Способ преобразования аналогового сигнала

 

Изобретение относится к области кодирования и передачи информации и может быть использовано в информационных электронных устройствах, звукозаписи, радиовещании, телевидении. Изобретение состоит в том, что в кодирующем устройстве генерируют модулирующий сигнал в виде периодических импульсов непрямоугольной формы. Умножают аналоговый сигнал на модулирующий сигнал и получают модулированный сигнал. Сравнивают модулированный сигнал с эталонной постоянной. Формируют кодированные импульсы, фронты которых совпадают с моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной, и направляют их в декодирующее устройство, в котором вырабатывают демодулирующий сигнал, обратно пропорциональный модулирующему. Фиксируют значения демодулирующего сигнала в моменты фронтов кодированных импульсов и получают дискретные значения преобразованного аналогового сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к области кодирования и передачи информации и может быть использовано в информационных электронных устройствах, звукозаписи, радиовещании, телевидении.

По своей технической сущности наиболее близким к заявляемому объекту является известный способ (прототип) аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований [1] по которому аналоговый сигнал разбивается с помощью запускающих импульсов на периодические временные (тактовые) интервалы и в каждом интервале аналоговый сигнал преобразуется в кодированные импульсы в виде цифрового кода. Последний представляет собой последовательность определенным образом расставленных по времени счетных импульсов. По другому близкому прототипу способу [2, стр. 232] [3, стр. 125] эта последовательность представляет собой эквидистантно расположенные импульсы, число которых пропорционально значению кодируемого аналогового сигнала. Большим достоинством прототипа является его помехоустойчивость при передаче цифровой информации от передатчика по линиям связи или через эфир к приемнику. Недостатком прототипа является неизбежная ошибка цифрования аналогового сигнала, обусловленная квантовым характером этой операции, причем имеет место неопределенность как по амплитуде, так и по времени. Кроме того, поскольку генератор счетных импульсов должен работать на частоте, значительно превышающей тактовую, возникают проблемы преобразования высокочастотных аналоговых сигналов. К тому же цифрующие и децифрующие устройства достаточно сложны, что особенно проявляется в информационной системе, включающей в себя много приемников (цифровые звукозапись, радиовещание, телевидение и т.п.).

Другим известным техническим решением является способ частотно-модулированного преобразователя [2, стр. 242] в котором варьируют частоту импульсов, причем изменение частоты пропорционально изменению аналогового сигнала. В этом способе частота непрерывным образом связана с амплитудой аналогового сигнала. Однако при обратном преобразовании частотно-модулированного сигнала его делят на периодические временные интервалы и в пределах каждого интервала определяют частоту путем счета импульсов. При этом, во-первых, получают среднюю по интервалу частоту, во-вторых, количество импульсов является целочисленной величиной. Таким образом, и этому типу преобразования свойственна неопределенность (неточность) получения дискретного значения преобразованного аналогового сигнала.

Во всех способах преобразования аналогового сигнала получают сначала дискретные значения преобразуемого сигнала, привязанные к их временным координатам. Затем применяют методы интерполяции, с помощью которых преобразуют дискретные значения в непрерывный сигнал.

В заявляемом способе преобразования аналогового сигнала в диапазоне преобразования с большим нуля минимумом путем использования синхронизирующих импульсов разбивают временную шкалу на периодические интервалы и в каждом из них генерируют модулирующий сигнал в виде импульсов непрямоугольной формы, минимум которых меньше или равен большему нуля рабочему минимуму, а максимум больше или равен рабочему максимуму, при отношении рабочего максимума к рабочему минимуму, большем отношения максимума к минимуму для аналогового сигнала. Умножают аналоговый сигнал на модулирующий сигнал и получают модулированный сигнал. Сравнивают модулированный сигнал с эталонной постоянной, значение которой меньше произведения минимума аналогового сигнала на рабочий максимум и больше произведения максимума аналогового сигнала на рабочий минимум. Формируют кодированные импульсы, фронты которых совпадают с моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной. Осуществляют обратное преобразование, для чего генерируют демодулирующий сигнал, обратно пропорциональный модулирующему сигналу. Синхронизуют демодулирующий сигнал с временной шкалой кодированных импульсов путем использования синхронизирующих импульсов. Фиксируют значения демодулирующего сигнала в моменты фронтов кодированных импульсов, совпадающими с моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной и получают дискретные значения преобразованного аналогового сигнала.

