АНАЛИЗАТОР ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ СИГНАЛА Российский патент 2004 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к области измерения статистических характеристик случайных процессов и может быть использовано для измерения статистических характеристик случайной фазы сигнала.

При статистическом анализе случайной фазы сигнала используется статистическое среднее вида [1], с.32:

называемое характеристической функцией, где V_m - вещественный параметр характеристической функции; ϕ (t) - случайный процесс, например фаза сигнала; m₁ - знак математического ожидания.

Преобразование выражения (1) приводит его к виду:

где A(V_m) и В(V_m) -действительная и мнимая части характеристической функции.

Известен статистический анализатор конечной разности фазы, содержащий аналоговый запоминающий блок (АЗБ), формирователь опорного колебания, первый и второй блоки выборки и хранения, первый и второй аналого-цифровой преобразователи (АЦП), первый и второй накапливающие сумматоры, первый и второй отсчетные блоки, управляемый генератор тактовых импульсов и формирователь стробирующих импульсов, причем входом статистического анализатора служат объединенные входы АЗБ и формирователя опорного колебания, вход первого из которых подключен к объединенным входам первого и второго каналов преобразования, каждый из которых содержит последовательно соединенные соответственно первый и второй блоки выборки и хранения, первый и второй АЦП, первый и второй накапливающие сумматоры, первый и второй отсчетные блоки, кроме того, управляющим входом статистического анализатора служат объединенные первый вход формирователя стробирующих импульсов и вход управляемого генератора тактовых импульсов, первый выход которого подключен к объединенным тактовому входу формирователя опорного колебания и первому тактовому входу АЗБ, второй тактовый вход которого соединен со вторым выходом управляемого генератора тактовых импульсов, первый и второй выходы формирователя стробирующих импульсов соединены с входами стробирования соответственно первого и второго блоков выборки и хранения, а вход - с выходом формирователя опорного колебания, входы синхронизации АЦП соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя стробирующих импульсов, выходы конца преобразования - с входами синхронизации соответственно первого и второго накапливающих сумматоров, входы стробирования которых объединены и подключены к входу “Время измерения” статистического анализатора конечной разности фазы сигнала [2]. Анализатор измеряет оценки действительной и мнимой частей характеристической функции при различных значениях вещественного параметра V_m характеристической функции, где измерение V_m=1, 2, 3,... , m; m=20 осуществляется запоминанием входной информации аналоговым запоминающим блоком. В последнем частота считывания в m раз больше частоты дискретизации входного сигнала. Блоки выборки и хранения интегрирующего типа интегрируют сигнал, действующий на первом входе, за время действия импульса на втором входе. Каждый из накапливающих сумматоров содержит сумматор, регистр памяти, запись в который производится при действии импульса на входе синхронизации накапливающего сумматора, и одновибратор, обеспечивающий сброс содержимого регистра памяти при появлении переднего фронта импульса на входе стробирования. Отсчетные блоки обеспечивают цифровую индикацию оценок характеристической функции A*(V_m) и B*(V_m) и содержат дешифратор и цифровой индикатор. Анализатор обеспечивает погрешность измерения оценок характеристической функции не более 0.1% при частоте входного сигнала не более 50 кГц. Для исследования сигналов с более высокими частотами этот анализатор не может быть применен, так как погрешность измерения в этом случае возрастает до недопустимого уровня.

Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее способ измерения статистических характеристик флуктуации фазы сигнала [3]. Устройство содержит первый и второй каналы преобразования, в каждом из которых последовательно соединены ЛЧМ-генератор, амплитудный модулятор, дисперсионная линия задержки, демодулятор, перемножитель, интегратор, регистратор, причем первые входы ЛЧМ-генераторов первого и второго каналов объединены и подключены к входу управления анализатора, вторые входы объединены со вторыми входами амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов, кроме того, выход демодулятора первого канала подключен к свободному входу перемножителя второго канала, в то время как свободный вход перемножителя первого канала подключен к выходу фазовращателя, вход которого присоединен к выходу демодулятора второго канала.

Устройство может быть использовано для измерения оценок характеристической функции флуктуации фазы сигнала при различных значениях вещественного параметра, однако при превышении входными сигналами определенного уровня наступает перемодуляция, которая приводит к появлению дополнительных составляющих в спектре колебаний на выходах амплитудных модуляторов и как следствие этого к появлению дополнительной погрешности измерений, значение которой может достигать очень большой величины.

