АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 1996 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для спектрального анализа электрических сигналов.

Цель изобретения расширение динамического диапазона.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 структурная схема блока управления и синхронизации; на фиг. 3 диаграмма его работы; на фиг. 4 спектрограммы режима выборочной амплитудной селекции.

Устройство содержит входной аттенюатор 1, фильтр 2 нижних частот (ФНЧ), смеситель 3 первого преобразователя, гетеродин 4, усилитель 5 промежуточной частоты (УПЧ), смеситель 6, генеродин 7, усилитель 8 промежуточной частоты (УПЧ), смеситель 9, гетеродин 10, УПЧ 11, отсчетный аттенюатор 12, фильтр 13 (узкополосный) основной селекции (ФОС), логарифмический усилитель 14, детектор 15, блок 16 управления частотой первого преобразователя (БУЧ), блок 17 управления полосой обзора, блок 18 управления частотой второго преобразователя (БУЧ), индикатор 19, генератор 20 ступенчато-пилообразного напряжения, блок 21 формирования, ключ 22, генератор 23 тактовых импульсов (ГТИ), селектор 24 импульса, цифроаналоговый преобразователь 25 (ЦАП), аналого-цифровой преобразователь 26 (АЦП), первый коммутатор 27, блок 28 выбора наименьшего значения сигнала, ключевой блок 29, второй коммутатор 30, блок 21 задержки (БЗ), блок 32 управления и синхронизации (БУС), датчик 33 регулируемого опорного уровня, компаратор 34, третий коммутатор 35, вход 36 установки времени задержки, вход 37 установки начального напряжения смещения Е_о.

Блок управления и синхронизации 32 (фиг. 2) содержит первый элемент 2И 39, второй элемент 2И 40, первый счетчик 41, второй счетчик 42, первый триггер 43, второй триггер 44, блок совпадения 45, первый одновибратор 46, второй одновибратор 47, третий одновибратор 48, третий элемент 2И 49, четвертый элемент 2И 50 и элемент 2И-НЕ 51.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый сигнал через входной аттенюатор 1, фильтр 2 нижних частот подается на вход смесителя 3, где с помощью сигнала, поступающего с гетеродина 4, преобразуется в промежуточную частоту, выделяемую УПЧ 5 и подаваемую на вход смесителя 6. На второй вход смесителя 6 поступает сигнал частоты от гетеродина 7. Сигнал разностной частоты с выхода смесителя 6 выделяется УПЧ 8 и подается на смеситель 9, на второй вход которого поступает сигнал с гетеродина 10. Сигнал разностной частоты выделяется УПЧ 11 и через отсчетный аттенюатор 12, узкополосный фильтр 13 основной селекции и логарифмический усилитель 14 подается на детектор 15. Продетектированный сигнал поступает через селектор импульсов 24 на вертикальные отклоняющие пластины осциллографического индикатора 19. Перестройка по частоте с одновременным горизонтальным сканированием луча на экране осциллографического индикатора осуществляется с помощью генератора 20 ступенчато-пилообразного напряжения. Сигнал с выхода этого генератора через блок 17 управления полосой обзора и блоков 16, 18 управления частотой поступает на управляющий вход гетеродина 4 или 7 (в зависимости от выбранной полосы обзора). При широких полосах обзора перестройка по частоте выполняется с помощью гетеродина 4, а при узких с помощью гетеродина 7. Блок 16 управления полосой обзора выполняет функции делителя и коммутатора, подавая сигнал с выхода ГПН 20 на вход блока 16 либо на вход блока 18. Ключ 22 с ручным управлением при замыкании его контактов вырабатывает сигнал запуска (разрешение функционирования) селектора и пропускает на него импульсные сигналы с блока 21 формирования, привязанные по времени к моменту обратного хода сигнала генератора 20 ступенчато-пилообразного напряжения, включая тем самым режим идентификации и устранения комбинационных помех (КП). Сигнал запуска поступает также на вход сброса в исходное состояние генератора ступенчато-пилообразного напряжения, осуществляя тем самым синхронизацию его работы с работой селектора.

