Анализатор спектра Советский патент 1988 года по МПК G01R23/16 

Фи1. t

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических системах для анализа частотных спектров различного вида сигналов.

Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности спектрального анализа непрерывных и импульсных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора спектра; на фиг. 2 - схема линейно-частотно-модулированного гетеродина; на фиг. 3 - схема блока управления.

Анализатор спектра включает в себя преселектор 1, смеситель 2, фильт 3 сжатия, индикатор 4, генератор 5 контрольных сигналов, линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) гетеродин 6, стробирующий блок 7, блок 8 управления, фильтры 9 и 10, детекторы 11, элемент 12 разности, первый и второй полосовые фильтры 13 и 14, амплитудный детектор 15, временной дискрими- натор 16, первый и второй интегрирую ише усилители 17 и 18.

Структуру связей анализатора спектра формирует последовательно соединенные преселектор 1, смеситель 2, фильтр 3 сжатия, первый полосовой фильтр 13 и индикатор 4, последовательно соединенные второй полосовой фильтр 14, стробирующий блок 7, первый фильтр 9, первый детектор 11 и элемент 12 разности, последовательно соединенные второй фильтр 10 и второй детектор 11, выход которого соединен с вторым входом элемента 12 разности, последовательно соединен- ные амплитудный детектор 15, временной дискриминатор 16 и первый интегрирующий усилитель 17, последовательно соединенные блок 8 управления и ЛЧМ-гетеродин 6, а также второ интегрирующий усилитель 18 и генератор 5 контрольных сигналов, подключенный к второму входу преселекто- ра 1, при этом вход второго полосового фильтра 14 подключен к выходу фильтра 3 сжатия, а его выход - к входу амплитудного детектора 15, вход второго фильтра 10 подключен к выходу стробирующего блока 7, выход элемента 12 разности соединен с вхо- дом второго интегрирующего усилителя 18, выход которого соединен с вторым входом ЛЧМ-гетеродина 6, третий вход которого соединен с выходом

первого интегрирующего усилителя 17, а выход - с вторым входом смесителя 2, второй и третий выходы блока 8 управления соединены соответственно с первым и вторым входами временного дискриминатора 16, четвертый выход блока 8 управления соединен с вторым входом стробирующего блока 7, второй вход индикатора 4 соединен с первым выходом блока 8 управления.

ЛЧМ-гетероди 6 содержит последовательно соединенные управляемый генератор 19 пилообразного напряжения (ГПН) и управляемый высокочастотный генератор 20, выход которого является выходом ЛЧМ-гетеродина 6, первым входом является вход синхронизации ГПН 19, вторым входом - управляемый вход (вход управления крутизной пилообразного напряжения) ГПН 19, а третьим - управляемый вход высокочастотного генератора 20.

Блок 8 управления содержит последовательно соединенные генератор 21 импульсов, первую линию 22 задержки и генератор 23 селекторных импульсов, а также последовательно соединенные вторую линию 24 задержки и генератор 25 стробирующего импульса, при этом вход второй линии,24 задержки соединен с выходом генератора 21 импульсов, который является первым выходом блока 8 управления, вторым и третьим выходами которого являются соответственно первый и второй выходы генератора 23 селекторных импульсов, а четвертым выходом - выход генератора 25 стробирующего импульса.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемые колебания поступают на преселектор 1 и далее - на смеситель 2. На второй вход этого смесителя подается напряжение с выхода ЛЧМ-гетеродина 6. В результате преобразования частоты анализируемые колебания получают дополнительную линейно-частотную модуляцию и подаются на фильтр 3 сжатия. В фильтре сжатия осуществляется свертка его импульсной характеристики с входными ЛЧМ-колебаниями. При э ром на выходе фильтра сжатия образуются сжатые во времени (укороченные по длительности) радиоимпульсы, представляющие собой результат прямого преобразования Фурье от входного сигнала, т.е. его спектральную плотность (спектр).

