Способ генерирования периодических сигналов

(51) 03 29/00 (2006.01) 06 7/26 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к области радиотехники, в частности к генерированию периодических сигналов с требуемой амплитудой, количеством периодов и точностью в широком диапазоне частот и формы, определяемой функцией распределения задающего случайного сигнала, и может быть использовано в автоматике, вычислительной технике и диагностике,например,в автоматизированных системах управления и контроля. Способ состоит из двух этапов 1. Первый этап используется для генерации образцов РМЗ - сортированных по возрастанию и убыванию функций входного, дискретизированного случайного сигнала с , в результате которого создается набор склеенных сорт-функций для различных видов РМЗ, который образует базу данных (БД) форм сигналов длительностью в 1 период. 2. Второй этап составляют процедуры генерации периодических сигналов заданной формы,требуемых амплитуды и количества периодов. Знания типа (ранжированная функция случайного сигнала)(форма периодического сигнала),сформированные на первом этапе, организуются в виде базы данных, которая оперативно используется при наличии запроса на генерацию необходимого периодического сигнала. Управление параметрами(амплитудой, числом периодов) генерируемого периодического сигнала п (Т) осуществляется с блока управления. 20346 Изобретение относится к области радиотехники,в частности к генерированию периодических сигналов с требуемой амплитудой, количеством периодов и точностью в широком диапазоне частот и формы, определяемой функцией распределения задающего случайного сигнала, и может быть использовано в автоматике, вычислительной технике и диагностике,например,в автоматизированных системах управления и контроля. Известен способ Патент РФ 2290748, кл. Н 03 В 29/00, 06 7/26, 2006 г. генерирования испытательного сигнала с заданной функцией распределения вероятностей мгновенных значений испытательного сигнала х,основанный на генерации исходного сигналас равномерным распределением появления мгновенных значений в диапазоне от 0 до 1 и его функциональных преобразованиях вида -1 , где-1 - символ функции, обратной к функции . В качестве исходного сигнала генерирует детерминированный процесс с периодом Т 0, для чего выделяют из выбранного детерминированного процесса параметр , изменяющийся но известному закону,и подвергают его функциональному преобразованию по алгоритму / Т 0- (/ Т 0) - ,где - функция, обратная к функции , (/ Т 0)- функция целая часть числа от отношения / Т 0 и соответственно максимальное и минимальное значение детеминированного испытательного сигнала х. Недостатком указанного способа является то, что вообще не решается обратная задача - отсутствует возможность генерирования периодических сигналов заданной формы, онределяемой функцией распределения задающего случайного сигнала. Т.е функциональные возможности генерирования сигналов ограничены - формируются только сигналы некоторых форм, а также отсутствует связь параметров генерируемого сигнала с нормированными ранжированными функциями реализаций исходных случайных сигналов. Такой сигналы находят широкое применение при решении научно-исследовательских задач. Задача изобретения генерирование периодических сигналов с расширенными функциональными возможностями и заданной формы, определяемой функцией распределения задающего случайного сигнала. Расширение возможностей,можно рассматривать,как генерирование практически любой формы детерминированного сигнала в широком спектре. Технический результат предлагаемого способа генерирования периодических сигналов - форма ранжированных функций выборочных реализаций сигнала является существенно более стабильной величиной, чем значения статических параметров того же сигнала. Для решения поставленной задачи предлагается способ, основанный на принципе эквивалентности распределений случайных и детерминированных сигналов. В его основе лежат три предложения возможность обобщения понятия распределение вероятностей понятием распределение мгновенных значений (РМЗ),причем последнее оказывается применимым к любым сигналам, как случайным, так и детерминированным, например, периодическим. Подобное предложение уже высказывалось (однако,без систематизации и обобщения) ранее, например,в работах Корн Г. Моделирование случайных 2 процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. М. Мир, 1968 и Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн.1.- М. Сов.