Математическое обоснование заявляемого способа заключается в следующем. Пусть A(t) входной аналоговый сигнал, M(t) модулирующий сигнал, E - эталонная постоянная. Умножаем аналоговый сигнал на модулирующий и получаем модулированный сигнал A(t)·M(t). Направляем его в решающее устройство, с помощью которого решаем уравнение A(t)·M(t)=E (1) Находим множество значений t_r, где r 1, 2, 3. являющихся корнями уравнения (1). Для каждого значения t_r имеем равенство: A(t_r)·M(t_r)=E, (2) из которого следует: A(t_r)= E·M^-1(t_r) ≈ C·M^-1(t_r), (3) где C больший нуля коэффициент.

Выражения (1) (3) показывают, что, если в кодирующем устройстве генерировать модулирующий сигнал и используемые постоянные, составить уравнение, включающее аналоговый и модулирующий сигнал вместе с необходимыми постоянными, решить уравнение с помощью решающего устройства, найдя его корни, направить информацию о корнях в декодирующее устройство, в котором генерировать необходимые постоянные и демодулирующий сигнал, обратно пропорциональный модулирующему, зафиксировать значения демодулирующего сигнала в моменты корней, получив их в фазе, равной фазе корневых значений модулирующего сигнала, то на выходе декодирующего устройства получим дискретные значения преобразованного аналогового сигнала, пропорциональные корневым значениям входного аналогового сигнала. В качестве решающего устройства используем известный компаратор, в котором сравниваем переменный сигнал с эталонной постоянной E. Для получения в декодирующем устройстве значения демодулирующего сигнала в фазе, равной фазе корневого значения модулирующего сигнала, генерируем в кодирующем устройстве синхронизирующие импульсы, передаваемые вместе с информацией о корнях в декодирующее устройство. Поскольку в заявляемом способе преобразуются мгновенные значения аналогового сигнала в моменты корней решаемых уравнений, информация о корнях, передаваемая из кодирующего устройства в декодирующее, должна представлять собой импульсы, называемые по аналогии с прототипом кодированными, имеющие ступенчатые фронты в моменты корней (для того, чтобы отделить эти фронты от ступенчатых фронтов кодированных импульсов, не совпадающих с моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной, далее в тексте описания эти фронты называются ступенчатыми корневыми фронтами кодированных импульсов). Такие импульсы можно получить, либо непосредственно в компараторе, либо на основе импульсов, полученных в компараторе.

Уравнение (1) и равенство (2) математически описывают прямое преобразование дискретных значений аналогового сигнала в кодированную форму - множество t_r в кодирующем устройстве, соотношение (3) обратное преобразование кодированной формы t_r в дискретные значения преобразованного сигнала в декодирующем устройстве. Рассмотрим необходимые условия и требования, выполнение которых позволит осуществить такое преобразование.

Как видно из (1)-(3) модулирующий сигнал M(t) не должен состоять из прямоугольных импульсов. В противном случае множество t_r будет содержать случайно расположенные корни. Очевидно, что для получения из дискретных значений после преобразования непрерывного аналогового сигнала, максимально близкого к исходному аналоговому сигналу, необходимо, чтобы M(t) был периодическим сигналом. Чем выше частота этого сигнала, тем ближе интерполированный сигнал к исходному сигналу. В пределах периода модулирующий импульс может быть как одиночным, так и в виде пачки импульсов, однако понятно, что применение пачки импульсов просто равносильно увеличению частоты модулирующего сигнала. Форма импульсов может быть достаточно разнообразной: симметричной или несимметричной относительно максимума импульса, со ступенчатым передним фронтом и монотонно убывающим от максимума к минимуму задним фронтом, с монотонно возрастающим от минимума к максимуму передним фронтом и ступенчатым задним фронтом и т. д. Практически форму импульса выбирают, исходя из наибольшей простоты, надежности, стабильности, точности электронных схем, генерирующих модулирующий сигнал в кодирующем устройстве и демодулирующий сигнал в декодирующем устройстве.

