Анализатор спектра

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ (61 ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 291079 (21) 2831357/18-21 (51) М. КЛ с присоединением заявки ¹

G 01 R 23/16

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 300781..Бюллетень № 28 (53) УДК 621. 317.757 (088.8) Дата опубликования описания 300781 (72) Авторы изобретения

А .А .Яремчук, П .П .Орнатский, H.Е.Тарабан и Н.И.Поворознюк (71) Заявитель (54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения спектра, взаимного спектра и коэффициента когерентности.

Известны анализаторы спектра с цифровой фильтрацией сигнала, содержащие входной аналого-цифровой преобразователь, блоки памяти, арифметический блок, вычислители и блок ввода весовой функции (1 °

Однако точность измерений таких анализаторов недостаточна.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 15 анализатор, содержащий входной преобразователь, умножитель, сумматоры, делители, блок сравнения и блоки памяти (2). .Недостатком известного анализа- 20 тора являются большие погрешности измерений, вызванные низким быстродействием.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной блок, фильтр верхних частот, аналоговый коммутатор, аналоговый блок 30 памяти, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода и первый блок памяти, подключенный ко входу второго блока памяти и ко входу умножителя, второй вход которого подключен к выходу устройства ввода весовых коэффициентов, а также два сумматора два делителя, два вычислителя, блок логарифмирования, блок управления и индикатор, причем выход преобразователя кода подключен одновременно ко второму входу второго блока памяти и ко входу блока Сравнения, второй вход которого соединен с выходом переключателя кодов, дополнительно введены три блока памяти и цифровой коммутатор, вход которого подключен к выходу умножителя, а выход соединен с последовательно соединенными первым сумматором, первым делителем, первым вычислителем, вторым сумматором, вторым делителем, третьим блоком памяти и индикатором, при этом третий блок памяти связан с блоком логарифмирования и вторым вычислителем, второй сумматор связан с четвертым блоком памяти, а выход первого сумматора подключен ко входу пятого блока памяти, выход которого соединен со вторым входом цифрового

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции

851282 коцз4утд ора. При этом устройство ввода весовых коэффициентов выполнена в виде последовательно соединенных блока ввода весовой Функции, блока памЩи 4феобразователя код-частота, адресногэ блока и второго блока ламя. ти, второй вхоц которого подключен ко второму выходу блока ввода, причем адресный блок связан с третьим блоком памяти.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого анализатора. Анализатор состоит иэ вхоциого блока 1, фильтра 2 верхних частот, аналогового коммутатора 3, аналогового блока 4 памяти, аналого-цифрового преобразователя 5, преобразователя 6 кода, блоков 7 и 8 памяти, умножителя

9, цифрового коммутатора 10, первого сумматора 11, первого делителя

12, первого вычислителй 13, второго сумматора 14, второго делителя 15, блока 16 памяти, индикатора 17, устройства 18 ввода весовых коэффициен» тов, блока 19 памяти, преобразователя

20 код-частота, адресного блока 21, блоков 22 и 23 памяти, переключателя

24 кодов, блока 25 сравнения, бяока

26 памяти, блока 27 логарифмирования, второго вычислителя 28, блока 29 управления и блока 30 памяти.

Анализатор работает следующим образом.

Входные сигналы поступают на входной блок 1, имеющий требуемые входное сопротивление и коэффициент усиления по каждому из каналов. Фильтр 2 верхних.частот отфильтровывает гармоники входного сигнала, частота которых больше максимальной. Далее сигналы поступают на вход коммутатора 3, который последовательно через. равные интервалы времени опрашивает все каналы, и мгновенное значение в момент опроса запоминается аналоговым блоком

4 памяти и хранится в течение времени преобразования аналого-цифрового преобразователя 5. Аналого-цифровой преобразователь 5 преобразует мгновенные значения аналогового сигнала в последовательный код, который затем преобразуется преобразователем

6 кода в параллельный код.

Выходной код преобразователя 6 кода, соответствующий определенному мгновенному значению входного сигнала в и-ом канале, сравнивается в блоке

25 сравнения с предварительно набранным на переключателе 24 кодом уровня запуска. Если мгновенное значение входного сигнала превышает заданный уровень,,на выходе блока 25 сравнения появляется управляющий сигнал, запускающий анализатор. При этом выходной код преобразователя 6 кода поступает на блоки 7 и 8 памяти,которые работают попеременно в режиме записи и в режиме считывания. Для разложения входных сигналов на.орто гональные базисные составляющие в анализаторе применена цифровая фильтрация сигнала. Для этого предварительно в блок 22 памяти импульсной пере ходной характеристики фильтра вводят через устройство 18 ввода функцию, в базисе которой происходит разложение сигнала. Частоты, по которым необходимо произвести разложение сигнала, заносят в блок 19 памяти кодов час-. тот с помощью устройства 18 ввода.

