ФОРМИРОВАТЕЛЬ ТЕКУЩЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к анализаторам спектра и может быть использована в системах обнаружения сигналов, в частности радиолокации, а также системах, использующих радиоволны или излучение электромагнитных волн, иных, чем радиоволны.
В радиоизмерительной технике широко используются анализаторы спектра частот электромагнитных сигналов. Наиболее близким к полезной модели является устройство для осуществления способа определения энергетического спектра шумового электрического сигнала, содержащее последовательно включенные дискретизатор входного сигнала и спектроанализатор, который имеет два выхода, один из которых соединен с последовательно включенными блоком вычисления реальной части спектра, блоком суммирования реальной части спектра и первым квадратором, а второй - с последовательно включенными блоком вычисления мнимой части спектра, блоком суммирования мнимой части спектра и вторым квадратором; выходы квадраторов соединены с сумматором.
В данном устройстве входное шумовое напряжение подвергается дискретизации с формированием n наборов отсчетов, которые последовательно во времени с интервалом Δt поступают на вход спектроанализатора, выполненного на процессорах быстрого преобразования Фурье (БПФ). С его выхода выдаются отдельно положительные и отрицательные значения реальной и мнимой частей спектра, каждые из которых в дальнейшем суммируются, результаты суммирования возводятся в квадрат и поступают в сумматор, который формирует сигнал, представляющий энергетический спектр шумового электрического сигнала:
.
При этом энергия сигнала увеличивается пропорционально числу суммирований, а энергия помехи увеличивается пропорционально корню квадратному из числа суммирований, за счет чего происходит увеличение соотношения сигнал/шум [1].
Причины, препятствующие получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для определения энергетического спектра шумового электрического сигнала, заключаются в следующем. Обеспечивая обнаружение непрерывного гармонического сигнала на фоне нормальной стационарной шумовой помехи, устройство не позволяет определять положение различных по наполнению импульсных
сигналов конечной длительности на временной оси дискретизации. Необходимость многократного вычисления БПФ обусловливает сложность аппаратурной реализации устройства и значительные затраты времени на вычисления.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Технический результат, достигаемый при ее осуществлении, заключается в расширении функциональных возможностей известного устройства за счет получении текущего энергетического спектра дискретизированного электрического сигнала и упрощении его аппаратурной реализации.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения энергетического спектра, содержащем первый и второй квадраторы, первый сумматор, согласно полезной модели введены запоминающее устройство (ЗУ), инвертор, второй сумматор, сумматор-накопитель, при этом первый и второй квадраторы выполнены в виде умножителей; вход ЗУ, являющийся входом устройства, соединен с первым и вторым входами первого умножителя, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя; выход первого умножителя соединен с первым входом первого сумматора, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя; выход второго умножителя через инвертор подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом сумматора-накопителя, выход которого является выходом устройства.
ЗУ выполнено с возможностью последовательного доступа по типу FIFO.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема формирователя текущего энергетического спектра (ТЭС) электрического сигнала.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
Формирователь ТЭС (фиг.1) содержит запоминающее устройство (ЗУ) 1, первый 2 и второй 2 умножители, инвертор 3, первый 4 и второй 4 сумматоры, сумматор-накопитель 5. Вход ЗУ 1, являющийся входом устройства, соединен с первым и вторым входами первого умножителя 2, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя 2. Выход первого умножителя 2 соединен с первым входом первого сумматора 4, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя 5. Выход второго умножителя 2 через инвертор 3 подключен к первому входу второго сумматора 4, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 4, а выход - с первым входом сумматора-накопителя 5, второй вход которого обнулен, а его выход является выходом устройства.
Устройство выполнено на известных элементах цифровой техники. В частности, ЗУ 1 может быть выполнено в виде регистра с последовательно соединенными ячейками памяти и параллельным переносом их содержимого и прямым доступом к первой и последней ячейке памяти с возможностью последовательного доступа по типу "первый
вошел - первый вышел" (FIFO) [2]. В целом формирователь ТЭС может быть выполнен на ПЛИС типа EP1S10 фирмы ALTERA [3].
Теоретической предпосылкой получения ТЭС электрического сигнала является известное положение, согласно которому энергия сигнала за интервал времени Т определяется выражением:
С использованием равенства Парсеваля выражение (1) можно записать, используя преобразование Фурье временной функции, описывающей сигнал, или используя ее представление в виде ряда Фурье [4].
Представление равенства Парсеваля через спектр функции:
Представление равенства Парсеваля через коэффициенты ряда Фурье функции:
где x{t) - функция, описывающая сигнал;
S[ω] - преобразование Фурье для непрерывно-временной функции x{t),
i
А - коэффициенты ряда Фурье функции x(t).
Правые части выражения (2) и (3) используются для формирования критерия отношений энергий сигнал/шум в классическом многоканальном варианте построения устройства определения дальности. Но из равенства Парсеваля следует и то, что энергию импульсного сигнала во временной области в момент t на интервале его существования Т можно вычислять по формуле:
1
2
x
Используя выражение (4), можно определить ТЭС сигнала х(t) на интервале t≤t≥t дискретными значениями функции E(iΔt,N), то есть в цифровом виде выражение (1) для ТЭС представляется как:
i
где E - отсчеты текущего энергетического спектра,
i
x - выходные отсчеты АЦП (элементы числового массива)
1
2
T≤i≥T;
1
1
2
2
T=t/Δt; T=t/Δt; (символ «/» - целочисленное деление)
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразователя;
N - число отсчетов функции, описывающей сигнал.
