Все статьи на QRZ.RU Экспорт статей с сервера QRZ.RU Все статьи
категории "Распространение радиоволн"
В России получены патенты на изобретения (патенты РФ № 2320012, 2235370, 2344479, 2288550, 2326495, 2211491, 2145446, 2038704 2106075, 2106073, 2106074), в которых описаны устройства, системы и машины с обратной связью нового типа.
|
|
|
|
|
Такая обратная связь позволяет полностью в автоматическом режиме точно и быстро подгонять сигнал (или процесс) в точке его получения или реализации под сигнал первоисточника (или требуемый или желательный процесс). Анализируя в реальном масштабе времени уровни и фазы компонентов сигнала первоисточника, сигнала обратной связи (в варианте и компонентов шумовых сигналов) удается предельно возможно быстро осуществлять подгонку сигнала в точке его получения под сигнал источника передаваемого сообщения или реализовать в пространстве и времени какой-то физический процесс, так как запланировано.
В этой группе патентов подробно описана работа автоматических эквалайзеров, автоматических корректоров фаз (времени задержки) компонентов сигналов, систем автоматического активного понижения шумов и помех.
В изобретениях на примере работы звуковоспроизводящей системы высшей группы сложности (Hi-End класса) раскрывается смысл нового фундаментального закона природы - закона минимизации роста энтропии в системе для передачи сообщений любой физической природы или управления (закона "сохранения" информации).
Устройства можно использовать в различных областях науки и техники. Например, на транспорте в качестве новых систем амортизации, систем понижения шумов внутри транспортных средств, на производстве. Системы активного понижения акустических шумов и помех можно использовать дома, например, в качестве понижающих шум кроватей, кресел, окон, дверей.
В изобретениях также описан вариант системы с обратной связью нового типа с использованием мощного удаленного компьютера (сервера) и доступа к нему большой группы пользователей для обработки информации по описанным алгоритмам (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНТЕРНЕТ).
В новых системах связи, широкополосные сигналы (сигнал от источника, сигнал обратной связи, а в варианте и принятый шумовой сигнал), обрабатываются в очень большом числе полос анализа, как бы покомпонентно. За счет этого удается более точно осуществлять слежение за появляющимися всевозможными искажениями спектра передаваемого сигнала (на тех или иных частотах и в различные моменты времени) и предельно возможно точно и быстро формировать скорректированный сигнал сообщения в точке его получения.
Такой подход четко соответствует общеизвестным положениям теории информации, позволяющей представлять сложные, широкополосные сигналы (функции какого-то физического процесса или сигнала) в виде рядов и интегралов Фурье, осуществлять разложение и обратный синтез широкополосного сигнала с помощью полосовых фильтров.
При большом числе таких узкополосных фильтров, сложный широкополосный сигнал можно разложить, обработать и обратно сложить в обработанный широкополосный сигнал почти покомпонентно.
Такой покомпонентный анализ удается осуществлять за счет предварительной фильтрации передаваемого (из точки А пространства и времени) и принимаемого (в точке В того же пространства и времени) сигнала в большом числе однотипных, узкополосных фильтров и сравнения в реальном масштабе времени расхождения, анализируемых компонентов по уровню и фазе (времени задержки компонентов), которые попали в соответствующие фильтры и полосы анализа.
Этот детальный, текущий, полно параметрический анализ передаваемого и принимаемого сигналов позволяет в реальном времени, автоматически формировать передаточную характеристику, так называемого, согласованного фильтра, входящего в состав блока обработки сигналов в качестве одного из основных укрупненных узлов.
Он может быть реализован в виде DSP – специализированного процессора или персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением.
Основное назначение согласованного оптимального фильтра заключается в том, чтобы изменить энергетические и фазовые параметры компонентов, передаваемого через него полезного, информационного сигнала, и компенсировать за счет этого все заранее неизвестные искажения спектра передаваемого сигнала во всем (сквозном) канале связи, включающего в себя собственно сам канал связи (например, помещение прослушивания с плохими акустическими свойствами или иную линию связи низкого качества). А также другие электронные устройства системы передачи сообщений (например, усилитель мощности, колонки, динамики системы воспроизведения звука).
