Способ обработки аналоговых сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1(11 90 03 М 1 00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР НТНОЕ Т К ПАТЕНТУ льные маши и процесса ,: Мир, 1976 ГОВЫХ А к техническои спользовано в и управления, ном масштабе(71) Кемеровский государственный университет(73) Кемеровский государственный университет(56) 1, Горелзация сигна ов Г,В. Нерегулярная дискретилов, - М.: Радио и связь, 1982, с,50-55.2, Управляющие вычислны в АСУ технологическми/Под ред. Т,Харрисона. -т, 2, с. 414 - 415 (прототип).(57) Изобретение относитсякибернетике и может бытьцифровых системах контролфункционирующих в реаль Изобретение относится к области технической кибернетики и может найти применение в цифровых системах контроля и управления, функционирующих в реальном масштабе времени, для сбора и первичной обработки результатов измерения параметров объектов, снимаемых с аналоговых датчиков.При функционировании реальных объектов контроля. управления, исследования (в дальнейшем объекта анализа) их состояние часто описывается нестационарными сигналами. которые помимо информативной низкочастотной составляющей содержат информативную высокочастотную составляющую, Простейшим представителем такого сигналэ является следующее модельное описание; времени, для сбора и первичной обработки результатов измерения параметров объектов, снимаемых с аналоговых датчиков. Цель изобретения - повышение точности достигается за счет того, что в способе, включающем групповой опрос аналогового сигнала через постоянный интервал време-, ни, осуществляют дополнительнуюдискретизацию внутри каждой группы осуществляют со случайным шагомв момент времени: т = то+ пТ+ То+ Ьгде1+1 1+1, го - время выключения цифрового устройства; Т - межгрупповой шаг дискретизации; То - равномерный шаг дискретизации вг пппе; и = 1, 2, 3., - номер группы; - 0,1 -1 -+1номер отсчета в группе; Ьп - случайный шаг дискретизации в группе, и на каждом шаге опроса определяют минимальное и максимальное значения высокочастотной составляющей сигнала и используют их при оценке аналогового сигнала, 4 табл., 2 ил,у(т) = х(т, 1)+ А(т, 1 г)з 1 п(в(зф)+ 1/1)+ е(т), в котором у(т) - измерительный сигнал; х(т,и ) - информативная низкочастотная составляющая, характеризующая изменения объекта анализа во времени от причинных изменений состояния внешней среды (в том числе и от реализации управляющих воздействий на объект анализа) и внутреннего состояния объекта анализа (этот факт отражен введением параметра); А(ту ) - амплитудная характеристика высокочастотной составляющей з 1 п(в (1 )т + р ), причем изменения А(т, ю), в(1) во времени определены также, как и для х(йу ); с (с) - . измерительная случайная помеха, Если положить А(т,и ) = О, то получается сигнал. который традиционно рассматривается в 1 спретиче 1790800ских и прикладных исследованиях по цифровым системам контроля и управления. Таким образом, представленный класс сигналов является достаточно широким с точки зрения возникновения их в реальных условиях. Такая модель сигнала наиболее близко характеризует изменения таких физическихвеличин, как давление, плотность, скорость,"концентрация и т.п. Введение параметра Фв обобщенном смысле может характеризовать функциойирование объекта при вибрации, при "выходе из устойчивого состояния, при нахождении объекта анализа в предаварийном или аварийном состоянии, при различных катастрофических явлениях. Сигналы подобной структуры рассматриваются в ряде источников (Волков Ю,Н, и др. Технолог-доменщик; Справочник. - М,: Металлургия, .1986, с. 163 - 174; Обнаружение изменения свойств сигналов и динамических систем/Под ред. М,Бассвиля, А.Банвениста. - М.: Мир, 1989 и др,).Существенными признаками для сигналов такой структуры являются оценки низкочастотной составляющей х(ту ), верхней и нижней огибающих А(т, и), Ап(т, у),Известен способ обработки аналоговых сигналов, основанный на использовании случайной дискретизации сигналов Я Согласно способу шэг дискретизации в каждый момент дискретизации является случайной величиной, При использовании случайной дискретизации аналогового сигнала его дискретное представление является последовательностью значений сигнала в моменты. временитп = то + Ь1=1где 1 о - время включения цифрового устройства, Ь - случайный шаг дискретизации, являющийся случайной величиной, равномерно распределенной нр интервале (Ьвп,пвах).