Устройство для определения модулей гармонических составляющих фурье

Полезная модель относится к области электроавтоматики и может быть использована в системах комплексной защиты информации путем гармонического анализа информационных сигналов, в частности анализа модулей гармонических составляющих Фурье и их сдвига фаз. Устройство содержит формирователи ступенчатого сигнала 1-4, инверторы 5 и 6, сумматоры 7, 8 и 12, счетчик гармоник Фурье 17, генератор тактовых импульсов 15, умножители 9 и 10, блок деления 11, блок извлечения квадратного корня 13, блок задания номера гармоники Фурье 18, управляемые переключатели 14 и 15, за счет которых обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства для определения модулей гармонических составляющих Фурье за счет нахождения не только полного модуля, но и фазовых сдвигов этих гармонических слагаемых Фурье.

Полезная модель относится к области электроавтоматики и может быть использована в системах комплексной защиты информации путем гармонического анализа информационных сигналов, в частности анализа модулей гармонических составляющих Фурье и их сдвига фаз.

Известен анализатор спектра информационного сигнала, содержащий переключатель на два положения, последовательно соединенные между собой источник анализируемого сигнала, квантователь, умножитель, переключатель на m положений, m запоминающих элементов, сумматор, генератор тактовых импульсов, переключатель на m положений и делитель напряжения, и отводов которого подключены к соответствующим неподвижным контактам переключателя на n положений, при этом генератор тактовых импульсов выполнен с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде [1]. За счет формирования четных интервалов дискретизации анализируемого информационного сигнала косинусоидальный гармонический коэффициент Фурье а _n обращается в нуль, что упрощает алгоритм гармонического анализа информационного сигнала. Однако при этом фазовый сдвиг гармоник Фурье отличается друг от друга всегда на 90°, что не позволяет полностью восстановить фазовый и амплитудный частотный спектр принимаемого анализируемого информационного сигнала при выполнении алгоритмических операций комплексной защиты принимаемой информации от искажений и потерь с использованием гармонического анализа Фурье.

Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является анализатор спектра сигнала, содержащий первый и второй формирователи ступенчатого сигнала, первый инвертор, первый сумматор на два входа, счетчик гармоник Фурье и генератор тактовых импульсов, вход устройства подключен к входам первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, выход первого формирователя ступенчатого сигнала соединен с одним входом первого сумматора через первый инвертор, выход второго формирователя ступенчатого сигнала подключен непосредственно к другому входу первого сумматора [2]. Кроме того, известное устройство содержит делитель напряжения, с выходов которого снимаются напряжения, соответствующее модулю м гармонических составляющих Фурье, а вход делителя напряжения подключен к выходу первого сумматора на два входа, что обеспечивает вычисление неполного модуля гармонических составляющих Фурье при условии, что а_n=0, когда фазовый сдвиг любой гармонической составляющей всегда равен - 90°.

Недостаток прототипа состоит в его ограниченных функциональных возможностях вычисления только неполного модуля гармонических составляющих Фурье С_n=b_n при условии, что фазовый сдвиг любой гармонической составляющей равен - 90°, что затрудняет полное восстановление фазового и амплитудного частотных спектров принимаемого информационного сигнала при его гармоническом анализе.

Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей анализатора спектра информационного сигнала за счет нахождения не только полного модуля, но и фазовых сдвигов гармонических слагаемых Фурье, используемых для комплексной защиты принимаемого информационного сигнала от потерь и нарушения целостности принимаемой аналоговой информации.