Анализ сигнала происходит последовательно во времени по всем частотам, хранящимся в блоке 19 памяти. Изменение фазы базисной функции осуществляют путем изменения начального адре15 са считывания. Изменение частоты базисной Функции, хранящейся в блоке

>22 памяти, осуществляют изменением частоты опроса ячеек этого запоминающего блока, т.е. тактовой частоты

Щ адресного блока 21 Для этого из блока 19 извлекают код очередной частоты, преобразуют в преобразователе 20 код-частота этот код в.частоту импульсов, поступающих на адресный блок 21.

Мгновенные значения входного сигнала, записанные в блоках 7 и 8, считывают последовательно через время Т с ячеек соответствующего каЗО нала и подают на умножитель 9. Синхронно, через время Тр считывают с блока 22 значения базисной функции по адресу, определяемому адресным блоком 21,и подают на второй вход

ЗЗ умножителя 9. Коды с выхода умножителя 9 передают через цифровой коммутатор 10 и накапливают в первом накапливающем сумматоре 11, Так как интервал времени, через который из4р меняется адрес в блоках 7 и 8, равен Т, интервал времени, через который изменяется адрес в блоке 22 памяти, переменный и определяется частотой, на которой идет анализ.

Кроме того, если объем выборки сигнала не равен количеству ординат базисной функции, то необходимо по окончании анализа по данной выборке по каждой частоте и переходе к анализу по следующей выборке по каждой часто те запомнить накопленное значение по данной выборке по каждому каналу и каждой частоте и адрес ординаты.

Время первого усреднения определяется произведением периода считывания

Я дискретных значений из блока 22 на число дискрет, записанных в этом блоке, т.е.

No.fч

Тус1 =

f 3Oft

4О

f где — - - - коэффициент сжатия инфорf

Зая мации блоками 7 и 8;

f — частота считывания информацииу

4$ Узап — частота записи информации.

851282

При этом с увеличением частоты ксследуемых гармонических составляющих йропорционально растет f < и уменьшается интервал усреднения Т„ . Этим достигается повышение быстродействия за счет уменьшения до минималько необходимого значения Т> 1 для каждой частоты. Вследствие этого уменьшается динамическая погрешность измерения, вызванная ограниченным временем существования периодических составляющих во входном сигнале. Так, например, если в блок 22, памяти импульсной переходной характеристики занести дискретные значения синусокдальной составляющей, умноженные на гауссово сглаживающее окно, то для нсех анализируемых частот можно достичь минимальное значение произведения полосы пропускания на время измерения (Т с„ ), которое определяется соотношением неопределенности. В частности, для 1/3-октавной полосы анализатора и динамического диапазона

40 дБ достаточно. шесть периодов периодических составляющих во входном сигнале для измерения е достаточно малой погрешностью, для 1/6-октанной .полосы — двенадцать периодов и т.д.

После окончания времени первого усреднения на данной частоте накопленная сумма произведений кз первого сумматора 11 поступает через делитель 12 в вычислитель 13. В делителе

12 производится деление накопленной суммы на значение Тус».

Так как Т „. различные для каждой частоты и изменяются н зависимости от информации, записанной н блоке

19, то для большинства анализируемых частот Т) „ оказывается некратным длительности записи информации н блоках 7 и 8, à No(fz,соответственно некратно длительности считывания. В этом случае при считывании последней ячей.ки блоков 7 или 8 при анализе на частОте йо; иэ блока 22 памяти считывается нейоследняя ячейка. Поэтому для 4 продолжения усреднения по тому же

-интервалу на той же частоте запоминается адрес ячейки блока 22 памяти импульсной переходной характеристики в. блоке 23 памяти адреса остатков, а накопленная сумма произведенкй в сум- маторе 11 запоминается н блоке 26 памяти остатков. После этого производится анализ на следующей частоте. !

После окончания анализа информации ло всем частотам и каналам из блоков памяти (например 7) начинается анализ информации, записанной в другой блок памяти (например 8).

При этом s начале анализа на частоте

f » иэ блока 23 памяти ацреса остат- 6 кон в адресный .блок 21 переписывается записанный там адрес ячейки блока

22 памяти, на котором заканчивается анализ при считывании из первого блока памяти (например 7), а в сум- 65! матор 11 переписывается из блока 26 памяти остатков накопленная ранее сумма произведений.

