АНАЛИЗАТОР ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ СИГНАЛА Российский патент 2005 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 А(V_m) и В(V_m) - действительная и мнимая части характеристической функции.

Известно устройство, реализующее способ измерения статистических характеристик флуктуаций фазы сигнала [2]. 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 флуктуаций фазы сигнала при различных значениях вещественного параметра V_m характеристической функции. 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.

Из известных наиболее близким по технической сущности является анализатор характеристической функции сигнала [3], содержащий первый и второй каналы преобразования, в каждом из которых последовательно соединены ЛЧМ-генератор, амплитудный модулятор, дисперсионная линия задержки, демодулятор с полосовым фильтром, 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 и выходами делителей соответственно первого и второго каналов, причем первые входы делителей подключены соответственно к первому и второму входам анализатора, вторые входы делителей соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых устройств, у которых первые входы объединены, а вторые входы подключены в отдельности к выходам измерителей мощности, входы которых раздельно присоединены к выходам 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. Анализатор позволяет измерять оценки действительной и мнимой частей характеристической функции при различных значения вещественного параметра V_m характеристической функции. Кроме того, при превышении входными сигналами определенного уровня, что может привести к перемодуляции и, следовательно, к дополнительной погрешности измерений, анализатор автоматически снижает уровни входных сигналов так, что измеренное значение мощности модулированного ЛЧМ-импульса не превышает порогового уровня Е_пор. Таким образом, исключается возможность возникновения перемодуляции ЛЧМ-импульса, а значит, и появления дополнительной погрешности измерений. Однако уровень мощности, при котором возникает перемодуляция, различен для исследуемых сигналов с разной частотой, и, следовательно, однозначное задание Е_пор ограничивает полосу частот исследуемых сигналов.

Задача предлагаемого изобретения - расширение полосы частот исследуемых сигналов.

Указанная задача достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее первый и второй каналы преобразования, в каждом из которых последовательно соединены ЛЧМ-генератор, амплитудный модулятор, дисперсионная линия задержки, демодулятор с полосовым фильтром, 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 и выходами делителей соответственно первого и второго каналов, причем первые входы делителей подключены соответственно к первому и второму входам анализатора, вторые входы делителей соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых устройств, у которых первые входы объединены, а вторые входы подключены в отдельности к выходам измерителей мощности, входы которых раздельно присоединены к выходам 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 введены делитель порогового напряжения, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), дешифратор адреса, измеритель частоты, вход которого объединен со вторым входом анализатора, а выход подключен к входу дешифратора адреса, у которого выход соединен с входом ПЗУ, выход которого подключен к первому входу делителя порогового напряжения, второй вход которого соединен со вторым входом управления анализатора, а третий вход делителя порогового напряжения объединен со вторыми входами интеграторов первого и второго каналов и подключен к третьему входу управления анализатора.

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_с.

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, первый перемножитель 13, фазовращатель 14, второй перемножитель 15, интеграторы с управляемыми весовыми коэффициентами 16 и 17, регистраторы 18 и 19, пороговые устройства 20 и 21, делитель порогового напряжения 22, ПЗУ 23, дешифратор адреса 24, измеритель частоты 25.

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 ко 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 15 и 13, выходы которых подключены через первые входы интеграторов 16 и 17 с управляемыми весовыми коэффициентами к входам соответственно первого 18 и второго 19 регистраторов, выходы первого 7 и второго 8 измерителей мощности подключены к первым входам соответственно первого 20 и второго 21 пороговых устройств, выходы которых подключены ко вторым входам соответственно первого 1 и второго 2 делителей, а вторые входы объединены и подключены к выходу делителя порогового напряжения 22, второй вход которого присоединен ко второму входу управления анализатора, третий вход объединен со вторыми входами интеграторов 16 и 17 и подключен к третьему входу управления анализатора, в то время как первый вход делителя порогового напряжения соединен с выходом ПЗУ 23, вход которого соединен с выходом дешифратора адреса 24, вход которого в свою очередь подключен к выходу измерителя частоты 25, вход измерителя частоты объединен с подключенным ко второму входу анализатора первым входом второго делителя. 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_и 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 схемам, 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.

Делитель порогового напряжения 22 служит для формирования необходимого порогового уровня. Построен по известной схеме, например [4], с.299.

ПЗУ 23 выбирается исходя из требований быстродействия и разрядности, например из справочника [10].

Дешифратор адреса 24 служит для формирования адреса ячейки ПЗУ 24, в которой содержится код управления делителем для данной частоты сигнала. Дешифратор выполняется по известной схеме или используется стандартный дешифратор в интегральном исполнении, например из справочника [10].

Измеритель частоты 25 служит для измерения частоты исследуемого колебания и формирования кода, определяющего частоту сигнала, который поступает на дешифратор адреса 24. Измеритель частоты строится по известной схеме, например [6], с.127.

Рассмотрим работу анализатора на примере измерения отсчетов характеристической функции сигнала с флуктуациями фазы ϕ(f), который поступает на первый вход анализатора, в то время как на второй вход анализатора подается опорное колебание вида

Измерение оценок характеристической функции производиться последовательно при выбранном значении параметра V_m. 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_и. 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 , будут порождать выходные сигналы, сдвинутые во времени на величину , 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 необходимо сформировать ЛЧМ- импульс, девиация частоты которого определяется из выражения

Амплитудный спектр ЛЧМ-импульса будет равномерный в полосе частот , 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 , т.е. выделяют колебания и .

Полученные колебания с выходов демодуляторов с полосовыми фильтрами 11 и 12 подаются на перемножитель 13, где происходит их перемножение. На выходе перемножителя 13 будет сигнал вида .

Составляющая с частотой интегратором 17 усредняется до нуля. Весовой коэффициент интегратора выбирается равным . Таким образом, на регистратор 19 подается сигнал , т.е. оценка действительной части характеристической функции .