Искаженные по уровню ( энергии) компоненты подгоняют за относительно небольшое время (отрезок реализации узкополосного сигнала зависит от частоты оптимизируемой компоненты и времени задержки его распространения в канале) под требуемую величину в соответствующих узлах регулировки уровней компонентов согласованного фильтра.
Эти регулировки осуществляются посредством автоматически работающих управляемых усилителей или аттенюаторов, работа которых очень напоминает общеизвестные системы автоматического регулирования усиления (АРУ) в радиоприемных устройствах или системы автоматического регулирования уровня записи (АРУЗ) в магнитофоне. С той лишь разницей, что уровень сигнала ( энергию сигнала за небольшое время анализа), для каждой узкой полосы анализа, подгоняют под текущий уровень энергии тех же компонентов передаваемого сообщения, попадающих в соответствующую полосу анализа, а не под заранее заданный, фиксированный уровень сигнала как в системах АРУ.
Например, если в области низких частот в полосе от 100 до 110 Гц уровень сигнала в точке приема сообщения ( вблизи от органа слуха пользователя) оказался выше, чем он должен быть, например, на 12 dB, то осуществляя обратную регулировку в управляемом усилителе (уменьшая его коэффициент усиления на 12 dB) добиваются того, что в точке получения сообщения компоненты передаваемого сообщения на частотах 100 – 110 Гц имеют точно такой же уровень по отношению к другим компонентам сигнала, как в источнике сигнала (в момент записи фонограммы).
И слушатель в помещении с плохими акустическими свойствами у себя дома или в автомобиле слышит уже не бубнящий, сильно искаженный, некачественный звук, а практически тот же звук как и на концерте в зале консерватории или студии звукозаписи – на уровне работы системы Hi-End класса. Когда нет явно громко звучащих звуков на отдельных частотах или почти неслышимых нот.
Кратко описанные действия отражают суть работы автоматического эквалайзера в составе согласованного фильтра блока обработки сигналов. Такой автоматический эквалайзер образно можно сравнить с электронным роботом, который максимально возможно быстро и точно крутит ручки эквалайзера с ручным управлением.
В соответствующих узлах согласованного фильтра осуществляются также и фазовые или временные многополосные предыскажения компонентов передаваемого сигнала.
Суть этой обработки заключается в:
При поиске реальных задержек компонентов сигнала для каждой соответствующей полосы анализа используют методы корреляционного анализа сигналов в точке приема, и им соответствующих компонентов источника сигнала, задержанных в большом числе линий задержек ( с шагом по времени, обеспечивающим требую точность регулировки, например с шагом в 5 градусов для средней частоты соответствующего узкополосного фильтра).
В изобретениях эти алгоритмы оптимизации фазо - (время) частотных и амплитудно - частотных характеристик согласованного фильтра описаны очень подробно с приведением соответствующих структурных схем и последовательности осуществления всех действий по обработке компонентов сигналов во времени.
Кроме того, в указанных изобретениях описаны разнообразные многополосные (покомпонентные) системы понижения шумов, которые могут использоваться как для закрытых каналов связи, так и в открытых каналах связи.
Например, с помощью способов, понижения шумов, описанных в изобретениях может быть создана интеллектуальная, самоадаптирующаяся обратная связь в усилителе электрического сигнала или электроакустическая обратная связь. Такой, многополосный принцип организации обратной связи может обеспечить выявление и оперативное высокоточное понижение линейных и нелинейных (динамических, интермодуляционных) искажений, например, в усилителе мощности Hi-End класса.
Многополосный анализ сигналов может также использоваться, например, для понижения шума и создания денойзера, конструктивно встроенного в усилитель электрического сигнала с покомпонентной обработкой сигналов на его выходе и входе относительно различного уровня (порога) шумов на различных частотах спектра. С использованием этого принципа можно организовать выпуск ряда новых микросхем – различного рода усилителей – денойзеров.