Однако при применении в системах контроля и управления известных способов обработки аналоговых сигналов не удается получить три оценки х(с, и) А,(су ) Ап (т, зф) на каждый момент времени. Коме того, при применении способа обработки с использованием равномерной дискретизации из-за эффекта подмены частот получают искаженную информацию о частотных составляющих аналогового нестационарного сигнала, Применение способа обработки с использованием случайной дискретизации в значительной мерепротиводействует возникновению эффекта подмены частот,но с другой стороны существенно усложняет решение задачи восстановления сигнала, При использовании известных способов обработки аналоговых сигналов при применении специального математического аппарата возможно ретроспективно оценить огибающие сигнала. Однако такой подход не приемлем в системах реального времени в силу наличия значительной временной задержки,Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обработки аналоговых сигналов, основанный на использовании групповой равномерной дискретизации аналогового сигнала 2, Способ заключается в том, что определяют моменты времени,5 10 в которые Следует опрашивать аналоговый 15 сигналтп = то + пТ+ 1 То,+1где 1 о - время исключения цифрового уст.ройства; Т - межгрупповой шаг дискретизации; То - равномерный шаг дискретизации 20. в группе; и =1,2,3 - номер группы, = ОД.-1- номер отсчета в группе.Для этого определяют начальные моменты групповой дискретизации Ь+ пТ, затем - определяют моменты опроса в группе 25 тп 1 = то+ пТ+ТоСледующей операцией является опрос аналогового сигнала в моменты времени тп Аналоговый сигнал опрашивается группами по 1 значений. В результате такого опроса в 30 каждой группе получают 1. значений аналогового сигнала Уп, Уп Уп . Вычисляют2 1.арифметическое среднее полученных значе- ний- 1+1УпУп= -35 которое соответствует мгновенному значению аналогового сигнала в момент времени40 то+ пТ.Недостатком этого способа является то,что он предназначен для определения оценки низкочастотной составляющей аналогового сигцала х(т, у) и не позволяет получать45 в реальном масштабе времени оценки А, (т,м), Аф, м). Кроме того, из-за эффекта подмены частот при равномерной дискретизациивнутри группы невозможно точно, даже ретроспективно, оценить высокочастотные со 50 ставляющие аналогового сигнала.Используемая в способе групповая равномерная дискретизация также чувствительнак изменению частоты сигнала в процессеобработки, поскольку равномерный шаг ди 55 скретизации в группе То зависит от граничной частоты эналргового сигнала.Целью изобретения является повышение точности обработки аналоговых сигналов, 1790800Гоставленная цель достигается тем, чтопри осуществлении способа, заключающегося в том, что осуществляют от времени со+ пТ дискретизацию аналогового сигналагруппами с фиксированным числом отсчетов с пОстоянным интервалом времени между группами и производят оценкуаналогового сигнала для момента времениЬ+ пТ, осуществляют дополнительную дискретизацию внутри каждой группы со случайным шагом опроса в моменты времени.+1 .+1,1 п =о+ пТ+ То+ ппгде со - время включения цифрового устройства, Т - межгрупповой шаг дискретизации,То - равномерный шаг дискретизации вгруппе, пп - случайный шаг дискретиза.+1ции в группе, и = 1,2,3 - номер группыобработки,= 0-1 - номер отсчета в группе, и в каждом шаге опроса определяютминимальное и максимальное значения амплитуды высокочастотной составляющейсигнала и используют их при оценке аналогового сигнала,При дискретизации аналогового сигнала внутри группы преднамеренно вноситсяэлемент случайности за счет введения вформулу, определяющую моменты временидискретизации, случайного шага дискретиЕ+1,зации Ьправномерно распределенногона интервале 0ЬпТ. где Т, - равЬ 1номерный шаг дискретизации в группе, определяемый граничной частотойаналогового сигнала по теореме Котельникова. Введение таким образом случайностив процедуру дискретизации позволяет получить значения аналогового сигнала в моменты времени Ь, удовлетворяющиео+1условию1 о+пТ+(+1)То1 пто+ ПТ+(++ 2)То.