Перед включением режима селекции с переключателей (или программно) устанавливают значения количества измерений, участвующих в процессе селекции (вход 38), времени задержки (вход 36), разного времени сканирования (развертки), начального напряжения смещения Е_о (вход 37).

Кроме сигнала запуска, на селектор поступают два сигнала синхронизации: F_ти с генератора 23 тактовых импульсов и f_тн с блока 21, причем F_ти Кf_ти, где К целое число, > 1. Также на селектор поступает исследуемый сигнал с детектора 15, а с выхода отселектированный сигнал поступает на осциллографический индикатор 19 (вх. 1) вместе с сигналом опорного уровня (вх. 2), устанавливаемым вручную. По сигналу запуска узлы селектора 24 и генератора 20 сбрасываются в исходное состояние.

В течение первого частного измерения на вход ЦАП 25 поступает код начального напряжения смещения Е_о, который, преобразуясь в аналоговую форму, поступает на управляющий вход первого смесителя 3. Сигнал с селектора на индикатор не поступает.

В течение последующих N-2 измерений сигнал на индикатор не поступает, а на вход ЦАП подается код с единичным приращением ΔЕ, осуществляемым после окончания очередного измерения (цикла сканирования) по сигналам f_ти блока 21. При этом напряжение смещения будет определяться выражением Е_к Е_о + (К-1) ΔЕ, где Δ Е 1, 2, 3, а Е_N-1 Δ Е_о + (N 2) Δ Е, где Δ Е дискрет изменения напряжения ЦАП.

В течение последнего (N-го) измерения цикла селекции на ЦАП управления напряжением смещения подается нулевое напряжение (Е_N 0) и отселектированный сигнал поступает на индикатор. Далее цикл селекции повторяется.

Суть селекции состоит в следующем.

В течение первого частного измерения происходит запоминание сигнала на время Т, равное периоду сканирования. В течение последующих N-2 измерений происходит синхронное сравнение результатов текущего и запомненного измерений с целью выделения наименьшего значения из них. Полученные наименьшие значения снова заносятся в запоминающее устройство, где снова задерживаются на время Т. В течение последнего (N-го) измерения на вход селектора поступает сигнал, соответствующий нулевому напряжению смещения диодов первого смесителя. Он сравнивается с результатом селекции наименьших значений сигналов предыдущих N-1 измерений. Результат сравнения, соответствующий наименьшим значениям N частных измерений, отображается на экране индикатора.

С целью устранения искажения полезных сигналов (в результате амплитудной селекции наименьших значений), проявляемого в виде уменьшения амплитуды результирующего сигнала (см. фиг. 4а) в операцию сравнения двух сигналов по выбору наименьших значений вводится дополнительный фактор, а именно сигнал опорного уровня, служащий критерием для записи в запоминающее устройство результата сравнения.

Уровень опорного сигнала задается оператором с панели управления, пользуясь визуальной информацией с экрана индикатора, на котором этот уровень отображается в виде горизонтальной яркостной линии (маркера, вх.3, блока 19).

Суть выборочной амплитудной селекции состоит в том, что записи в ЗУ (на основе которого построено запоминающее устройство селектора) для последующего сравнения подлежат лишь те наименьшие значения, уровень которых не превышает заданной опорной величине. Если результат амплитудной селекции наименьших значений превышает упомянутую опорную величину, то в ЗУ заносится результат текущего частного измерения. Опорный уровень задается между значениями уровней полезных сигналов и уровнями КП (или между минимальными уровнем полезного сигнала и максимальным уровнем КП, исходя из положения, что уровень полезного сигнала всегда больше уровня КП), так что амплитудной селекции наименьших значений будут подвергаться лишь КП, а полезные сигналы этой операции подвергаться не будут, а следовательно и не будут искажаться (см. фиг. 4, б). Следовательно, по результатам обработки N частных измерений на экран будет выведен результирующий сигнал, соответствующий минимальным уровням КП и полезному сигналу соответствующему последнему (N-му) частному измерению, проводимому при нулевом напряжении смещения, т.е. при истинном значении уровня полезного сигнала.

