Способ дискретного дифференцирования электрических сигналов и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (») 655070

Союз Советских

Социалистических

Ресоублин (61) Дополнительное к авт, свид-ву

Э (51) М.К .

Н 03К 5/00 (22) Заявлено 18.12.72 (21) 1859164/18-21 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.03.79. Бюллетень № 12 (45) Дата опубликования описания 30.03.79

Государстееиный комитет ссср (53) УДК 621.374.2 (088.8) ло делам изабретеиий и открытий (72) Автор изобретения

Л. Я. Биневич (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (54) СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И УСТРОИСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при вторичной обработке принимаемых сигналов с помощью вычислительных устройств, а также в информационноо-измерительных системах различного назначения.

При вторичной обработке получаемой информации возникает задача дискретного дифференцирования электрических сигналов, которая заключается в измерении и регистрации разностей их мгновенных значений в граничных точках временных интервалов М.

Известен способ дискретного дифференцирования электрических сигналов, используемый в цифровых дифференциальных анализаторах, который заключается в образовании кратковременных вырезок сигнала в начальный и конечный моменты временного интервала At, преобразовании амплитуд этих вырезок в цифровую форму, запоминании амплитуды первой вырезки, их вычитании и регистрации полученной величины (1).

Зтот способ обладает низкой помехозащищенностью по отношению к импульсным помехам, а также малым быстродействием и низкой точностью аналого-цифрового преобразования, Известен также способ измерения разности мгновенных значений сигнала в начальный и конечный моменты временного интервала М, который включает образование кратковременных вырезок принимаемого сигнала в начальный и конечный моменты временного интервала At, запоминание амплитуды первой вырезки, инвертирование второй вырезки, их суммирование и регист10 рацию полученной в результате суммирования величины. Способ реализуется устройством, содержащим фазоинвертор и стробирующий каскад, выход которого подключен к входу регистратора, а также синхронизатор, первый выход которого соединен с первым входом стробирующего каскада (2).

Данный способ и реализующее его устройство обладают низкой помехозащищенностью к импульсным помехам, которые вызывают значительные искажения сигнала в моменты стробирования. Кроме того, необходимость малоискаженной передачи сигнала к моменту первой вырезки делает необходимым расширение полосы пропускания импульсной информационно-измерительной системы, что приводит к снижению ее помехоустойчивости.

655070 (2n — 1) и

И где весовая функция у(о =А сов (Ы п=1

Ы .„ М п=1

М m б5

С целью повышения помехозащищенности информационно-измерительных систем с дискретным дифференцированием принимаемых сигналов по предлагаемому способу во временном интервале Л1 генерируют 5 вспомогательный сигнал вида

m (2п — 1) -,.

А, cos и-1 где А — амплитуда;

1 — время;

n — ряд натуральных чисел от 1 до m, перемножают его c входным сигналом и интегрируют результирующий сигнал. При этом число косинусоидальных колебаний т, 15 образующих вспомогательный сигнал, выбирают, исходя из обеспечения наибольшей точности измерения разности мгновенных значений принимаемого сигнала в условиях помех. 20

Такой способ может быть осуществлен предлагаемым устройством, в которое введены генератор вспомогательного сигнала, перемножитель, два интегратора и коммутатор, выход которого подключен к второму входу стробирующего каскада, а входы коммутатора соответственно подключены к выходам интеграторов и к второму выходу синхронизатора, вход которого соединен с первым выходом генератора вспомогатель- З() ного сигнала, второй выход которого подключен к входу перемножителя, выход иерем ножителя соединен с входом первого интегратора через фазоинвертор, а с входом второго интегратора непосредственно. З5

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства для реализации способа дискретного дифференцирования электрических сигналов.

Предлагаемый способ осуществляется 4р следующим образом.

Во временном интервале At генерируют вспомогательный сигнал вида п (2n 1) и

А cos

45 и-1 перемножают его с принимаемым сигналом и интегрируют произведение обоих сигналов. В момент окончания временного интервала At образуют кратковременную вы- 50 резку проинтегрированного произведения и регистрируют ее амплитуду, Амплитуда вырезки является оценкой разности мгновенных значений принимаемого сигнала в граничных точках временного интервала At. 55

Изобретение основано на том, что разность значений аналитической функции

x(t), принимаемых ею в граничных точках

t=0 и t=At временного интервала At, может быть определена путем весового инте- б0 грирования этой функции по формуле

И CO х(0) — х(ь|) = 1 x(t) V cosp

М.) 0 и-1 р(/) = 1.„cos

М п=1 представляет собой тригонометрическое разложение периодической последовательности знакопеременных стробирующих функций Дирака. Из формулы следует, что измерение разности мгновенных значений принимаемого сигнала может быть осуществлено путем его перемножения с вспомогательным сигналом

Величина интеграла будет представлять собой оценку измеряемого параметра сигнала х(0) — х(Л/). При этом с увеличением числа слагаемых т точность измерения возрастает, и при неограниченно большом m результат измерения оказывается точным.

Однако наличие шума, действующего на вход системы, приводит к тому, что с ростом т падает помехоустойчивость приемного тракта и, следовательно, точность измерения информационного параметра сигнала. Это подтверждается выражением

io1 — р,„(ож=2)б и, о где U — среднее квадратическое напряжение шума на выходе линейной системы;

Л(о — спектральная плотность мощности белого шума, действующего на ее вход; т сумма первых т членов весовой функции.