Введение случайности в процедуру дискретизации увеличивает вероятность определения амплитудных характеристик высокочастотной составляющей аналоговогосигнала за счет уменьшения эффекта подмены частот при случайной дискретизациив группе. Введение случайности в групповую дискретизацию позволяет сделать способ менее чувствительным к изменениямчастоты сигнала, поскольку он не требуетточного соответствия равномерного шагадискретизации условиям теоремы Котельникова при изменении частоты сигнала,Значение межгруппового шага дискретизации Т выбирается из условия ТТо.Число отсчетов в группеопределяется изусловия желаемой точности оценки верхнейи нижней огибающих высокочастотной составляющей аналогового сигнала. Увеличе 50 55 Моделирование способа обработки аналогового сигнала проведено на установке, составляющей из цифрового устройства 1, имеющего устройство связи с обьектом (УСО) 2, генератор 3 сигналов и осциллограф 4. Схема установки приведена на фиг.1,С помощью генератора сигналов генерируют сигнал нужной частоты и амплитуды, вид которого отслеживается осциллографом, Б соответствии с разработанной программой цифровое устройство ние числа случайных отсчетов в группе ведет в более точному определению характеристик А(,т ), Ап(1 у ) высокочастотнойсоставляющей аналогового сигнала в реаль 5 ном времени. Однако число отсчетов в группе должно удовлетворять условию2(ТдlТ 3,где .1 - целая часть числа, Тс - время, предоставляемое для групповой дискретизации в10 цифровой системе,Особенностью предлагаемого способаявляется извлечение полезной информациио значениях амплитудных характеристик извысокочастотной составляющей аналогово 15 го сигнала, которая ранее не учитывалась,Способ осуществляется следующим образом.+пТ+ То+ Ь Для этого сначала опреде.+1.20 ляют начальные моменты групповой дискретизации то + пТ, затем определяютопорные моменты времени в текущей группе отсчетов то+ пТ+ То и для каждой группыотчетов датчиком случайных чисел, имею 25 щим равномерный закон распределения наинтервале (О,То), получают последовательность изэлементов случайных шагов дисКРЕтИЗаЦИИ В ГРУППЕ (Ьп, Ьп .,1 п ).2В результате случайной дискретизации30 аналогового сигнала в моменты временив каждой группе получаютзначений.+1У У, ,У Среди полученных значенийнаходят максимальное Уп", минимальноеУп и и сРеднеепМп35 уеахуп 1 пи иЭти действия могут, например, быть реализованы в виде схем аналогового моделирования (Тетельбаум И.МШнейдер Ю.Р.).Практика аналогового моделирования динамических систем. МЭнергоатомиздат,1987), Полученные значения Уп, Уп"ф Упбудут соответствовать оценкам верхней А 1,1), нижней Ап(1, Р) огибаюЩих высокочастот 45ной составляющей и низкочастотной составляющей хс, ю) аналогового сигнала нэмомент времени то+ пТ.1790800 ала, а - круговая обработкПустьз 1 п ит,где М= 50 бретенияи аналоговых сигнатом, что осуществля- пТ дискретизацию Формула изо Способ обрэботк лов, заключающийся в ют от момента то + аналогового сигнала ванным числом отсче тервэлом времени производят оценку ан момента времени то+ группами с фиксиротов с постоянным инмежду группами и алогового сигнала для пс, отл ичаю щи йчерез УСО обрабатывает сгенерированныйсигнал,Общий вид модели генерируемого сигнала имеет видУ=Азпил,где А - амплитуда сигнчастота сигнала.П р и м е р 1. Демонстрация способаи аналогового сигнала.модель сигнала имеет вид У = А 2 п 1 = 200 п, 1 = 100 Гц;А= 2 если т60 с4,5 если т 60 сПоскольку генерируемый сигнал имеет частоту Х = 100 Гц, равномерный шаг дискретизации в группе определяется.по теореме Котельникова То = 3/21 =,0,005 с.Случайный шаг дискретизации в группе вычисляется с использованием датчика случайных чисел, имеющего равномерный закон распределения на интервале (О; 0,005).Число отсчетов в группе выбрано= 9, Межгрупповой шаг дискретизации выбран Т = 40 с. За момент включения цифрового устройства принят, нулевой момент отсчета то = О,В табл,1 приведены результаты групповой случайной дискретизации в трех группах.В табл,2 приведены оценки верхней Ач (1), нижней Ап (т) огибающих высокочастотной составляющей и низкочастотной составляющей х(1), полученные в результате обработки аналогового сигнала.На фиг,2 изображены оценки сигнала, полученные в результате групповой случайной обработки.