Способ преобразования сигнала случайного процесса
Изобретение относится к информационной измерительной технике и может быть использовано для преобразования сигналов в цифровой код и в телеметрических системах. Цель изобретения - повышение ценности информации за счет отсчитывания текущих значений сигнала в моменты изменения его первой производной. Способ преобразования сигнала случайного процесса заключается в последовательном отсчете данных о значениях сигнала для восстановления сигнала процесса, а также выделения момента изменения знака первой производной сигнала случайного процесса для отсчета данных. При этом операция выделение момента изменения знака первой производной входного сигнала случайного процесса заключается в том, что формируют сетку частот f, устанавливают максимальную частоту поочередного формирования уровней больше-меньше, проверяют очередность формирования уровней напряжения больше-меньше и в результате определяют соответствие длительности факта отклонения очередности и соответствие скорости изменения заданным нормам, по отклонениям в очередности формирования уровней больше-меньше в момент отклонений применяют решение о знаке первой производной с предыдущим формированием сообщения о знаке первой производной входного сигнала, по изменению этого сообщения формируется сигнал о моменте изменения знака первой производной входного сигнала, по результатам определения длительности факта отклонения и соответствии скорости изменения принимают решение о частоте формирования эталонных уровней больше-меньше, выделяют результаты преобразования при достижении сигналом допустимых значений. 2 ил.
Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования сигналов в цифровой код и в телеметрических системах.
Известен способ выборки данных, заключающийся в извлечении несколько дискретных значений входного аналогового сигнала для каждого периода выборки и выборке из этих дискретных данных в качестве данных, характеризующих в целом период выборки дискретных данных, имеющих максимальное отклонение относительно данных, извлеченных в предыдущем периоде выборки [1] Недостаток данного способа заключается в необходимости дополнительных и сравнительно сложных операций для выбора экстремальных значений, что связано с временными затратами и задержкой в получении конечного результата при оптимизации результатов по критериям ШЕННОНА/КОТЕЛЬНИКОВА. Наиболее близким по технической сущности является способ [2] преобразования по теоремам ШЕННОНА и КОТЕЛЬНИКОВА для стационарного сигнала, заключающийся в том, что непрерывный сигнал u(t), спектр которого ограничен сверху частотой Fв, полностью ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ своими значениями, ОТСЧИТЫВАЕМЫМИ в дискретных точках ЧЕРЕЗ ИНТЕРВАЛЫ dt 1/2Fв. Недостаток данного способа заключается в необходимости передавать избыточные данные с невысокой информационной ценностью для восстановления сигнала непрерывного случайного процесса, т. к. условия теорем для реальных сигналов не удовлетворяются, поскольку они представляют процессы, ограниченные во времени, и поэтому их спектр не ограничен. Цель изобретения повышение ценности информации, за счет того, что для восстановления случайного процесса необходимо и достаточно ОТСЧИТЫВАТЬ текущие значения сигнала в моменты ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАКА его первой производной du/dt. Цель достигается тем, что в известном способе преобразования сигнала, заключающегося в последовательном ОТСЧЕТЕ данных о значении сигнала для восстановления случайного процесса ВЫДЕЛЯЮТ МОМЕНТ ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАКА первой производной его сигнала в виде сообщения для отсчета текущих данных. Известно, что ценность количества информации [3] ИСХОДНОЙ мерой которой является хартлиевское количество информации, непосредственно связана с количеством реализаций (отсчетов) и определяется как МАКСИМАЛЬНАЯ ВЫГОДА, которую можно получить от хартлиевского количества информации. Введение операции ВЫДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАКА первой производной входного сигнала необходимо и достаточно для определения момента достижения значением сигнала наибольшей ценности, что повышает информационную ценность передаваемого результата при исключении избыточности данных. Можно показать, что низшие моменты имеют более важное значение, чем высшие. В большинстве практических случаев плотность вероятности Р(х) имеет наиболее существенное значение в интервале, расположенном около математического ожидания mj, причем j длина этого интервала имеет порядок




