Способ определения частоты узкополосного сигнала

Авторы патента:

Беринцев Алексей Валентинович (RU)

Черторийский Алексей Аркадьевич (RU)

G01R23/16 - анализ спектра;гармонический анализ

Владельцы патента RU 2442178:

Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (RU)

Изобретение относится к технике дискретного спектрального анализа и может быть использовано в измерительной технике. Способ определения частоты узкополосного сигнала, при котором сигнал длительностью Т дискретизируют с получением N точек, вычисляют его дискретный энергетический спектр, определяют номер k спектральной составляющей с максимальной амплитудой. При этом дискретный спектр получают с использованием дискретного преобразования Хартли, далее для k и (k+1) номеров вычисляют нечетную синусную Hs_k и четную косинусную Hc_k спектральные составляющие, затем вычисляют значение угловой частоты узкополосного сигнала по предложенным двум формулам. Технический результат заключается в повышении точности. 4 ил.

Изобретение относится к технике дискретного спектрального анализа и может быть использовано в измерительной технике.

Известен способ определения частоты узкополосного сигнала, заключающийся в том, что выборку сигнала S длительностью Т дискретизируют с периодом T/N [Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: Радио и связь, 1986], в результате чего получают N отсчетов сигнала во временной области S_n. После этого к полученной выборке сигнала применяют дискретное преобразование Фурье и получают дискретные значения преобразования Фурье F_k по формуле

где j - обозначение мнимой единицы, n - номер отсчета во временной области, k - номер дискретного значения преобразования Фурье в частотной области.

Затем, используя полученные значения, вычисляют дискретный энергетический спектр сигнала по формуле:

P_Fk=[Re(F_k)]²+[Im(F_k)]²,

где Re(F_k) и Im(F_k) - действительная и мнимая части k-го значения дискретного преобразования Фурье. В полученном энергетическом спектре определяют номер k спектральной составляющей, имеющей максимальное значение P_Fk и вычисляют значение угловой частоты ω для данной максимальной спектральной составляющей по формуле

Недостатком рассмотренного способа является то, что точность определения частоты сигнала зависит от длительности выборки Т.

Известно определение частоты входного сигнала по энергетическому спектру с использованием дискретного преобразования Хартли H_k. Преобразование Хартли осуществляется по формуле

где H_k - значение k-й составляющей дискретного преобразования Хартли.

Преобразование получило название по имени Р.Хартли, который применил введенную им функцию вида "casΘ=cosΘ+sinΘ" для осуществления прямого и обратного интегрального преобразования

, где N, n, к - см. выше.

Преобразование Хартли может применяться для спектрального анализа, фильтрации и обработки сигналов [Брейсуэлл Р. Преобразование Хартли. Теория и приложения. - М.: Мир, 1990].

Однако определение частоты путем поиска максимальной спектральной составляющей энергетического спектра дает большую погрешность, так как точность определения частоты зависит от длительности выборки Т.

Наиболее близким к изобретению является способ определения частоты узкополосного сигнала по патенту RU №2117306, заключающийся в том, что сигнал длительностью Т дискретизируют с получением N точек, вычисляют его дискретный энергетический спектр с помощью дискретного преобразования Фурье, определяют номер k максимальной спектральной составляющей, ее амплитуду, а также номер и амплитуду большей из смежных с ней составляющих, и определяют угловую частоту сигнала на основании этих данных в соответствии с выражением:

где ; A_i - амплитуда i-й спектральной составляющей; i=k при A_k+1<A_k-1 и i=k+1 при A_k+1≥A_k-1.

Недостатком данного способа является большой объем вычислений, связанный как с расчетом тригонометрических функций, так и с применением дискретного преобразования Фурье для вычисления энергетического спектра сигнала.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения частоты входного сигнала.

