МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1994 года по МПК G01R23/16 

Изобретение предназначено для аппаратурного анализа характеристик нестационарных случайных сигналов и может быть использовано при обработке шумовых сигналов в радиосистемах.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет оценки коэффициента искажения уточненной формы энергетического спектра шумового сигнала.

Функциональная схема спектроанализатора представлена на фиг.1; на фиг.2 показаны примеры изменения спектральной плотности мощности шумового сигнала (сплошные линии); на фиг.3 - временные диаграммы работы спектроанализатора.

Спектроанализатор (фиг. 1) содержит широкополосный усилитель 1, М каналов, каждый из которых состоит из подключенных к выходу усилителя последовательно соединенных фильтра 2, детектора 3, интегратора 4, а также М блоков 5 вычитания первой группы, М-входовый сумматор 6, М ключей 7, М блоков 8 вычитания второй группы, М пороговых элементов 9. Спектроанализатор снабжен КМ+1 одновходовыми умножителями 10, К-2 дополнительными М-входовыми сумматорами 11, К двувходовыми умножителями 12, (К+1)-входовым сумматором 13, генератором 14 пилообразного напряжения, К-1 блоками 15 f^р, двумя формирователями 16, линией 17 задержки с М отводами, М триггерами 18, блоком 19 деления, ключом 20, М ветвями, содержащими последовательно соединенные пороговый элемент 21, триггер 22, масштабный усилитель 23.

Выход интегратора 4 каждого канала подсоединен одновременно к соответствующему входу М-входового сумматора 6, входу соответствующего ключа 7 и вычитаемому входу соответствующего блока 5 вычитания первой группы. Вычитающие входы блоков 5 объединены с первым входом (К+1)-входового сумматора 13 и подсоединены к выходу одновходового умножителя 10-0, вход которого соединен с выходом М-входового сумматора 6. Выход j-го блока 5-j вычитания первой группы соединен с входами всех одновходовых умножителей 10- (i-1)+j. Выход одновходового умножителя 10- (i-1)+j) соединен с j-м входом дополнительного М-входового сумматора 11-i. Выход сумматора 11-i соединен с одним входом двувходового умножителя 12-i, второй вход которого соединен с выходом блока 15 f^р, кроме умножителя 12-1, второй вход которого объединен с входами блоков 15 и входом первого формирователя 16-1 и соединен с выходом генератора 14 пилообразного напряжения. При этом выход каждого двувходового умножителя 12 соединен с соответствующим входом (К+1)+входового сумматора 13. Выход первого формирователя 16-1 соединен с входом линии 17 задержки с М отводами, каждый отвод которой подсоединен к управляющему входу соответствующего ключа 7, выход которого соединен с вычитаемым входом соответствующего блока 8 вычитания второй группы. Вычитающие входы блоков 8 вычитания второй группы объединены и подсоединены к выходу (К+1)-входового сумматора 13. Выход каждого блока 8 вычитания второй группы подсоединен к входу соответствующего порогового элемента 9, выход которого соединен с входом соответствующего триггера 18, выход которого соединен с соответствующим входом М-входового сумматора 11-(К+1). Выход сумматора 11-(К+1) соединен с входом делимого блока 19 деления, выход которого соединен с информационным входом ключа 20. Вход каждой ветви (порогового элемента 21-i) соединен с выходом М-входового сумматора 11-i, а выход каждой ветви (усилителя 23-i) соединен с соответствующим входом М-входового сумматора 11-(К+2), выход которого соединен с входом делителя блока 19 деления. Выход ключа 20 является выходом спектроанализатора, управляющий вход ключа 20 соединен с выходом второго формирователя 16-2, вход которого соединен с выходом М-го отвода линии 17 задержки. Входы сброса М триггеров 18 и триггеров 22 М ветвей объединены и подсоединены к выходу первого формирователя 16-1.

Спектроанализатор работает следующим образом.

Шумовой сигнал с выхода усилителя 1 поступает на входы полосовых фильтров 2 каналов. Сигналы с выходов фильтров 2 детектируются соответственно детекторами 3, а затем интегрируются соответственно в интеграторах 4.

Пусть изменением спектральной плотности мощности шумового сигнала в зависимости от частоты описывается полиномиальной функцией, многочленом К-й степени вида
S(f)= α+β₁f+β₂f²+ ...+β_kf^k, (1) где α,β₁,β₂,...,β_k - коэффициенты формы энергетического спектра шума.

