АМИССФ) первых спектральных зон, что проиллюстрировано на рис.3.9, б и 3.10, д [1]. Отсутствие в спектре указанных спектральных зон позволяет реализовать достоинства таких ИССФ в следующей форме:

1. Снизить требования к фильтрам нижних частот (ФНЧ), используемым при демодуляции АМИССФ. Из-за отсутствия первых спектральных зон требования к полосе подавления ФНЧ снижаются, что позволяет снизить порядок используемых фильтров.

2. Достигается расширение частотного диапазона преобразуемого аналогового сигнала при выбранном периоде дискретизации Т. Это объясняется тем, что при подавлении первых спектральных зон появляется возможность увеличения частоты F_m преобразуемого аналогового сигнала.

3. Ослабление интермодуляционных искажений. Эти искажения пояснены на рис.3.7 [1].

При демодуляции (восстановлении) амплитудно-модулированных ИССФ, осуществляемой после разделения канальных сигналов с помощью ФНЧ, амплитуда выходного (восстановленного) сигнала составит [1, формула (3.12)]

где m - коэффициент амплитудно-импульсной модуляции, U_i и τ_i соответственно амплитуды и длительности соответствующих периодических последовательностей прямоугольных импульсов (ПППИ), образующих периодическую последовательность ИССФ.

При большом числе каналов (N>>1) в выражении (1) окажется достаточно малой величиной . Поэтому амплитуда выходного сигнала U_вых в многоканальных системах делается весьма малой, что является существенным недостатком этого способа формирования канальных сигналов. Применительно к данной структуре ИССФ после разделения канальных сигналов невозможно при сохранении условия подавления оговоренных выше спектральных зон "растягивание" (удлинение) длительностей отдельных импульсов ИССФ, которое могло бы позволить увеличить значение , а следовательно, и амплитуду выходного сигнала [2, с.224-227] при демодуляции АМИССФ с помощью ФНЧ.

Известен также способ формирования многоканального сигнала (прототип), который при отсутствии модуляции (m=0) можно рассматривать как объединение (суммирование) несмещенной ПППИ с амплитудой импульсов U₀ и n последовательностей сдвоенных импульсов с амплитудами U_i и начальными сдвигами во времени τ_i [1, с.81-87]. При этом все импульсы имеют одинаковую длительность и не перекрываются во времени. Такой сигнал, сформированный по условию (3.18) [1, с.84], позволяет согласовать спектр ИССФ с полосой частот пропускания каналов связи, имеющих искажение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области низких частот (рис.3.12, 6 [1, с.86]).

Изменив условия формирования этого сигнала [1, (3.18)], можно сохранить в его спектре "нулевую" спектральную зону, как и в рассмотренном выше случае, и при этом подавить n первых спектральных зон.

Условие формирования такого ИССФ примет следующий вид:

Формула (2) применима для одноканального ИССФ, который при этом будет образован из l=2n+1 отдельных элементарных импульсов.

Заметим, что условие формирования (2) не зависит от длительности τ импульсов, образующих ИССФ. Длительность импульсов τ и сдвиги во времени τ_i должны выбираться так, чтобы исключить наложение (перекрытие) во времени импульсов, образующих ИССФ. В предельном случае, когда импульсы оказываются соприкасающимися, связь между сдвигами τ_i и длительностью импульсов τ принимает вид τ_i=iτ. При этом длительность импульсов будет наибольшей. Если все элементы канальных АМИССФ размещены в одном канальном интервале τ_кан=lτ, то после разделения каналов и восстановления канальных сигналов с помощью ФНЧ получим амплитуду выходного сигнала

Из выражения (3) следует, что наибольшее значение Uвых будет, когда ИССФ сформирован из соприкасающихся импульсов. Но даже и при этом амплитуда Uвых, как и в предыдущем случае, для многоканальной системы (N>>1) будет весьма малой, поскольку .

