ИЗМЕРИТЕЛЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано как для вычисления средней частоты и ширины спектра, так и для детального анализа формы спектра радиосигналов.

Известны устройства, в которых информация о спектре радиосигналов выводится в цифровой форме (см. статью Gautier H., Tournois P. Signal processing using surface acoustic wave and digital components. - IEE Proc., Pt. F, 1980, v.127, №2, p.92-98, Fig.5). Такое устройство содержит последовательно соединенные временной компрессор, дисперсионный анализатор спектра и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также синхронизатор, соответствующие выходы которого подключены к управляющим входам временного компрессора, дисперсионного анализатора спектра и АЦП. Устройство работает следующим образом. Информация о входном сигнале записывается в память временного компрессора (где производится согласование полосы обзора устройства с полосой обзора дисперсионного анализатора) и с него поступает на дисперсионный анализатор спектра, огибающая выходного сигнала которого соответствует амплитудному спектру входного сигнала. С помощью АЦП информация о спектре преобразуется в цифровую форму и передается далее на компьютер, где должно производиться вычисление необходимых спектральных параметров радиосигналов. В случае редкого поступления радиосигналов на вход устройства, на компьютер поступает большой массив цифровых данных, включающий в себя и нулевые значения (количество которых существенно превышает объем действительно полезной информации). Поскольку объем памяти любого компьютера ограничен, то объем значащей (отличной от нуля) информации может оказаться недостаточным. Поэтому в известных измерителях производится предварительная обработка информации, направленная на то, чтобы передавать на компьютер только значащую информацию.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является измеритель спектральных параметров радиосигналов (патент РФ №2080608, 1997). Устройство содержит последовательно включенные дисперсионный анализатор спектра и амплитудный детектор, причем вход анализатора является входом устройства, первый и второй узлы сравнения, первые входы которых объединены, первый и второй формирователи импульса, входы которых объединены, синхронизатор, первый выход которого подключен к синхровходу дисперсионного анализатора, а второй - к входам формирователей. В состав устройства входят также первый и второй элементы И, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), узел оперативной памяти и первый регистр, а также второй регистр, причем информационный вход АЦП соединен с выходом амплитудного детектора, синхровход - с вторым выходом синхронизатора, а выход - с первыми входами первого и второго узлов сравнения, вход первого регистра подключен к второму входу первого узла сравнения, а выход - к второму входу второго узла сравнения, выход которого соединен с входом первого элемента И. Устройство содержит также регистрирующий блок, первый информационный вход которого подключен к выходу второго регистра, второй информационный вход - к второму выходу первого регистра, а синхровход - к выходу первого элемента И, первый, второй и третий счетчики и мультиплексор. Выход первого счетчика подключен к второму входу узла оперативной памяти и к входу второго регистра, входы мультиплексора соединены с выходами второго и третьего счетчиков, а выход - с адресным входом узла памяти, вход записи которого подключен к выходу первого формирователя, вход которого соединен со счетным входом первого и второго счетчиков, а также с адресным входом мультиплексора и вторым выходом синхронизатора. Первый вход второго элемента И подключен к выходу первого узла сравнения, а второй вход объединен с вторым входом первого элемента И и выходом второго формирователя. Устройство содержит также элемент задержки и элемент ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу первого регистра, первый вход - к установочному входу первого счетчика и к третьему выходу синхронизатора, а второй вход - к выходу элемента задержки, вход которого соединен с синхровходом второго регистра и выходом первого элемента И. Второй вход первого регистра подключен к второму выходу узла памяти, а третий - к источнику потенциала логической единицы, синхровход - к счетному входу третьего счетчика и выходу второго элемента И, а третий выход - к установочному входу второго и третьего счетчиков.