Задача предлагаемого изобретения - повышение точности измерения отсчетов характеристической функции за счет снижения уровня входных сигналов при появлении перемодуляции.

Указанная задача достигается благодаря тому, что в известном устройстве, содержащем первый и второй каналы преобразования, в каждом из которых последовательно соединены ЛЧМ-генератор, амплитудный модулятор, дисперсионная линия задержки, демодулятор, перемножитель, интегратор, регистратор, причем первые входы ЛЧМ-генераторов первого и второго каналов объединены и подключены к первому входу управления анализатора, вторые входы объединены со вторыми входами амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов, кроме того, выход демодулятора первого канала подключен к свободному входу перемножителя второго канала, в то время как свободный вход перемножителя первого канала подключен к выходу фазовращателя, вход которого присоединен к выходу демодулятора второго канала, согласно изобретению, демодуляторы содержат полосовые фильтры, кроме того в анализатор введены первый и второй измерители мощности, первое и второе пороговые устройства, первый и второй делители, выходы которых раздельно подключены ко вторым входам амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов, первые входы делителей подключены соответственно к первому и второму входам анализатора, вторые входы делителей соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых устройств, причем первые входы первого и второго пороговых устройств объединены со вторым входом управления анализатора, а вторые входы подключены в отдельности к выходам измерителей мощности, входы которых раздельно присоединены к выходам амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого анализатора характеристической функции сигнала; на фиг.2 - зависимость мощности Е модулированного по амплитуде ЛЧМ-импульса от индекса модуляции М; на фиг.3 - зависимость мощности Е модулированного по амплитуде ЛЧМ-импульса от частоты исследуемого колебания f_c.

Анализатор характеристической функции сигнала содержит делители 1 и 2, амплитудные модуляторы 3 и 4, ЛЧМ-генераторы 5 и 6, измерители мощности 7 и 8, дисперсионные линии задержки 9 и 10, демодуляторы с полосовыми фильтрами 11 и 12, перемножители 13 и 15, фазовращатель 14, интеграторы с управляемыми весовыми коэффициентами 16 и 17, регистраторы 18 и 19, пороговые устройства 20 и 21.

Первым и вторым входом анализатора являются первые входы соответственно первого 1 и второго 2 делителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов, а также к первым входам соответственно первого 5 и второго 6 ЛЧМ-генераторов, вторые входы которых объединены и подключены к первому входу управления анализатора, а выходы подключены ко вторым входам соответственно первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого 7 и второго 8 измерителей мощности, а также к входам соответственно первой 9 и второй 10 дисперсионных линий задержки, выходы которых подключены к входам соответственно первого 11 и второго 12 демодуляторов с полосовыми фильтрами, выход второго демодулятора с полосовым фильтром 12 подключен к второму входу второго перемножителя 13 и через фазовращатель 14 к второму входу первого перемножителя 15, а выход первого демодулятора с полосовым фильтром 11 - к первым входам перемножителей 13 и 15, выходы которых подключены через интеграторы 16 и 17 с управляемыми весовыми коэффициентами к входам соответственно первого 18 и второго 19 регистраторов, выходы перового 7 и второго 8 измерителей мощности подключены к первым входам соответственно первого 20 и второго 21 пороговых устройств, вторые входы которых объединены и подключены ко второму входу управления анализатора, а выходы подключены ко вторым входам соответственного первого 1 и второго 2 делителей.

Делители 1 и 2 предназначены для изменения уровней входных сигналов, они выполнены по известным схемам, например [4], с.299.

Амплитудные модуляторы 3 и 4 служат для амплитудной модуляции ЛЧМ-импульсов входными сигналами. Построены по известным схемам, например [4], с.283.

ЛЧМ-генераторы 5 и 6 служат для формирования ЛЧМ-импульсов длительностью τ _u и девиацией частоты, зависящей от сигнала на первом управляющем входе анализатора. ЛЧМ-генераторы выполняются по известным схемам, например [5], с.160.

Измерители мощности 7 и 8 служат для измерения мощности модулированных колебаний и построены по известным схемам, например [6], с.228.