Выражением (1) описывается изменение энергетического спектра широкого класса нестационарных шумовых сигналов. Оценки (f₁), (f₂),...,(f_m) энергетического спектра шумового сигнала на средних частотах f₁, f₂,..., f_м, фиксированных полосовыми фильтрами 2, получают на выходах интеграторов 4.

Оценку функции спектральной плотности мощности шумового сигнала можно представить в виде суммы, зависящей от частоты f неслучайной компоненты (1) и случайной составляющей Z(f), отражающей влияние флюктуаций на выходах интеграторов 4:
(f)=α+β₁f+β₂f²+ ...+β_kf^k +Z(f) (2)
Оценки спектральной плотности мощности на выходах интеграторов 4 (f₁), (f₂), . . . , (f_m) изображены (фиг.2а, б) в виде точек, случайным образом расположенных относительно кривой А на фиксированных частотах f₁, f₂, ..., f_м. Пунктиром Б показаны аппроксимации энергетических спектров в виде прямых линий. При этом (фиг.2а) показано ложное обнаружение квазигармонической составляющей в энергетическом спектре шума.

Ложное обнаружение происходит в канале на частоте, на которой имеется "горб" спектральной плотности мощности шума. Но при этом квазигармоническая составляющая отсутствует в спектре шума.

На фиг. 2 б показан пропуск квазигармонической составляющей, которая имеет частоту f_j, попадающую в частотный диапазон энергетического спектра с "провалом" характеристики. В этом случае ΔS_j<Δj, где Δj - пороговый уровень порогового элемента 9-j.

Для избежания ложных обнаружений и пропусков квазигармонических составляющих необходимо уточнить форму спектра, аппроксимируя ее в отличие от прототипа многочленом-полиномом К-й степени вида (1), при этом наиболее точно оценив коэффициенты α,β₁,...,β_k.

Оптимальное определение коэффициентов в выражении (2) сводится к задаче оценки коэффициентов параболической регрессии по методу наименьших квадратов.

Суммируя оценки (f_j) в сумматоре 6, определяют среднее значение в умножителе 10-0 за частотный интервал f₁, f_м, которое дает оценку коэффициента α.

Величина коэффициента умножения в умножителе 10-0 определяется из соотношения
= (f_j)= , (3) где 1/M - коэффициент умножения в умножителе 10-0.

На выходе каждого блока 5 вычитания производят центрирование каждой оценки (f_j), т. е. определяют разность (f_j)-. Центрированное значение каждой оценки (f_j)- умножается на соответствующий коэффициент в умножителях 10-1, ..., 10-КМ.

Оценки параметров ,..., с выходов сумматоров 11 поступают на первые входы соответствующих двувходовых умножителей 12. На второй вход каждого умножителя 12 поступает напряжение, пропорциональное частоте f^p. Так, на второй вход умножителя 12-1 поступает напряжение с выхода генератора 14 пилообразного напряжения, пропорциональное частоте f, на второй вход умножителя 12-2 поступает напряжение, пропорциональное значению f² с выхода блока 15-1 и т. д. На второй вход умножителя 12-К поступает напряжение, пропорциональное значению f^k с выхода блока 15-(К-1).

Период колебаний на выходе генератора 14 пилообразного напряжения определяется из условия Т < [τ]_мин, где [τ]_мин - наименьший интервал корреляции шумового сигнала на выходе интеграторов 4. Тем самым обеспечена практическая неизменность оцененных коэффициентов , ,..., за время Т - интервал моделирования полиномиальной функции (1), описывающей изменение спектральной плотности мощности шумового сигнала в зависимости от частоты f.

Масштабный коэффициент q КГц/мс определяется из выражения
q = , (4) где f_макс = f_м - наибольшая частота энергетического спектра шума.

Таким образом, на выходе каждого двувходового умножителя 12 получают сигнал, пропорциональный соответствующему произведению fⁱ.

Сигнал, пропорциональный оценке α , получают на выходе умножителя 10-0.

Суммируя в сумматоре 13 сигналы с выходов умножителей 12, а также с выхода умножителя 10-0, получают на его выходе оценку изменения энергетического спектра шумового сигнала в зависимости от частоты в виде
(f)=+f+f²+ ...+f^k. (5)
Поскольку оценки параметров , ,..., в параболической регрессии в выражении (2) получены методом наименьших квадратов, полученная оценка (5) является наилучшей оценкой изменения энергетического спектра шумового сигнала в зависимости от частоты.

На фиг. 3а показано изменение напряжения на выходе генератора 14 пилы. Изменение оценки (5) за период Т показано на фиг.3б на выходе сумматора 13. На фиг. 3в показано формирование импульса на выходе первого формирователя 16-1. На фиг.3г приведены импульсы на выходе первого отвода линии 17 задержки, на фиг.3д - импульсы на выходе j-го отвода линии задержки.