На первом выходе синхронизатора с периодичностью, определяющей цикл работы устройства, формируются импульсы, которые поступают на синхровход дисперсионного анализатора и запускают его. Через некоторое фиксированное время на выходе дисперсионного анализатора появляется радиосигнал, огибающая которого в масштабе времени повторяет спектр сигнала на входе устройства. На третьем выходе синхронизатора появляется импульс, который устанавливает в исходное состояние все счетчики и первый регистр. На втором выходе синхронизатора начинает формироваться последовательность тактовых импульсов, которые управляют работой АЦП, в результате чего на выходе АЦП формируется последовательность цифровых чисел, определяемая амплитудой выборок из сигнала с выхода амплитудного детектора. На время действия каждого тактового импульса мультиплексор транслирует на адресный вход узла памяти состояние выходной шины второго счетчика, и по фронту тактового импульса к содержимому первого счетчика прибавляется единица. Импульсом с выхода первого формирователя производится запись информации в узел оперативной памяти, причем по первому входу записывается амплитуда выборки, а по второму - номер этой выборки (т.е. значение спектральной частоты), определяемый состоянием первого счетчика. В первом узле сравнения сопоставляется половина цифрового текущего значения амплитуды с входа узла памяти со значением амплитуды, записанным в узле оперативной памяти, и соответствующий логический уровень подается на первый вход элемента И. В самом начале обработки этот уровень соответствует логической единице, поэтому импульс с выхода второго формирователя проходит на выход элемента И и записывает информацию о первой точке сигнала в первый регистр. После этого второй и третий счетчики переводятся в рабочее состояние, так как на третьем выходе первого регистра появляется логический ноль. По фронту следующего тактового импульса состояние первого и второго счетчиков изменяется на единицу и производится запись в регистр информации о следующей точке сигнала. В течение промежутка времени между последующими тактовыми импульсами в первом узле сравнения опять сопоставляется половина амплитуды каждой последующей точки сигнала с амплитудой предыдущей точки сигнала. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока на выходе второго элемента И не установится логический ноль, поэтому на выходе первого регистра оказывается сохраненной информация о половине максимального значения сигнала и номер соответствующей выборки (т.е. значение нижней граничной частоты спектра сигнала). В тот момент, когда амплитуда входной выборки окажется меньше информации с первого выхода регистра, на выходе первого элемента И формируется импульс, по фронту которого во второй регистр записывается цифровой код, соответствующий времени окончания сигнала по уровню 0,5. Этот же импульс поступает на синхровход регистрирующего блока, в результате чего в регистрирующем блоке оказывается информация как о нижней граничной частоте спектра сигнала, так и о верхней. Здесь эта информация может быть преобразована в необходимую форму для последующей обработки и визуализации (средняя частота и ширина спектра).

Недостатком рассмотренного устройства является ограниченность возможных спектральных характеристик только двумя - средняя частота и ширина спектра. Вся информация о форме спектра при этом теряется. Кроме того, достаточно сложный алгоритм обработки должен быть построен на быстродействующей элементной базе, обеспечивающей обработку в реальном масштабе времени действия обрабатываемых сигналов.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что в устройство, содержащее последовательно соединенные дисперсионный анализатор спектра, вход которого является входом устройства, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и узел оперативной памяти, а также первый и второй счетчики, второй узел оперативной памяти, регистрирующий блок, узел сравнения, элемент И и синхронизатор, первый выход которого подключен к синхровходу дисперсионного анализатора спектра, а второй выход соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя и счетным входом первого и второго счетчиков. В него введены также формирователь кода и триггер, обнуляющий вход которого подключен к выходу переноса второго счетчика, а установочный вход соединен с выходом узла сравнения, первый вход которого подключен к выходу формирователя кода, а второй объединен с входом регистра, синхровход которого подключен к выходу элемента И, первый вход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход подключен к выходу триггера, режимному входу второго счетчика и входу записи второго узла оперативной памяти, информационный вход которого соединен с выходом первого счетчика, причем выходы первого и второго узлов оперативной памяти подключены к соответствующим входам регистрирующего блока, а управляющий вход первого счетчика объединен с синхровходом дисперсионного анализатора спектра.

Задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является обеспечение регистрации формы спектра сигналов с максимальным упрощением обработки в реальном масштабе времени и обеспечением возможности последующего программного вычисления необходимых спектральных характеристик. Технический результат, достигаемый при этом, состоит в том, что производится запись в первый узел оперативной памяти фиксированного количества отсчетов с выхода АЦП (в этом массиве сосредоточена информация об амплитудном спектре сигнала), а во второй узел оперативной памяти записывается информация о начальной частоте массива.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3 - структурная схема устройства-прототипа.

На фиг.1 и 3 приняты следующие обозначения:

1 - дисперсионный анализатор спектра,

2 - амплитудный детектор,

3 - аналого-цифровой преобразователь,

4-1, 4-2 - 1-й и 2-й узлы оперативной памяти,

5-1, 5-2 - 1-й и 2-й счетчики, 6 - регистрирующий блок, 7 - узел сравнения,

8 - элемент И,

9 - синхронизатор,

10 - формирователь кода.