Дисперсионные линии задержки 9 и 10 служат для сжатия модулированных ЛЧМ-импульсов, поступающих с выходов модуляторов 3 и 4. Выполняются по известным схемам, например [7], с.68.

Демодуляторы с полосовыми фильтрами 11 и 12 служат для детектирования сжатых ЛЧМ-импульсов и выделения необходимой частоты. Демодуляторы строятся по известным схема, например [8], с.242.

Фазовращатель 14 служит для поворота фазы преобразованного опорного колебания на 90° . Выполнен по известной схеме, например [7], с.82.

Перемножители 13 и 15 служат для перемножения преобразованного исследуемого сигнала и опорного колебания. Перемножители выполнены по известным схемам, например [8], с.252.

Интеграторы с управляемыми весовыми коэффициентами 16 и 17 служат для усреднения сигналов с выходов перемножителей 13 и 15. Построены по известным схемам, например [8], с.183.

Регистраторы 18 и 19 служат для преобразования сигналов с выходов интеграторов. Строятся по известным схемам, например [6], с.209.

Пороговые устройства 20 и 21 служат для сравнения сигналов на выходах модуляторов 3 и 4 с сигналом на втором управляющем входе анализатора. Построены по известным схемам, например [9], с.143.

Рассмотрим работу анализатора на примере измерения отсчетов характеристической функции сигнала u(t)=U₀·сos[ω _ct+ϕ (t)] с флуктуациями фазы ϕ (t), который поступает на первый вход анализатора, в то время как на второй вход анализатора подается опорное колебание вида u_on(t)=U_c·cos(ω _mt).

Измерение оценок характеристической функции производится последовательно при выбранном значении параметра V_m. Значения параметра V_m выбирают целочисленными. Сигнал со случайной фазой ϕ и опорное колебание подаются на делители 1 и 2 и далее на амплитудные модуляторы 3 и 4. ЛЧМ-генераторы 5 и 6 при переходе фазы исследуемого сигнала и опорного колебания через нулевой уровень формируют ЛЧМ-импульсы длительностью τ _u. Девиация частоты ЛЧМ-импульсов зависит от сигнала на первом управляющем входе анализатора и определяется из следующих соображений.

Известно, что при прохождении модулированного по амплитуде ЛЧМ-импульса через дисперсионную линию задержки сигналы, обусловленные боковыми полосами, центры которых расположены в точках f₀±f_c, будут порождать выходные сигналы, сдвинутые во времени на величину ±(f_c/Δ f)(τ _u сек, где f₀ - центральная частота ЛЧМ-импульса, f_c – частота модулирующего колебания (см. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. - М.: Сов. радио, 1971. - с.411). Можно показать, что для выделения после детектора частоты V_mf_c необходимо сформировать ЛЧМ-импульс, девиация частоты которого определяется из выражения:

Амплитудный спектр ЛЧМ-импульса будет равномерный в полосе частот (f₀-Δ f/2, f₀+Δ f/2), а фазовый спектр будет определяться из выражения [4], с.107:

За счет того, что начало ЛЧМ-импульсов совпадает с переходом через нулевой уровень фазы соответственно исследуемого сигнала и опорного колебания, все спектральные составляющие ЛЧМ-импульса, модулированного исследуемым сигналом, получают дополнительный фазовый сдвиг, равный

Сформированные таким образом ЛЧМ-импульсы подаются на вторые входы амплитудных модуляторов 3 и 4, где модулируются по амплитуде соответственно исследуемым сигналом и опорным колебанием. Модулированные ЛЧМ-импульсы с выходов амплитудных модуляторов 3 и 4 подаются на входы дисперсионных линий задержки 9 и 10. Каждая составляющая спектра модулированных ЛЧМ-импульсов после прохождения дисперсионных линий задержки получает фазовый сдвиг, равный [4], с.429:

Сигналы с выходов дисперсионных линий задержки 9 и 10 подаются на демодуляторы с полосовыми фильтрами 11 и 12, где происходит детектирование преобразованных ЛЧМ-импульсов. Полосовые фильтры настроены на частоту V_mf_m, т.e. выделяют колебания и .

Полученные колебания с выходов демодуляторов с полосовыми фильтрами 11 и 12 подаются на перемножитель 15, где происходит их перемножение.