В перном вычислителе 13 вычисляется модуль и фаза спектра входных сиг« налов, усредненных на участках Т, .

Для дополнительного уменьшения погрешностей из-за флюктуаиий кэмеюяеьаах спектральных характеристик исследуемого сигнала в анализаторе производят второе усреднение измеряеьик характеристик по времени или ансамблю. Это усреднение спектральных характеристик производят путем накопления во втором сумматоре 14 с последующим хранением частично накопленных сумм н блоке 30 памяти. Число циклов второго усреднения задается блоком 29 управления. После окончания второго усреднения информация передается в блок 16 памяти через нторой делитель

20 15, в котором осуществляется деление на число циклов второго усреднения.

Для вычисления коэффициента когереитиости двух сигналов с блока

l6 памяти считывают усредненные оценки и передают йх в вычислитель 28, который вычисляет коэффициент когерентностк сигналов . Вычисленные значения коэффициента когерентности педают в блок 16 памяти и запоминают.

Для представления спектральных характЕристик в логаркфмическом масштабе их считывают иэ блока 16 памяти в блок 27 логарифмирования, где преобразуют н логарифмический код и передают обратно в блок 16 памяти. Для отображения каждой измеренной характеристики н линейном или логарифмическом масштабе производится считывание с соответствующих ячеек блока 16 памяти к индицируется результат, на

О индикаторе 17.

Представление результатов на экране индикатора 17 производится в координатах измеряемая спектральная .характеристика — частота - время для каждого канала, т.е. для каждого входного скгнала, а также н координатах измеряемая спектральная характеристика - частота-каналы для всех каналов.

О Таким образом, предлагаемый анализатор позволяет повысить быстродействие при язмерении спектра за счет уменьшения и регулировки времени усреднения ° Для каждой иссле5 дуемой частотной составляющей дли-. тельность первого усреднения состанляет минимально необходимое время, равное целому числу периодов этой исследуемой частотной составляющей.

Число периодов, укладывающихся в

0 интервал усреднения, определяется необходимой полосой анализа. Повышение быстродействия позволяет позы" сить точность за счет уменьшения динамических погрешностей при измерении сигналов, имеющих периодические

851282 составляющие ограниченной длительности. Предлагаемый анализатор позволяет также измерять взаимный спектр и коэффициент когерентности. Кроме того ввод извне импульсно-переходной характеристики избирательного фильтра делает возможным производить измерения спектра сигналов при различных, а не только гармонических базисных функциях, на которые производится разложение, что обеспечивает возможность измерения сечений йвухмернцго преобразования Фурье.

Формула изобретения

1. Анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной блок, фильтр верхних частот, аналоговый коммутатор, аналоговый блок па-, мяти, аналого-цифровой преобразователь преобразователь кода и первый блок памяти, подключенный ко входу второ-: го блока памяти и ко входу умножителя второй вход которого подключен к вы-. ходу устройства ввода весовых коэффициентов, а также два сумматора, два делителя, два вычислителя, блок логорифмирования, блок управления и индикатор, причем выход преобразователя кода подключен одновременно ко второму входу второго блока памяти и ко входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом переключателя кодов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены три блока памяти и цифровой коммутатор, вход которого подключен к выходу умножителя, а выход соединен с последовательно соединенными первым сумматором, первым делиТелем, первым вычислителем, вторым сумматором, вторым делителем, третьим блоком памяти и индикатором, при этом третий блок памяти связан с блоком логарифмирования и вторым вычислителем, второй сумматор связан с четвертым блоком памяти, а выход первого сумматора подключен ко входу пятого блока памяти, выход кото35 рого соединен со вторым входом цифрового коммутатора.

2. Анализатор по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что устройство ввода весовых коэффициентов выполне,н но в виде последовательно соединенных блока ввода весовой функции, блока памяти, преобразователя код-частота, адресного блока и второго блока па- мяти, второй вход которого подключен ко второму выходу блока ввода, при этом адресный блок связан с третьим блоком памяти.

Источники информации, Ьринятые во внимание при экспертизе

$Q 1. Мизин И.А;, Матвеев А.A. Цифровые фильтры. М ° 1979, с. 101, 195.

2, Патент Великобритании

Р 1494476, 1977.

851282

Составитель A.Îðëîâ

Редактор М.Митровка Техред T,Ìàòo÷êà Корректор Г. Решетник

Зак аз б 345/б 3 Тираж 732 Подписно

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4