Пристрій для моделювання у vissim comm структурно-сигнальних нестаціонарних фільтрів

1. Пристрій для моделювання у VisSim Comm структурно-сигнальних нестаціонарних фільтрів (ССНФ), що містить послідовно з'єднані за сигнальним входом керований за обернено пропорційною функцією обвідної вхідного сигналу диференціатор (КД), вхід якого є входом ССНФ; керований за обернено пропорційною функцією миттєвої частоти того ж сигналу резонансний контур (РК) та керований за обернено пропорційною функцією цієї ж обвідної інтегратор (КІ), вихід якого є виходом ССНФ, який відрізняється тим, що у нього введено фазорізницеве коло (ФК), яке містить паралельно з'єднані за входом блоки Lowpass FIR (LF) та Hilbert FIR (HF); а також - формувач комплексного сигналу (ФКС), амплітудний детектор (АД) і частотний детектор (ЧД), вихід якого з'єднано із входом керування РК за частотою, а вхід ЧД з'єднано з виходом ФКС, який також з'єднано зі входом АД, вихід якого з'єднано зі входом керування КД та КІ за обвідною, а один із входів ФКС U 2 55285 1 3 частотних фільтрів, у тому числі смугових нестаціонарних фільтрів [Туник В.Ф. Моделирование в VisSim следящих фильтров с самонастройкой. «Известия ВУЗов. Радиоэлектроника», Т. 52, №9, 2009 г.], які, згідно з відомим поняттям активного спектру і за аналогією з відомими загальними аналізаторами спектру, розраховуються на усю активну смугу і мають високу вибірковість, тому вони є фільтрами вище другого порядку [Патент України на корисну модель №33017, Бюл. №11, 2008 р.], що значно ускладнює їх реалізацію. Крім того, ці фільтри, також згідно з поняттям активного спектру, відслідковують лише частоту зміщення цього спектру незалежно від обвідної сигналу. Відоме аналогове моделювання нестаціонарних фільтрів другого порядку - одиночного коливального контуру [Виницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий приѐм ЧМ сигналов. - М: «Сов. радио», 1969 г., П. 16.]. Але затухання і, як наслідок, смуга пропускання цих фільтрів хоча и залежать від функції миттєвої частоти вхідного сигналу, але лише з умови так названої адіабатичної інваріантності і це незалежно від функції його обвідної. Відоме моделювання на аналоговому комп'ютері і структурно-сигнальних нестаціонарних фільтрів (ССНФ) [Заездный A.M., Зайцев В.А.. Структурно-сигнальные параметрические фильтры и их использование для разделения сигналов. «Радиотехника», т. 26, № 1, 1971 г.]. Ці фільтри представляють собою коливальні контури, які відповідають умові узагальненого резонансу, коли безперервно компенсується затухання контуру зовнішнім діянням, тому він сприймає адекватні складні сигнали подібно тому, як найпростіше синусоїдальне коливання сприймає стаціонарний резонансний контур. Ключова особливість фільтрів ССНФ є така, що їх затухання і, як наслідок, смуга пропускання залежать не тільки від функції миттєвої частоти зміщення активного спектра, а і, головне, від функції обвідної вхідного сигналу. Але вирази змінних коефіцієнтів диференційних рівнянь другого порядку відомих ССНФ мають порівняно велику кількість параметрів, відносин їх похідних та добуток, що суттєво ускладнює реалізацію таких ССНФ. Найбільш близьким аналогом до технічного рішення, що заявляється, є відомий ССНФ спрощеної реалізації [Зайцев В.А.. Структурносигнальные нестационарные фильтры как основа для построения следящих систем связи. Сб. Методы помехоустойчивого приѐма ЧМ и ФМ сигналов. – М.: «Сов. радио», 1972 г., Рис. 2], який містить послідовно з'єднані керований диференціатор, послідовний резонансний контур (РК) з керованими індуктивним та ємнісним елементами та керований інтегратор, сигнальний вхід якого з'єднано з конденсатором контуру РК. Керування диференціатора і інтегратора виконано за обернено пропорційною функцією обвідною вхідного сигналу, а керування індуктивного та ємнісного елементів за обернено пропорційною функцією зміщення середньої частоти активного спектра цього ж сигналу. 