На диаграмме (фиг.3б) условно показано появление квазигармонической составляющей на частоте f_j в такте I, а в такте II показано появление второй квазигармонической составляющей на частоте f_n. В такте III эти квазигармонические составляющие исчезают. Следует отметить, что квазигармонические составляющие появляются и исчезают за несколько тактов работы спектроанализатора. Поэтому данные диаграммы следует рассматривать как поясняющие.

Импульсы с отводов линии 17 задержки поступают на соответствующие ключи 7-1, ..., 7-М, которые открываются в эти моменты и передают входные напряжения на свои выходы. Так, в момент поступления импульса с j-го отвода линии 17 задержки напряжение с выхода интегратора 4-j поступает через ключ 7-j на вычитаемый вход блока 8-j вычитания. В результате на выходе блока 8-j вычитания образуется разность Δ S_j оценки спектральной плотности на частоте f_j на выходе интегратора 4-j и аппроксимированной оценки спектра в момент, соответствующий частоте f_j(фиг. 3б).

На фиг.3ж показана разность Δ S_j в такте I, которая превышает заданный пороговый уровень Δ j. Это означает, что в j-м канале спектроанализатора обнаружена квазигармоническая составляющая в энергетическом спектре шумового сигнала.

Поскольку, как уже отмечалось, оценка (5) - наилучшая оценка энергетического спектра шумового сигнала, в данном спектроанализаторе обнаружение квазигармонических составляющих производится по уточненной форме спектра сигнала с наилучшей помехоустойчивостью.

На фиг.3з показаны временные интервалы срабатывания триггера 18-j в тактах I и II, соответствующих наличию в энергетическом спектре шума квазигармонической составляющей на частоте f_j (фиг.3б). Появление в такте II квазигармонической составляющей на частоте f_n (фиг.3б) приводит к срабатыванию триггера 18-n, что показано на фиг.3и.

На диаграмме фиг.3к приведен сигнал на выходе сумматора 11-(К+1), который в такте I повторяет выходной сигнал триггера 18-j, а в такте II равен сумме выходных сигналов триггеров 18-j и 18-n. В такте III выходной сигнал сумматора 11-(К+1) равен нулю, так как в энергетическом спектре шума отсутствуют квазигармонические составляющие (фиг.3б,к).

Сигнал на выходе сумматора 11-(К+2) показан на фиг.3л. Он формируется следующим образом. Сигналы с выходов сумматоров 11-1, ..., 11-К, отображающие коэффициенты βHat₁,βHat₂,...,βHat_k, поступают на входы соответствующих пороговых элементов 21-1, ..., 21-К. В случае превышения соответствующим коэффициентом , ,..., заданного порога в пороговом элементе 21-i срабатывает соответствующий триггер 22-i, выходное единичное напряжение которого поступает на вход соответствующего масштабного усилителя 23-i. Выходной сигнал масштабного усилителя 23-i увеличивает единичное напряжение триггера 22-i, пропорциональное i-й степени при соответствующем коэффициента .

Таким образом, выходное напряжение масштабного усилителя 23-i можно записать в виде U_23-i = d_i^. 1 ( 22-i ), (6) где d_i - весовой коэффициент
1(22=i)=
U_i - пороговый уровень порогового элемента 21-i.

Следует отметить, что подача выходного напряжения сумматора 11-i на пороговый элемент 21-i необходима для селекции флюктуаций напряжения сумматора 11-i, обусловленных конечностью времени интегрирования сигналов в интеграторах 4, а следовательно, для нормальной работы спектроанализатора.

Выходные напряжения масштабных усилителей 23 суммируются на выходе сумматора 11-(К+2). В результате на выходе сумматора 11-(К+2) получают сигнал (фиг.3л), который отображает в заданном масштабе сложность формы энергетического спектра шумового сигнала. Действительно, выходное напряжение сумматора 11-(К+2) имеет вид
U_11=(K+2)= U_23=i. (7)
Но из выражения (6) следует, что каждое слагаемое выражения (7) зависит как от формирующего члена полиномиальной функции оценки (5), так и от степени этого члена.