Селектор 24 импульсов работает следующим образом.

Перед началом работы устройства задаются значения (N-1), где N количество частных измерений (по результатам которых будет проводиться селекция, равной количеству изменяемых значений Е_см) (вх. 38), времени задержки τ Т (равное периоду частных измерений) (вх.36).

Работа устройства начинается по сигналу запуска, по которому БУС 32 вырабатывает сигналы управления переключением коммутаторов 27, 30, 35 в положение замыкания контактов I-II и размыкания ключевого блока 29. Сигнал с входа устройства через коммутаторы 27, 30, 35 поступает на блок 31 задержки. Через время τ БУС 32 по первому выходу формирует сигнал управления, который переключает коммутаторы 27, 30, в положение 1-й и разрешит переключение коммутатора 35 по второму управляющему входу. Коммутатор 35 будет пропускать на свой выход или текущие значения сигнала, или результат амплитудной селекции наименьших значений в зависимости от результата сравнения опорного уровня с результатом амплитудной селекции, производимого компаратором 34. Таким образом через время τ на оба входа блока 28 выбора наименьшего значения синхронно и синфазно будут поступать сигналы с входа селектора и с выхода блока задержки.

Блок 29 производит селекцию полезных сигналов, пропуская на свой выход общую часть из двух сигналов, поступающих одновременно на его входы. Результат сравнения прямого и задержанного сигналов поступает на компаратор 34 и коммутатор 35 для дополнительного преобразования (в результате сравнения с опорным уровнем) и затем поступает через блок 31 на вход блока 28 для последующей селекции. При этом с каждым циклом сравнения на выходе блока 28 будет выделяться сигнал с наименьшим уровнем КП.

За счет того, что вместо выделения минимальных значений из полезных сигналов выделяются сами эти полезные сигналы, удается существенно уменьшить искажения их формы, полностью избежать уменьшения их амплитуды и, следовательно, сохранить возможность точного ее изменения. Через (N-1) циклов сравнения, соответствующих времени (N-1) τ БУС 32 по второму выходу выдаст управляющий сигнал, замыкающий контакты блока 29, и обработанный сигнал будет поступать на выход устройства.

Количество циклов предварительной селекции сигналов (N-1) вырабатывается исходя из конкретной помеховой обстановки путем компромисса между минимальным вращением обработки сигнала с одной стороны и достижением приемлемого результата в подавлении помех с другой.

Установка опорного уровня производится оператором на основании визуальной оценки результатов регистрации сигналов (помех) на индикаторе.

Исходя из полученной информации, уровень опорного сигнала устанавливается в интервале уровней полезных компонент сигнала и помех.

В процессе селекции происходит непрерывное сравнение результата амплитудной селекции наименьших значений В_N (где N количество участвующих в процессе селекции измерений) с величиной опорного сигнала А_с. В случае, когда результат амплитудной селекции не превышает заданного опорного уровня (B_N ≅A_o) выделяется и запоминается результат наименьших значений В_N, в противном случае (когда В_N > A_o) выделяется и запоминается результат текущего значения сигнала A_N.

На фиг. 4а сплошной линией показана спектрограмма текущего (N-го) измерения A_N, а пунктирной линией результирующая спектрограмма А_N-1, полученная в результате амплитудной селекции по данным (N-1) частных измерений. Спектрограммы отличаются друг от друга незначительным изменением уровня полезных сигналов и значительным изменением уровней КП в результате вариации значений Е_см. При этом величина опорного уровня выбирается между уровнем полезных составляющих сигнала и максимальным уровнем приема. В этом случае в интервалах времени 0≅ t ≅t₁, где t ≥t₂ выделяются значения B_N, а в интервале времени t₁ < t < t₂ (когда B_N > A_o) выделяются значения A_N.

В результате получается спектрограмма, изображенная на фиг. 4б. Если опорный уровень будет установлен выше уровня полезных компонент сигнала, то устройство будет работать в режиме выделения минимальных значений по данным всех частных измерений. Если опорный уровень будет выбран меньше уровня помех, то устранение помех не последует.