Заявляется:

Способ определения частоты узкополосного сигнала, при котором сигнал длительностью Т дискретизируют с получением N точек, вычисляют его дискретный энергетический спектр, определяют номер k спектральной составляющей с максимальной амплитудой, отличающийся тем, что дискретный спектр получают с использованием дискретного преобразования Хартли, далее для k и (k+1) номеров вычисляют нечетную синусную Hs_k и четную косинусную Hc_k спектральные составляющие, затем вычисляют значение угловой частоты узкополосного сигнала:

при выполнении условия Hs_k≠0 вычисляют по формуле:

при выполнении условия Hs_k=0 вычисляют по формуле:

Таким образом, для вычисления точного значения частоты узкополосного сигнала используется синусная составляющая преобразования Хартли во всех случаях, за исключением тех, когда для номера k она равна нулю. В этом случае следует использовать косинусную составляющую. При этом формула для вычисления точного значения частоты не изменяется.

Предложенный способ рассмотрим на примере дискретного преобразования Хартли для узкополосного сигнала. Для иллюстрации описания изобретения на фигуре 1 изображен энергетический спектр 1 узкополосного сигнала частотой 20.333 Гц при длительности наблюдения Т, равной 1 с и периоде дискретизации 0.01 с, а также синусная 2 и косинусная 3 составляющие дискретного преобразования Хартли; на фигуре 2 показаны те же составляющие, но для узкополосного сигнала частотой 20.777 Гц. На фигуре 3 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ определения частоты узкополосного сигнала.

В предлагаемом способе вычисление частоты узкополосного сигнала осуществляется путем обработки массива значений, полученных после применения к данному сигналу дискретного преобразования Хартли.

Обращение к преобразованию Хартли было обусловлено необходимостью использовать вещественные последовательности данных (одномерных или многомерных), обработку которых желательно осуществлять в области вещественных чисел с помощью взаимно симметричных прямого и обратного преобразований. В отличие от преобразования Фурье, отображающего вещественные функции в комплексную область и несимметричного по комплексной переменной, преобразование Хартли осуществляет преобразования только в вещественной области, отображая вещественные сигналы в вещественные.

Вначале с помощью дискретного преобразования Хартли получают энергетический спектр сигнала (5) и определяют в нем номер k спектральной составляющей с максимальной амплитудой. Затем для k и k+1 номера вычисляется нечетная (синусная) Hs_k и четная (косинусная) Hc_k составляющие дискретного преобразования Хартли по формулам:

Hs_k=(H_k-H_N-k)/2,

Hc_k=(H_k+H_N-k)/2.

Для длительности Т=1 с интервал между соседними спектральными составляющими будет равен 1 Гц. Положение максимума энергетического спектра может изменяться лишь с данным шагом в 1 Гц и для значений частоты сигнала 20.333 Гц и 20.777 Гц принимает значение 20 Гц и 21 Гц, соответственно. Истинное значение частоты узкополосного сигнала расположено между спектральными составляющими 20 Гц и 21 Гц. В данном частотном интервале происходит смена знака отсчетов синусной и косинусной составляющей дискретного преобразования Хартли. В результате, если соединить попарно точки Hs₂₀ и Hs₂₁, Hc₂₀ и Нс₂₁, то эти отрезки пересекут ось частот. Значение частоты в точке пересечения можно найти из уравнения прямой. Сравнение найденного значения частоты со значением частоты узкополосного сигнала показывает, что данные значения являются зеркально симметричными относительно середины рассматриваемого частотного интервала. С учетом этого были предложены формулы (1) и (2) для вычисления частоты узкополосного сигнала. Необходимо отметить, что в случаях, когда значение синусной составляющей на частоте максимума энергетического спектра равно нулю, значение косинусной составляющей принимает максимальное значение. Это позволяет точно определить значение частоты узкополосного сигнала, воспользовавшись формулой (2).

В том случае если модуль амплитуды синусной составляющей для номера k не равен нулю, то точное значение угловой частоты узкополосного сигнала вычисляется по формуле:

, при Hs_k≠0

Если же модуль амплитуды синусной составляющей для номера k оказывается равным нулю, то точное значение угловой частоты узкополосного сигнала вычисляется по формуле:

, при Hs_k=0

Наиболее точное значение получается для нечетной составляющей преобразования.

Максимумы энергетического спектра на фигурах 1 и 2 имеют следующие значения:

для частоты 20,333 Гц: fxs=20.335 Гц, fxc=20.339 Гц, fxh=20.338 Гц.

для частоты 20,777 Гц: fxs=20.779 Гц, fxc=20.763 Гц, fxh=20.865 Гц.