Многополосный принцип анализа спектра сигнала применим при создании умных самоадаптирующихся широкополосных или многополосных усилителей мощности, в которых в соответствии со спектром входного сигнала изменяется напряжение питания, максимальная неискаженная мощность, изменяется режим работы усилителя, включается система дополнительного охлаждения и т.д.
В открытых каналах связи принцип многополосного активного понижения шума можно использовать для понижения шумов внутри или снаружи автомобиля, самолета или иного транспортного средства или любой другой очень шумной машины или устройства.
Аналогичный подход может быть использован при создании электронно-управляемого амортизатора для автомобиля — в машиностроении, системы понижения шума в квартире или на рабочем месте и т.д. Например в аэропорту можно создавать зоны пониженного шума в тех местах, где чаще всего находятся люди ( у стоек регистрации, в зоне выхода на посадку, на автобусных остановках, остановках такси, на входах и выходах в здание аэропорта и т.д.).
Во всех этих разных областях техники может использоваться описанный в изобретениях принцип обработки электрических сигналов.
Понятно, что, например, при создании автомобильной подвески управляют не колебаниями диффузоров динамиков как в Hi-End технике, а колебаниями управляемых амортизаторов, наклоняющих соответствующую сторону автомобиля в ту или иную сторону, с той или иной частотой.
Таким образом, кратко описанный выше принцип управления различными сигналами и процессами универсален. Он отражает суть нового, запатентованного в РФ фундаментального закона природы – закона минимизации роста энтропии в любой системе связи или управления.
Использование этого способа может обеспечить наивысшую точность передачи информации или управление протеканием какого- то физического процесса с наивысшей достижимой точностью относительно требуемого (‘идеального”) процесса.
Важно подчеркнуть, что обобщенная задача теории информации - задача оптимального понижения шума, является частным случаем более общей задачи - оптимальной передачи сообщений в условиях помех и шумов (центральной задачи теории информации). Задача оптимальной передачи информации просто вырождается в задачу оптимального понижения шумов, когда уровень сообщения всегда равен нулю.
Поэтому многополосные (покомпонентные) принципы формирования сигналов для активного понижения шумов во многом схожи с принципами оптимальной многополосной передачи сообщений. С той лишь разницей, что стремятся предельно возможно точно воспроизвести не какой-то полезный информативный сигнал, например, песню, а тишину.
Разложив широкополосный шумовой сигнал на компоненты (точнее группы компонентов, попадающих в соответствующие узкие полосы анализа и обработки), формируют им зеркально обратные компоненты — узкополосные сигналы для активного понижения компонентов шума в точке получения сообщения.
Для управления процессом понижения шумов используют сигнал обратной связи и присутствующие в нем компоненты шумов и помех, которые требуют активного подавления. А собственно сами компоненты шумовых сигналов, в открытых каналах связи, лучше всего получать используя дополнительные зондирующие шум устройства ( микрофоны). В закрытых каналах связи, где нет внешних источников сильных помех или шумов ( кроме собственных - тепловых шумов элементов устройства) шумовые компоненты можно оперативно выявлять и им формировать зеркально обратные компоненты для активного понижения шума из сигнала обратной связи.
За счет этого в точке получения сообщения, например на выходе усилителя мощности или в точке прослушивания звуков в квартире. Салоне автомобиля, в воздухе – вокруг самолета или вертолета, происходит подавление шума на столько, на сколько позволяют условия конкретной системы.
Эффект подавления шума и точность воспроизведения сигналов зависят от конкретных условий ( от типа канала связи – закрытый или открытый, от геометрии мест расположения источника сигнала, точки приема сообщения и источников шумов или помех от взаимного расположения приемника и излучателя сообщений друг относительно друга во времени).