Из (1), (2), (3) следует, что рабочие области изменения аналогового и модулирующего сигнала не должны включать нулевую точку, т.к. если какой-либо из сигналов стремится или равен нулю, другой сигнал стремится или равен бесконечности. Поэтому в заявляемом способе преобразуют аналоговые сигналы A(t), изменяющиеся в диапазоне преобразований A_min≅ A(t) ≅ A_max, где A_min > 0 и A_max соответственно нижняя и верхняя границы диапазона преобразования, и генерируют модулирующий сигнал с большей нуля нижней границей рабочего диапазона.

Определим максимум M_u и минимум M₁ модулирующего импульса. Используя (1), найдем сначала минимальное значение максимума M^m_u и максимальное значение минимума M^m_l модулирующего импульса:
Для уверенного срабатывания компаратора при A(t), близких или равных A_max и A_min, вводим значения верхней границы M_max рабочего диапазона и большей нуля нижней границы M_min рабочего диапазона такие, чтобы выполнялись неравенства:

из которых следует:
E <A·M_max, (6)
E > A_max·M_min. (7)
Объединяя (6) и (7), получаем
A_nax·M_min <A·M_max,
или
A_max/A_min <M/M_min. (8)
При выполнении неравенства (8) можно подобрать такую эталонную постоянную E, чтобы выполнялись неравенства (6) и (7). Для расширения области параметров модулирующих импульсов, которые можно использовать для преобразования, устанавливаем параметры модулирующих импульсов M_u ≥ M_max, M_l ≅ M_min, причем M₁ может быть равным или меньшим нуля. Наличие областей M(t) > M_max и M(t) < M_min не мешает преобразованию, поскольку в них корни уравнения (1) отсутствуют. Демодулирующий сигнал генерируют обратно пропорциональным по отношению к модулирующему. Скорее всего, наиболее рационально генерировать демодулирующий сигнал по следующей схеме. Сначала генерируют промежуточный сигнал, пропорциональный модулирующему, затем делят на него постоянную, такую, чтобы получить демодулирующий сигнал. При этом легко синхронизировать демодулирующий сигнал с временной шкалой кодированных импульсов путем синхронизации промежуточного сигнала.

На фиг. 1 приведена графическая информация, иллюстрирующая заявляемый способ.

На фиг. 1а показан модулирующий импульс. В качестве примера приведена функция M(t)=cos²(πt/T) + M_l в пределах T/2 < t < T/2, для которой M_max=M_u= 1.1, M_minM_l=0.1 и M_max/M_min=11. t_i и t_i+1 начальная и конечная точки периода длительностью T=t_i+1-t_i.

На фиг. 1б приведен пример фрагмента аналогового сигнала A(t) в пределах одного периода, изменяющегося от начала периода к концу в 3 раза, тем самым выполняется неравенство (8).

На фиг. 1в приведен модулированный сигнал A(t)·M(t), поступивший в компаратор, в котором его сравнивают с эталонной постоянной E.

На фиг. 1г показан полученный после компаратора кодированный импульс прямоугольной формы, передний и задний ступенчатые фронты которого являются корневыми и их временные координаты t_r и t_i+1 являются моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной.

На фиг. 1д показан прямоугольный импульс вместе с синхронизирующим импульсом.

На фиг. 1е показаны кодированные импульсы в виде коротких импульсов, полученных, например, путем дифференцирования прямоугольного импульса, и синхронизирующий импульс.

На фиг. 1ж показан один период обратной функции C/M(t). Значения C/M(t) в моменте времени t_r и t_r+1 пропорциональны соответственно A(t_r) и A(t_r+1) фиг. 1б.

При использовании модулирующего импульса со ступенчатым передним или задним фронтом после компаратора вырабатывают кодированные импульсы, например прямоугольной формы, в которых один из ступенчатых фронтов совпадает со ступенчатым фронтом модулирующего импульса. Очевидно, что ступенчатый фронт кодированного импульса, совпадающий со ступенчатым фронтом модулирующего импульса, не может быть использован для получения дискретного значения преобразованного аналогового сигнала, так как он не является корневым. И если такой прямоугольный импульс дифференцируется, то один из двух полученных импульсов не имеет ступенчатого фронта, являющегося корневым. Импульс, не имеющий ни одного ступенчатого корневого фронта, по определению не является кодированным и нет необходимости передавать его в декодирующее устройство.

