Многоканальный анализатор спектра мощности случайных процессов

 

Воесо.взмах Мтеитно-техиичеотоНее

О Il

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (») 431902

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Доцолннтельное к авт. свид-ву (22) Заявлено18.09.73 (21)1959875/18-24 с присоединением заявки № (51) M. Ka.(;06) 15П4

Государстввииый комитет

Соввтв Мииистров СССР оо делам изобрвтвиий и открытий (23) Приоритет (43) Опубликовано25.08 75 Бюллетень Ме 31 (53) УДК 681.323:519. .2 (088.8) (45) Дата опубликования описания 18.11 у5

А. В. Зеленков (?2) Автор. изобретения (71) Заявитель Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола (54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

МО!ЦНОСТИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к специализиро-, ванным устройствам вычислительной техники, предназначенной для исследования стационарных случайных процессов, в частности для спектрального анализа. 5

Известны многоканальные спектральные анализаторы, ссдерж пине электронный коммутатор, цодклк>ченный к блоку регистрации, блок управления, приемный блок, соединенный с квацратурным фазоврашателем канала,,10 два синхронных фильтра квадратурныхсоответствуюших, управляющие входы которых под-. ключены к генератору импульсов, а выходы соединены через клкчи с соответствующими квадраторами, а так же генераторы гармо- 15 нических колебаний.

Однако эти анализаторы требуют подктпочеиия в каждый канал генератора гармонического колебания с синусньь«и косинусным выходами и применения коммутируемых 20 резистивно-конденсаторных фильтров для интегрирования и отдельных блоков умножения.

Бель изобретения — упрощение схемы устройства. Достигается это благодаря тому, что анализатор содержит в каждом канале усредняюший синхронный фильтр, информационнь е входы которого подключены к выходам соответствуюших квадраторов данного канале, управляюшие входы подключены к блоку управления, соединенному с управляющими входами соответствуюших ключей, выходы квадратурного фазоврашателя подклк>чены к соответствуюшим фильтрам квадратуриых составляющих.

На фиг. 1 показана структурная блоксхема анализатора спектра; на фиг. 2— приведены временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Блок-схема содержит приемный блок 1, в состав которого входит калиброванный аттенюатор, генератор частотных калибрационных меток (стабильный генератор импульсной последовательности с частотой соответствуюшей цене основных частотных меток), перестраиваемый генератор гармонического колебания с калиброванной амплитудой, согласуюшее устройство на выходе (эмиттерный повторитель), сумматоры сигналов, которые подаются на вход непосредственно

481902 анализа.юра спектра и т. д.; квадратурный фазовр:платель 2, поддерживающий равенство амплитуд и постоянство фазового сдвига, равного 90о, между двумя сигналами в полосе исследуемого сигнала, в состав кото- 5 рого входят полосовой фильтр, ограничивающий полосу исследуег-ого сигнала от частоты повторения импульсов генератора в первом канале t< до частоты генератора в последнем (n — 3)-ем канале f„, мень-10 шей 2f> на величину 4 /, ряд смесителей и генератор $15 -го и CP$ -го гетеродинных сигналов, фазоврашатель на 90о, генератор вспомогательного пилот-сигнала э схема регулировки по пилот-сигналу постоянства фазового сдвига 90о, схема регулировки по пилот-сигналу равенства амплитуд; синхронные ЯС-фильтры 3 и 4 первого канала; генератор 5 периодической после- О довательности видеоимпульсов первого канала с частотой следования f . соответ1 ственно синхронные Я С-фильтры 6 и 7, 8 и импульсный > енератор i -ro канала; соответственно синхронные Я С-фшп.тры 9 и

10, 1 1 и импульсы генераторов (П вЂ” 3)-го канала с частотой следования импульсов

; клк>чи 12 и 13 на выходе синхронных ЯС-фильтров в 1-ом канале; квадраторы 1 4 и 15 первого канала; ключи 16 и 17 и» выходе синхронных 9 С-фильтров в j, -ом канале; квадраторы 18 и 19 g -ro канала; ключи 20 и 21 на выходе синхронных Р,С-фильтров в (И вЂ” 3)-ем канале; квадраторы 22 и 23 (Я вЂ” 3)-ro канала", соответственно синхронные усредняющие

R С-фильтры 24, 25 и 26 — соответственно 1, С и (И- 3}-ro каналов; электронный коммутатор 27, представляющий собой многоключевую (f1 — 3 ключей) схему, с по- 40 мощью которой поочереди берутся выборки из выходного напряжения синхронного усредняющего Р, С-фильтра 1, (FE- 3)-ro каналов с периодом взятия выборок в каждом канале равным NTo; блок 45 регистрации 28, в качестве которого может быть использовано любое устройство записи видеоимпульсных сигналов, или видеоиндикатор на электроннолучевой трубке; блок управления 29, с помощьк которого Sp осуществляется коммутация ключей 12 и

13, ..., 16 и 17, ..., 20 и 21... синхронных усредняющих К С-фильтров 24, 25,... 26, управление электронным коммутатором и запуск развертки 55 блока регистрации 28.