Данный пример иллюстрирует способность способа обработки оценивать значения амплитудных характеристик высокочастотной составляющей аналогового сигнала на моменты времени ьо +, пТ.П р и м е р 2. Эффективность способа обработки при изменяющейся частоте аналогового сигнала. Модель сигнала имеет вид У = А зп о 1, где А=2 В, в =2 М 25 Гц, если с 100 50 Гц, если 1001220 5 100 Гц, если 220500200 Гц, если 500т Равномерный шаг дискретизации в группе То=0005 с,Случайный шаг дискретизации в группе 10 вычисляется с использованием датчика случайных чисел, имеющего равномерный закон распределения на интервале (О;0,005),Число отсчетов в группе выбрано= 9.Межгрупповой шаг дискретизации выбран 15 Т = 40 с. За момент включения цифрового устройства принят нулевой момент отсчета то = О,В табл.З приведены выборочные результаты групповой случайной дискретиза ции в моменты времени тп .=1 о+ пт+ То+ Ьп.+1 .+1 и групповой равномерной дискретизации в моменты времени.+1Ь =со +п 1+1 То. 25 В табл,4 приведены оценки верхней, нижней огибающих высокочастотной составляющей и низкочастотной составляющей, пОлученные с использованием случайной и равномерной дискретизации в 30 группах с учетом предлагаемой последующей обработкой полученных значений,Предлагаемый способ позволяет повысить точность обработки аналогового сигнала по сравнению с прототипом за счет учета 35 оценки амплитудных характеристик высокочастотной составляющей сигнала при введении элемента случайности.При увеличении частоты сигнала уменьшается точность по прототипу, предлагае мый способ к изменению частоты практически не чувствителен (см,табл,4) и позволяет точно оценивать амплитудные характеристики сигнала для широкого диапазона частот. 45 с я тем, что, с целью повышения точности, осуществляют дополнительную дискретизацию внутри каждой группы со случайным шагом опроса в моменты временитп = 1 о + пТ + 1 То +ЬпН.1 +1где 1 о - время начала обработки;Т - межгрупповой шаг дискретизации;. То - равномерный шаг дискретизации в группе;10 1790800 Ь - случайный шаг дискретизации в1+1группе;п - номер группы, п = 1,2,31 - номер отсчета в группе, 1= 0,1-1,а на каждом шаге опроса определяют минимальное и максимальное значения амплитуды высокочастотной составляющей аналогового сигнала и используют их при 5 оценке аналогового сигнала. Та блица 1 Значения аналогового сигнала, ВСлучайныйшаг диск. в группе, с Опорные моменты времени в группе, с Моментывренменислуч. диск, вг ппе,с т 0+ лт+1 Т,то +п 1 тп 40 80 120 Номер группы Время началадиск, в группе,с 40 40,005 40,010 .40,015 40,020 40,С"3 40,030 40,035 40,040 80 80,005 80,010 80,015 80,020 80,025 80,030 80,035 80,040 120 120,005 120,010 120,015 120,020 120,025 120,030 120,035 120,040 0 0,0034 0,0010 0;0046 0,0031 0,0006 0,0039 0,0002 0,0027 0,0020 0,0002 0,0022 0,0010 0,0048 0,0024 0,0016 0,0010 0,0032 0,0026 0,0026 0,0004 0,0016 0,0048 0,0018 0,0026 0,0038 0,0028 40 40,0084 40,0110 40,0196 40,0231 40,0256 40,0339 40,0352 40,0427 80,0020 80,0052 80,0122 80,0160 80,0248 80,0274 80,0316 80,0360 80,0432 120,0026 120,0076 120,0104 120,0166 120,0248 120,0268 120,0326 120,0388 120,0428Ь+ пТ 40,03 40,03 40,04 0 5 200 20 омер груп ремя нача ла диск. в группе, с Частота аналогов о сигнал 1790800 Моменты ремени уч. диск, руппах, с 40,0022 40,0052 40,0122 40,0160 40,0246 40,0274 160,0050 160,0076 160,0104 160,0176 160,0212 160,0266 160,0328 160,0380 160,0440 320,0036 320,0066 320,0104 320,0156 320,0216 320,0296 320,0316 .320,0392 320,0420 520,0018 520,0064 520,0104 520,0156 520,0228 520,0296 520,0332 520,0390 520,0412 Моментывремениравн. дискв группах, с 40,005 40,010 40,015 40,020 40,025 40,030 40,035 40,040 160 160,005 160,010 160,015 160,020 160,025 160,030 160 035 160,040 320 320,005 320,010 320,015 820,020 320,025 320,030 320,035 320,040 520 520,005 520,010 520,015 520,020 520,025 520,030 520,035 520,040 Значения сигн, при Таблица 2 аблица 3 начени игн, пр13 1790800 14 Табл и ца 4 г Рог Составитель Э.КондратьеваРедактор Техред М.Моргентал Корректор М,Ткац ГКНТ СС роизводственно издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 376 ТиражВНИИПИ Государственного комитет113035, Москва, Ж Подписное о изобретениям и открыти 5, Раушская наб., 4/5 У