Спектроанализатор

 

СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР, содержащий блок сравнения, первый и второй фильтры нижних частот,, первый квадратор, сглаживаю1 1ий фильтр, выход которого подключен к входу блока усреднения, выход которого является информационным выходом спектроанализатора , отличающийся тем, что, с целью повьшения точности, в него введены первьй и второй блоки умножения, второй квадратор и сумматор , выход которого подключен к входу , сглаживающего фильтра, выход блока сравнения подключен к входу первого фильтра нижних частот, вькод которого подключен к входу первого квадратора и первому, входу первого блока умножения, выход которого подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу второго квадратора и первому входу второго блока умножения , выход которого подключен к пер (Л вому входу блока сравнения, второй вход которого является информационным входом спектроанализатора, выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, а вторые входы первого и второго блоков умножения соединены и являются входом задания частоты спектроанализа тора. о ND ЭО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

I (19) (11) 4(51) С 06 F 15 332

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3645581/24-24 (22) 27.09.83 (46) 15.02.85. Бюл. Р 6 (72) Н.Ф.Афанасьев и В.А.Блинов (71) Лаборатория аэрометодов Производственного геологического объединения "Аэрогеология" и Центральныи ордена Знак Почета научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии им. Ф.H.Êðàñîâского (53) 681.32 (088.8) (56) 1.Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. Л., "Энергия", Ленинградское отделение, 1979, с. 266.

2.Мизин И.А., Матвеев A.À. Цифровые фильтры. M., "Связь", 1979, с. 191 (прототип). (54) (57) СПЕКТРОАНАПИЗАТОР, содержащий блок сравнения, первый и второй фильтры нижних частот,.первый квадратор, сглаживающий фильтр, выход которого подключен к входу бло— ка усреднения, выход которого является информационным выходом спектроанализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены первый и второй блоки умножения, второй квадратор и сумматор, выход которого подключен к входу. сглаживающего. фильтра, выход блока сравнения подключен к входу первого фильтра нижних частот, вьмод которого подключен к входу первого квадратора и первому, входу первого блока умножения, вьмод которого подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу второго квадратора и первому входу второго блока умножения, вьмод которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого является информационным входом спектроанализатора, выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, а вторые входы первого и второго блоков умножения соединены и являются входом задания частоты спектроанализатора.

114012(Ч

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для аппаратурного определения характеристик случайных процессов. 5

Известен спектроаналиэатор, содержащий устройство, реализующее обобщенное преобразование Фурье, квадраторы, блоки осреднения по времени (нормирующее устройство), а также компаратор, источник обраэцовогп сигнала и устройство..управления (1J .

Недостатком этого спектроанализатора является сложность его аппаратурной реализации, что вызВано глав- 15 ным образом сложностью устройств, реализующих обобщенное преобразование Фурье, в состав которых входят генератор базисных Аункций, перемножающее устройство, накапливающий сумматор (интегратор) и норчирующее устройство.

Наиболее близким к предлагаемому является спектроанализатор, содержащий два встречно включенных Аильтра 25 нижних частот с перестраиваемыми частотами среза, имеющих общий вход, являющийся входом спектроанализатора, два блока программного изменения частот среза Аильтров, два блока сравнения, входы первого из которых соединены с выходами Аильтров нижних частот, и последовательно соединенные между собой квадратор, вход которого соединен с выходом первого блока, сравнения, сглаживающий фильтр, который состоит иэ накапливающего сумматора -и блока усреднения по времени, и блока усреднения по ширине полосы пропускания, выход которого является выходом спектроанализатора. Входы второго блока сравнения в известном спектроанализаторе соединены с регистрами частот среза Аильтров нижних частот, а выход подключен 45 к блоку усреднения по ширине полосы пропускания.

На выходе первого блока сравнения в рассматриваемом спектроанализаторе, формируется составляющая Х(Я0; t) исследуемого процесса X(t), соответствующая.интервалу частот 503=M -Ыс,, 10

20 где рат "Ц + — Q =Я

С2 0 2 С2 0 2

55 частоты среза Аильтров нижних частот;

Q0 — центральная. частота, формируемые в блоках программного. изменения

1 + Т2"ы 2h

2 т

2 где X — коэфАициент усиления, а Т постоянная времени Аильтра, определяющие его частоту среза 6), Для определения минимально возможной полосы пропускания д(,1р образованной двумя встречно включенными Аильтрами, удовлетворяющими условию (1) нужно взять

Н (iu), имеющую производную .с наибольшим порядком нуля, т.е.