Сжатые радиоимпульсы анализируемого сигнала выделяются первым полосовым фильтром 13 и поступают на индикатор 4. Одновременно с анализируемым колебаниями через преселектор 1 подается контрольный сигнал - высокостабильное гармоническое колебание, формируемое генератором 5 контрольного сигнала. Частота этого колебания не должна попадать в диапазон частоты анализируемых колебаний, т.е. подлежащих спектральному анализу. По контрольному сигналу осуществляется непрерывная коррекция рассогласования крутизны дисперсионной характеристики фильтра 3 сжатия и закона изменения частоты ЛЧМ-гете- родина 6, а также подстройка его несущей частоты. Достигается это следующим образом. Контрольнь й сигнал, формируемый генератором 5, подается через преселектор на смеситель 2. В результате преобразов ния частоты с использованием ЛЧМ-гетеродина 6 он также приобретает дополнительную линейно-частотную модуляцию и далее сжимается фильтром 3 сжатия. Временное положение укороченного контрольного импульса на выходе фильтра 3 сжатия относительно начала перестройки ЛЧМ-гетеродина определяется несущей частотой высокостабильного гармонического колебания, выра- батыв емого генератором 5. Сжатый радиоимпульс отфильтрjBbiBaeTCH вто- |рым полосовым фильтром 14 и поступает параллельно на амплитудный детектор 15 и стробирующий блок 7. На второй выход стробирующего блока 7 четвертого выхода блока 8 управления подается стробирующий импульс. Этот импульс открывает стробирующий блок 7 и обеспечивает тем самым поступление сжатого контрольного импульса на частотный детектор, составленный из элементов 9-12. Время задержки центра управляющего импульса относи 1 ельно начала перестройки ЛЧМ- гетеродина 6 строго равно времени задержки сжатого контрольного импульса г фильтре 3 сжатия. Тем самым совместно с вторым полосовым фильтром 14 достигается надежное выделение контрольного сигнала из всей совокупности сигналов и исключение попадания анализируемых сигналов в цеп ан-1-оподстройки частоты.

Если закон изменения частоты ЛЧМ0

0

5

0

5

0

й

0

5

гетеродина 6 согласован с дисперсионной характеристикой фильтра 3 сжатия, то сжатый контрольный импульс не имеет остаточной частотной модуляции, следовательно, на выходе элемента 12 разности присутствует нулевой потенциал.

При рассогласовании закона изменения ЛЧМ-гетеродина 6 с дисперсионной характеристикой фильтра сжатия на выходе элемента 12 разности формируется сигнал ошибки положительной или отрицательной полярности. Далее этот сигнал усиливается в интегрирующем усилителе 18 и поступает как управляющее напряжение на второй вход ЛЧМ-гетеродина 6 для подстройки скорости изменения частоты гетеродинного колебания. Для подстройки начальной частоты гетеродинного ЛЧМ- колебания вводится цепь, включающая амплитудный детектор 15, временной дискриминатор 16 и первый интегрирующий усилитель 17, соединенный с третьим входом ЛЧМ-гетеродина. Проде- тектированный сжатый контрольный импульс с выхода амплитудного детектора 15 поступает на сигнальный вход времегного дискриминатора 16. На второй (управляющий) вход временного дискриминатора с второго выхода блока управления поступают два селекторных импульса. При этом время задержки центра селекторных импульсов относительно начала запуска ЛЧМ-гетеродина равно времени задержки сжатого контрольного импульса на выходе фильтра 3 при некотором строго определенном значении начальной частоты ЛЧМ-гетеродина. Нестабильность начальной частоты ЛЧМ-гетеродина приводит к тому, что временное положение сжатого контрольного радиоимпульса изменяется (флюктуирует) относительно центра селекторных импульсов или нуля дискриминаторной характеристики временного дискриминатора. Появляющийся сигнал ошибки на выходе временного дискриминатора 16 фильтруется и усиливается первым интегрирующим усилителем 17 и поступает в качестве управляющего напряжения на третий вход ЛЧМ-гетеродина. Процесс подстройки начальной частоты ЛЧМ-гетеродина 6 продолжается до тех пор, пока временное положение сжатого контрольного радиоимпульса

не будет точно соответствовать временному положению центра селекторных импульсов. Тем самым стабилизируется начальная частота ЛЧМ-гетеро дина.

ЛЧМ-гетеродин 6 работает следующим образом.

Синхронизирующим импульсом, постпающим с первого вькода блока 8 управления, запускается ГПН 19. Он формирует модулирующее напряжение U(t), изменяющееся во времени по пилообраз-ному закону

«(t)

Ъ .t

-1 t

(1)

где V - амплитуда пилы;

г - длительность пилы; Модулирующее напряжение с выхода ГПН 19 подается на вход управляемого высокочастотного генератора 20, вызывая его перестройку по частоте по закону

f ()

f,+Kf

u«(t).