Поскольку последнее частное измерение в каждом цикле селекции всегда проходит при нулевом напряжении смещения (Е_см 0), то искажения формы откликов полезных сигналов (уменьшения их уровня) не будет при одновременном достижении минимума уровней КП). Работа БУС происходит в соответствии с временной диаграммой на фиг. 3. Исходное состояние БУС: на выходах 43, 44 и счетчиков 41, 42 лог. "0" (цепь предустановки счетчик 42 в "0" не показана). Перед началом работы в режиме селекции на одном входе блока 45 совпадения устанавливается значение кода (N-1), где N количество (обрабатываемых) измерений, участвующих в одном цикле селекции, а на входе параллельной загрузки данных счетчика 42 устанавливается код начального напряжения смещения Е_о (см. фиг. 3в). Работа БУС начинается по сигналу запуска (см. фиг. 3а) (синхронизирующего также работу генератора 20), по которому разрешается установка триггеров 43, 44 и счетчика 41 (см. фиг. 3 г), а таким формируется импульс (одновибратором 48) (см. фиг. 3 з) записи кода начального напряжения смещения Е_о в счетчике 42 (см. фиг. 3 в) и установки триггера 44 в "1". Задержка переднего фронта сигнала записи "1" триггера 44, осуществляемая одновибратором 48, (см. фиг. 3 з) и элементом 2И-НЕ 51, относительно переднего фронта сигнала запуска, позволяет избежать "состязаний" на входах сброса и синхронизации триггера 44. Первый импульс синхронизации (см. фиг. 3 б), вырабатываемый блоком 21 формирования по окончанию каждого измерения, установит триггер 43 (см. фиг. 3 и) и счетчик 41 (см. фиг. 3 г) в "1" и даст единичное приращение коду Е_о счетчика 42 (см. фиг. 3, в). Последующие импульсы f_ти будут соответственно изменять значения счетчиков 41 и 42. При достижении счетчиков 41 счета (N-1) (см. фиг. 3г) совпадения изменит состояние на своем выходе на противоположное, в результате чего одновибратор 46 выработает импульс сброса триггера 44 (см. фиг. 3е) и счетчика 42 в "0". Следующий (N-й) импульс f_ти установит блок совпадения 45 (см. фиг. 3 д) в исходное (лог. "0") состояние, а одновибратор 47 при этом выработает импульс сброса счетчика 41 (см. фиг. 3 ж) и записи кода Е_о в счетчике 42, а также сброса в "0" триггера 43 (вых. 1) (см. фиг. 3 д) и установки в "1" триггера 44 (см. фиг. 3 к). Цикл работы БУС завершен. Он будет автоматически повторяться с периодом N.

При отключении режима селекции на входе сигнала запуска устройства будет лог. "0" и выходы БУС будут поддерживаться в исходном состоянии.

Значение (N-1) может быть изменено в любой момент времени путем подачи нового кода по соответствующему входу, изменение Е_о должно сопровождаться сигналом запуска.