Сущность полезной модели состоит в том, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, первого инвертора, первого сумматора на два входа, счетчика гармоник Фурье и генератора тактовых импульсов, вход устройства подключен к входам первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, выход первого формирователя ступенчатого сигнала соединен с одним входом первого сумматора через первый инвертор, выход второго формирователя ступенчатого сигнала подключен непосредственно к другому входу первого сумматора, предлагаемое устройство для определения модулей гармонических составляющих Фурье содержит третий и четвертый формирователи ступенчатого сигнала, второй инвертор, первый и второй умножитель, блок деления, второй и третий сумматор на два входа каждый, блок извлечения квадратного корня, блок задания номера гармоники Фурье, первый и второй управляемые переключатели, входы которых подключены соответственно к выходам нечетных и четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов, выходы первого управляемого переключателя соединены с управляющими входами первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, выходы второго управляемого переключателя подключены к управляющим входам третьего и четвертого формирователей ступенчатого сигнала, выход третьего формирователя ступенчатого сигнала подключен к одному входу второго сумматора непосредственно, а выход четвертого формирователя ступенчатого сигнала подключен к другому входу второго сумматора через второй инвертор, выходы первого и второго сумматоров соединены с входами блока деления непосредственно и с входами третьего сумматора через соответствующие первый и второй умножители, выход третьего сумматора подключен к входу блока извлечения квадратного корня, управляющий вход которого соединен с выходом блока задания номера гармоники Фурье, входы которого подключены к выходам счетчика гармоник Фурье, вход которого соединен с выходом четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов.

Новизна полезной модели состоит в том, что предлагаемое устройство для определения модулей гармонических составляющих Фурье содержит третий и четвертый формирователи ступенчатого сигнала, второй инвертор, первый и второй умножитель, блок деления, второй и третий сумматор на два входа каждый, блок извлечения квадратного корня, блок задания номера гармоники Фурье, первый и второй управляемые переключатели, входы которых подключены соответственно к выходам нечетных и четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов, выходы первого управляемого переключателя соединены с управляющими входами первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, выходы второго управляемого переключателя подключены к управляющим входам третьего и четвертого формирователей ступенчатого сигнала, выход третьего формирователя ступенчатого сигнала подключен к одному входу второго сумматора непосредственно, а выход четвертого формирователя ступенчатого сигнала подключен к другому входу второго сумматора через второй инвертор, выходы первого и второго сумматоров соединены с входами блока деления непосредственно и с входами третьего сумматора через соответствующие первый и второй умножители, выход третьего сумматора подключен к входу блока извлечения квадратного корня, управляющий вход которого соединен с выходом блока задания номера гармоники Фурье, входы которого подключены к выходам счетчика гармоник Фурье, вход которого соединен с выходом четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов, что обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства за счет нахождения не только полного модуля, но и фазовых сдвигов гармонических слагаемых Фурье.

Функциональная схема предлагаемого устройства изображена на чертеже, где обозначено: 1, 2, 3 и 4 - формирователь ступенчатого сигнала (формирователь); 5 и 6 - инвертор; 7 и 8 - сумматор на два входа, 9 и 10 - умножитель; 11 - блок деления; 12 - сумматор на два входа; 13 - блок извлечения квадратного корня; 14 и 15 - управляемый переключатель; 19 - генератор тактовых импульсов; 17 - счетчик номера гармоник Фурье; 18 - блок задания номера гармоники Фурье.

На чертеже показано, что в исходном состоянии вход устройства подключен к входам формирователей 1, 2, 3 и 4. Выход инверторов 5 и 6 соединены с выходами формирователей 1 и 4 соответственно. Входы сумматоров 7 и 8 подключены к выходам инверторов 5 и 6 и к выходам формирователей 2 и 3. Входы умножителей 9 и 10 соединены с выходами соответствующих сумматоров 7 и 8 и с входами блока деления 11. Выход блока деления 11 подключается к измерительному прибору отображения угла сдвига фазы гармонической составляющей Фурье, который на чертеже не показан. Входы сумматора 12 подключены к выходам умножителей 9 и 10, а выход сумматора 12 соединен с входом блока извлечения квадратного корня 13. Выходы управляемых переключателей 14 и 15 подключены к соответствующим управляющим входам формирователей 1, 2, 3 и 4, а входы управляемых переключателей 14 и 15 соединены с выходами нечетных и четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов 16. Счетный вход счетчика номеров гармоник Фурье 17 подключен к выходу четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов 16, а выходы счетчика 17 через блок задания номера гармоники Фурье 18 соединены с управляющим входом блока извлечения квадратного корня 13. К выходу блока извлечения квадратного корня 13 подключается измерительный прибор для отображения значения модуля гармонической составляющей Фурье, который на чертеже не показан.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Аналоговый анализируемый сигнал x(t) в интервале 0tТ преобразуется в дискретный с помощью формирователей 1, 2, 3 и 4 ступенчатого сигнала с частотой прерывания , значение которой по теореме Котельникова целесообразно выбрано такой величины, чтобы не было потери информации о сигнале x(t) в паузах дискретизации. Частоту прерывания задает генератор тактовых импульсов 16. После формирования ступенчатых сигналов на выходах сумматоров 7 и 8 получим значения гармонических коэффициентов a_n и b_n:

После возведения в квадрат с помощью умножителей 9 и 10 и последующего суммирования получим на выходе сумматора 12 напряжение, величина которого равна подкоренному выражению искомого модуля гармонической слагаемой Фурье:

На выходе блока извлечения квадратного корня 13 отсчитывается результат определения модуля гармонической слагаемой Фурье с помощью измерительного прибора, который на чертеже не показан.

Фазовый сдвиг модулей гармонических составляющих определяется с помощью блока деления 11 в соответствии с математическим выражением:

По мере заполнения счетчика 17 четными тактовыми импульсами его выходные сигналы переполнения сравниваются с заданными в блоке задания номера гармоники Фурье 18. При совпадении результатов сравнения выходной сигнал блока 18 приводит схему устройства в исходное состояние.

Промышленная осуществимость предлагаемого устройства обосновывается тем, что в нем используются типовые узлы и блоки по своему прямому, известному в аналоге [1] и прототипе [2], прямому функциональному назначению. В организации - заявителе изготовлен действующий образец заявленного устройства в виде компьютеризированной лабораторной установки в 2011 году.

Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что расширяются функциональные возможности устройства для определения модулей гармонических составляющих Фурье за счет нахождения не только полных модулей гармонических составляющих Фурье, но и фазовых сдвигов этих гармоник Фурье.

Источники информации:

1. Патент RU 106411 на полезную модель, «Анализатор спектра сигнала», МПК G06G 7/19, приоритет: 04.03.2011 г., авторы Дробышев М.Ю. и др., патентообладатель: МОУ «Институт инженерной физики» (аналог).

2. Анализатор спектра сигнала. Авт.свидетельство СССР на изобретение 1666963, МПК G01K 23/00,1989 г., Бюллетень изобретений 28, 1991 г.(прототип)

Устройство для определения модулей гармонических составляющих Фурье, содержащее первый и второй формирователи ступенчатого сигнала, первый инвертор, первый сумматор на два входа, счетчик гармоник Фурье и генератор тактовых импульсов, вход устройства подключен к входам первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, выход первого формирователя ступенчатого сигнала соединен с одним входом первого сумматора через первый инвертор, выход второго формирователя ступенчатого сигнала подключен непосредственно к другому входу первого сумматора, отличающееся тем, что содержит третий и четвертый формирователи ступенчатого сигнала, второй инвертор, первый и второй умножитель, блок деления, второй и третий сумматор на два входа каждый, блок извлечения квадратного корня, блок задания номера гармоники Фурье, первый и второй управляемые переключатели, входы которых подключены соответственно к выходам нечетных и четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов, выходы первого управляемого переключателя соединены с управляющими входами первого и второго формирователей ступенчатого сигнала, выходы второго управляемого переключателя подключены к управляющим входам третьего и четвертого формирователей ступенчатого сигнала, выход третьего формирователя ступенчатого сигнала подключен к одному входу второго сумматора непосредственно, а выход четвертого формирователя ступенчатого сигнала подключен к другому входу второго сумматора через второй инвертор, выходы первого и второго сумматоров соединены с входами блока деления непосредственно и с входами третьего сумматора через соответствующие первый и второй умножители, выход третьего сумматора подключен к входу блока извлечения квадратного корня, управляющий вход которого соединен с выходом блока задания номера гармоники Фурье, входы которого подключены к выходам счетчика гармоник Фурье, вход которого соединен с выходом четных тактовых импульсов генератора тактовых импульсов.