Способ спектрального анализа случайных сигналов и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01R23/16 

113

Изобретение относится к измерителной технике и предназначено для аппаратурного спектрального анализа случайных процессов.

Цель изобретения - повышение точ- ности спектрального анализа путем представления его результатов в виде совокупности спектр а исследуемого случайного сигнала с любой наперед заданной точностью.

Точность анализа повьшается за счет устранения погрешности смещения

На чертеже представлена структурная схема устройства, при помощи которого реализуется предлагаемый способ.

Устройство содержит двухпозицион- ный переключатель 1, подключенный к входу перестраиваемого, фильтра 2, выход которого соединен с объединен- ньми входами М параллельных каналов измерения. Каждый канал состоит из последовательно соединенных широкополосного фильтра 3 и детектора 4. Выходы всех детекторов 4 измеритель- ных каналов подключены к входам вычислительного блока 5, выход которого соединен с индикатором 6. Второй выход индикатора 6 подключен через синтезатор 7 частоты к первому не- подвижному контакту переключателя 1, второй контакт которого соединен с входом устройства.

Управляющий вход перестраиваемого фильтра 2 подключен к третьему выходу блока 5.

Устройство имеет два режима работы: Настройка и Измерение и работает следующим образом,

В режиме Настройка на входы ка- налов анализа через фильтр 2 с помощью переключателя 1 (положение 1) подключается выход синтезатора 7 частот, сигналы которого представляют собой гармонические колебания с час- тотой Х7„ , программно задаваемыми вычислительным блоком 5. Фильтр 2 имеет перестраиваемую полосу в пределах 10-20% от выбранной полосы /i 57 . В вычислительный блок 5 с его внеш- него устройства вводят значение шага h и частот $7„ , на которых необходим

вычислить отсчеты

6„ , и

количество

поддиапазонов I перестраиваемого (вспомогательного) фильтра 2.

Полосовые фильтры 3, в соответствии со своими АЧХ, пропускают гармонические сигналы с входа на выход.

02

Постоянство и равенство между собой амплитуд входных.гармонических сигналов позволяет по их откликам на выходах полосовых анализирующих фильтров 3 судить об АЧХ последних. Получаемые при этом на выходах детекторов 4 значения отсчетов АЧХ поступают в память блока 5.

При этом при равенстве й Qcpi где ЛСР; - частота среза полосового фильтра 2 в i-M поддиапазоне, на второй вход фильтра 2 с третьегб выхода вычислительного блока 5 поступает сигнал, который переключает его на следующий (1+1)-й поддиапазон. Режим Настройка начинается с первого поддиапазона (), на который первоначально настроен полосовой фильтр 2. Затем блок 5 вычисляет элементы матрицы системы уравнениГг йП;

П;чК

mn;

С1.

Cf.

i- -f

21Г,

sin --(й-0„- 2: дП.-nh)

. jai

-fCn-n,-Ji uQ;-nh) -JM J

dSl,

п

«игде С - п-й отсчет АЧХ т-го анализирующего фильтра 3; п-й отсчет АЧХ i-ro фильтра.2;

нижняя граничная частота диапазона частот спектрального анализа; SJ; - центральная частота i-ro

фильтра 2;

лО; - полоса пропускания i-ro полосового фильтра. По окончании вычислений элементов матрицы в данном i-м поддиапазоне вычислительный блок 5 осуществляет прием значений отсчетов АЧХ анализирующих фильтров 3 в следукнцем (i+D-M поддиапазоне, на который уже заранее перестроен полосовой фильтр 2. Затем повторяется процедура вычислений элементов матрицы системы уравнений. И так до тех пор, пока не наступает рав енство , гдеГг -верхняя граничная частота анализируемых сигналов.

По окончании режима Настройка устройство переводится в режим Измерение. При этом переключатель П1 переводится в положение 2 и на вход полосового фильтра 2, которьй в это время перестроен на первый поддиа313

пазон (), поступает анализируемьй случайньш сигнал.

Через полосовой фильтр 2, который не пропускает сигнал с частотами выше его частоты среза Slcp- , ана- лизируемый сигнал поступает на параллельные каналы анализа. При этом на выходах амплитудных детекторов 4 через время, соответствующее времени усреднения, образуются значения дисперсий D,- анализируемых сигналов в соответствукмцих полосах -анализирующих фильтров 3. Здесь

N

1 + ./h .

D,

;

Г.mn;

1 +

-uQj/h

Затем значения D.

заносятся в . После оконча

вычислительный блок 5 ния замеров дисперсий D. с вычислительного блока 5 на второй вход вспомогательного полосрвого фильтра 2 поступает сигнал, перестраивающий его на следующий поддиапазон () , а вычисл1 тельный блок 5 вычисляет отсчеты 6j| в данном поддиапазоне () путем решения системы уравнени

В результате операции измерения дисперсии сигналов на вькодах параллельных каналов анализа имеем не оценку дисперсии случайного сигнала в п-й полосе частот (что наблюдаем в известном устройстве), а часть энергии случайного сигнала, выделенного ш-м фильтром, приходящуюся на полосу ЛЛ перестраиваемого фильтра в 1-м поддиапазоне его перестройки.