Рассмотрим принцип действия предлагаемого аналогоцифрового многоканального анализатора спектра мощности.

Для упрощения анализа можно считать, «(бО что синхронные Я С-фильтры представляют) собой идеальные коммутируемые сумматоры, без ослабления; ключи имеют коэффициент передачи равный 1; квадраторы идеально выполняют операцию возведения в квадрат без ослабления„усредняющие синхронные фильтры представляют собой идеальные коммутируемые сумматоры без ослабления; клкчи электронного коммутатора имеют 1 коэффициент передачи, равный 1; амплитуда коммутирукнпих импульсов, поступающих на синхронные Я С-фильтры, равна 1.

Входной сигнал с выхода приемного блока 1 поступает на квадратурный фазовраt щатель 2, на двух выходах которого возникают две взаимно ортогональные составляющие с амплитудой, соответствующей входному сигналу при сохранении исходного сдви-, га фаз (естественно, что фазовый сдвиг между выходными сигнала ми блока 2 равен 90о). Косинусная составляющая подается на синхронные Я С-фильтры 3, ..., 6, 9 вещественной части всех (tt — 3) каналов, а синусная составляющая на синхронные ЯС-фильтры 4, ..., 7, ... 10, мнимой части всех (g 3) каналов. С помощью синхронных Я С-фильтров берутся выборки очень короткой длительности из входных сигналов с частотой импульсов генераторов

5, ..., 8, ..., 11 соответственно 1, ... (11- 3)-ro каналов. Эти выборки заломинаются на весь период соответствующей импульсной последовательности и складыBd3otcB со следующей выборкой. Для унрощения анализа можно считать, что выборки запоминаются и суммируются с весовым коэффициентом равным 1. На самом целе на конденсаторе С синхронного фильтра запоминается напряжение, пропорциональное выборкам с весовым коэффициентом гораздо ф меньшим 1, а суммирование в первом приближении изменяется по экспоненте и, чем больше постоянные времени заряда конден-. сатора С в сравнении с длительностью импульсов коммутации, а постоянная времени разряда того же накопительного конденсатора в сравнении с периодом повторения тех же коммутируемых импульсов, тем ближе весовой коэффициент суммирования к 1, а само суммирование к равновесному.

Частота коммутирующей импульсной последовательности генератора 5 в первом канале 63< = Я., а частота повторения импульсов генератора 11 в (g- 3)-ом канале <О =2 Я . -— "=(чем определяется

Лсоотношение частот М4 и М поясняется ниже). Частоты коммутирующих импульсных последовательностей в соседних каналах отличаются друг от друга на величинуЯ)ц.

481902

Этот сигнал через -ый ключ электронного коммутатора 27 поступает на блок регистрации 28.

Блок управления 29 формирует две коммутирующие импульсные последовательности, одна из которых управляет первой парой — синхронный усредняюший фильтр и ключ в вещественной части каждого канала (12 и 24, ..., 16 и 25, ..., 20 и 26) и вторая управляет второй парой — тот же синхронный усредняюший фильтр и ключ в мнимой части каждого канала (13 и 24, 17 и 25, ..., 21 и 26), с периодом повторения импульсов в каждой последовательности Т и со сдвигом во времени о

Т С< Т одной последовательности относисд тельно другой. Кроме того, с помошьк блока 29 формируется пачки из tl, — 3 коммутирующих импульсов, поступающих на ключ электронного коммутатора 27 с периодом внутри пачки Т << То и с периодом Т =

NT . о.

Работает анализатор следующим образом.

Гармонический сигнал после прохождения приемного блока 1 подается на квадратурный фазоврашатель 2 и на его выходе по- является два сигнала равной амплитуды с частотой f и разностью фаз 90о. Эти

1 сигналы с начальной фазой, соответственно равной 36о и 54о, показаны на диаграммах а и б (см. фиг. 2)

На диаграмме в показан импульсный сигнал генератора 5 первой пары квадратурных каналов (частота следования f < ).

Импульсы генератора 5 подаются на коммутируемые (управляющие) входы синхронных Я С-фильтров первой пары каналов 3 и 4. Во время действия этих импульсов происходит взятие выборки из сигналов на выходах блока 2, запоминание ее и суммирование с предыдущими выборками на конденсаторах фильтров 3 и 4. Так как частота сигнала на входах квадратурных каналов равна частоте импульсов генератора пер-! вой парь 5 и накопление равновесно, то изменение напряжений на конденсаторах синхронных R С-фильтров 3 и 4 будет ступенчатым с постоянной величиной и знаком ступеньки, зависящими от фазы гармонических сигналов в момент прихода импульсов. Процесс накопления показан на диаграммах Г и д .