(2)

где

f

-начальная частота;

-крутизна модуляционной характеристики генератора 20 с размерностью Гц/В.

Подставляя (2) в (1), получаем закон изменения гетеродинного ЛЧМ- колебания

теродинного ЛЧМ-ко- лебания.

Формулу (3) можно представить также в следующем виде:

f(t)

где b «

. т dfr/dt

t, (4)

крутизна пере- i стройки частоты ЛЧМ-колеба- ния с размерностью Гц/с.

Согласно формуле (4) регулирование закона изменения f(t) гетеродинного ЛЧМ-колебания заключается в регулировании начальной частоты fp и регулировании крутизны b г.

Регулирование крутизны Ь при фиксированном J,- заключается в подстройке девиации л, что достигается изменением амплитуды V пилы модулирующего напряжения, формируемого ГПН 19.

Высокочастотный reHepafop 20 целесообразно выполнять по схеме автогенератора с встречным включением варикапов в его колебательный кон-.

тур. Тем самым при подаче пилообразного напряжения в точку соединения варикапов достигается высокая линейность модуляционной характеристики генератора (K,,const), а следовательно, и высокая линейность перестройки частоты.

Регулирование начальной частоты д гетеродинного ЛЧМ-колебания осуществляется независимо от регулирования Ьг и достигается изменением начальной емкости варикапов под действием напряжения смещения - управляющего напряжения, поступающего с выхода первого интегрирующего усилителя 17.

Блок 8 управления осуществляет синхронную работу всех блоков анализатора спектров. Он выполняется в виде последовательного соединения

генератора 21 импульсов, первой линии 22 задержки и генератора 23 селекторных импульсов, а также последовательно соединенных второй линии 24 задержки и генератора 25 стробирующего импульса, причем вход второй линии 22 задержки соединен с выходом генератора 21 импульсов.

Первым выходом блока 8 управления является выход генератора 21

импульсов, вторым выходом - первый выход генератора 23 селекторных импульсов, третьим выходом - второй выход генератора 23 селекторных импульсов, четвертым выходом - выход

генератора 25 стробирующего импульса.

Генератор 21 импульсов формирует последовательность однополярных синхроимпульсов - коротких прямоугольных видеоимпульсов с высокой стабильностью параметров и конструктивно может быть выполнен в виде последовательно соединенных кварцевого генератора и усилителя-формирователя

импульсов на триггере Шмитта. Синхроимпульсы с первого выхода блока 8 поступают на запуск ЛЧМ- гетеродина 6 и индикатора 4. Они определяют пе- риод запуска ЛЧМ-гетеродина i. Внутри блока 8 управления син- хрюимпульсы поступают на входы первой 22 и второй 24 линий задержки. В каждом периоде следования .синхроимпульс, задержанный первой линией

22 задержки, запускает генератор 23 селекторных импульсов. Последний формирует два следующих друг за другом селекторных импульса длите.льно- стыо СП каждый. Конструктивно генератор 23 может быть в виде двух последовательно запускаемых одновибра- торов или ждущего блокинг-генератора

дани. Время задержки первой линии 2 равно , где Г,, - время задержки центра селекторных импульсов относительно начала запуска ЛЧМ-ге- теродина (или индикатора). Интервал времени 0 равен времени задержки сжатого контрольного сигнала при номинальном значении начальной частоты ЛЧМ колебания гетеродина 6. В то же время интервал соответствует нулю дискриминатор- ной характеристики временного дискриминатора 16.

Синхроимпульс, задержанный в1Орой 2А задержки, также в ка:адом периоде следования запускает генератор 25 стробирующего импульса - од- новибратор, формирующи прямоу опь- ный видеоимпульс длительностью . Время задержки второй линии 24 устанавливается рапным .р С,, /2. Пли- тельность стробирующего импул1са {„ должна превышать длительность сжатого контрольного радиоимпульса 0- и учитывать г шюктуадии его времени задержки вследствие нестабильности начальной частоты f,, ЛЧМ-гетеродина Ориентировочно длительность ь,, мсу- жет быть установлена равной у + 3 ,. , где Ьр- среднеквадратичес- кая ошибка времени задержки сжатого контрольного радиоимпульса вследстви нестабильности начальной частоты ,ЧЧМ-гетеродина. При таком значении ГУ выпотишется надежное без потерь выдн.пение контрольного радиоимпульса стробирующим блоком 7.