Сигнал с выхода сумматора 11-(К+2) поступает на вход делителя блока 19 деления, на вход делимого которого поступает сигнал с выхода сумматора 11-(К+1). Сигнал с выхода блока 19 деления (фиг.3м) поступает на информационный вход ключа 20. На управляющий вход ключа 20 поступает импульс с выхода второго формирователя 16-2 (фиг. 3н), который формирует импульс по заднему фронту импульса и с выхода М-го отвода линии 17 задержки (фиг.3е). Управляющий импульс открывает ключ 20, и на его выходе появляется импульс (фиг. 3о), амплитуда которого отображает в заданном масштабе коэффициент искажения уточненной формы энергетического спектра шума в виде
K_и= .

Коэффициент искажения уточненной формы энергетического спектра шума К_и позволяет выделить наличие квазигармонических составляющих в спектре шумов по их уточненной форме спектра и, кроме того, по величине этого коэффициента судить о числе этих квазигармонических составляющих.

Изобретение предназначено для аппаратурного анализа характеристик нестационарных случайных сигналов и может быть использовано при обработке шумовых сигналов в радиосистемах. Спектроанализатор содержит широкополосный усилитель 1, M каналов, каждый из которых состоит из подключенных к выходу усилителя последовательно соединенных фильтра 2, детектора 3, интегратора 4, M блоков 5 вычитания первой группы, M-входовый сумматор 6, M ключей 7, M блоков 8 вычитания второй группы, M пороговых элементов 9, KM + 1 одновходовых умножителей 10, K + 2 дополнительных M-входовых сумматоров 11, K двувходовых умножителей 12, (K + 1)-входовых сумматоров 13, генератор 14 пилообразного напряжения, K - 1 блоков 15, два формирователя 16, линию 17 задержки с M отводами, M триггеров 18, блок 19 деления, ключ 20, M ветвей, содержащих последовательно соединенные пороговый элемент 21, триггер 22, масштабный усилитель 23. 3 ил.

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР, содержащий широкополосный усилитель, к выходу которого подключены M каналов, содержащие последовательно соединенные фильтр, детектор, интегратор, а также M блоков вычитания первой группы, два M-входовых сумматора, M ключей первой группы, M блоков вычитания второй группы, M ветвей, содержащих последовательно соединенные пороговый элемент и триггер, M одновходовых умножителей, блок деления, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем оценки коэффициента искажения уточненной формы энергетического спектра шума, он снабжен (K - 1)M + 1-одновходовыми умножителями, K дополнительными M-входовыми сумматорами, K двухвходовыми умножителями, (K + 1)-входовым сумматором, генератором пилообразного напряжения, K-1 блоками f^p, где p = 2,3, ... , K, двумя формирователями, K-входовым сумматором, линией задержки с M отводами, ключом, K ветвями, содержащими последовательно соединенные пороговый элемент, триггер и масштабный усилитель, причем выход интегратора каждого канала подсоединен одновременно к соответствующему входу первого M-входового сумматора, входу соответствующего ключа первой группы и вычитаемому входу соответствующего блока вычитания первой группы, вычитающие входы которых объединены с первым входом (K + 1)-входового сумматора и подсоединены к выходу одновходового умножителя, вход которого соединен с выходом первого M-входового сумматора, выход j-го блока вычитания первой группы (i = 1,2, ... , M) подсоединен к входам всех ij-одновходовых умножителей (i = 1,3, ... , K), (i - 1)-й выход (M + j)-го одновходового умножителя соединен с j-м входом i-го дополнительного M-входового сумматора, выход которого соединен с одним входом i-го двухвходового умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока f^p, кроме i = 1-двухвходового умножителя, второй вход которого объединен с входами блоков f^p и входом первого формирователя и соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход каждого двухвходового умножителя соединен с соответствующим входом (K + 1)-входового сумматора, выход первого формирователя соединен с входом линии задержки с M отводами, каждый отвод которой подсоединен к управляющему входу соответствующего ключа первой группы, выход которого соединен с вычитаемым входом соответствующего блока вычитания второй группы, вычитающие входы всех блоков вычитания второй группы объединены и подсоединены к выходу (K + 1)-входового сумматора, выход каждого блока вычитания второй группы подсоединен к входу соответствующей ветви из M ветвей, выход которой соединен с соответствующим входом второго M-входового сумматора, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого соединен с информационным входом ключа, при этом вход i-й ветви соединен с выходом i-го M-входового сумматора, а выход каждой ветви соединен с соответствующим входом K-входового сумматора, выход которого соединен с входом делителя блока деления, при этом выход ключа соединен с выходом устройства, управляющий вход ключа соединен с выходом второго формирователя, вход которого соединен с выходом M-го отвода линии задержки, а входы сброса триггеров M и K ветвей объединены и подсоединены к выходу первого формирователя.