Нт(iQ),я П

1 +лт Q

Для частотной характеристики

9 (i системы двух .встречно, включенных фильтров .нижних частот, вследствие близости их частот среза, справедливо выражение

%Я1= Н дт ((ч)-н дт(б ы) .--ат — н (й()) =

3 т- — т+ — ат т

2 2 пъ т т

)) у 11 (т" Myl ) 2. откуда частот среза. С помощью квадратора и сглаживающего ()ильтра вырабатывается сигнал Л(Хе(и,,т.)) Лисперсии выходного сигнала Хд д)0, t) первого блока .сравнения, из которого затея после преобразования в блоке усреднения по ширине полосы проп ска:-)ия Аорт мируется выходной .сигнал Б „(() ) спектроанализатора, представляющий собой оценку спектра Б (Ыо) исслецуеиого процесса Х(С) 7) .

Недостатком такого спектроанализатора является его невысокая точ— ность. Это является следствием того, что полоса пропускания 6(), образованная двумя встречно )ключенными физически реализуемыми Аильтрами

|нижних частот, неограниченно возрастает при,увеличении центральной частоты Q 4

Последнее утверждение можно обосноватьр рассмотрен часто встречающийся на практике случай, когда в качестве низкочастотных Аильтров в спектроанализаторе используются т.н. фильтры Баттерворта, частотные характеристики Нт(iz) которых удовлетворяют условию

3 1140

Максимальное значение /Ф(i ta) / достигается очевидно, при и =1/Т. Поэтому Т = I/O . Полоса прппускания

Ь»»1 =(d — G3» определяется, KBK H3 вестно,из уравнения вида 5 (3)

2 которое с учетом (2) может быть преобразовано к виду

10 — -6 — 1=0

Следовательно, (И И (f2»»g ьь) (6 и,„;,» = (3»2Я -(3-2421 . о 15

Таким образом,. полоса пропускания двух встречно включенных низкочастотных фильтров .неограниченно возрастает при увеличении центральной частоты » и этот рост может быть умень- gg о шен (но не устранен) .только путем повышения порядка и фильтров, что вместе с тем приводит к усложнению спектроанализатора.

Цель изобретения — повышение точ-.25 ности спектроанализатора.

Поставленная цель достигается тем, что в спектроанализатор, содержащий блок сравнения, первый и второй фильтры нижних частот, первый квадратор, сглаживающий фильтр, выход которого подключен к входу блока усреднения, выход которого является информационным выходом спектроанализатора, введены первый и второй блоки умножения, второй.квадратор и сумматор, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход блока сравнения подключен к входу первого-фильтра нижних частот, выход которого. подключен к входу первого квадратора и первому входу первого блока умножения, выход которого подключен.к входу второго фильтра нижних частот, выход которого 45 подключен.к входу второго квадратора.и первому-входу второго блока умножения, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого является информационным входом спектроанализатора, выходы первого и второго квадраторов подключены .соответственно к первому и второму входам сумматора, а вторые входы первого и второго бло- 55 ков умножения соединены и являются входом задания частоты спектроанализатора.

128 4

Отказ от схемы встречного включения фильтров нижних частот в данном спектроанализаторе.и включение вместо этого одного фильтра нижних частот в цепь отрицательной .обратной связи другого, а также формирование оценки

Б (64) спектральной плотности

Б (ц ) исследуемого процесса X(t) на основе суммы дисперсий выходных сигналов фильтров .нижних частот обеспечивают независимость полосы пропускания 4 ц системы фильтров от- центральной. частоты Мо и позволяют тем самым достичь более высокой точности. определения упомянутой оценки.

На чертеже представлена функциональная схема спектроанализатора.

Этот спектроанализатор содержит блок сравнения 1, фильтр нижних частот 2, блок умножения 3, фильтр нижних частот 4, блок умножения 5,. вход задания частоты 6, квадраторы 7 и 8, сумматор 9., сглаживающий фильтр 10, блок усреднения (по ширине полосы пропускания) .11.