Вычисление синусной и косинусной составляющих преобразования Хартли позволяет непосредственно измерить частоту входного сигнала по его спектру без последующей цифровой фильтрации и обратного преобразования и может применяться для частотных датчиков и других приложений, где необходимо измерение частоты.

Метод, основанный на данном свойстве преобразования Хартли, был опробован в устройстве с резонансным датчиком (диапазон частот 10…1000 Гц) и показал увеличение помехоустойчивости, уменьшение времени измерения и расширение диапазона измерений в области низких частот по сравнению с методом дискретного счета.

Устройство на фигуре 3 содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 1, средство вычисления дискретного преобразования Хартли 2, средство вычисления энергетического спектра 3, средство вычисления синусной и косинусной составляющих 4, средство вычисления частоты 5. Выход средства вычисления дискретного преобразования Хартли дополнительно подключен ко второму входу средства вычисления синусной и косинусной составляющей. Устройство также содержит тактовый генератор 6. При этом первый выход генератора соединен с входом запуска АЦП, а второй выход генератора соединен со входом управления средства вычисления дискретного преобразования Хартли. Входом устройства является измерительный вход АЦП. Выходом устройства является выход средства вычисления частоты. Структурные элементы 2-5 реализуются с использованием средств вычислительной техники, например, на микроконтроллере AT91SAM7S256.

Способ определения частоты реализуется следующим образом. Входной сигнал U_вх преобразуется с помощью АЦП 1 в выборку из N дискретных отсчетов с периодом T/N, задаваемым тактовым генератором 6. Отсчеты U1 выборки поступают на вход средства вычисления дискретного преобразования Хартли 2. Спустя N тактов тактовый генератор 6 сигналом U6 запускает процесс вычисления дискретного преобразования Хартли. Результаты вычислений U2 с выхода средства вычисления дискретного преобразования Хартли поступают на вход средства вычисления 3 энергетического спектра, в котором вычисляется номер k спектральной составляющей, имеющей максимальную амплитуду. Код данного номера в виде цифрового сигнала U3 передается в средство 4 вычисления синусной и косинусной составляющих дискретного преобразования Хартли. В нем из сигнала U3 вычисляются амплитуды синусной и косинусной составляющих для k-го и (k+1)-го отсчета дискретного преобразования Хартли, а также проверяется равенство нулю модуля синусной составляющей для k-го отсчета. Если модуль синусной составляющей для k-го отсчета больше нуля, то на выход средства поступают значения синусной составляющей. Если же модуль синусной составляющей для k-го отсчета равен нулю, то на выход средства поступают значения косинусной составляющей. Выходной сигнал U4 средства вычисления синусной и косинусной составляющих дискретного преобразования Хартли передается на вход средства 5 вычисления частоты, где в соответствии с выражениями (8) и (9) происходит определение точного значения частоты узкополосного сигнала U5.

В качестве примера определялось значение частоты зашумленного гармонического сигнала с частотой fs=20.333 Гц и амплитудой шума в 5 раз превышающей амплитуду полезного сигнала (фигура 4). Расчетные значения оказались равны: fxs=20.385 Гц, fxc=20.296 Гц, fxh=20.327 Гц, что довольно близко к истинному значению.

Таким образом, вычисление дискретного преобразования Хартли, получение по результатам данного вычисления дискретного энергетического спектра с определением номера спектральной составляющей k, имеющей максимальную амплитуду и определение частоты узкополосного сигнала по значениям синусной или косинусной составляющих для k и k+1 отсчета позволяет уменьшить зависимость точности определения частоты сигнала от его длительности, а также значительно сократить объем необходимых вычислений по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для гармонического анализа периодических колебательных процессов, в частности электрических сигналов.

Способ спектрального анализа электрического сигнала // 2431853

Изобретение относится к способам спектрального анализа электрических сигналов. .

Радиометрический способ регистрации слабого широкополосного радиоизлучения // 2431852

Изобретение относится к радиоастрономии и может использоваться в радиометрах, регистрирующих шумовую температуру или мощность принимаемого широкополосного шумового сигнала в полосе пропускания радиометра.

Анализатор спектра // 2421739

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения спектральных характеристик автогенераторов, преимущественно кварцевых, а также в случаях, требующих большого динамического диапазона измерений.