Уровень подавления шума в той или иной систем может принимать значения, например от 10 до 120 dB. Понятно, что решая дуальную задачу можно формировать сигнал тогой или иной физической природы в заданной точке пространства и времени с максимально возможным уровнем. Например, инициировать сход снежных лавин с помощью акустических пушек из нескольких сабвуферов и УНЧ, которые могут быть в десятки раз меньше и легче, чем традиционные гаубицы.
Чем больше указанных выше узких полос анализа сигналов, чем меньше задержка по времени между передаваемым и принимаемым сигналом, чем выше вычислительные возможности компьютера и более совершенное программное обеспечение, тем, как правило, выше точность подавления шумов и, следовательно, выше точность передачи сигнала при наличии шумов и помех в канале связи.
В системе для передачи сообщений может быть как одна общая обратная связь, так и несколько обратных связей с многополосной обработкой сигналов вложенных одна в другую (мультипликативные системы с обратной связью).
В зависимости от времени задержки сигналов в каждой вложенной системе, скорость оптимизации параметров согласованных фильтров для передачи сообщений может быть различной. При этом оптимизация подбираемых параметров компонентов может осуществляться с различной скоростью (с разными постоянными времени регулирования) на различных частотах, что позволяет существенно повысить устойчивость системы с обратной связью к самовозбуждению.
Кратко описанная выше система связи представляет собой по существу роботизированный комплекс устройств для исследования в реальном времени искажающих свойств всех узлов и систем канала связи от источника сигнала до точки его получения.
Такой комплекс позволяет автоматически находить те узлы или элементы всего канала связи, в котором происходят основные искажения сигналов и компенсировать их искажения максимально возможно - на столько, на сколько позволяют конкретные условия той или иной системы управления.
В изобретениях на примере звуковоспроизведения подробно описана работы системы с обратной связью и многополосной обработкой сигналов для передачи звуковых сообщений с использованием электронного “робота-звукооператора” (DSP - процессора). Подробно описана работа многополосного эквалайзера, который сам подбирает амплитудно-частотную и фазо (время) - частотную характеристику согласованного ( оптимального) фильтра, а также узла, в котором из шумового сигнала синтезируется сигнал для активного понижения шумов и помех.
Такой робот нацелен на то, чтобы в точке приема сообщения получить максимально точно передаваемый сигнал. В процессе работы такой робот проводит исследование, например неравномерности АЧХ всего сквозного тракта передачи сигнала и автоматически формирует параметры согласованного фильтра с зеркально обратной АЧХ, при которой разница между параметрами сигнала в точке получения сообщения и сигнала с выхода источника сигнала становится минимальной. В результате такой, целенаправленной работы, робот добивается минимально возможных значений среднеквадратического отклонения сигнала обратной связи от опорного сигнала ( сигнала источника сообщений или требуемого процесса).
Тут важно пояснить, что идеальный или опорный сигнал является по существу математическим ожиданием того сигнала (случайного процесса) который фигурирует в классическом определении понятия СКО случайных процессов. Поэтому среднеквадратическое отклонение реального ( принятого в точке получения) сигнала от “идеального” является наиболее обобщенным, интегральным показателем их отличия друг от друга.
Например, в звуковой технике, если в одной системе СКО оказался в пять раз меньше СКО, чем в другой системе, то можно вынести однозначное решение, что первая система более достоверно воспроизводит звуки и, следовательно, она более высокого качества, чем другая система. И нет смысла тут тратить время на сопоставительный анализ частных критериев качества (достоверности) работы системы, сравнивая, например, неравномерность АЧХ, ФЧХ, нелинейные и интермодуляционные искажения систем звуковоспроизведения, связи или управления.
Причем точность такого сопоставительного анализа качества работы систем может быть на порядки выше точности, которую может зарегистрировать человеческое ухо.