Кроме того, с выхода перемножителя 11 колебание подается на первый вход перемножителя 15, 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 15 подается колебание . На выходе перемножителя 15 будет сигнал вида

Интегратор 16 аналогичен интегратору 17. Таким образом, на регистратор 18 подается сигнал , т.е. оценка мнимой части характеристической функции B(V_m).

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. Из фиг.3 также следует, что пороговый уровень Е_пор, при котором индекс модуляции М равен 100%, различен для различной частоты исследуемого сигнала. Измеритель частоты 25 производит измерение частоты опорного колебания и формирует сигнал, который поступает на вход дешифратора адреса 24. В ПЗУ 23 содержатся коды, управляющие делителем порогового напряжения. Код из ячейки ПЗУ 23 с адресом, сформированным дешифратором адреса 24, поступает на первый вход делителя порогового напряжения 22. Пороговый уровень Е_пор подается через делитель порогового напряжения 22 с установленным коэффициентом деления на первые входы пороговых устройств 20 и 21. Измеренное значение мощности пороговыми устройствами 20 и 21 сравниваются с пороговым уровнем Е_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 Е_пор. В случае изменения частоты опорного колебания происходит переустановка значения коэффициента деления делителя порогового напряжения 22 по цепи: измеритель частоты 25, дешифратор адреса 24, ПЗУ 23. Цикл повторяется до тех пор, пока измеренное значение мощности модулированного ЛЧМ-импульса не станет меньше порогового уровня Е_пор для данной частоты опорного колебания.

Для проведения измерений при другом значении вещественного параметра характеристической функции V_m изменяется уровень сигнала на первом управляющем входе анализатора. Значение этого сигнала определяется с учетом выражения (3). Третий вход управления анализатором служит для сброса предыдущего значения коэффициента деления делителя порогового напряжения 22, а также для сброса интеграторов 16 и 17 в исходное состояние.

При возникновении перемодуляции ЛЧМ-импульсов возникает погрешность измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции. Это вытекает из следующих рассуждении. Появление перемодуляции приводит к возникновению дополнительных составляющих в спектре модулированного ЛЧМ-импульса. После преобразований эти составляющие изменят уровень сигнала на частоте . Следовательно, сигналы на выходах интеграторов будет иметь вид и , где К_n - коэффициент, определяющийся дополнительными составляющими в спектре модулированных ЛЧМ-импульсов. Погрешности измерения действительной и мнимой частей характеристической функции будут определяться выражениями

Был произведен расчет, показывающий появление погрешности измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции при возникновении 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 ; индекс модуляции M₁=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 погрешности 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 выбора оптимального порогового уровня Е_пор и снижения уровня входных сигналов при превышении измеренным значением мощности модулированного ЛЧМ-импульса выбранного порогового уровня Е_пор. Следовательно, и погрешность, вызванная перемодуляцией, не возникает. За счет этого повышается точность измерения оценок действительной и мнимой частей характеристической функции.

Таким образом, введение делителя порогового напряжения, ПЗУ, дешифратора адреса, измерителя частоты позволяет расширить полосу частот исследуемых сигналов за счет выбора оптимального порогового уровня Е_пор.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

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

2. Авторское свидетельство №1569740, кл. G 01 R 25/00. Способ измерения статистических характеристик флуктуаций фазы сигнала/ В.В.Вережников и др. - №4359264/24-21; Заявл. 05.01.88; Опубл. 07.06.90. Бюл.№21. - 5 с.

3. Положительное решение по заявке №2002118350/09(019183) от 08.07.2002. Анализатор характеристической функции сигнала / Ю.М.Вешкурцев, Ю.О.Немкин (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.

10. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 12 томах. - М.: ИП РадиоСофт, 2000.

Анализатор предназначен для измерения статистических характеристик случайной фазы сигнала. Анализатор имеет два канала преобразования, каждый из которых содержит последовательно включенные генератор линейно частотно-модулированного сигнала, амплитудный модулятор, дисперсионную линию задержки, демодулятор с полосовьм фильтром, перемножитель, интегратор и регистратор. Выход демодулятора первого канала подключен к второму входу перемножителя второго канала, а выход демодулятора второго канала - через фазовращатель к второму входу перемножителя первого канала. Входы анализатора подключены через делители к входам амплитудных модуляторов. Другие входы делителей через пороговые устройства и измерители мощности модулированного сигнала соединены с выходами амплитудных модуляторов. К второму входу анализатора подключен измеритель частоты входного сигнала. Выход измерителя частоты через дешифратор адреса соединен с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Выход ПЗУ соединен с входом делителя порогового напряжения. Выход делителя порогового напряжения соединен со вторыми входами пороговых устройств каждого канала. Предлагаемый анализатор позволяет управлять уровнем сигналов на выходе амплитудного модулятора в зависимости от частоты входного сигнала анализатора, не допуская возникновения перемодуляции. 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 с полосовым фильтром, 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 и выходами делителей соответственно первого и второго каналов, причем первые входы делителей подключены соответственно к первому и второму входам анализатора, вторые входы делителей соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых устройств, у которых первые входы объединены, а вторые входы подключены в отдельности к выходам измерителей мощности, входы которых раздельно присоединены к выходам 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 в него введены делитель порогового напряжения, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), дешифратор адреса, измеритель частоты, вход которого объединен со вторым входом анализатора, а выход подключен к входу дешифратора адреса, у которого выход соединен со входом ПЗУ, выход которого подключен к первому входу делителя порогового напряжения, второй вход которого соединен со вторым входом управления анализатора, а третий вход делителя порогового напряжения объединен со вторыми входами интеграторов первого и второго каналов и подключен к третьему входу управления анализатора.