При равновесном накоплении для ограничения числа накапливаемых выборок в

< --й паре каналов величиной f1 необходимо периодически через время То производить сброс накопленного напряжения до нуля. Однако в этом нет необходимости, если накопление не равновесное, а с весом меньше единицы, т. е. закон накоплеРассмотрим работу g -ro канала. Частота импульсной последовательности в I, -ом канале

Ю.=M + (-i) = (Ь+ -1), 52 «5t

1 и tl 5

С частотой Ю из взаимноортогональных составляющих входного сигнала j -го канала берутся очень короткие по длительности выборки и осуществляется их суммирование на К -ом интервале накопления. ц)

Для получения постоянной по всему диапазону разрешающей способности длительность интервала накопления То для всех каналов должна быть одинакова, но тогда будет изменяться от канала к каналу число на- )5 капливаемых выборок в соответствии с изменением М . С изменением числа накапливаемых выборок при Ж = 0 (=1, (-3) должна изменяться пропорционально произведению (Ц) . То) 2 и амплитуда 20 выборок, подаваемых после усреднения (t = Я То) с выхода синхронных усредняюших фильтров 24, ..., 25, ..., 26 на блок регистрации.

Для исключения указанной зависимости 25 от номера канала целесообразно коэффициент передачи пары синхронных фильтров в каждом канале (3 и 4 — в первом, ..., 6 и 7 — в L -ом, ..., 9 и 10 — в(й,-3)-ем канале) сделать обратнопропорциональным числу выборок накапливаемых в -канале — 1 . Этого легко добиться либо подбором длительности коммутирующих импульсов генераторов 5, ..., 8, ..., 11 (изменяется время заряда конденсаторов синхронных фильтров) при одинаковых постоянных времени цепей заряда и разряда конденсаторов С в синхронных фильтрах, либо подбором постоянных времени при неизменной длительности коммутирующих 4О импульсов.

Можно показать, что необходимое число каналов для анализа сигналов в полосе частот Я. при интервале накопления T равно Д

45 й=

Сумма квадратов напряжений, полученных в 1 канале на К интервале накопления запоминается в синхронном усредняю- . шем фильтре 25 и через время То складывается со следующей суммой квадратов вы-, борок, так что к концу интервала усреднения Т = и То при коэффициенте передачи фильтра 25 обратнопропорциональном Й (при большом И ) будет составлять

55 где 6 — среднеквадратическое отклонение амплитуды Ак .ВхойнОго сигнала.

60

481902

Ф иом . П и этом — вто ой и на Д вЂ” последней 9-ой

Предмет изобретения г

35 ния близок к экспоненциаль У р напряжение на конденсаторе за время То достигает 0 9 от максимального синхронно накапливаемого напряжения.

Сброс накопленного напряжения на конденсатор торах синхронных ЯС-фильтров (для первои па

" пары каналов — это фильтры и производится после считывания этого на пряжения импульсами, пос уп т ающими от блока управления 29 на клкчи 12

2и13

16 и 17, ..., 20 и 21, которые вы° ° ° ю полняют функции устройств считывания и сброса на "0". Импульсы считывания (они же с небольшой задержкой импульсы сбро- .

1. „ „," са) показаны на диаграммах для ключевых 15 схем 12, ..., 16, ..., 20 и ключей 13, 1 7 ... 2 1. Эти импульсы с подуют с периодом То. 11» диаграммах, и показаны считанные импульсы на выходах ключевых схем 12 и 13 соответственно, ампли- щ туда которых равна (прямопропорциональна) накопленному напряжоник .

Считанные импульсы поступают на квадраторы 14 и 15, f1» диаграммах Н р и Il показаны импульсы, прошедшие квадрато- 25 ры (иа фиг. 2 амплитуда импульсов прямо пропорциональна киадр»ту импульсов Э, H ).

Эти импульсь. поступают далее на MeihK ) и»льный сумматор 24, с помощью которо-! го амплитуд» импульсов:ипоминается и 30 суммируется, что показано Н» диаграмме tl

На диагр»мм»х tl, О и f) показаны импульсы опрос» выходов к:) кдой квадратурной пары к»нилов: н» П вЂ” первой, на

О р пары.

Результат опроса всех пар каналов на выходе электронного коммутатора 27 представляет собой ряд импульсов (по числу пар каналов) амплитуда которых изменяется по

В

3 закону, близкому к 8И Х/хй, как показано на диаграмме

Многоканальный анализатор спектра мощности случайных процессов, содержащий электронный коммутатор, подключенный к блоку регистрации, блок управления, приемный блок, соединенный с квадратурным фазоврашателем, а так же в каждом канале два синхронных фильтра квадратурных составляющих, управляющие входы которых подключены к генератору импульсов, а выходы соединень, через ключи с соответствующими квадраторами, о тли ча ющ и йс я теь., что, с целью упрощения, анализатор содержит в каждом канале синхронный усредняюший фильтр, информационные входы которого подклкчены к выходам соответствуюпшх квадраторов данного канала, управляющие входы подключены к блоку управления, соединенному с управляющим входами соответствующих ключей, выходы квадратурного фазоврашателя подключены к соответствующим синхронным фильтрам квадратурных сосоставляюших.