Спектроанализатор работает следующим образом.

Центрированная реализация исследуемого случайного процесса X(t) подается на первый вход блока сравнения на второй вход которого подается сигнал отрицательной обратной связи

Х >(t), которым является выходной сигнал блока умножения 5, управляемого по входу задания частоты 6.

Сигнал X(t) с .выхода блока сравнения

X (t) = X(t) — Х (t)

5 подается на вход фильтра нижних частот 2, где формируется. сигнал XZ(t), поступающий затем на вход квадратора

7 и в цепь обратной связи, т.е. на вход блока умножения 3, управляемого также по ходу задания частоты 6. Выходной сигнал X (t) блока 3

x (t) - тимох (е) поступает на вход фильтра нижних частот 4, который вырабатывает. сигнал X4(t). Сигнал X4(t) подается. на входы соответственно квадратора 8 и блока умножения 5, который и формирует сигнал обратной связи

5(й) = Т (до X 4(t) °

1140128

T4) О (7) (,1.<Т1<,1) Т Ц2 (9) 45 (10) Х (t) мГХ9(t)j

55 (11) получим

Таким образом,. система фильтров нижних частот. в данном спектроанализаторе имеет два выхода, которыми являются выходы фильтров 2 и 4. При этом поскольку частотные характеристики <<р (2.а) и Ф,1 (2.ы) фильтров 2 и 4 г имеют вид (4) ж (i )=<4(i4 1„ „

10 а частотные характеристики блоков

3 и 5

Ф1(<ц)= P5(«д)=тц, (5) то частотная характеристика ф (ы, ) системъ<.низкочастотных фильтров по первому выходу

1 <. Т1 <.д ф(;ы1=а, „, 2,„2„2 1. (6) 20 а частотная характеристика Фп(со) . системы фильтров, нижних частот по второму выходу

Сигналы Х (t) и Х1() преобразуют2 ся в квадраторах 7 и 8 соответствен- 30 но в сигналы

Х (t) = X (t) Х (t) = Х4(), (8)

< 1 8 которые подаются затем на входы сумматора 9, где формируется. сигнал

Х (Е) = Х (С) + Х8()

9 поступающий -далее. на вход сглажива- 40 юп1его фильтра 10.. Сглаживающий фильтр 10 вырабатывает .оценку X

Из соотношений (8) и (9) следует у что

50 (у < )) - M(X (tl + х1

Х (t) = Х (t) + X<(t).

<« (Х««)) М(Х(Ц Х (t))=of@ >j (12) где + обозначает комплексно сопряженную величину, à D — символ дисперсии.

Из соотношений (6),(7) и (11) вытекает следующее выражение для частной характеристики << (Ы) системы фильтров нижних частот по отношению к комплексному сигналу

1+Т<И+Т<4)0 . ф(<ы)Л,(<ы) „(

1 T (u-u,) (13) Тогда в соответствии с теорией стационарных случайных процессов, а также в силу равенств (10) и (12) можно записать

<М

>pi(i=v(x(tl)-j/>(iu>i< s,i.lJ.=

-СО

,(Ы

= ® „2 Р < (14)

< " о.

Сигнал X

<4T

Хи(Ц =„— „, Х„(Ц) (15) < э 2 и принимается эа оценку Р (у) спектК ральной плотности -"„(Ìp) исследуемого процесса X(t) на центральной частоте Яо.

Таким образом, вследствие (14) и (15) для достаточно больших Т

«T 5, (<.<) ((<«О1 я

О <(14T (QM )2

Со (16)

gT с) Ы

==,(М,= М

1 Т2(я — И)2

Техническое преимущество данного спектроаналиэатора перед известными аналогами состоит в более высоких точностных характеристиках. Зто объясняется тем, что полоса пропускания

gQ системы фильтров в данном спектроанализаторе, которая согласно (3) и (13) определяется выражением

А<4 = — — -р

Т не зависит от центральной частоты Яо и путем регулировки.Т может быть сделана какой угодно.

1140128

Тираж 710 Подписное.

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 265/38

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная,4

Составитель А.Баранов

Редактор Л.Авраменко Техред А.Бабинец Корректор В.Синицкая