На выходе перемножителя 15 будет сигнал вида

Составляющая с частотой 2·V_mω _c интегратором 17 усредняется до нуля. Весовой коэффициент интегратора выбирается равным 2/()². Таким образом, на регистратор 19 подается сигнал m₁{cos(V_mϕ_{)}, т.е. оценка действительной части характеристической функции A(Vm).}

Кроме того, с выхода перемножителя 11 колебание подается на первый вход перемножителя 13, в то время как с выхода демодулятора с полосовым фильтром 12 колебание поступает на фазовращатель 14, где осуществляется поворот его фазы на 90° . Следовательно, на второй вход перемножителя 13 подается колебание .

На выходе перемножителя 13 будет сигнал вида

Интегратор 16 аналогичен интегратору 17. Таким образом, на регистратор 18 подается сигнал m₁{sin(V_mϕ_{)}, т.е. оценка мнимой части характеристической функции B(Vm).}

Для проведения измерений при другом значении вещественного параметра характеристической функции V_m меняется уровень сигнала на первом управляющем входе анализатора. Значение этого сигнала определяется с учетом выражения (3).

Измерители мощности 7 и 8 измеряют мощность модулированных ЛЧМ-колебаний на выходах соответственно амплитудных модуляторов 3 и 4. При увеличении индекса амплитудной модуляции М возрастает значение мощности сигнала Е (см. фиг.2). Анализируя эту зависимость, а также зависимость, представленную на фиг.3, можно сделать вывод, что если измеренное значение мощности Е не превышает некоторого порогового уровня Е_пор, то можно утверждать, что при любой частоте исследуемого сигнала индекс модуляции М не превышает значения 100%, т.е. перемодуляция, а следовательно, и искажения, вызванные ею, отсутствуют. Пороговый уровень Е_пор подается на второй управляющий входа анализатора, т.е. на первые входы пороговых устройств 20 и 21. Измеренное значение мощности пороговыми устройствами 20 и 21 сравниваются с пороговым уровнем E_пор. При превышении измеренным значением сигнала порогового уровня Е_пор пороговые устройства формируют на своих выходах сигналы управления делителями. Делители уменьшают уровень исследуемого сигнала и опорного колебания, а следовательно, и индекс амплитудной модуляции М модулированных ЛЧМ-импульсов. После этого происходит повторная модуляция ЛЧМ-импульса исследуемым и опорным колебаниями. Измерители мощности снова производят измерение модулированных ЛЧМ-импульсов, пороговые устройства сравнивают измеренные значения мощности с пороговым уровнем E_пор. Цикл повторяется до тех пор, пока измеренное значение мощности модулированного ЛЧМ-импульса не станет меньше порогового уровня E_пор.

При возникновении перемодуляции ЛЧМ-импульсов возникает погрешность измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции. Это вытекает из следующих рассуждений. Появление перемодуляции приводит к возникновению дополнительных составляющих в спектре модулированного ЛЧМ-импульса. После преобразований эти составляющие изменят уровень сигнала на частоте V_mf_c. Следовательно, сигналы на выходах интеграторов будут иметь вид m₁{K_ncos(V_mϕ_{)}и m1{Knsin(Vmϕ)}, где Кn - коэффициент, определяющийся дополнительными составляющими в спектре модулированных ЛЧМ-импульсов. Погрешности измерения действительной и мнимой частей характеристической функции будут определяться выражениями:}

Δ (V_m)=|m₁{cos(V_mϕ_{)}-m1{Kncos(Vmϕ)}|=|1-Kn|·m1{cos(Vmϕ)},}

Δ B(V_m)=|m₁{sin(V_mϕ_{)}-m1{Knsin(Vmϕ)}|=|1-Kn|·m1{sin(Vmϕ)}.}

Был произведен расчет, показывающий появление погрешности измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции при появлении перемодуляции. Расчет производился с применением математического пакета MathCAD 7.0 Pro при следующих исходных данных: центральная частота ЛЧМ-импульсов f₀=500 кГц; длительность импульсов τ _u=90 мкс; частота повторения импульсов f_n=10 кГц; частота исследуемого сигнала и опорного колебания f_c=15 кГц; флуктуации фазы исследуемого сигнала ϕ =0,1·π ; индекс модуляции М₁=0.8; М₂=0.4. Требуемое значение вещественного параметра характеристической функции V_m=2. Расчет показал, что возникновение перемодуляции в амплитудных модуляторах 3 и 4 приводит к появлению погрешностей измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции, равной при данных начальных условиях 215%.