Задача предлагаемого изобретения заключается в увеличении уровней выходных демодулированных (восстановленных) канальных сигналов в многоканальных системах с временным уплотнением. Она достигается тем, что в качестве переносчика информации формируют импульсный сигнал сложной формы (ИССФ), представляющий собой сумму периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой U₀ и периодом Т и n периодических с периодом Т сдвоенных прямоугольных импульсов с амплитудами U_i, расположенных симметрично относительно импульсов с амплитудами U₀ со сдвигом во времени на величину τ_i, при этом параметры немодулированных ИССФ, состоящих из 2n+1 не перекрывающихся во времени элементарных импульсов одинаковой длительности, определяют из решения системы уравнений , а элементарные импульсы импульсного сигнала сложной формы (ИССФ), используемого в качестве переносчика информации каждого канала, формируют в разных каналах, а после их разделения производят поочередное запоминание амплитуд соответствующих элементарных импульсов канальных ИССФ и запомненные сигналы подают на канальные ФНЧ.

Проделаем необходимые пояснения к предлагаемому способу многоканального формирования и восстановления аналоговых сигналов.

В отличие от предыдущей структуры ИССФ, представляющей собой объединение перекрывающихся во времени импульсов, рассматриваемый ИССФ состоит из не перекрывающихся во времени элементарных импульсов. Эта особенность сигнала позволяет сформировать образующие его элементарные импульсы не только на одном канальном интервале, но и разнести их по разным канальным интервалам (каналам). При этом разнесение импульсов будет определяться соответствующими сдвигами импульсов τ_i. А временное согласование, которое необходимо для уплотнения элементарных импульсов, достигается за счет соответствующего выбора длительности импульсов, которая, кстати, не отражается, как следует из формулы (2), на подавлении рассматриваемых спектральных зон АМИССФ.

Эта особенность сигнала позволяет в многоканальных системах существенно повысить уровень выходного (восстанавливаемого) сигнала при демодуляции АМИССФ с помощью ФНЧ. Проиллюстрируем такую возможность на конкретном примере. Пусть осуществляется четырехканальная передача аналоговых сигналов с временным уплотнением и использованием в качестве переносчика информации в каждом канале ИССФ, состоящих из трех (l=3) соприкасающихся элементарных импульсов. Такой АМИССФ позволяет подавить в его спектре первую спектральную зону. Для этого параметры немодулированного канального ИССФ находим из выражения (2), в котором для нашего примера k=1, n=1, τ₁=τ, Т/τ=12. Выражение (2) в этом случае примет вид U₀=2U₁cosπ/6, откуда находим U₀/U₁=-1,73. Если тракт передачи (преобразования) сигналов обеспечивает, к примеру, прохождение импульсов с амплитудой не более 10 В, то выбирая U₁=-10 В, находим U₀=10/1,73=5,8 В.

На чертеже, а) показан многоканальный сигнал по прототипу в виде ИССФ, элементарные импульсы которых размещены в отдельном канальном интервале τ_кан (канале):

импульсы U₁₁, U₁₂, U₁₃ - в 1-м канальном интервале (канале);

импульсы U₂₁, U₂₂, U₂₃ - во 2-м;

импульсы U₃₁, U₃₂, U₃₃ - в 3-м;

импульсы U₄₁, U₄₂, U₄₃ - в 4-м.

Здесь первое число индекса означает принадлежность к номеру канала, а второе - к номеру элемента канального ИССФ. Обозначения, принятые в формуле (2), применительно к первому каналу будут соответствовать: U₀=U₁₂, U₁=U₁₁=U₁₃. Аналогичное соответствие выполняется и для остальных каналов.

Для восстановления (демодуляции) АМИССФ необходимо их разделение по соответствующим каналам. После разделения АМИССФ наибольшее значение выходного канального сигнала, восстановленного с помощью ФНЧ, при m=1 по формуле (3) составит Uвых=(-10+2×5,8)/12=0,13 В.