Радио, 1966, в которых приводятся утверждения в отношении вида ПРВ некоторых периодических (синусоидальных,треугольных) колебаний определение операции сравнения сигналов как установление эквивалентности в смысле идентичности их РМЗ, причем аналогом данного предложения является, хорошо известный в измерительной технике, метод компарирования переменных во времени сигналов сигналами постоянного тока Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. М Энергоатомиздат, 1986 использование конкретных механизмов и инструментов сравнения сигналов по их РМЗ. На фиг.1 показан пример алгоритма склеивания двух сортированных по возрастанию и убыванию выборок случайных сигналов с равномерным (слева) и нормальным (справа) распределениями, в результате чего образуется один период уже детерминированного сигнала. На фиг.2 представлена структурная схема технологии получения периодических сигналов из случайных, имеющих одинаковое распределение мгновенных значений. Эта технология состоит из 2-х этапов. На первом этапе производится формирование базы данных сортированных по возрастанию и убыванию функций выборок случайных сигналов с последующим их склеиванием (см. фиг. 1) с образованием одного периода сигнала. Перед склеиванием сортированные выборки усредняются - для получения более гладкой зависимости и уменьшения погрешности формирования формы периодического сигнала. На втором этапе из сформированной базы данных однопериодных сигналов пользователем производится выбор вариантов сигналов с желаемым распределением мгновенных значений. При этом дополнительно задаются пользователем и устанавливаются в системе такие параметры выходного периодического сигнала, как амплитуда 20346 и частота (количество периодов в заданном объеме выборки). На фиг.3 изображены панель управления (слева) и структура программного кода(справа) виртуального прибора (генератора), реализующего заявляемый способ в среде -7. На дисплее панели управления показана форма одного периода сигнала,имеющего треугольное(СИМП) распределение мгновенных значений. На фиг.4 представлено изображение гистограммы распределения мгновенных значений периодического сигнала, показанного на дисплее фиг.3. Построение гистограммы предусмотрено в структуре виртуального прибора, поскольку это дает возможность пользователю визуально контролировать правильность работы прибора. Количественная оценка правильности работы заявляемого способа производится измерением формы выходного сигнала с помощью идентификационного тестера -типа. В данном случае показания тестера равны 22, в то время, как идеальное теоретическое значение для треугольного распределения должно составлять 021. Отсюда нетрудно оценить погрешность (22-21/215) формирования формы выходного сигнала. Неидеальность формирования выходного сигнала видна на гистограмме. Чтобы уменьшить эту погрешность достаточно увеличить объем выборки и количество усредняемых реализаций случайного сигнала . В качестве исходной модели РМЗ использованы порядковые статистики в виде нормированных ранжированных функций реализаций случайных сигналов. Подобному выбору имеется два логических обоснования. Во-первых,форма ранжированных(т.е. сортированных по возрастанию или убыванию) функций выборочных реализаций сигнала является существенно более стабильной величиной, чем значения статистических параметров (в частности,математического ожидания и дисперсии) того же сигнала. Если, например, брать различные реализации случайного сигнала с равномерным РМЗ, то их порядковые статистики будут иметь вид прямых линий в координатах ось- порядковый номер отсчета, ось- значение отсчета. Параметры смещения и масштаба этих прямых могут сильно варьироваться, но сами линии будут оставаться прямыми. Другими словами, можно сказать, что математическая модель прямой линии является статистически устойчивой, идентифицирующей характеристикой, в данном случае, равномерного РМЗ. Соответственно, информацию о РМЗ можно хранить в компактной аналитической форме - в виде уравнения прямой. Второе обоснование является следствием первого и состоит в том, что сортированные по возрастанию и убыванию реализации случайного сигнала могут быть использованы для формирования периодического сигнала. В частности, на фиг. 1 показан пример алгоритма склеивания двух сортированных по возрастанию и убыванию выборок случайных сигналов с равномерным (слева) и нормальным (справа) распределениями, в результате чего образуется один период уже детерминированного сигнала. Конкретная реализация технологии получения периодических сигналов из случайных, имеющих одинаковое распределение мгновенных значений, в виде структурной схемы представлена на фиг.2, 1 генератор случайных сигналов, 2 - блок, в котором реализуется операция сортировки по возрастанию, 3- блок, в котором реализуется операция сортировки по убыванию, 4 и 5 - блоки усреднения сортированных реализаций, 6 и 7 - блоки нормализации по размаху - для приведении значений отсчетов к одному масштабу, 8 - блок суммирования сорт-функций по принципу склеивания. 9 -блок управления операциями этапа 1,10 - база данных, 11 - блок установки числа периодов сигнала, 12 - блок установки амплитуды сигнала, 13 - блок управления операциями этапа 2. Процедура технологии получения периодических сигналов разбивается на 2 этапа,каждый из которых является относительно самостоятельным и содержит собственный набор операций вычислительного и алгоритмического характера. Первый этап используется для генерации образцов РМЗ - сортированных по возрастанию и убыванию функций входного, дискретизированного случайного сигнала с . Для этих целей используются генератор 1 случайных сигналов(ГСС), в котором можно задавать (с блока управления 9) форму распределения, объем выборочной реализации и количество реализаций двухканальный преобразователь,в котором реализуются операции сортировки по возрастанию 2 и