СПОСОБ АНАЛИЗА СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНЫХ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ СВЧ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к СВЧ-измерительной технике и может использоваться в радиолокации и электронной технике при исследовании широкополосных непрерывных спектров СВЧ генераторов шума.

Известен способ анализа спектра СВЧ с использованием гетеродинного преобразования частоты и основанные на этом способе панорамные анализаторы спектра СВЧ [1] которые, являясь индикаторными приборами, не позволяют измерять абсолютные значения мощности отдельного излучения и спектральной плотности мощности шума. Кроме того, наличие комбинационных каналов приема не позволяет непосредственно устанавливать наличие слабых детерминированных составляющих с неизвестной частотой и мощностью в спектре шума без дополнительной трудоемкости или дорогостоящей (компьютерной) обработки полученных спектров [2]
Известен также способ анализа спектра, состоящий в последовательном во времени преобразовании составляющих спектра СВЧ-сигнала в области более низких частот путем резонансного детектирования в диапазоне частот исследуемого спектра, обработке образованного спектра с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным частоте, индикации огибающей спектра преобразованного сигнала и измерении его параметров, реализованный в измерителе [3]
Однако существующий способ не позволяет выявить наличие детерминированных составляющих в широкополосных шумовых сигналах СВЧ и их измерить.

Известен измеритель спектральной плотности мощности [3] содержащий гиромагнитный преобразователь, высокочастотный выход которого соединен со входом фильтра верхних частот и выходом фильтра нижних частот, модулятор, выход которого соединен через выключатель со входом фильтра низких частот, усилитель преобразованного сигнала, выход которого подключен ко входу блока индикации и разверток, выход которого соединен с низкочастотным входом гиромагнитного преобразователя. Блок индикации и разверток служит для обеспечения синхронного изменения по пилообразному закону поля подмагничивания гиромагнитного преобразователя и развертки по частоте на индикаторном блоке, а также для формирования частотной метки и уровня для прямого измерения соответственно частоты и спектральной плотности мощности и выполнен в виде генератора пилообразного напряжения, стабилизатора тока, формирователя метки и уровня, блока измерения частоты и осциллографического блока.

Модулятор подключается к устройству, обеспечивая режим кроссумножения гиромагнитного преобразователя, только для проведения их калибровки по уровню для измерения спектральной плотности мощности, затем модулятор отключается и при проведении измерений не используется. Измерения проводятся без модуляции поля подмагничивания, т.е. в режиме резонансного детектирования гиромагнитного преобразователя.

Однако это устройство не позволяет выявить наличие детерминированных составляющих в широкополосных шумовых сигналах СВЧ.

Цель изобретения обеспечение дополнительной возможности выявления детерминированных составляющих в широкополосных шумовых СВЧ-сигналах и измерения их параметров (несущей частоты, амплитуды) без нарушения измерительного режима работы устройства.

Это достигается тем, что в известном способе анализа спектра широкополосных шумовых сигналов СВЧ, заключающемся в последовательном во времени резонансном детектировании составляющих спектра сигнала СВЧ, обработке преобразованного сигнала с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным частоте, регистрации полученной огибающей спектра, дополнительно производят кроссмодуляционное преобразование частоты составляющих спектра того же сигнала СВЧ, узкополосную фильтрацию преобразованного сигнала на одной из частот, кратных частоте модуляции, регистрацию полученной огибающей спектра, огибающие спектра каждого преобразования сравнивают между собой и по разнице форм огибающих определяют несущие частоты и амплитуды детерминированных составляющих в спектре шумового сигнала СВЧ.