На чертеже, б) показан многоканальный сигнал в виде ИССФ, элементарные импульсы которых размещены в разных каналах: U₁₁ - в 1-м канале, U₁₂ - во 2-м, U₁₃ - в 3-м и т.д. Амплитуды этих элементарных импульсов будут уточнены ниже.

Для восстановления аналоговых сигналов из АМИССФ осуществляется разделение элементарных импульсов по "своим" каналам. На чертеже, в) показаны после разделения элементарные импульсы U₁₁, U₁₂, U₁₃ ИССФ 1-го канала. Применительно к этому ИССФ имеем сдвиги (смещения) импульсов U₁₁, U₁₂, U₁₃ относительно U₁₂ τ₁=4τ. Принимая во внимание, что T/τ=4 и U₀=U₁₂, U₁=U₁₁=U₁₃, из выражения (2) находим U₀=-2U₁cos2π/3, откуда получим U₁=U₁₁=U₁₃=10 B, U₀=-10 B. При восстановлении такого сигнала с помощью ФНЧ из формулы (3) при m=1 выходное напряжение составит Uвых=(-10+2*10)/12=0,8 В, которое уже превышает аналогичное напряжение (0,13 В) для прототипа. Однако для обоих вариантов с увеличением числа каналов выходные напряжения будут уменьшаться.

С целью устранения этого недостатка после разделения элементарные импульсы U₁₁, U₁₂, U₁₃ первого канала могут быть, не влияя на подавление первой спектральной зоны АМИССФ, удлинены (растянуты) путем поочередного запоминания амплитуд соответствующих импульсов, что показано пунктирами и штриховкой на чертеже, в. Запоминание амплитуд импульсов можно реализовать, в частности, с помощью устройств выборки и хранения (УВХ) [1, с.158-159, рис.5.10]. Увеличение (удлинение) длительностей импульсов приводит к пропорциональному возрастанию выходного сигнала в соответствии с формулой (3). Напомним, что условие (2) подавления в нашем примере первой спектральной зоны не зависит от длительностей элементарных импульсов. Поэтому удлинение импульсов, возможное в рассмотренной структуре АМИССФ, сохраняет подавление первой спектральной зоны и приводит к пропорциональному возрастанию выходного напряжения. В данном примере удлинение возможно в 4 раза, когда импульсы, образующие АМИССФ, становятся соприкасающимися. Это, соответственно, приведет к наибольшему увеличению выходного, восстановленного с помощью ФНЧ, сигнала в 4 раза, что предопределено выбранным числом каналов N=4. В общем случае выходной сигнал возрастает в N раз.

Все операции и условия их выполнения по предложенному способу каких-либо затруднений не вызывают и могут быть реализованы с использованием стандартных технических средств (коммутаторов, декоммутаторов, УВХ, ФНЧ и др.).

Список используемых источников

1. Карасев В.В., Михеев А.А., Нечаев Г.И. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с.

2. Борисов Ю.П., Пенин П.И. Основы многоканальной передачи информации. М.: Связь, 1967. - 312 с.

Способ многоканальной передачи информации с использованием в качестве переносчика информации импульсных сигналов сложной формы (ИССФ), заключающийся в формировании ИССФ, их модуляции и последующем восстановлении путем демодуляции с помощью фильтров низкой частоты (ФНЧ), отличающийся тем, что в каждом канале ИССФ формируют в виде последовательности элементарных импульсов одинаковой длительности τ, образованной из периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой U₀ и периодом Т и n периодических последовательностей с периодом Т сдвоенных прямоугольных импульсов с амплитудами U_i, расположенных симметрично относительно импульсов с амплитудами U₀ со сдвигом во времени на величину τ_i, при этом параметры указанных ИССФ определяют из решения системы уравнений

ИССФ каждого последующего канала формируют со сдвигом во времени на τ, при восстановлении разделяют канальные ИССФ, элементарные импульсы каждого канального ИССФ поочередно запоминают, запомненные сигналы подают на канальные ФНЧ.