убыванию 3 значений выборочной реализации,усреднение сортированных реализаций (блоки 4,5) и нормализация (блоки 6,7) по размаху - для приведения значений отсчетов к одному масштабу. В блоке 8 осуществляется суммирование сортфункций по принципу склеивания последний отсчет сорт-функции по возрастанию и первый отсчет сорт-функции по убыванию являются соседними. На этом процедуры первого этапа заканчивают работу. Результатом является набор склеенных сорт-функций для различных видов РМЗ,который образует базу данных (БД) форм сигналов длительностью в 1 период (фиг.1). Второй этап составляют процедуры генерации периодических сигналов заданной формы,требуемых амплитуды и количества периодов. Знания типа (ранжированная функция случайного сигнала)(форма периодического сигнала),сформированные на первом этапе, организуются в виде базы данных 10, которая оперативно используется при наличии запроса на генерацию необходимого периодического сигнала. Управление параметрами (амплитудой, числом периодов) генерируемого периодического сигнала посуществляется с блока управления 13. Таким образом, создав один раз БД форм сигналов, ее можно многократно использовать, в том числе для генерации периодических сигналов. 3 20346 Описанная выше технология была промоделирована с помощью виртуального прибора(ВП), выполненного в среде -7 и описанного в Кликушин Ю.Н., Рожкова Н.О. Синтезатор периодических сигналов. М. ВНТИЦ,2004.- 50200401193. На фиг.3 изображены панель управления (слева) и структура программного кода-7. На дисплее панели управления показана форма одного периода сигнала, имеющего треугольное (СИМП) распределение мгновенных значений. На передней панели ВП расположены органы управления и индикаторы, с помощью которых можно задавать условия генерации сигналов и отображать результаты. В окне ввода объемавыборкиустанавливается число дискретных отсчетов, укладывающихся на периоде сигнала 2. В окне вводаустанавливается числореализаций случайного сигнала, по которым проводится построение усредненных сорт-функций. Окно вводапредназначено для установки требуемой формы РМЗ в соответствии с именами распределений случайных сигналов ( - равномерное,нормальное,позволяет задавать амплитуду генерируемого сигнала с требуемым РМЗ. Окно вывода (-) предназначено для численного контроля соответствия форм РМЗ случайных и периодических сигналов. Программный код-ВП состоит из подприборов,входящих в стандартную библиотеку -7, и подприбора (-), разработанного авторами специально для измерения формы распределений Кликушин Ю.Н., Кошеков К.Т., Рожкова Н.О. Метод и средства моделирования идентификационных шкал. Труды КарГТУ. Караганда,1(18), 2005. - с.67-72. Соответствие между формой РМЗ и числовым показателемотражено в табл. для объема выборки 1000. Контроль качества генерируемых сигналов осуществляется также визуально по гистограмме РМЗ. На фиг.4 представлено изображение гистограммы распределения мгновенных значений периодического сигнала, показанного на дисплее фиг.3. Построение гистограммы предусмотрено в структуре виртуального прибора, поскольку это дает возможность пользователю визуально контролировать правильность работы прибора. Количественная оценка правильности работы заявляемого способа производится измерением формы выходного сигнала с помощью идентификационного тестера -типа. В данном случае показания тестера равны 22, в то время, как идеальное теоретическое значение для треугольного распределения должно составлять 021. Отсюда нетрудно оценить погрешность (22-21/215) формирования формы выходного сигнала. Неидеальность формирования выходного сигнала видна на гистограмме. Чтобы уменьшить эту погрешность достаточно увеличить объем выборки и количество усредняемых реализаций случайного сигнала . Таблица. Соответствие между формой РМЗ и числовым показателем (-) Параметры Таким образом, предлагаемый способ позволяет генерировать периодические сигналы с заданным РМЗ 1) точность которых (погрешность дискретности,систематическая и случайная составляющие погрешности соответствия форм РМЗ) задается на этапе формирования базы данных сорт-функций 2) диапазон форм РМЗ которых является максимально возможным в классе стационарных случайных сигналов (4-2), а количество этих форм определяется лишь условиями эксперимента 3) длительность которых в эксплуатационном режиме равна одному периоду, что позволяет работать в реальном масштабе времени, например,проводя автокалибровку статистических анализаторов в паузах между основными измерениями 4) реализующие новый класс обобщенных преобразований типа случайный сигнал периодический сигнал или периодический сигнал- случайный сигнал, которые могут быть использованы для построения кодеров - декодеров в системах передачи сигналов и данных. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ генерирования периодических сигналов,где используют функциональный алгоритм генерации и суммирования по принципу склеивания образцов распределений мгновенных значений сортированных по возрастанию и убыванию функций входного дискретизированного случайного сигнала, отличающийся тем, что форму этих сигналов определяют функцией распределения задающего случайного сигнала.