Это выражение может быть представлено в простой рекуррентной форме:
0
1
2
где Е=0, T≤i>T;
1
2
Например, при T=1, T=L, N=10, последовательность получения отсчетов ТЭС, представляется следующим образом:
Первый отсчет ТЭС получается прямым суммированием квадратов первых десяти отсчетов L - последовательности. Второй отсчет ТЭС можно получить вычитая из значения 1-го отсчета ТЭС квадрата 1-го отсчета из L - последовательности и прибавлением квадрата 11-го отсчета этой последовательности. Третий отсчет ТЭС можно получить вычитая из значения 2-го отсчета ТЭС квадрата 2-го отсчета из L - последовательности и прибавлением квадрата 12-го отсчета этой последовательности, и так далее; (i-ый отсчет ТЭС можно получить вычитая из значения (i-1)-ого отсчета ТЭС квадрата i-ого отсчета из L - последовательности и прибавлением квадрата (N+i)-ого отсчета этой последовательности, и т.д. по тому же правилу до вычисления последнего (L-9)-ого отсчета.
1
Формирователь ТЭС электрического сигнала работает следующим образом. Числовая последовательность, характеризующая, например, выходной дискретизированный сигнал приемника, поступает на вход ЗУ 1 и на первый и второй входы первого умножителя 2. ЗУ 1 имеет регистр из N ячеек памяти, предварительно обнуленных. На каждом шаге, в соответствии с организацией памяти по принципу «первый пришел - первый вышел» (FIFO) в регистре ячеек памяти ЗУ 1 происходит перезапись их содержимого из предыдущей ячейки в последующую ячейку, причем предыдущее содержимое последней N-ой ячейки памяти регистра не сохраняется. Вычисление очередного шага отсчета числового значения ТЭС, как это показано в таблице (например, при N=4), производится
1
2
1
1
за время поступления нового отсчета. Для этого, параллельно с поступлением входного числа на первый умножитель 2, на первый и второй входы второго умножителя 2 поступает число из N-ой ячейки регстра памяти ЗУ 1. Результат умножения с выхода первого умножителя 2 поступает на вход первого сумматора 4, на второй вход которого Таблица
Шаг 0
0
0
0
0
E<sub>0</sub>=00+00+00+00
Шаг 1
x<sub>1</sub>
0
0
0
E<sub>1</sub>=E<sub>0</sub>+x<sub>1</sub>x<sub>1</sub>-00
Шаг 2
x<sub>2</sub>
x<sub>1</sub>
0
0
Е<sub>2</sub>=E<sub>1</sub>+x<sub>2</sub>x<sub>2</sub>-00
Шаг 3
х<sub>3</sub>
x<sub>2</sub>
x<sub>3</sub>
0
Е<sub>3</sub>=Е<sub>2</sub>+х<sub>3</sub>x<sub>3</sub>-00
Шаг 4
x<sub>4</sub>
x<sub>3</sub>
x<sub>2</sub>
x<sub>1</sub>
Е<sub>4</sub>=Е<sub>3</sub>+x<sub>4</sub>x<sub>4</sub>-x<sub>1</sub>x<sub>1</sub>
Шаг 5
x<sub>5</sub>
x<sub>4</sub>
x<sub>3</sub>
x<sub>2</sub>
Е<sub>5</sub>=Е<sub>4</sub>+x<sub>5</sub>x<sub>5</sub>-x<sub>2</sub>x<sub>2</sub>
Шаг 6
x<sub>6</sub>
x<sub>5</sub>
x<sub>4</sub>
x<sub>3</sub>
Е<sub>6</sub>=E<sub>5</sub>+x<sub>6</sub>x<sub>6</sub>-x<sub>3</sub>x<sub>3</sub>
1
2
2
2
поступает числовая величина с выхода сумматора-накопителя 5. Полученный результат, представляющий сумму двух чисел, с выхода первого сумматора 4 поступает на первый вход второго сумматора 4, на второй вход которого поступает числовая величина с выхода инвертора 3, полученная инвертированием (сменой знака числа) результата, полученного с выхода второго умножителя 2. С выхода второго сумматора 4 результат суммирования поступает на вход сумматора-накопителя 5, полученное в нем число является выходом сумматора-накопителя 5 и выходом устройства ТЭС, представляя последовательные отсчеты ТЭС.
Поскольку элементы числового массива могут соответствовать разным физическим процессам, а сам массив может быть разной размерности (вектор, матрица, тензор и т.д.), то заявленный формирователь ТЭС электрического сигнала применим также в системах, использующих в качестве источников информации электромагнитные волны иные, чем радиоволны. Например, если имеется числовая матрица, отображающая в оптическом диапазоне гладкость поверхности, то с помощью данного формирователя ТЭС, задавая различные значения параметра N, можно определить соответствующие этому параметру координаты аномалий в матрице и, следовательно, на исследуемой поверхности.
Источники информации:
1. RU 2236687, G01R 23/16, H04В 1/10, G01S 3/80, 2004.
2. Новожилов О.П. Основы цифровой техники / Учебное пособие. - М.: ИП Радио-Софт, 2004,стр.322-327.
3. www.Altera.com.
4. Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие. - М., Горячая линия - Телеком, 2005, стр.28-29.