Используя этот подход можно дать потребителю механизм объективного контроля качества приобретаемой им продукции и услуг, Например, с использованием подобной системы потребитель может оперативно сравнить два усилителя низких частот или две системы Hi-Еnd класса и осмысленно купить ту систему, которая объективно лучше другой. Доступ к такого рода услугам можно дать потребителю с использованием современных широкополосных линий связи ( интернета). В этом направлении может быть создано новое интернет направление – технологический интернет, где различные устройства пользователей за относительно небольшую плату могут иметь доступ к очень мощным компьютерам ( серверам) ориентированным на решение соответствующих технических задач и самым совершенным программным продуктом, например, для автоматической настройки домашней звуковоспроизводящей техники, оптимальной настройки подвески автомобилей в соответствии с теми дорогами, по которым в данный момент ездит автомобиль и т.д.
Понятно, что в мире машин элементарными компонентами являются компоненты некоторых одномерных или многомерных процессов (сигналов) конкретной физической природы, которые с помощью соответствующих датчиков преобразуется в электрические сигналы.
Например, это могут быть колебания звука играющего инструмента (ов) или голоса певца(ов), записанные в качестве первоисточника сигнала и контролируемые в точке получения сообщения (– вблизи органов слуха человека) с помощью зондирующих микрофонов.
В автомобилестроении компонентами шумового сигнала и сигнала состояния амортизатора являются компоненты электрических сигналов с выхода соответствующих датчиков положения автомобиля в пространстве и подвески каждого колеса относительно кузова автомобиля.
И смысл оптимального управления во всех этих системах заключается в том, чтобы вовремя выявлять отклонения компонентов сигнала в точке получения сообщения от компонентов некоторого “идеального” сигнала, который необходимо воспроизвести в системе точно так, как запланировано (записано) во временной и пространственной области. Например, так, чтобы все компоненты звуковых колебаний вблизи органов слуха человека соответствовали максимально возможно точно тем компонентам звуковых колебаний, которые были в момент записи первоисточника вблизи от органов слуха реального человека или вблизи органов слуха макета головы этого человека (вблизи микрофона-головы).
В автомобилестроением таким “идеальным” сигналом может быть, например, сигнал о положении кузова автомобиля строго горизонтально в пространстве, если он едет прямолинейно и равномерно по прямой дороге или некоторый (желательный) наклон кузова автомобиля в поворотах, например, как функция скорости и радиуса поворота автомобиля, который необходим для компенсации центробежной силы и повышения устойчивости автомобиля в повороте. При этом с помощью специальных (комбинированных) амортизаторов, способных работать в широкой полосе частот возможных вибраций автомобиля должна осуществляться оперативная компенсация вибрации кузова автомобиля в широкой полосе частот, чтобы предельно возможно точно минимизировать вибрацию кузова при езде по неровной дороге.
Важно пояснить, что кавычки в законе “сохранения” информации означают, что в этом законе речь идет не об абсолютном сохранении информации в системе связи, подобно фундаментальным, классическим законам сохранения энергии или вещества, которые сформулированы и выполняются только в рамках абстрактной, физически никогда не реализуемой модели „кругового процесса“, для которого по определению рост энтропии равен нулю.
Новый закон относится ко всем реальным, физически реализуемым (промышленно применимым – патентоспособным) системам связи или передачи сообщений. Он обобщает общеизвестные положения теории информации, математики и кибернетики (математический анализ, преобразования Фурье, теорию вероятности, теорию выделения и обработки сигналов, теорему Котельникова и др.) и позволяет на научной основе синтезировать оптимальные системы связи и управления на качественно новом – покомпонентном уровне.
Важно также отметить, что замедление роста энтропии в описанной выше системе с обратной связью происходит не каким-то чудесным образом, а за счет затрат дополнительной энергии (энергии электрического источника питания системы, специальных датчиков стояния системы и новых алгоритмов работы системы - уровня сложности системы), вносящих целенаправленные, своевременные, строго дозированные осмысленные дополнительные воздействия в систему с целью снижения роста её энтропии
Реализация всех указанных выше новых функций системы связи или управления требует не только дополнительных затрат энергии, но и определенной потери информации, поскольку любая следящая система требует небольших отклонений от оптимального состояния – требуется, так называемая, ошибка слежения.