В устройство анализа спектра широкополосных шумовых сигналов СВЧ для реализации предлагаемого способа, содержащее гиромагнитный преобразователь, высокочастотный выход которого соединен с входом фильтра верхних частот и с выходом фильтра нижних частот, модулятора, выход которого соединен через выключатель со входом фильтра нижних частот, усилитель преобразованного сигнала, выход которого соединен с входом блока индикации и развертки, выход которого подключен к низкочастотному входу гиромагнитного преобразователя, введен селективный блок с частотой настройки, кратной частоте модулятора, и переключатель, к подвижному контакту которого подключен выход фильтра верхних частот, а к неподвижным контактам подключены соответственно вход усилителя преобразованного сигнала и вход селективного блока, выход которого подключен ко входу усилителя преобразованного сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 огибающие спектра шумового сигнала.

Кривая 1 сформирована при резонансном детектировании и широкополосной обработке с коэффициентом усиления ~1/ω а кривая II при кроссмодуляционном преобразовании частоты и узкополосной фильтрации.

На фиг.3 приведены составляющие спектра преобразованного сигнала:
где F_ш(ω_пр) непрерывный спектр за счет биений шум-шум;
F_cш(ω_пр) непрерывный спектр за счет биений детерминированной сигнал-шум;
F_c(nΩ) дискретный спектр на частотах, кратных частоте модуляции, за счет детерминированного сигнала.

Предлагаемый способ анализа спектра широкополосных шумовых сигналов, позволяющий выявлять и измерять детерминированные составляющие в спектре шума, осуществляется следующим образом. СВЧ шумовой сигнал на частоте ω подвергается безгетеродинному преобразованию частоты резонансному детектированию, при котором осуществляется перенос спектра сигнала в низкочастотную область. Спектр преобразованного сигнала подвергается обработке с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным частоте, что важно для пропорциональности входной и выходной огибающей спектра шума. Резонансное детектирование осуществляется последовательно в каждой частотной точке спектра СВЧ шумового сигнала, так что преобразованный и обработанный с k(ω)~1/ω сигнал формирует огибающую спектра исходного сигнала, которая регистрируется.

Помимо резонансного детектирования, дополнительно осуществляется кроссмодуляционное преобразование частоты (кроссумножение) составляющих спектра того же СВЧ шумового сигнала. При кроссмодуляционном преобразовании резонансная частота резонансного детектирующего элемента модулирована с частотой W (диапазон ВЧ).

Преобразованный сигнал фильтруется на одной из частот, кратных частоте модуляции (например, на частоте 2Ω). Кроссмодуляционное преобразование осуществляется последовательно в каждой частотной точке спектра СВЧ шумового сигнала, так что формируется и регистрируется вторая огибающая спектра того же сигнала.

Преобразование чисто шумового (непрерывного)спектра одинаково в обоих случаях (при резонансном детектировании с обработкой коэффициентом усиления k(ω)~1/ω и при кроссмодуляции с узкополосной фильтрацией на частоте nΩ, т.к. модуляция частоты резонансного детектора не влияет на шумовой спектр.

В том месте спектра, где на фоне шума имеются аддитивные детерминированные (дискретные) составляющие, результаты обработки спектра при резонансном детектировании и кроссумножении различаются. При резонансном детектировании спектр преобразованного сигнала имеет непрерывные составляющие, обусловленные биениями шум-шум F_ш(ω) и детерминированный сигнал-шум F_cш(ω). При кроссмодуляции в спектре преобразованного сигнала, помимо составляющих, совпадающих с указанными при резонансном детектировании, имеются дискретные гармоники частоты модуляции Ω, амплитуды которых пропорциональны амплитуде детерминированной составляющей СВЧ-спектра F_c(nΩ). В этом случае отфильтрованный и зарегистрированный сигнал несет информацию о детерминированной составляющей в спектре шума, огибающая спектра в этом случае содержит дополнительный пик.

