Способ измерения малых отношений сигнал/шум и устройство для его осуществления

 

Использование: в области радиоизмерений, а именно измерение отношений сигнал/шум. Сущность изобретения: способ измерения малых отношений сигнал/шум включает узкополосную фильтрацию входного процесса, изменение фазы выходного процесса на 180^o с помощью коммутатора фазы и устройства управления и сравнение спектров выходного процесса с тем же процессом, но преобразованным с дальнейшем оценкой отношения сигнал/шум. Устройство измерения малых отношений сигнал/шум содержит узкополосный фильтр, устройство управления, коммутатор фазы, анализатор спектра и переключатель. 2 с. п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений, а именно к измерению отношений сигнал/шум.

Известен способ измерения отношения сигнал/шум путем частотной селекции принимаемой смеси сигнала и шума, нормирования ее по уровню, формирования из нее двух сумм сигнала с шумом, с зависимыми сигнальными составляющими, перемножения полученных сумм и усреднения результата перемножения, две суммы сигнала с шумом формируют в виде некоррелированных квадратурных составляющих смеси сигнала с шумом, поворачивают их по фазе по отношению друг к другу на 90^o (авт.св. N 1441334, Б.И.44.88 г.).

Известно также, устройство для измерения отношения сигнал/шум, содержащее последовательно соединенные первый квадратор, первый узкополосный фильтр, а также первый вычислитель и вычислитель отношений сигнал/шум, первый вход которого подключен к выходу первого вычислителя, введены n-входовой мультиплексор и n-каналов, каждый из которых содержит интегратор и соединенные последовательно вычислитель, квадратор, узкополосный фильтр, преобразователь и функциональный преобразователь, при этом выход первого квадратора соединен со входами интегратора и вычислителя первого канал, выход квадратора первого канала соединен со входами интегратора и вычислителя второго канала и так далее, выход квадратора n-го канала соединен со входами интегратора и вычислителя n-го канал соответственно, а выход интегратора каждого канала соединен со вторым входом вычислителя этого же канала соответственно, выход первого преобразователя подключен к первому входу мультиплексора, выход функционального преобразователя первого канала подключен ко второму входу мультиплексора и т. д. выход функционального преобразователя n-го канала подключен к n-му входу мультиплексора соответственно, выход которого соединен со вторыми входами первого вычислителя и вычислителя отношения сигнал/шум соответственно, а выход интегратора первого канала подключен также к первому входу первого вычислителя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения отношения сигнал/шум и устройство для его осуществления (авт.св. N 1529148 Б.И.46.89 г. ).

Способ измерения отношения сигнал/шум, при котором смесь сигнала и шума преобразуют с помощью нелинейного элемента с квадратичной характеристикой, производят измерение значений спектральной плотности мощности процесса на выходе нелинейного элемента в двух частотных диапазонах, границей разделения которых является половинное значение ширины спектра шума /сигнала/, вычисляют функцию от этих величин, по которой судят об искомой величине.

Устройство для измерения отношения сигнал/шум, содержит нелинейный элемент с квадратурной характеристикой, вход которого является входом устройства, последовательно соединенные первый квадратор, первый фильтр нижних частот и делитель, выход которого является выходом устройства, а также второй фильтр нижних частот, введенные первый полосовой фильтр, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу нелинейного элемента, и второй квадратор, а также вычитатель, первый вход которого подключен к выходу второго фильтра нижних частот, а выход ко второму входу делителя, при этом входы первого и второго полосовых фильтров подключены к выходу нелинейного элемента, выход первого полосового фильтра подключен к входу первого квадратора, а выход второго квадратора ко входу фильтра нижних частот.

Основным недостатком существующих измерителей отношений сигнал/шум, в том числе взятых в качестве аналога является низкая точность измерения в области малых отношений сигнал/шум, а именно в диапазоне 0 < C/Ш <3.

Однако, следует отметить, что нелинейный элемент является по сути амплитудным детектором. Поэтому, существует возможность, что отдельные компоненты спектров сигнала и шума будут детектироваться в режиме "слабого" сигнала, т.е. на нелинейной части ВАХ нелинейного элемента, в то время как другие будут детектироваться в режиме "сильного" сигнала. Это обстоятельство будет оказывать существенное влияние на точность измерения. Для устранения вышеизложенного источника погрешности необходимо либо предусмотреть предварительное усиление смеси сигнала и шума для обеспечения детектирования в режиме "сильного" сигнала, либо применить другой способ преобразования входного процесса.

