способ преобразования аналогового сигнала
Классы МПК: | H03M3/00 Преобразование аналоговых величин в дифференциально-модулированную форму или обратное преобразование |
Патентообладатель(и): | Ефимков Владислав Федорович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-04-25 публикация патента:
20.12.1997 |
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.
Рисунок 1
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 преобразованияAmin
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
где Amin > 0 и Amax - соответственно нижняя и верхняя границы диапазона преобразования, в каждом периодическом временном интервале генерируют модулирующий сигнал в виде импульсов непрямоугольной формы, минимальное ML и максимальное MU значения которых удовлетворяют неравенствам
ML
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099001/8805.gif)
где Mmin > 0 и Mmax - соответственно нижняя и верхняя границы рабочего диапазона, причем
Amax / Amin < Mmax / Mmin,
умножают аналоговый сигнал на модулирующий сигнал и полученный модулированный сигнал сравнивают с эталонной постоянной Е, значение которой удовлетворяет неравенством
Amax Mmin
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
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.
Описание изобретения к патенту
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)![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
A(t)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
Находим множество значений tr, где r 1, 2, 3. являющихся корнями уравнения (1). Для каждого значения tr имеем равенство:
A(tr)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
из которого следует:
A(tr)= E
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8776.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
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 tr в кодирующем устройстве, соотношение (3) обратное преобразование кодированной формы tr 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 tr 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
Amin
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
где Amin > 0 и Amax соответственно нижняя и верхняя границы диапазона преобразования, и генерируют модулирующий сигнал с большей нуля нижней границей рабочего диапазона. Определим максимум Mu и минимум M1 модулирующего импульса. Используя (1), найдем сначала минимальное значение максимума Mmu и максимальное значение минимума Mml модулирующего импульса:
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099866/2099866-2t.gif)
Для уверенного срабатывания компаратора при A(t), близких или равных Amax и Amin, вводим значения верхней границы Mmax рабочего диапазона и большей нуля нижней границы Mmin рабочего диапазона такие, чтобы выполнялись неравенства:
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099866/2099866-3t.gif)
из которых следует:
E <A
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
E > Amax
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
Объединяя (6) и (7), получаем
Anax
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
или
Amax/Amin <M/Mmin. (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 Mu
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099001/8805.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099108/8773.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099175/960.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099008/183.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099005/916.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099005/916.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099005/916.gif)
![способ преобразования аналогового сигнала, патент № 2099866](/images/patents/373/2099005/916.gif)
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.
Класс H03M3/00 Преобразование аналоговых величин в дифференциально-модулированную форму или обратное преобразование