Для выявления детерминированной составляющей требуется сравнение двух огибающих спектра. Огибающие, обусловленные шумовым спектром, совпадают. Детерминированная составляющая проявляется дополнительным пиком-неоднородностью при сравнении двух огибающих одного и того же сигнала СВЧ, возникающим при кроссмодуляционном преобразования частоты и узкополосной фильтрации. Амплитуда пика пропорциональна амплитуде детерминированной составляющей, а частота определяется положением пика на частотной оси при перестройке по частоте резонансного детектирующего элемента.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит гиромагнитный преобразователь 1, высокочастотный выход которого соединен со входом фильтра верхних частот 2 и выходом фильтра нижних частот 3, модулятор 4, выход которого соединен через выключатель 5 со входом фильтра нижних частот 3, усилитель преобразованного сигнала 6, выход которого подключен к входу блока индикации и разверток 7, выход которого соединен с низкочастотным входом гиромагнитного преобразователя. Введены селективный блок 8 и переключатель 9. Выход узкополосного блока 8 соединен со входом широкополосного усилителя 6. Выход фильтра верхних частот соединен с подвижным контактом переключателя 9, а к его неподвижным контактам подключены соответственно вход усилителя преобразованного сигнала 6 и вход селективного блока 8.

Устройство работает следующим образом и имеет два режима работы:
1) Основной измерительный режим, при котором выключатель 5 находится в разомкнутом состоянии (т.е. модулятор 4 отключен), переключатель 9 подключает к выходу фильтра верхних частот 2 вход широкополосного усилителя преобразованного сигнала 6 (селективный блок отключен).

При этом осуществляется формирование огибающей спектра шума 1, прямо пропорциональной исходной огибающей.

СВЧ-сигнал поступает на вход гиромагнитного преобразователя 1, осуществляющего резонансное детектирование. Преобразованный ВЧ-сигнал проходит через фильтр верхних частот 2, поступает на вход широкополосного усилителя 6 с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным частоте k(ω)~1/ω, что компенсирует частотные искажения, вносимые катушкой магнитного детектора в процессе резонансного детектирования. В блоке индикации и разверток 7 регистрируется огибающая спектра широкополосного сигнала СВЧ. Устройство блока 7 аналогично такому же блоку в устройстве (3).

2) Дополнительный режим для выявления детерминированных составляющих в шуме, при котором выключатель 5 в замкнутом состоянии (подключен модулятор 4 ко входу фильтра нижних частот 3), переключатель 9 подключает к выходу фильтра верхних частот 2 вход селективного блока 8.

При этом осуществляется формирование второй огибающей спектра шума с модуляцией поля подмагничивания (кроссумножением). Если в спектре шума присутствует детерминированная составляющая, то происходит изменение формы огибающей спектра на частоте этой спектральной составляющей.

СВЧ-сигнал поступает на вход гиромагнитного преобразователя 1, осуществляющего кроссмодуляционное преобразование частоты (кроссумножение). Преобразованный ВЧ-сигнал проходит через фильтр верхних частот 2 на вход селективного блока 8, фильтрующего детерминированные составляющие в шумовой составляющей спектра преобразованного сигнала (селективный блок настраивается на частоту, кратную частоте модуляции W, например, на ее вторую гармонику). Фильтры нижних частот 3 и верхних частот 2 необходимы для разделения по частоте (развязки) сигнала модуляции и преобразованного сигнала, поскольку модуляция и съем преобразованного сигнала осуществляются с помощью одной и той же катушки магнитного детектора, на основе которого выполнен гиромагнитный преобразователь 1.

Сигнал с выхода селективного блока 8 поступает на вход блока индикации и разверток 7, с помощью которого осуществляется формирование второй огибающей спектра (кривая II) и ее сравнение с кривой I, а также осуществляется измерение амплитуд и частот детерминированных составляющих.