Преимуществом предлагаемого устройства является также расширение функциональных возможностей анализатора за счет того, что оценки спект можно получить на любых требуемых частотах, не перестраивая анализато

Таким образом, положительный эф- фект предлагаемого .решения заключается в том, что использование простей- Q ших полосовых низкодобротных фильтров (без предъявления к ним жестких требований к точности, стабильности настройки центральной частоты и к пря- моугольности АЧХ) и одного перестраи- ваемого фильтра с АЧХ, близкой к прямоугольной , позволяет получить (где 1 - число перестроек вспомогательного фильтра) отсчетов измеряемо40

с

fO

15

0

25

35

45

Q10 4

го спектра на заданных частотах fi полосы обзора. Кроме того, во всех известных устройствах, в том числе и тех в которых используется калибровка и спецпроцессоры, получаемые оценки 6„ являются смещенными, а в предлагаемом решении оценки получают путем обработки измеренных несмещенных оценок дисперсии.

В данном устройстве перестраивае- мьй полосовой, фильтр, анализирующие фильтры и амплитудные детекторы могут быть выполнены на базе операционных усилителей серии 140. В качестве вычислительного блока используется ЭВМ ДЗ-28 с дисплеем, а в качестве синтезатора частот применяется генератор типа ГЗ-47 с автоматическим сканированием частоты гармонического сигнала.

Таким образом, введение перестраиваемого полосового фильтра с АЧХ, близкой к прямоугольной, позволяет повысить точность спектрального анализа с учетом принятого метода вычислений.

Формула изобретения

1. Способ спектрального анализа случайных сигналов, состоящий в разделении анализируемого случайного сигнала на М узкополосных случайных сигналов и измерении их дисперсии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа, предварительно анализируют случайньй сигнал, разделяют на Р полосовых случайных сигналов, затем каждый из 40 них поочередно разделяют на М узкополосных случайных сигналов, при этом Р равно отношению требуемого количества N-отсчетов энергетического спектра к М, после чего по измеренным дисперсиям и отсчетам амплитудно-частотных характеристик Р вспомогательных полосовых и М анализирующих узкополосных фильтров определяют отсчеты энергетического спектра по формуле

N;H.i:Afli f П

D.- Ц

- .

&Q;

0-1

где Dm; - дисперсия т-го случайного

сигнала в 1-м поддиапазоне:

C C2

v

5

,

г

лщ

2-

sin --(,ZIfeQ--nh)

2

( -n .

h)

dQ,

C - П-Й отсчет АЧХ m-ro анализирующего фильтра;

С: - n-й отсчет АЧХ i-ro вспомо- ц п, J

гательного фильтра;

С1ц - нижняя граничная частота

диапазона частот спектрального анализа;

fl; - центральная частота i-ro перестраиваемого фильтра; - полоса пропускания i-ro

перестраиваемого полосового фильтра;

- диапазон частот спектрального анализа;

Составитель А. Орлов Редактор Н. Тупица Техред Л.Сердюкова Корректор А. Ильин

Заказ 1214/45 Тираж 731Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, i1302210

3

z:

ЛЯ

ЬО., ; ,1; ,N; ,М

,1; ,N; ,M

2. Устройство спектрального анализа, содержащее М параллельных каналов измерений, каждый из которых состоит из последовательно включенных узкополосного фильтра и детектора, а также вычислительный блок, к входам которого подключены выходы детекторов каналов измерения, а выход подключен к индикатору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены перестраиваемый фильтр, синтезатор частоты и двухпозиционный переключатель, один неподвижный контакт которого подключен к входу устройства, .другой не- подвижньй контакт соединен с выходом синтезатора частоты, а подвижньй контакт подключен к входу перестраиваемого фильтра, выход которого соединен с объединенными входами узкополосных фильтров, при этом второй и третий выходы вычислительного блока подключены и к управляющему входу перестраиваемого фильтра.

Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения - повышение точности спектрального анализа. Устройство, реализующее способ, содержит широкополосный фильтр 3, детектор 4, вычислительный блок 5 и индикатор 6.Введение перестраиваемого фильтра 2 с амплитудно-частотной характеристикой, близкой к прямоугольной, синтезатора 7 частоты и двухпозиционного переключателя 1 позволило случайный сигнал (С) разделить на Р полосовых С, кад- дый из которых разделяется еще на М узкополосных С, поочередно Р раз измерить дисперсии М узкополосных С. При этом Р равно отношению требуемого количества N-отсчетов энергетического спектра к М. В описании приведена формула для определения отсчетов энергетического спектра. Результаты анализа представлены в виде совокупности спектра исследуемого сигнала с любой наперед заданной точностью. 1 с.п. ф-лы, 1 ил. с (Л