Таким образом, введением первого и Bi oijoro полосовых фильтров 13 и 1, амплигудиого детектора 15, вре- N;e;nu3ro дискриминатора 16, первого интегрирующего усилителя 17, второго интегрирующего усилителя 18 осу- шес1вляется повышение точности и разрешающей способности спектрального анализа непрерывных и импульсных сигналов. Это достигается за счет непрерывной коррекдии рассогласования крутизны дисперсионной

характеристики фильтра сжатия и закона изменения частоты ЛЧМ-гетеродииа и автоподстройки его начальной частоты.

Формула изобретения

1. Анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные преселектор, смеситель и фильтр сжатия, последовательно соединенные стробирующий блок, первый фильтр, первый детектор и элемент разности, последовательно соединенные второй

фильт р и второй детек1-ор, подключенный к второму входу элемента разности, а также генератор контрольных сигна.пов, линеГию-частотно-модулиро- ванный гетеродин, блок управления,

причем генератор контрол1 ных сигналов подключен к второму входу пре- селектора, выход линейно-частотно- модулированного гетеродина подключен к второму входу смесителя, первый вход линейно-частотно-модулиро- ванного гетеродина соединен с первым выходом блока управления, вход второго 4 ильтра подключен к выходу стробирующего блока, второй вход индикатора подключен к первому выходу блока управления, отличаю- ш и и с я тем, что, с целью повышения гочности и разрешающей способности спектрального анализа непрерывных и импульсных сигналов, в него дополнительно введены первый и второй полосовые фильтры, последовательно соединенные амплитудный детектор, временной диcкpи пIнaтop и первый интегрирующий усилитель, а также второй интегрирующий усилитель, при этом первый полосовой фильтр включен между выходом фильтра сжатия и первым входом индикатора, второй полосовой фильтр включен меясду выходом фильтра сжатия и первым входом стробирующего блока, второй интегрирующий усилитель включен между выходом элемента разности и вторым входом ЛЧМ-

гетеродина, амплитудный детектор соединен с выходом втояого полосового фильтра, выход первого интегрирующего усилителя соединен с третьим входом линейно-частотно-модулированного

гетеродина, второй выход блока управ-

Ленин соединен с первым входом временного дискриминатора, второй вход которого соединен с третьим выходом блока управления, четвертьш выход

которого соединен с вторым входом стробирующего блока.

2.Анализатор по п. 1, о т л и - чающийся тем, что линейно- частотно-модулированный гетеродин содержит последовательно соединенные управляемый генератор пилообразного напряжения и управляемый высокочастотный генератор, выход которого является выходом линейно-частотно-модулированного гетеродина.

3.Анализатор по п. 1, о т л и - чающийся тем, что блок управления содержит последовательно

70588 °

соединенные генератор имп ульсов, первую линию задержки и генератор селекторных импульсов, а также последовательно соединенные вторую линию задержки и генератор стробирующего импульса, при зтом вход второй линии задержки соединен с выходом генератора импульсов - первым вы- Q ходом блока управления, вторым и .третьим выходами которого являются первый и второй выходы генератора селекторных импульсов, и четвертым выходом - выход генератора стробиру- 15 ющего импульса.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических системах для анализа частотных спектров различного вида сигналов. Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности спектрального анализа непрерывных и импульсных сигналов. Анализатор спектра содержит преселектор 1, смеситель 2, фильтр 3 сжатия, индикатор 4, генератор 5 контрольных сигналов , линейно-частотно-модулированный гетеродин 6, стробирующий блок 7, блок 8 управления, фильтры 9 и 10, детекторы II, элемент 12 разности. Дополнительное введение полосовых фильтров 13 и 14, амплитудного детектора 15, временного дискриминатора 16 и интегрирующих усилителей 17 и 18 обеспечивает достижение поставленной цели. 2 з.п. ф-лы. 3 ил. S (Л 00 о ел 00 00

В}(од1

Выход J Фиг.З

фиг. 2