Задача изобретения упрощение реализации и повышение точности измерения в области малых отношений сигнал/шум, по сравнению с прототипом.

Задача решается использованием нового принципа преобразования входного сигнала посредством изменения фазы ВЧ-составляющей и поэтому соответствующей критерию "новизна", и критерию "изобретательский уровень".

Задача решается тем, что в способе измерения отношения сигнал/шум отношения сигнал/шум, включающем узкополосную фильтрацию входного широкополосного процесса, изменяют фазу выходного узкополосного процесса на 180^o при переходе огибающей узкополосного процесса через нуль, с помощью коммутатора фазы и устройства управления, и сравнивают спектры выходного узкополосного процесса и того же процесса, но преобразованного коммутатором фазы, посредством анализатора спектра производят оценку отношения сигнал/шум по различию в формах спектров выходного узкополосного процесса, преобразованного коммутатором фазы.

В устройстве задача решается тем, что в устройство измерения отношений сигнал/шум, содержащем узкополосный фильтр, введены устройство управления, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора фазы, выход которого соединен с анализатором спектра, через переключатель, вторая клемма которого соединена со входами коммутатора фазы и устройства управления и выходом узкополосного фильтра, а вход узкополосного фильтра является входом устройства.

Большинство радиотехнических систем являются как правило узкополосными, для которых справедливо следующее условие: Δf≪ f_пр (1) , где Δf ширина спектра выходного сигнала, Δf_пр промежуточная частота приемно-регистрирующей системы.

Как следует из (Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М."Советское радио", 1966) [1] при воздействии на такую систему стационарных флуктуаций с широким спектром на выходе в общем случае имеем узкополосный шум ζ(t). Флуктуации ζ(t) можно представить в виде гармонического сигнала, случайно модулированного по амплитуде и фазе ζ(t) = A(t)cos[ω_ot+ϕ(t)] (2) A(t) и ϕ(t) медленно изменяющиеся функции по сравнению с cosω_ot, представляющие огибающую и случайную фазу узкополосного процесса.

Если на выход узкополосной системы подается нормальный широкополосный шум, то выходной процесс ζ(t) и огибающая A(t)будут также нормальными с нулевым средним значением [1] т.к. выходной сигнал является линейным преобразованием входного нормального процесса.

Рассмотрим структуру узкополосного процесса. Представим огибающую A(t) в виде разложения в ряд Фурье: так как A(t) нормальный случайный процесс с нулевым средним значением, то нулевой член разложения отсутствует.

С учетом этого разложения узкополосный процесс может быть представлен так:
Как следует из (4), узкополосный процесс по своей структуре является АМ-сигналом с подавленной несущей.

Из полученной формулы следует, что выходной процесс представляет собой результат биения двух сигналов соответствующих боковым полосам. Из теории колебаний известно, что в результате биений двух колебаний результирующий сигнал при переходе огибающей через 0 меняет фазу ВЧ-составляющей на 180^o.

Наличие перескоков фазы узкополосных случайных сигналов известно из теории узкополосных сигналов [1]
Если изменить фазу ВЧ-составляющей узкополосного процесса на 180^o, при переходе огибающей через 0, то структура его изменится и будет соответствовать АМ-сигналу с несущей.

Спектры АМ-сигнала с несущей и без нее имеют явные различия (фиг.1).

При подаче на коммутатор фазы смеси узкополосного шума и сигнала ширина выходного спектра связана с отношением сигнал/шум следующей зависимостью (фиг.2).

Таким образом, сравнивая спектры сигналов на входе и выходе коммутатора фазы можно достаточно точно определить отношение сигнал/шум в диапазоне 0 < С/Ш < 3.

Сравнение может производиться либо по ширине спектра, либо по амплитуде спектральных составляющих.

Указанный способ измерения малых отношений сигнал/шум может быть реализован при помощи устройства схема которого приведена на фиг.3.

На фиг.4 изображена принципиальная схема устройства управления.