Анализатор спектра содержит последовательно включенные входной аттенюатор, фильтр нижних частот, три каскада преобразования частоты, каждый в составе смесителя, усилителя промежуточной частоты и гетеродина, отсчетный аттенюатор, узкополосный фильтр, логарифмический усилитель и детектор, а также генератор ступенчатого пилообразного напряжения, блок управления полосой обзора, два блока управления частотой , ключ, индикатор, блок формирования, генератор тактовых импульсов, селектор импульсов, аналого-цифровой преобразователь, три коммутатора, блок управления и синхронизации, блок выбора наименьшего значения, блок задержки, ключевой блок, компаратор и датчик регулируемого опорного уровня. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий последовательно соединенные входной аттенюатор, фильтр нижних частот, первый смеситель, первый усилитель промежуточной частоты, второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, третий смеситель, третий усилитель промежуточной частоты, отсчетный аттенюатор, узкополосный фильтр, логарифмический усилитель и детектор, три гетеродина, подключенных к вторым входам соответствующих смесителей, осциллографический индикатор, генератор ступенчатого пилообразного напряжения, через блок управления полосой обзора соединенный с входами двух блоков управления частотой, блок формирования, соединенный с входом ключа, генератор тактовых импульсов и селектор импульсов, выполненный в виде аналого-цифрового преобразователя, первого, второго и третьего коммутаторов, блока управления и синхронизации, блока выбора наименьшего значения, блока задержки, ключевого блока, компаратора и датчика регулируемого опорного уровня, причем сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом детектора, вход синхронизации - с выходом гененратора тактовых импульсов, соединенного с входом генератора ступенчатого пилообразного напряжения и с первым входом блока задержки, а выход - с входом первого коммутатора, управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго и третьего коммутаторов и первым выходом блока управления и синхронизации, а первый выход первого коммутатора - с вторым входом третьего коммутатора и с первым входом блока выбора наименьшего значения, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, а выход - с первым входом второго коммутатора, второй вход которого соединен с вторым выходом первого коммутатора, первый вход блока управления и синхронизации соединен с входом запуска и подключен к первому выходу ключа, второй вход соединен с входом установки количества измерений устройства, третий вход - с входом синхронизации и подключен к второму выходу ключа, второй вход блока задержки соединен с входом установки времени задержки, второй выход блока управления и синхронизации - с управляющим входом ключевого блока, сигнальный выход которого соединен с первым входом индикатора, выход датчика регулируемого опорного уровня соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом второго коммутатора и с первым входом третьего коммутатора, а выход компаратора - с вторым управляющим входом третьего коммутатора, выход которого соединен с сигнальными входами блока задержки и ключевого блока, второй вход индикатора подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, подключенного к входу блока формирования, а выходы блоков управления частотой соединены с соответствующими управляющими входами первого и второго гетеродинов, отличающийся тем, что в него дополнительно введен цифроаналоговый преобразователь, первый смеситель выполнен управляемым, генератор пилообразного напряжения - с дополнительным входом сброса, блок управления и синхронизации - с дополнительным входом установки начального напряжения смещения, соединенным с входом устройства, и дополнительным выходом напряжения смещения, подключенным к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого соединени с управляющим входом управляемого смесителя, причем первый выход ключа соединен с входом сбороса генератора пилообразного напряжения, а выход датчика регулируемого опорного уровня - с третьим входом индикатора. 2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что блок управления и синхронизации выполнен в виде четырех элементов 2И, двух счетчиков, двух триггеров, блока совпадения, трех одновибраторов и элемента 2И-НЕ, причем вход синхронизации первого счетчика соединен с входом синхронизации блока и с входом синхронизации второго счетчика и первого триггера, вход сброса первого счетчика соединен с выходом первого элемента 2И, первый вход которого соединен с входом запуска блока и с первым входо второго элемента 2И, входом третьего одновибратора и первым входом четвертого элемента 2И, а второй вход - с вторым входом второго элемента 2И, первым входом третьего элемента 2И, первым входом элемента 2И-НЕ и выходом второго одновибратора, вход которого объединен с входом первого одновибратора и подключен к выходу блока совпадения, первый вход которого соединен с выходом первого счетчика, а второй вход - с входом установки количества измерений устройства, второй вход третьего элемента 2И соединен с выходом третьего одновибратора и с вторым входом элемента 2И-НЕ, выход которого соединен с синхровходом второго триггера, вход сброса которого соединен с выходом четвертого элемента 2И, второй вход которого соединен с входом сброса второго счетчика и с выходом первого одновибратора, вход параллельной записи второго счетчика соединен с выходом третьего элемента 2И, информационные входы второго счетчика соединены с входом установки начального напряжения смещения, а выходы - с выходом напряжения смещения блока, прямые выходы первого и второго триггеров соединены соответственно с первым и вторым выходами блока, информационный вход и вход установки в "1" первого и второго триггеров объединены, а вход сброса первого триггера соединен с выходом второго элемента 2И.