Изготовлен макет устройства, реализующий предлагаемое изобретение на основе прибора ИСПМ-1, включающий дополнительный узкополосный блок (резонансный усилитель с центральной частотой настройки, равной удвоенной частоте модулятора 2F_Mод 2 МГц). На первом этапе экспериментально доказана принципиальная неспособность самого ИСПМ-1 выявлять детерминированные составляющие в шуме (даже при большом отношении сигнал/шум, Р_с/(Р_ш.DF_гп 1-27 (Р_с мощность сигнала, Р_ш - мощность шума, ΔF_гп полоса пропускания гиромагнитного преобразователя по СВЧ). На втором этапе экспериментально проверялась возможность выявлять детерминированные сигналы из аддитивной смеси сигнал-шум с помощью макета с дополнительным узкополосным усилителем при переходе от резонансного детектирования к кроссумножению. Минимальное отношение сигнал/шум, при котором устойчиво обнаруживался детерминированный сигнал, составило в этом случае 0,14, что доказывает расширение функциональных возможностей устройства при использовании в нем узкополосного блока и введение обработки исследуемого спектра СВЧ-сигнала в режиме кроссмодуляционного преобразования частоты.

Литература
1. Мартынов В.А. Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра. М. Советское радио, 1964, с. 114, 338.

2. Test Measurement Catalog, Hewlett Packard, 1992, p. 258.

3. Измеритель спектральной плотности мощности панорамный ИСПМ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М. 2.747. 001 ТО, с. 11-15.

Изобретение относится к СВЧ-измерительной технике и позволяет дополнительно выявлять детерминированные составляющие в широкополосных шумовых СВЧ-сигналах и измерять их параметры (несущую частоту, амплитуду) без нарушения измерительного режима работы устройства. Способ заключается в последовательном во времени резонансном детектировании составляющих спектра сигнала СВЧ, обработке преобразованного сигнала с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным частоте, в дополнительном кроссмодуляционном преобразовании частоты составляющих спектра того же сигнала, узкополосной фильтрации преобразованного сигнала на одной из частот, кратной частоте модуляции, в регистрации полученных огибающих спектра. Огибающие спектра каждого преобразователя сравнивают между собой и по разнице форм огибающих определяют несущие частоты и амплитуды детерминированных составляющих в спектре шумового сигнала СВЧ. Устройство, реализующее предложенный способ, имеет два режима работы: основной, когда выключатель находится в разомкнутом состоянии, т.е. модулятор отключен, и переключатель подключает фильтр верхних частот к широкополосному усилителю, и дополнительный режим для выявления детерминированных составляющих в шуме. В этом случае выключатель находится в замкнутом состоянии, модулятор подключен к фильтру нижних частот, а переключатель подключает фильтр к входу селективного блока. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ анализа спектра широкополосных шумовых сигналов СВЧ, заключающийся в том, что последовательно во времени преобразуют частоту каждой составляющей спектра сигнала СВЧ путем резонансного детектирования, обрабатывают преобразованный сигнал с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным частоте, формируют огибающую спектра сигнала СВЧ, отличающийся тем, что дополнительно последовательно во времени осуществляют кроссмодуляционное преобразование частоты каждой составляющей спектра того же сигнала СВЧ, узкополосно фильтруют и формируют вторую огибающую, сравнивают между собой обе сформированные огибающие и по разнице их форм определяют несущие частоты и амплитуды детерминированных составляющих в спектре шумового сигнала СВЧ. 2. Устройство анализа спектра широкополосных шумовых сигналов СВЧ, содержащее гидромагнитный преобразователь, высокочастотный выход которого соединен с входом фильтра верхних частот и с выходом фильтра нижних частот, модулятор, выход которого соединен через выключатель с входом фильтра нижних частот, усилитель преобразованного сигнала, выход которого соединен с входом блока индикации и разверток, выход которого подключен к низкочастотному входу гиромагнитного преобразователя, отличающееся тем, что введены селективный блок с частотой настройки, кратной частоте модулятора, и переключатель, к подвижному контакту которого подключен выход фильтра верхний частот, а неподвижные контакты соединены соответственно с входом усилителя преобразованного сигнала и входом селективного блока, выход которого подключен к входу усилителя преобразованного сигнала.