11 - триггер,

12-1, 12-2 - 1-й и 2-й формирователь импульсов, 13 - мультиплексор,

14 - элемент задержки,

15 - элемент ИЛИ,

16 - формирователь логической единицы, 17-1, 17-2 - 1-й и 2-й регистры.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

а - сигнал на синхровходе дисперсионного анализатора спектра,

b - сигнал на выходе детектора,

с - сигнал на выходе триггера,

d - сигнал на выходе элемента И,

е - информация, поступающая на вход узла памяти.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные дисперсионный анализатор спектра 1, вход которого является входом устройства, амплитудный детектор 2, аналого-цифровой преобразователь 3 и узел оперативной записи 4-1, а также первый и второй счетчики 4-1 и 4-2, второй узел оперативной памяти 4-2, регистрирующий блок 6, узел сравнения 7, элемент И и синхронизатор 9, первый выход которого подключен к синхровходу анализатора 1, а второй выход соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя 3 и счетным входом счетчиков 5-1 и 5-2. В устройство введены также формирователь кода 10 и триггер 11, обнуляющий вход которого подключен к выходу переноса счетчика 5-2, а установочный вход соединен с выходом узла сравнения 7, первый вход которого подключен к выходу формирователя кода 10, а второй - объединен с входом узла 4-1, вход записи которого подключен к выходу элемента И (8), первый вход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя 3, а второй вход подключен к выходу триггера 11, режимному входу счетчика 5-2 и входу записи узла памяти 4-2, информационный вход которого соединен с выходом счетчика 5-1, причем выходы узлов памяти 4-1 и 4-2 подключены к соответствующим входам регистрирующего блока 6, а управляющий вход счетчика 5-1 объединен с синхровходом анализатора 1.

Устройство работает следующим образом.

На втором выходе синхронизатора 9 формируется последовательность импульсов с периодом Т_АЦП, которые поступают на тактовый вход АЦП, а также счетный вход счетчиков 5-1, 5-2 и первый вход элемента И (узел 8). В исходном состоянии, пока дисперсионный анализатор 1 не работает, на первом входе триггера 11 отсутствуют сигналы, а на его выходе устанавливается уровень логического нуля, т.к. на втором входе триггера появится импульс с выхода переноса счетчика 5-2, а сам этот счетчик ввиду появления на его режимном входе логического нуля перейдет в режим ожидания. На первом выходе блока 9 формируется последовательность импульсов, которые с периодом Т_ДАС запускают дисперсионный анализатор 1, с этой же периодичностью устанавливается в исходное состояние счетчик 5-1 (фиг.2а). Через некоторое время на выходе дисперсионного анализатора 1 появляется радиочастотный отклик, который в масштабе времени отображает спектр сигнала на входе устройства. На выходе детектора формируется огибающая этого отклика (фиг.2в), которая поступает на вход АЦП (узел 3). На выходе АЦП появляется последовательность параллельных цифровых кодов, значение каждого из которых пропорционально амплитуде отсчетов, полученных с периодичностью Т_АЦП. Эти коды в узле 7 (представляющем собой цифровой компаратор) сравниваются с пороговым кодом, установленным с формирователя 10. Как только значение кода с выхода АЦП превысит пороговый код, изменяется выходное состояние узла сравнения 7, что приведет к перебрасыванию триггера 11 в состояние логической единицы (фиг.2с). По фронту этого сигнала, сформированного на выходе триггера, производится запись в узел 4-2 кода счетчика 5-1. Значение этого кода соответствует задержке первого обнаруженного отсчета, т.е. определяет начальную спектральную частоту. Кроме того, счетчик 5-2 по своему управляющему входу переходит в рабочее состояние (счетный режим) и находится в нем, пока на его выходе переноса не сформируется импульс, переводящий триггер 11 и сам счетчик 5-2 в исходное состояние (фиг.2с, срез сформированного импульса). Во время действия импульса (фиг.2с) на выходе элемента И формируются импульсы, следующие с периодом Т_АЦП (фиг.2d). Количество этих импульсов М определяется глубиной работы счетчика 5-2, в свою очередь эта характеристика счетчика выбирается исходя из ожидаемой максимальной ширины отклика на выходе дисперсионного анализатора 1, т.е. максимальной ширины спектра сигналов на входе устройства (на фиг.2d для определенности количество импульсов принято равным шестнадцати). По этим импульсам в узел 5-1 производится последовательная запись М параллельных кодов (фиг.2е, здесь М=16 и условно каждый код представлен в виде отрезка линии, высота которого пропорциональна величине кода). При обнаружении последующих сигналов работа устройства происходит аналогичным образом. В результате этого накапливается информация о всех обнаруженных спектральных откликах в следующем формате: в узле памяти 4-2 - N цифровых кодов, соответствующих начальной спектральной частоте; в узле памяти 4-1 - N·M цифровых кодов, в которых содержится информация о форме N спектральных откликов. Накопленная в узлах оперативной памяти информация передается на регистрирующий блок 6, в качестве которого целесообразно использовать компьютер. В этом блоке производится обработка полученных данных, например производится вычисление средней частоты, ширины спектра и амплитуды спектральных откликов, преобразование данных к форме, удобной для отображения на экране монитора компьютера.