Устройство (фиг. 3) состоит из узкополосного фильтра 1, соединенного с анализатором спектра 2 через коммутатор фазы 3 и переключатель 4 и с управляющим входом коммутатора фазы 3 через устройство управления 5. Переключатель 4 имеет два положения 6 и 7; в положении 6 узкополосный фильтр 1 соединен непосредственно с анализатором спектра 2, в положении 7 узкополосный фильтр 1 соединен с анализатором спектра 2 через коммутатор фазы 3.

Измерение по предлагаемому способу с помощью устройства осуществляется следующим образом.

На вход узкополосного фильтра 1 подается смесь сигнала и широкополосного шума. На выходе узкополосного фильтра 1, в общем случае будем иметь сигнал, представляющий собой смесь сигнала и узкополосного шума. При переходе огибающей выходного процесса узкополосного фильтра 1 через 0, устройство управления 5 подает управляющий сигнал на коммутатор фазы 3. Под действием управляющего сигнала коммутатор фазы 3 изменит фазу выходного процесса узкополосного фильтра 1 на 180^o.

На экране анализатора спектра 2 наблюдаем спектр узкополосного сигнала (переключатель 4 в положение 6) соответствующий полосе пропускания узкополосного фильтра 1 и расширенный спектр преобразованного узкополосного процесса (переключатель 4 в положение 7), и осуществляем оценку отношения сигнал/шум.

Следует также отметить, что узкополосный фильтр 1 может быть заменен любой узкополосной системой, для которой необходимо измерить отношение сигнал/шум на ее выходе.

Таким образом, в предлагаемом способе измерение отношения сигнал/шум по сравнению с прототипом позволяет достичь более высокой точности измерения, требует меньших материальных затрат и позволяет использовать стандартное оборудование (см. с.2, абзац 4).

В качестве узкополосного фильтра 1 может быть применен любой узкополосный фильтр, например собранный по схеме рис.5.19а (Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. М. Радио и связь, 1988 Массовая радиобиблиотека: Вып. N 1125), коммутатор фазы 3 по схеме 6.1б (Соколинский В. Г. Шейкман В.Г. Частотные и фазовые модуляторы М. Радио и связь, 1983 г.).

В качестве анализатора спектра 2 может быть применен анализатор спектра С4-27 или С4-74 (Радиоизмерительные приборы. 1982 г. Каталог проспект. Центральный отраслевой орган научно-технической информации ЭКОС. М. 1981 г. с. 140).

Устройство управления 5 может быть выполнено по схеме фиг.4. Выходной сигнал через конденсатор С1 подается на эмиттерный повторитель собранный на элементах R1, R2, T1, R3. С выхода эмиттерного повторителя сигнал поступает на АМ-детектор на элементах Д1, Р4, С2.

Далее продетектированный сигнал подается на "детектор нуля", основой которого является компаратор ДД1.

Резистор R5 в сочетании с диодами Д2 и Д3 ограничивает размах входного сигнала. Резистивный делитель служит для того, чтобы ограничивать отрицательные значения на уровне -0,3 В, для нормальной работы компаратора.

Резисторы R9, R10 определяют ширину петли гистерезиса, а резистор R7 необходим для установки порогов срабатывания компаратора симметрично относительно земли. Сопротивление R1 берется по возможности большим по сравнению с сопротивлениям других резисторов входного делителя для того, чтобы входное сопротивление "детектора нуля" сохраняло постоянное значение и не оказывало влияния на работу АМ-детектора. Выход компаратора ДД1 подключается непосредственно к управляющему входу коммутатора фазы.

Формула изобретения

1. Способ измерения малых отношений сигнал/шум, включающий узкополосную фильтрацию входного широкополосного процесса, отличающийся тем, что фазу выходного узкополосного процесса изменяют на 180^o при переходе огибающей узкополосного процесса через нуль и сравнивают полученный спектр со спектром выходного узкополосного процесса до преобразования, затем производят оценку отношения сигнал/шум по различию в формах спектров исходного и преобразованного узкополосного процесса.

2. Устройство измерения малых отношений сигнал/шум, содержащее узкополосный фильтр, вход которого является входом устройства, отличающееся тем, что введены блок управления, коммутатор фазы, переключатель и анализатор спектра, вход которого соединен с выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, входом коммутатора фазы и входом блока управления, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора фазы, выход которого соединен с вторым входом переключателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4