55285 4 Але, якщо ці фільтри, згідно з поняттям активного спектру, використовувати як окрему ланку для побудови фільтрів високого порядку, то значного спрощення реалізації аналізатора досягнуто не буде і чим вище їх порядок, тім нижче ефект спрощення, а наявність керованого індуктивного елемента потребує використовувати для низькочастотних сигналів важкокерованих котушок індуктивності великих розмірів, що приводить до перекручування результатів автоматичного керування і суперечить принципу мініатюризації вимірювальної апаратури. Крім того, дослідження цього ССНФ показало, що його амплітудно-частотна характеристика зростає з підвищенням резонансної частоти настройки, що приводить до частотних перешкод вихідного сигналу. При цьому невідомим є принцип виділення обвідної та миттєвої частоти зміщення активного спектра сигналів, а використання типових інерційних амплітудних детекторів і частотних дискримінаторів суттєво впливають на точність одержаних вихідних сигналів при автоматичної перестройки ССНФ. Технічною задачею, яка вирішується корисною моделлю, є задача одержання значно більш універсальної, ефективної та спрощеної моделі ССНФ саме у VisSim Comm. Ця задача вирішується пристроєм для моделювання у VisSim Comm структурно-сигнальних нестаціонарних фільтрів (ССНФ), що містить послідовно з'єднані за сигнальним входом керований за обернено пропорційною функцією обвідної вхідного сигналу диференціатор (КД), вхід якого є входом ССНФ; керований за обернено пропорційною функцією миттєвої частоти того ж сигналу резонансний контур (РК) та керований за обернено пропорційною функцією цієї ж обвідної інтегратор (КІ), вихід якого є виходом ССНФ. Новим є те, що у цей пристрій уведено фазорізницеве коло (ФК), яке містить паралельно з'єднані за входом блоки Lowpass FIR (LF) та Hilbert FIR (HF); а також - формувач комплексного сигналу (ФКС), амплітудний детектор (АД) і частотний детектор (ЧД), вихід якого з'єднано із входом керування РК за частотою, а вхід ЧД з'єднано з виходом ФКС, який також з'єднано зі входом АД, вихід якого з'єднано зі входом керування КД та КІ за обвідною, а один із входів ФКС з'єднано з виходом LF, а другий з'єднано з виходом HF. Новим є і те, що контур РК містить послідовно з'єднані за сигнальним входом перший дільник сигналів (ДС), на вході ділення якого знаходиться блок постійної (БП) X0 перший суматор; перший та другий інтегратори і перший множник сигналів (МС); також - диференціатор; другий МС, на другому вході якого знаходиться БП d; блок піднесення до квадрата (БЗК) і послідовно з'єднані другий ДС, другий суматор з від'ємним входом і третій МС, другий вхід якого з'єднано з виходом першого інтегратора, а вихід - з від'ємним входом першого суматора, другий від'ємний вхід якого з'єднано з виходом ЧД і об'єднано з другим входом другого ДС, зі входами диференціатора, другого МС та БЗК, вихід якого з'єднано зі входом першого МС, а вихід диференціатора з'єднано з другим входом 5 55285 другого ДС і вихід другого МС з'єднано з другим входом другого суматора. Новим є також і те, що КД містить послідовно з'єднані МС, ДС та диференціатор; при цьому на другому вході МС знаходиться БП С0 і другий вхід ДС з'єднано з виходом АД; а КІ містить послідовно з'єднані МС, ДС та інтегратор, при цьому другий вхід МС з'єднано з виходом також АД і на другому вході ДС знаходиться також БП С0. На кресленні, що додається, наведені структурні електричні схеми запропонованої моделі ССНФ Фіг.1 та керованого резонансного контуру Фіг.2, які містять ССНФ 1, керований диференціатор КД 2, керований резонансний контур РК 3, керований інтегратор КІ 4, фазорізницеве коло ФК 5, Lowpass FIR (LF) - фільтр нижніх частот з конечною імпульсною характеристикою (КІХ) - далі ФНЧ 6, Hilbert FIR (HF) - фільтр Гильберта з КІХ - далі фільтр Гильберта 7, формувач комплексного сигналу ФКС 8, амплітудний детектор АД 9 та частотний детектор ЧД 10, які є блоками лише VisSim Comm; множник сингалів МС 11, дільник сигналів ДС 12, диференціатор 13, інтегратор 14, суматор 15, блок піднесення до квадрата БЗК 16, блок постійної БП С0, також БП X0 і БП d. Входом запропонованого фільтра є вхід фазорізницевого кола ФК 5, тобто є вхід ФНЧ 6 та фільтра Гильберта 7, а виходом - вихід керованого інтегратора КІ 4. Вхід керування КД 2 та КІ 4 з'єднано з виходом АД 9. Контур РК 3 містить послідовно з'єднані перший дільник сигналів ДС 12, перший суматор 15, перший та другий інтегратори 14 і перший множник сингалів МС 11; також - послідовно з'єднані другий ДС 12, другий суматор 15 і третій МС 11, другий вхід якого з'єднано з виходом першого інтегратора 14, а вихід - з від'ємним входом першого суматора 15. Контур РК 3 містить також диференціатор 13, вихід якого з'єднано з другим входом другого ДС 12; другий МС 11, вихід якого з'єднано з другим входом другого суматора 15 і блок піднесення до квадрата БЗК 16, вихід якого з'єднано з другим входом першого МС 11. Вихід частотного детектора ЧД 10 з'єднано з другим від'ємним входом першого суматора 15, з другим входом другого ДС 12, зі входами диференціатора 13, другого МС 11 та БЗК 16. Працює запропонований пристрій таким чином: Напруга u1=A(t)cos (t)dt інформаційного сигналу про короткочасне порушення нормального безперервного функціонування реальних фізичних об'єктів надходить на вхід фазорізницевого кола ФК 5, тобто - на вхід ФНЧ 6 та фільтра Гильберта 7, на виході кожного з яких одержується напруга сигналів відповідно r та h, кожна з яких надходить на один із входів формувача комплексного сигналу ФКС 8, з виходу якого напруга надходить на вхід амплітудного детектора АД 9 і на вхід частотного детектора ЧД 10. На виході АД 9 одержується наh2 , а на виході ЧД 10 d h напруга миттєвої частоти t arctg , яка наdt r дходить на вхід керування контуру РК 3 Фіг.2, а напруга обвідної A(t) надходить на вхід керування пруга обвідної A t r2 6 ДС 12, що входить до блока КД 2, і на вхід керування МС 11, що входить до блока КІ 4 Фіг.1. На виході блока КД 2 одержується напруга u, яка надходить на сигнальний вхід контуру РК 3 Фіг.2. Для реального диференціатора напруга d u RC t u1 t , де згідно з відомим ССНФ спроdt C0 щеної реалізації, C t , а С0 - початкове знаAt чення ємності конденсатора блоків КД 2 та КІ 4. На другому вході МС 11, що входить до КД 2 і на вході ДС 12, що входить до КІ 3 знаходиться блок постійної (БИ) С0. У відомому фільтрі ССНФ контур РК 3 Фіг.2 представляє послідовне з'єднання резистивного, індуктивного та ємнісного елементів, вихідна напруга якого одержується зі конденсатора, тобто C0 1 uc i( t )dt , де Ck t . У цьому ж фільтрі t Ck ( t ) L0 , де L0 – постійне значення t індуктивності початкової настройки контуру РК 3 ( t )dt (t) Фіг.2, а - приведений час, де 0 індуктивність L t 0 постійна частота початкової настройки цього ж контуру. Інтегро-діференційне рівняння цього контуру для струму і має вигляд: d 1 u ir L( t )i idt dt Ck ( t ) (1) Після підстановки у (1) вище наведені параметри та нескладних перетворень одержимо наступне рівняння зі змінними коефіцієнтами: t d (t) i (d )i ( t )2 idt u dt (t) X0 (2) де d=r/X0 - затухання контуру, X0= 0L - реактивний опір індуктивного елемента на резонансної частоті 0. Відомо, що для реалізації контуру РК 3 Фіг.2 за рівнянням (2) необхідно мати лише інтегратор, диференціатор, суматор і підсилювач зі змінним коефіцієнтом передачі, які входять до блоків лише VisSim. Для одержання структурної схеми контуру РК 3 Фіг.2 рівняння (2) необхідно перетворити до виt d (t) i u (d )i ( t )2 idt , з якого гляду: dt X0 (t) виявляється зрозумілою структурна схема цього контуру і, як наслідок, осмисленість його особливостей праці. Дослідження запропонованої комп'ютерної моделі підтвердило відсутність вище відмічених недоліків відомого фільтра ССНФ простійшої реалізації, що дозволяє одержувати більш універсальні, ефективні та спрощені ССНФ з високою точністю вихідного сигналу після бистрого закінчення перехідного процесу у РК 3 і це практично незалежно від функцій обвідної та миттєвої частоти вхідного сигналу, якщо ця функція неперервна. Таким чином, в залежності від умов конкретних технічних задач на шляху використання за 7 55285 пропонованого фільтра, на відміну від відомих ССНФ, дійсно існує можливість створювати як на аналогової, так і на цифрової елементної базі значно більш спрощені та високоточні вимірювальні аналізуючи пристрої, використання яких у систе Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 8 мах функціонування реальних фізичних об'єктів дозволить суттєво поліпшувати їх основні характеристики, що саме і визначає практичну корисність упровадження таких пристроїв у науку і техніку. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601