Способ частотно-временного корреляционного анализа цифровых сигналов // 2405163

Изобретение относится к области цифровой обработки сигналов и может быть использовано для анализа сигналов различного происхождения. .

Устройство для анализа сигналов в реальном масштабе времени // 2404438

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в измерительных системах для измерения амплитуд и частот гармонических составляющих в исследуемых сигналах.

Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности // 2400705

Изобретение относится к оптическим аналоговым устройствам для спектральной обработки изображений, например, поверхности моря, с использованием некогерентного света и может быть применено для решения ряда научно-технических задач, в частности, для измерения спектров изображения шероховатой поверхности, в том числе пространственного спектра волнения водной поверхности в реальном времени.

Способ спектрального анализа периодических многочастотных сигналов, представленных цифровыми отсчетами // 2399919

Изобретение относится к области систем обработки информации и измерительной технике и может быть использовано для определения спектрального состава периодического многочастотного сигнала при решении разнообразных задач передачи информации на расстоянии, контроля работоспособности электротехнических и электромеханических устройств.

Способ анализа многочастотных сигналов, содержащих скрытые периодичности // 2399060

Изобретение относится к области обработки информации и измерительной техники, может быть использовано при контроле электротехнических и электромеханических устройств.

Способ выделения полезного сигнала реализуемого процесса // 2394216

Способ определения энергии помехи // 2449298

Изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала

Способ спектрального анализа электрического сигнала // 2455653

Изобретение относится к технике спектрального анализа электрических сигналов

Способ определения спектра электрического сигнала по измеренным выборочным значениям этого сигнала // 2475765

Изобретение относится к способам определения спектра электрических сигналов

Способ оценки частоты одиночного гармонического колебания в ограниченном диапазоне // 2480847

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам точной оценки частоты одиночного гармонического колебания в ограниченном диапазоне

Способ оценки параметров и демодуляции случайных сигналов // 2485526

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для целей радиоконтроля, радиомониторинга, определения характеристик источников радиоизлучения

Система обработки сигналов // 2498258

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для выделения и фильтрации исследуемых сигналов из воспроизводимого стационарного случайного процесса и измерения в реальном времени параметров сигнала. Система обработки сигналов, содержащая перестраиваемый по частоте фильтр, характеризующаяся тем, что в систему введены виброиспытательный комплекс, анализатор, прибор визуального контроля, формирователь нестационарного процесса, источник управляющего сигнала и блок стробирования, при этом фильтр своим первым входом подключен к выходу виброиспытательного комплекса, а выходом соединен с входом прибора визуального контроля, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам анализатора, третьим входом соединенного с первым выходом формирователя нестационарного процесса, одновременно подключенного также ко входу виброиспытательного комплекса, причем анализатор своим четвертым входом соединен с первым входом системы, а выходом подключен к ее выходу, причем второй выход формирователя нестационарного процесса соединен с первым входом блока стробирования, выходом подключенного к второму входу фильтра, а вторым входом соединенного с выходом источника управляющего сигнала, входом подключенного к второму входу системы. Технический результат заключается в повышении точности обработки. 3 з.п. ф-лы, 16 ил.

Способ определения амплитудно-фазовой частотной характеристики динамического объекта // 2499268

Способ относится к области испытаний и исследований динамических систем. Способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик динамического объекта предполагает проведение анализа завершенности переходного процесса втягивания динамического объекта в вынужденные периодические колебания и проводится на каждой частоте входного моногармонического сигнала до тех пор, пока средние определяемые значения коэффициентов Фурье выходного сигнала не станут достаточно постоянными, т.е. до тех пор, пока относительные разности между вновь вычисленными средними значениями коэффициентов Фурье выходного сигнала и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданного точностного параметра. При этом анализ завершенности переходного процесса втягивания динамического объекта в вынужденные периодические колебания проводится по нескольким дополнительным гармоникам. В этом случае окончание переходного процесса втягивания динамического объекта в вынужденные периодические колебания определяется числом необходимых периодов для завершения переходного процесса той гармоники, для которой оно является максимальным. Технический результат - повышение точности определения амплитудно-фазовых частотных характеристик. 1 ил.

Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров // 2502967

Изобретение относится к области дистанционного беспробоотборного газоанализа, а именно к способам формирования баз спектральных данных для дистанционных газоанализаторов на основе Фурье-спектрорадиометров. Способ заключается в беспробоотборном определении мгновенных значений концентрации вещества по данным контроля оптической плотности модельного облака на характеристических спектральных линиях в момент регистрации его спектра с использованием лабораторного стенда для создания и контроля концентраций газообразных веществ путем регистрации спектра пропускания модельного облака и расчетом по закону Бугера-Ламберта-Бера на основании значений молярной массы и молекулярного сечения поглощения вещества. Регистрация спектров для базы данных производится при достижении значения оптической плотности облака порядка 1,105÷1,112. Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения погрешности при определении спектральных коэффициентов поглощения излучения для веществ из перечня формируемой базы спектральных данных для Фурье-спектрорадиометра. 2 ил.

Устройство для определения частоты, вида модуляции и манипуляции принимаемых сигналов // 2514160

Предлагаемое устройство относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для определения несущей частоты, вида модуляции и манипуляции сигналов, принимаемых в заданном диапазоне частот. Устройство для определения частоты, вида модуляции и манипуляции принимаемых сигналов содержит приемную антенну, входную цепь, блок поиска, усилитель высокой частоты, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, семь амплитудных детекторов, два видеоусилителя, устройство формирования частотной развертки, ЭЛТ, пять ключей, три фильтра верхних частот, три фильтра нижних частот, два квадратора, два делителя напряжений, два частотных детектора, четыре анализатора спектра, семь блоков сравнения, фазовый детектор, анализатор комплексного спектра, анализатор линейного члена фазового спектра, анализатор симметрии амплитудного спектра, пять преобразователей аналог-код, шесть элементов совпадения И, четыре инвертора, преобразователь цифра-напряжение, умножитель фазы на два, умножитель фазы на четыре, умножитель фазы на восемь. Технический результат - повышение помехоустойчивости панорамного приемника и достоверности проводимых измерений. 6 ил.

Способ доплеровской фильтрации ионосферных сигналов // 2516589

Изобретение относится к области дискретного спектрального анализа, к области систем обработки информации и измерительной техники, и может быть использовано для доплеровской фильтрации (выделения) лучевой структуры ионосферных сигналов. Способ включает прием ионосферного сигнала с помощью приемника, усиление и преобразование по частоте, преобразование аналогового сигнала на выходе приемника в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. При этом снижают промежуточную частоту сигнала до нулевого значения с помощью преобразования Фурье. Формируют элементы корреляционной матрицы A m , p = Y ^ n + m − 1 Y ^ n + p − 1 ∗ ¯ (черта сверху означает суммирование по индексу n) и правого столбца b ^ p = Y ^ n + p − 1 e − i ω t n ¯ векторного уравнения A ^ c ¯ = b ¯ . Определяют элементы c ^ m вектора неопределенных коэффициентов c ¯ , решая в вычислительном устройстве векторное уравнение A ^ c ¯ = b ¯ . Формируют частотную зависимость функционала правдоподобия Δ ( ω ) = 1 1 − ∑ m = 1 M c ^ m Y ^ n + m − 1 ∗ перебирая частоты с заданным шагом в заданном интервале частот. Оценивают частоты доплеровских составляющих ионосферного сигнала и их достоверность по максимумам частотной зависимости функционала правдоподобия Δ(ω). Формируют элементы матрицы A ^ 1 m , p = e i ( ω m − ω p ) t n ¯ и правого столбца b ^ 1 m = Y ^ n e − i ω m t n ¯ векторного уравнения A ^ 1 U ¯ = b ¯ 1 . Оценивают комплексные амплитуды доплеровских составляющих ионосферного сигнала U ^ 1 ÷ U ^ M , решая в вычислительном устройстве векторное уравнение A ^ 1 U ¯ = b ¯ 1 . Технический результат заключается в повышении точности и достоверности оценок доплеровского спектра многолучевых ионосферных сигналов, и в расширении возможностей спектрального анализа в область малых интервалов обработки сигналов, где критерий Рэлея не выполняется. 6 ил.