Все составные части рассмотренного устройства являются типовыми узлами, широко применяемыми в радиоэлектронике. Так, дисперсионные анализаторы спектра подробно описаны, например, в книге: Кочемасов В.Н., Долбня Е.В., Соболь Н.В. Акустоэлектронные Фурье-процесоры. - М., Радио и связь, 1987. Аналого-цифровые преобразователи выпускаются массово в виде интегральных микросхем, их быстродействие сегодня превышает единицы ГГц, а разрядность - свыше восьми (например, в бюллетене "Радиоэлектроника за рубежом", ОАО "НИИЭИР", вып. 2 (1296), 2002 г. сообщается о выпуске 10-разрядного АЦП с быстродействием 10 ГГц). Логические узлы (счетчики, регистры, узел сравнения) строятся на основе серийной интегральной элементной базы, реализованной как по КМОП технологии (при частотах до 100 МГц), например, отечественная серия 1554, так и по ЭСЛ технологии (при частотах свыше 100 МГц), например отечественная серия 1500. Узел памяти строится на основе серийных микросхем ОЗУ. Их номенклатура очень широка, объем памяти быстродействующих ОЗУ (время выборки менее 10 не) превышает 32 кБайт, причем ее легко можно наращивать (например, см. каталоги, в том числе электронные, таких фирм США как Integrated Device Technology, National Semiconductor). Обмен информацией между узлом памяти и компьютером осуществляется по одному из многих стандартных интерфейсов (например, см. книгу: Гук М. Интерфейсы ПК: справочник. - СПб, Питер, 1999). Целесообразно осуществлять эту связь по интерфейсу USB, обеспечивающему скорость передачи до 12 Мбит/с (см. упомянутую книгу: Гук М., с.285-305). Причем организация взаимодействия между ОЗУ и компьютером осуществляется с помощью стандартных интегральных схем микроконтроллера, например микросхема CY7C68013 (см. Doc. #38-08012 Rev. *B, Cypress Semiconductor Corporation, 2002, p.1-50).

Предлагаемое устройство отличается возможностью регистрации изменения формы спектра радиосигналов во времени, причем скоростная обработка производится с помощью достаточно простой цифровой элементной базы, а собственно детальный анализ формы спектра осуществляется на программном уровне компьютера (например, для измерения средней частоты и ширины спектра могут применяться программные процедуры, повторяющие аппаратные алгоритмы, реализованные в пат. РФ №2080608).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для анализа формы спектра радиосигналов. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в устройство дополнительно введены формирователь кода и триггер, обнуляющий вход которого подключен к выходу переноса второго счетчика, а установочный вход соединен с выходом узла сравнения, первый вход которого подключен к выходу формирователя кода, а второй объединен с входом первого узла оперативной памяти, вход записи которого подключен к выходу элемента И. При этом управляющий вход первого счетчика объединен с синхровходом дисперсионного анализатора. 3 ил.

Измеритель спектральных параметров радиосигналов, содержащий последовательно соединенные дисперсионный анализатор спектра, вход которого является входом устройства, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и узел оперативной памяти, а также первый и второй счетчики, второй узел оперативной памяти, регистрирующий блок, узел сравнения, элемент И и синхронизатор, первый выход которого подключен к синхровходу дисперсионного анализатора спектра, а второй выход соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя и счетным входом первого и второго счетчиков, отличающийся тем, что в него введены формирователь кода и триггер, обнуляющий вход которого подключен к выходу переноса второго счетчика, а установочный вход соединен с выходом узла сравнения, первый вход которого подключен к выходу формирователя кода, а второй объединен с входом первого узла оперативной памяти, вход записи которого подключен к выходу элемента И, первый вход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход подключен к выходу триггера, режимному входу второго счетчика и входу записи второго узла оперативной памяти, информационный вход которого соединен с выходом первого счетчика, причем выходы первого и второго узлов оперативной памяти подключены к соответствующим входам регистрирующего блока, а управляющий вход первого счетчика объединен с синхровходом дисперсионного анализатора спектра.