При решении ряда задач, эта ошибка слежения может быть на много меньше тех искажений (ошибок) передаваемого сигнала в системе, которые могут, заранее неизвестным и непредсказуемым образом, возникать в системе передачи сигнала.
Современные датчики различных физических процессов и сигналов, а также возможности современных компьютеров могут обеспечить высочайшую точность слежения за протеканием различных процессов и управлением различных устройств и систем в мире машин так, что ошибкой слежения можно пренебречь, поскольку она будет близка к нулю.
Например, неравномерность АЧХ собственно акустического канала связи бытового помещения или салона автомобиля в реальных ситуациях составляет порядка плюс/минус 10- 20 dB, а неравномерность АЧХ вносимого грамотно сконструированным автоматическим эквалайзером, разработанном на современной электронной базе может составлять не более плюс/минус 0,1-0,2 dB.
Поэтому использование автоматического эквалайзера дает ощутимый (заметный на слух) положительный эффект и резко повышает качество всей звуковоспроизводящей системы.
В отличие от фундаментальных, классических законов природы новый фундаментальный закон природы удалось запатентовать в Российской Федерации в вышеуказанной группе изобретений, поскольку он изложен не в виде абстрактной математической или физической модели (формул), которые, как известно, не являются патентоспособными объектами, не в виде философских умозаключений или абстрактных конструкций, а в виде промышленно применимых технических решений.
В изобретениях он описан в качестве новых способов передачи сообщений любой физической природы и новых систем и устройств.
В качестве примера такой системы связи, в этих изобретениях, как уже указывалось, подробно описана система высококачественной передачи звуковых сообщений в специально не приспособленном для этого помещении при наличии помех. В этих технических решениях подробно рассмотрены функциональные схемы всех основных узлов оптимального согласованного фильтра на уровне связанных между собой элементарных, общеизвестных всем специалистам узлов (различных фильтров, линий задержек сигналов, детекторов сигналов, интеграторов, коммутаторов, делителей сигналов, усилителей, сумматоров сигналов и т.д.).
В изобретениях также подробно описана во временной области последовательность прохождения сигналов в тех или иных узлах и взаимодействие отдельных узлов системы друг с другом.
Такой способ пояснения представляется наиболее наглядным и понятным для специалистов, чем, например, совокупность многостраничных математических формул, описывающих прохождения сигналов в указанных выше элементарных узлах.
Понятно, что описанные в изобретениях технические решения можно описать в виде программы для компьютера. Эта задача не решалась в рамках патентования изобретений. Но при соответствующем финансировании может быть решена примерно за год-два.
С использованием обратной связи нового типа возможно создание более совершенных автоматических переводчиков с одного языка на другой язык (патент РФ № 2571588 «Электронное устройство для автоматического перевода устной речи с одного языка на другой»). С помощью одного устройства – типового смартфона дополненного новыми устройствами для ввода и вывода акустической информации, а также новым программным обеспечением с алгоритмами оптимальной обработки сигналов, можно реализовать режим общения между человеком обладающим таким устройством и человеком, не обладающим таким устройством в наиболее естественном виде. Как будто люди говорят на одном – их родном языке. При этом обеспечивается максимально возможная скорость перевода сообщений и их вывода на другой язык, а также подавление внешних сигналов и помех методами активного понижения электрических и акустических сигналов. Режим имитации общения между людьми, говорящими на различных языках с использованием одного электронного устройства по сравнению с аналогами достигается за счет введения в состав электронного устройства ряда новых функциональных (дополнительных) узлов для ввода и вывода акустических сигналов, формируемых говорящими людьми на различных языка (на входном и выходном языках);
Более детально с новыми системами связи и управления можно ознакомиться на сайте Роспатента (ФИПС) в разделе “Открытые реестры - изобретения”.