Вырабатываемые в кодирующем устройстве вместе с модулирующим сигналом синхронизирующие импульсы используют для синхронизации временных шкал кодированных импульсов и генератора демодулирующего сигнала. Для того чтобы синхронизирующие импульсы не совпадали со ступенчатыми корневыми фронтами кодированных импульсов, их вставляют в точках минимума или максимума модулирующего импульса. При выполнении неравенств (6) и (7) вблизи минимума и максимума модулирующего импульса существуют так называемые "запретные зоны" для ступенчатых корневых фронтов кодированных импульсов, в которые они не попадают. Длительности "запретных зон" равны: в окрестности минимума модулирующего импульса времени, в течение которого модулирующий сигнал изменяется, уменьшаясь от M^m_l до M₁ и далее увеличиваясь до M^m_l в окрестности максимума модулирующего импульса времени, в течение которого модулирующий сигнал изменяется, увеличиваясь от M^m_u до M_u и далее уменьшаясь до M^m_u Если используют модулирующий импульс со ступенчатым передним или задним фронтом, синхронизирующий импульс может совпадать с таким фронтом, однако такое совпадение не мешает преобразованию.

Приведенная графическая информация показывает, что при использовании модулирующего периодического импульса в виде моноимпульса с монотонно возрастающим передним и монотонно убывающим задним фронтами за один период получают два дискретных значения аналогового сигнала. При использовании модулирующего импульса, в котором один из фронтов является ступенчатым, за один период получают одно дискретное значение аналогового сигнала. Если использовать модулирующий импульс в виде пачки моноимпульсов, то число дискретных значений соответственно возрастает.

Восстановление дискретных значений аналогового сигнала в декодирующем устройстве осуществляют в различных режимах. В одном из них генератор демодулирующего сигнала работает непрерывно. В момент прихода ступенчатого корневого фронта кодированного импульса фиксируют значение демодулирующего сигнала, например, с помощью короткого селектирующего импульса, и результат направляют в последующие устройства. Если для фиксации и передачи дискретного значения аналогового сигнала требуется время, используют режим остановки. Для этого запущенный генератор демодулирующего сигнала останавливают ступенчатым корневым фронтом кодированного импульса. Фиксируют остановленное значение демодулирующего сигнала, передают результат в последующие устройства и подготавливают генератор демодулирующего сигнала к восстановлению следующего дискретного значения аналогового сигнала. В тех случаях, когда восстановленное дискретное значение близко по времени к точкам минимума или максимума модулирующего импульса, для перечисленных выше операций используют "запретные зоны". Обозначим минимально необходимую длительность "запретной зоны" Δt_z. Очевидно, что с точки зрения наиболее рационального использования фактора времени желательно выполнение неравенства Δt_z < T. Если при использовании какой-либо формы модулирующего импульса неравенств (6) и (7) недостаточно для получения длительности "запретной зоны", равной Δt_z, используют модулирующий импульс с плоским максимумом и/или минимумом, причем длительность плоской части равна Δt_z. Кроме того, возможны режимы восстановления с использованием задержки поступивших в кодирующее устройство импульсов.

Сравнивая между собой два способа передачи кодированной информации - прямоугольными или короткими импульсами, полученными, например, из прямоугольного путем его дифференцирования, заметим, что с точки зрения минимального потребления энергии кодирующим устройством (в первую очередь его выходными каскадами) преимущество имеют короткие импульсы, поскольку площадь, занимаемая ими, значительно меньше площади прямоугольного импульса.

Таким образом, в отличие от прототипа, в котором информация об амплитуде аналогового сигнала заключена в цифровом коде или в числе счетных импульсов, в заявляемом способе эта информация заключена во временной координате ступенчатого корневого фронта кодированного импульса, являющейся для определенного значения аналогового сигнала функцией формы модулирующих импульсов, а для выбранной формы модулирующего импульса непрерывной функцией аналогового сигнала. Ввиду этого заявляемый способ можно назвать функционально-временным преобразователем.