Предлагаемое устройство не допускает возникновение перемодуляции в амплитудных модуляторах 3 и 4 за счет снижения уровня входных сигналов при превышении измеренным значением мощности модулированного ЛЧМ-импульса порогового уровня Е_пор, т.е. при возможности появления перемодуляции. Следовательно, и погрешность, вызванная перемодуляцией, не возникает. За счет этого повышается точность измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции.

Таким образом, введение измерителей мощности, пороговых устройств и делителей позволяет повысить точность измерения оценок характеристической функции за счет снижения уровня входных сигналов при появлении перемодуляции в амплитудных модуляторах 3 и 4.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982. – 624 с.

2. Авторское свидетельство №1422182, кл. G 01 R 25/00. Статистический анализатор конечной разности фазы / В.Г.Бронштейн и др. - №4184769/24-21;

Заявлено 20.01.87. Опубл. 07.09.88. Бюл. №33. -8 с.

3. Авторское свидетельство №1569740, кл. G 01 R 25/00. Способ измерения статистических характеристик флуктуации фазы сигнала/ В.В.Вережников и др. -№4359264/24-21. Заявлено 05.01.88; Опубл. 07.06.90. Бюл. №21. – 5 с. (прототип).

4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высш. шк., 1988. – 448 с.

5. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. - М.: Сов. радио, 1971. - 568 с.

6. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. - М.: Сов. радио, 1978. - 415 с.

7. Электрические линии задержки и фазовращатели / В.Л.Авраменко и др. -М.: Связь, 1973. - 107 с.

8. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.

9. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 347 с.

Использование: в области измерения статистических характеристик случайных процессов. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Анализатор характеристической функции сигнала содержит первый и второй делители, первые входы которых являются входами анализатора, а выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго амплитудных модуляторов, а также к первым входам соответственно первого и второго ЛЧМ-генераторов, вторые входы которых объединены и подключены к первому входу управления анализатора, а выходы подключены ко вторым входам соответственно первого и второго амплитудных модуляторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго измерителей мощности, а также к входам соответственно первой и второй дисперсионных линий задержки, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго демодуляторов с полосовыми фильтрами, выход второго демодулятора с полосовым фильтром подключен к второму входу второго перемножителя и через фазовращатель к второму входу первого перемножителя, а выход первого демодулятора с полосовым фильтром - к первым входам перемножителей, выходы которых подключены через интеграторы с управляемыми весовыми коэффициентами к входам соответственно первого и второго регистраторов, выходы первого и второго измерителей мощности подключены к первым входам соответственно первого и второго пороговых устройств, вторые входы которых объединены и подключены ко второму входу управления анализатора, а выходы подключены ко вторым входам соответственно первого и второго делителей. 3 ил.

Анализатор характеристической функции сигнала, содержащий первый и второй каналы преобразования, в каждом из которых последовательно соединены ЛЧМ-генератор, амплитудный модулятор, дисперсионная линия задержки, демодулятор, перемножитель, интегратор, регистратор, причем первые входы ЛЧМ-генераторов первого и второго каналов объединены и подключены к первому входу управления анализатора, вторые входы объединены со вторыми входами амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов, кроме того, выход демодулятора первого канала подключен к свободному входу перемножителя второго канала, в то время как свободный вход перемножителя первого канала подключен к выходу фазовращателя, вход которого присоединен к выходу демодулятора второго канала, отличающийся тем, что демодуляторы содержат полосовые фильтры, и, кроме того, в анализатор введены первый и второй измерители мощности, первое и второе пороговые устройства, первый и второй делители, выходы которых раздельно подключены ко вторым входам амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов, первые входы делителей подключены соответственно к первому и второму входам анализатора, вторые входы делителей соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых устройств, причем первые входы первого и второго пороговых устройств объединены со вторым входом управления анализатора, а вторые входы подключены в отдельности к выходам измерителей мощности, входы которых раздельно присоединены к выходам амплитудных модуляторов соответственно первого и второго каналов.