Таким образом, имеет место свойственное всем информационным системам противоречие между малоискаженным воспроизведением информационного параметра сигнала и помехоустойчивостью системы, которое заключается в том, что при малом числе слагаемых т велики искажения сигнала, но высока помехоустойчивость системы, а при большом m искажения сигнала уменьшаются, но падает помехоустойчивость. И то, и другое ведет к уменьшению точности измерения. Поэтому оптимальное число слагаемых m выбирают, исходя из априорных сведений о сигнале и мощности шума, действующего на вход системы, руководствуясь формулой

II (х(0) — х(о(— (— (x(i)g cosQ

Ы. о п=1

655070 (2и — 1) а

А " cos

n=l

5 (2n — 1)-- - л, tdt I+2 p и, где 6„, — ошибка измерения информационного параметра сигнала;

x(t) — функция, аппроксимирующая сигнал в интервале At.

Устройство, реализующее способ, имеет две характерные особенности, которые вытекают из необходимости дискретного дифференцирования сигнала на смежных временных интервалах At. Во-первых, интегрирование перемноженных сигналов должно производиться при нулевых начальных условиях, что приводит к необходимости освобождения интегратора от запаса энергии предыдущего измерительного цикла. В связи с этим возникает необходимость использования двух попеременно работающих интеграторов.

Во-вторых, генерирование вспомогательного сигнала, имеющего одинаковую форму на каждом временном интервале At, имеет технические трудности, обусловленные скачкообразным изменением его мгновенных значений на границах интервалов. Поэтому вспомогательный сигнал целесообразно генерировать в виде суммы гармонических колебаний, а возникающую на смежных временных интервалах смену полярности вспомогательного сигнала компенсировать путем инвертирования фазы преобразованного сигнала на входе (или выходе) одного из интеграторов.

В связи с изложенным устройство для осуществления способа дискретного дифференцирования электрических сигналов состоит из генератора 1 вспомогательного сигнала, перемножителя 2, фазоинвертора

3, интеграторов 4 и 5, коммутатора б, стробирующего каскада 7, регистратора 8 и синхронизатора 9.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает сигнал, представляющий сумму непрерывных гармонических колебаний. Входной и вспомогательный сигналы поступают на входы перемножителя 2, произведение входного и вспомогательного сигналов поступает с выхода перемножителя 2 на входы двух интеграторов

4 и 5, причем на вход интегратора 5 — непосредственно, а на вход интегратора 4— через фазоинвертор 3. Интеграторы работают попеременно. В течение одного временного интервала работает интегратор 5.

При этом интегратор 4 освобождается от запасов энергии предыдущего цикла. Обесточивание неработающего интегратора и подключение работающего интегратора к входу стробирующего каскада производится коммутатором б, управляемым синхронизатором 9. В моменты окончания последовательных временных интервалов стробирующий каскад 7, управляемый синхро10

55 б0

65 нпзатором 9, производит короткие вырезки напряжечпй, развивающихся на выходах интеграторов 4 и 5. Амплитуды этих вырезок, пропорциональные разностям мгновенных значений принимаемого сигнала в граничных точках последовательных временных интервалов At, регистрируются регистратором 8, в качестве которого может быть использован аналого-цифровой преобразователь. Синхронизатор 9 вырабатывает из поступающего на его вход вспомогательного сигнала импульсы напряжения, которые управляют коммутатором б и стробирующим каскадом 7.

Техническая эффективность способа и реализующего его устройства заключается в повышении помехоустойчивости информационно-измерительных систем по отношению к импульсным помехам. Если в известном способе появившаяся в момент стробирования импульсная помеха вносит существенную ошибку в результат измерения, то в предлагаемом способе влияние импульсных помех оказывается ослабленным благодаря интегрированию сигнала во временном интервале большой длительности. Отпадает необходимость в измерении мгновенного значения принимаемого сигнала в начальной точке временного интервала At.

Уменьшению ошибки измерений способствует также устранение операции запоминания амплитуды первой вырезки.

ФорMóëа изобретения

1. Способ дискретного дифференцирования электрических сигналов, заключающийся в кратковременной вырезке сигнала в момент окончания временного интервала

At и регистрации амплитуды сигнала в этой вырезке, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, во временном интервале At генерируют вспомогательный сигнал вида где А — амплитуда;

1 — текущее время; и — ряд натуральных чисел от 1 до т, перемножают его с входным сигналом и интегрируют результирующий сигнал.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее фазоинвертор и стробирующий каскад, выход которого подключен к входу регистратора, а также синхронизатор, первый выход которого соединен с первым входом стробирующего каскада, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости устройства, в него введены генератор вспомогательного сигнала, перемножитель, два интегратора и коммутатор, выход которого подключен к второму входу стробирующего каскада, а

655070

Составитель P. Матвеева

Техред А. Камышникова

Корректоры: Л. Брахнина и И. Позняковская

Редактор Е. Караулова

Заказ 195/5 Изд. Юи 250 Тираж 1059 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2 входы коммутатора соответственно подключены к выходам интеграторов и к второму выходу синхронизатора, вход которого соединен с первым выходом генератора вспомогательного сигнала, второй выход которого подключен к входу перемножителя, выход перемножителя соединен с входом первого интегратора через фазоинвертор, а с входом второго интегратора непосредственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Преобразование информации в аналого-цифровых вычислительных устройствах

5 и системах. Под ред. Г. М, Петрова. М., «Машиностроение», 1973, с. 266 — 274.

2. Великин А. Д. и др. Индуктивная электроразведка методом переходных процессов с совмещенными источником и при10 емником поля. Л., «Недра», 1967, с. 22 — 25.