Приведем сравнительные характеристики прототипа и заявляемого способа.

1. Информативность.

В прототипе за один тактовый период получают одно дискретное значение аналогового сигнала.

В заявляемом способе при использовании модулирующего импульса в виде монотонно изменяющихся переднего и заднего фронтов получают за один период два дискретных значения аналогового сигнала.

2. Точность преобразования.

В прототипе преобразованное значение является неопределенным в пределах одного уровня квантования как по амплитуде, так и по времени.

В заявляемом способе получают точное дискретное значение с точной привязкой по времени.

3. Число передаваемых в декодирующее устройство импульсов на одно дискретное значение аналогового сигнала, не считая синхронизирующих импульсов.

В прототипе число счетных импульсов в пределах одного тактового периода велико и оно растет по мере увеличения точности квантования.

В заявляемом способе одно дискретное значение передается одним коротким импульсом.

4. Сложность электронных устройств.

В прототипе используются сложные цифровые схемы как в кодирующем, так и в декодирующем устройствах.

В заявляемом способе могут быть использованы довольно простые устройства для умножения, деления сигналов и генерирования периодических импульсов непрямоугольной формы.

5. Помехоустойчивость при передаче кодированной информации по линиям связи или через эфир.

Помехоустойчивость прототипа против амплитудных искажений известна. Помехоустойчивость заявляемого способа обеспечивается тем, что амплитудные искажения не сдвигают по времени ступенчатый корневой фронт кодированного импульса.

Приведенное сравнение свидетельствует о существенных преимуществах заявляемого способа.

Возможность реализации заявляемого способа не вызывает сомнений, поскольку операции умножения и деления сигналов, а также генерация периодических импульсов непрямоугольной формы в электронике давно известны и широко применяются. Точность преобразования зависит от точности генерирования в декодирующем устройстве, демодулирующего сигнала, обратно пропорционального модулирующему.

Литература
1. Сворень Р. Электроника общения, ж/л. Наука и жизнь, N 10, с. 2-11, вкладки II-III, 1986.

2. Преобразование информации в аналого-цифровых вычислительных устройствах. Под ред. Г.М.Петрова. М. Машиностроение, 1973.

3. Б.В.Анисимов, В.Н.Четвериков. Преобразование информации для ЭЦВМ. М. Высшая школа, 1968.

Формула изобретения

Способ преобразования аналогового сигнала, заключающийся в том, что генерируют синхронизирующие импульсы, в соответствии с которыми формируют периодические временные интервалы, и в каждом из них кодируют дискретное значение аналогового сигнала путем формирования кодированных импульсов, которые при обратном преобразовании декодируют в дискретное значение аналогового сигнала, отличающийся тем, что преобразуют аналоговый сигнал А (t), изменяющийся в диапазоне преобразования
A_min ≅ A(t) ≅ A_max,
где A_min > 0 и A_max - соответственно нижняя и верхняя границы диапазона преобразования, в каждом периодическом временном интервале генерируют модулирующий сигнал в виде импульсов непрямоугольной формы, минимальное M_L и максимальное M_U значения которых удовлетворяют неравенствам
M_L ≅ M_min, M_U ≥ M_max,
где M_min > 0 и M_max - соответственно нижняя и верхняя границы рабочего диапазона, причем
A_max / A_min < M_max / M_min,
умножают аналоговый сигнал на модулирующий сигнал и полученный модулированный сигнал сравнивают с эталонной постоянной Е, значение которой удовлетворяет неравенством
A_max M_min ≅ E < A_min M_max,
формируют кодированные импульсы, фронты которых совпадают с моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной Е, при обратном преобразовании генерируют в соответствии с синхронизирующими импульсами демодулированный сигнал, обратно пропорциональный модулирующему сигналу, и декодируют кодированные импульсы в дискретные значения аналогового сигнала путем определения значений демодулирующего сигнала в моменты фронтов кодированных импульсов, совпадающих с моментами равенства модулированного сигнала и эталонной постоянной Е.

РИСУНКИ

Рисунок 1