Формирование необходимого и достаточного объема данных для восстановления сигнала контролируемого процесса, являющегося в общем случае случайным, повышения ценности данных до 95 а также для обеспечения достоверности результатов преобразования при достаточно простых операциях. Количество отсчетов определяется только характеристиками входного сигнала и формируется в момент изменения знака первой производной входного сигнала. Способ преобразования поясняется фиг. 1, на которой в качестве примера взят комплекс электрокардиограммы ЭКС человека; на фиг. 2 дан вариант технического решения устройства по данному способу. Устройство содержит АЦП 1, формирователь 2 импульсов по фронту и спаду входного сигнала обработки 3, блок ввода/вывода 4, селектор 5 импульсов, порт 6, ОЗУ 7, формирователь 8 импульсов считывания, порт 6, ОЗУ 10, вход 11, выход 12. Вход 11 устройства через последовательное соединение АЦП 1, формирователь 2, блок 3, порт 6, ОЗУ 7, порт 9 связан с выходной шиной 12. Выход генератора АЦП 1 связан с блоком 3 и формирователем 8, а информационные выходы АЦП 1 с портом 6 и селектором 5. Выход формирователя 2 через селектор импульсов 5 подключен к формирователю 8 и третьему входу блока 3, причем выход формирователя 8 подключен ко входу считывание АЦП 1, а второй его вход к выходу ПЗУ 10, кроме того, вторые входы портов 6, 9 связаны с соответствующими выходами блока 4 ввода/вывода, входы которого соединены со входом СЧИТЫВАНИЕ и выходом формирователя 2 соответственно. Селектор 5 выделяет из последовательности формирователя 2 (фиг. 1с) импульс, соответствующей амплитуды входного сигнала, норма которой в общем случае может задаваться через ПЗУ. Как показано на фиг. 1, в качестве такого входного сигнала использован R зубец, характерным признаком которого является наибольшая амплитуда,
Блок 4 ввода/вывода обеспечивает известными решениями известные задачи при работе с ОЗУ:
задание адреса при записи,
формирование данных на входе,
запись в память,
задание адреса при считывании,
формирование сигнала для считывания,
формирование сигнала для считывания от внешних блоков. Классическое решение строится на базе двоично-десятичных счетчиков. Одним из простых решений портов 6, 9 является применение триггеров с защелкой, обеспечивающих фиксацию на выходе входных сигналов импульсным сигналом. Способ преобразования заключается в следующем. Исходное состояние в способе соответствует du/dt 0. Факт подачи сигнала индентифицируется изменением знака его первой производной. Операция ВЫДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА изменения знака du/dt обеспечивает необходимые условия для выполнения последующей операции СЧИТЫВАНИЕ текущих данных сигнала. Следовательно, в результате ВЫДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА ИЗМЕНЕНИЯ знака du/dt входного сигнала обеспечивается СЧИТЫВАНИЕ его текущего значения в течение всего времени контроля случайного процесса, что подтверждает описание сигнала случайного процесса по его характерным точкам. Данного объема, как подтверждено существующими работами, достаточно для последующего восстановления сигнала исследуемого случайного процесса, т. к. они содержат необходимую информацию о сигнале в данные моменты: амплитуду и время. Привязка по временной шкале определяется только характеристиками самого процесса, что исключает необходимость априорного задания временной привязки для СЧИТЫВАНИЯ значений сигнала, т. е. ФОРМИРОВАНИЕ последовательности с периодом 1/Fв для СЧИТЫВАНИЯ значений сигнала. Классический ЭКС (фиг. 1) является следующим сигналом, что подтверждается статистикой и работами кардиологов. Большой объем ценной информации заключается как в величинах RR-интервалов, так и амплитудно-временных характеристиках зубцов комплекса. Из анализа сигнала фиг. 1а) очевидны изменения знака первой производной фиг. 1b). Это позволяет применить операцию ВЫДЕЛЯЮТ МОМЕНТ ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАКА первой производной с представлением результата в виде сообщения (фиг. 1b) для последующей операции ФОРМИРОВАНИЕ текущих данных сигнала. Этим сообщением считываются данные о сигнале в виде его координат: АМПЛИТУДА и ВРЕМЯ, которые необходимы и достаточны для восстановления сигнала последовательно по каждой из этих точек. В зависимости от цели восстановления в качестве подобной операции может быть любой вид последующего описания: линейный (что используется в США при представлении ЭКС), гармонический, Приняв за начало отсчета экспериментальное значение R зубца, строится временная диаграмма фиг. 1а) комплекса ЭКС сигналами фиг. 1с), которые считываются в момент изменения знака первой производной сигнала. Диаграмма знака первой производной фиг. 1b) соответствует ЭКС и является базой для формирования сигналов идентификаторов момента его применения фиг. 1с). Следует отметить, что способ не ограничивает необходимость считывания текущих значений сигналов между моментами изменения знака производной. Операция ФОРМИРОВАНИЯ текущих данных не исключает априорного задания ФОРМИРОВАНИЯ сигналов, синхронизированных с определенным ФОРМИРОВАНИЕМ сообщения в момент изменения знака производной, в тех случаях, когда имеется необходимость в подобной информации (моменты времени 1, 2, 3 на фиг. 1а). Подобное расширение способа необходимо для постановки диагноза по существующим методикам специалистами-кардиологами. Рассмотрим операцию ВЫДЕЛЯЮТ МОМЕНТ ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАКА ПЕРВОЙ ПРОИЗВОДНОЙ, предполагающей, как один из возможных вариантов, применение операции аналого-цифрового преобразования. К достоинствам подобного преобразования следует отнести наличие достаточно большого банка наработанных решений, одним из оптимальных в которых является способ следящего преобразования. Кроме того, следует отметить минимальную зависимость в нем от частоты. В общем виде вариант алгоритма преобразования аналоговой непрерывной величины Х (вход 11 фиг. 2) можно представить в виде выражения:

где к масштабный коэффициент,
j целочисленное значение i-го разряда,
h шаг квантования,
v 0 1,
Р вес i-го разряда. Согласно выражению процесс аналого-цифрового преобразования представляет собой некоторую временную последовательность, состоящую из N дискретных тактов с генератора АЦП 1, и для определения значения коэффициента любого i-го разряда необходимо иметь однозначно соответствующее ему множество пар, тогда в результате операции сравнения компараторов АЦП 1 определяется искомое значение коэффициента i-го разряда с помощью равенства yi si, для которого справедлива система неравенств
X К{sPi + yi(Ti)Pi}
X К{(S -+ 1)Pi + yi(Ti)Pi}
Операция сравнения входного сигнала Х и сформированного ЦАП АЦП 1 уровня, определяется операцией ЗАДАНИЕ уровней срабатывания U и отпускания возможности выполнения операции СРАВНЕНИЯ из-за влияния шумовых сигналов. В общем случае разность уровней U2 U1 определяется ожидаемыми частотными характеристиками контролируемого сигнала, т. е. скоростью V dV/dt нарастания напряжения. В начальный момент времени Тo до подачи входного сигнала устанавливается минимальный уровень эталонного напряжения

к которому в следующий момент времени Т + 1 добавляется последующий квант. Частота f изменения соседних уровней в данный момент времени устанавливается максимальной блоком адаптации к скорости 1.8. Это позволяет с минимальной задержкой по времени зафиксировать знак первой производной в начальный момент появления входного сигнала. Вносимые фазовые искажения определяются величиной временной дискретизации, т. е. частотой формирования f уровней БОЛЬШЕ-МЕНЬШЕ. При превышении входным сигналом второго уровня осуществляется последовательный переход на поочередное формирование 2-го и 3-го уровней, поддерживая напряжение входного сигнала между этими уровнями. Факт превышения входным сигналом минимального уровня, т. е. нарушение очередности регистрируется и идентифицируют положительный знак входного воздействия на выходной шине, фиксируя при помощи блока запись/считывание в ОЗУ значение реверсивного счетчика. В зависимости от скорости нарастания входного сигнала Х возможны следующие ситуации:
скорость нарастания, т. е. величина первой производной в данной точке (в данный момент) определяется как
dU/dt > 2h/Т,
скорость нарастания, т. е. величина первой производной в данной точке определяется как
dU/dt < 2h/Т,
В первом случае подтверждается только положительное значение первой производной, т. е. согласование скорости изменения входного воздействия с частотой формирования уровней БОЛЬШЕ-МЕНЬШЕ до момента изменения знака производной. Во втором случае в зависимости от соотношения @U и dU/dt формируются последовательные отклонения индентифицируя соответственно положительный/отрицательный знак производной, синхронизированные с тактовыми импульсами. Предельно-возможное количество фактов отклонения определяется указанным частотой f формирования уровней БОЛЬШЕ-МЕНЬШЕ в данной точке. Поэтому последующие факты увеличения амплитуды входного сигнала используются при подстройке частоты f. Для принятия решения об установке той или иной величины задаются критерии МЕНЬШЕ В НОРМЕ БОЛЬШЕ, с учетом которых выделяются отклонения и принимаются соответствующие решения о переключении частоты. Например, установлены критерии МЕНЬШЕЕ до 2 отклонений, В НОРМЕ - до 4 отклонений, БОЛЬШЕ более 4 отклонений. В данном случае каждое отклонение очередности регистрируется как БОЛЬШЕ, следствием чего является последовательное снижение частоты формирования уровней БОЛЬШЕ-МЕНЬШЕ до момента регистрации в НОРМЕ. Аналогично алгоритм работает и при большой скорости изменения входного сигнала. В общем случае динамический диапазон преобразователя определяется допустимой избыточностью и технической реализуемостью формирования дискретностей частоты f. В случае уменьшения амплитуды входного сигнала реализуется условие МЕНЬШЕ-МЕНЬШЕ. Результат выполнения данного условия оценивается по одному из критериев: длительность или состояние через определенное время, величина которого задается возможным количеством отклонений в формировании уровней БОЛЬШЕ-МЕНЬШЕ. Данная величина может быть учтена в виде временной поправки в процессе восстановления входного сигнала или при расчете его амплитудно-частотных характеристик. В случае положительного результата формируется сигнал идентифицирующий факт установления отрицательного знака первой производной и выдается двоичный код о величине сигнала.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2