Устройство для измерения шумов Советский патент 1988 года по МПК G01R29/26 

СО СЛ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения высокочувствительных шумомеров и радиометров.

Целью изобретения является повышение чувствительности путем ограничения флуктуационной составляющей на выходе амплитудного детектора.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из последовательно включенных источника 1 модулированных шумов, усилителя 2, детектора 3, ограничителя 4, избирательно го усилителя 5 и регистратора 6,

Устройство работает следующим образом.

Амплитудно модулированные шумы из блока поступают на вход усилителя 2, где усиливаются до уровня, необходимого для нормальной работы последующих блоков. С выхода усилителя 2 сумма большого собственного шума усилителя 2, теплового шума источника t и малые амплитудно-модулированные шумы поступают на детектор 3, а потом - на ограничитель 4. В результате получаются сложный спектр флуктуации и детерминированная составляющая на частоте модуляции измеряемого шума, пропорциональная его интенсивности. Этот сигнал подается на вход избирательного усилителя, где происходит преимущественное усиление огибающей и образование напряжения помехи из флуктуационного спектра. Огибающая подается на вход регистратора 6, где регистрируется.

Рассмотрим прохождение шумов в устройстве. Пусть Sg - спектральная плотность суммы теплового и собственного шумов источника 1 и усилителя 2 соответственно; бр - дисперсия измеряемых шумов.

Допустим, что

с 6o(l+COSU)ot) ,

где 6с - дисперсия модулированных

йзмеря емых .шумов; Wp- частота модуляции; t - время. Зададим ujj, ы„ - верхнюю и нижнюю частоты пропускания усилителя 2.

Дисперсия суммы теплового и собственного шумов

со

( i Ss.do).

Суммарная дисперсия на входе детектора 3

Разложим выражение под корнем в ряд Ма ларена и ограничимся первыми двумя членами

Vl+x ...

(1)

Дпя определения постоянной составляющей на выходе ограничителя воспользуемся примером. В данном случае необходимо учесть наличие перед ог раничителем 4 детектора 3, т.е. .

Дополнительно примем

5 1- Тогда постоянная составляющая, равная математическому ожиданию,

Uj 6ф, ,(2)

где Ф, - - Ф (U)+Uo (и,)1 . lV2ffJ

Учтем наличие в суммарной дисперсии модуляции. Формула (1).примет вид

о

u,-«-S7-(l -cosu,t;2.

-ibie

Тогда (2) равно

d. ,(1+2cosu)..t+cos wot)Ф, .

&ш

После прохождения избирательного усилителя 5 остается только состай- лякяцая сомножителя Cosco t

и.

Т- 1

ш

Вычислим напряжение помехи. Корреляционная функция на выходе ограничителя 4 равна

R(O (Uo )- (0) .. (3)

Нормированная корреляционная функция входного воздействия

.„. siTi(Auit/2).

г(),- 72cos юо,.

л W1

(4)

где/3u)Wj-и)„, ui(, -2-

Подставим (4) в (3) и ограничимся первыми тремя членами, учитывая множитель 1 /п

Для нахождения спектральной плотности флуктуации используем формулу Винера-Хинчина, Воспользовавшись линейностью операций фильтрования и интегрирования и учитьшая, что следующий за ограничителем 4 избирательный усилитель 5 имеет близкую к нулю полосу пропускания, запишем

S(0)45 R()d.

Используя свойство линейности операций интегрирования и суммирования, перепишем

з(о)4б 1: Ф -Чи,)2-Ur4)d.

Первый интеграл () тождественно равен нулю. Второй интеграл (п 2) равен й дш/4. Третий интеграл

также равен нулю, но при условии

2 ш „7 и. Это условие, накладашаемое на усилитель 2, физически объяснимо необходимостью исключить биения спектра исходного сигнала и получившегося после детектирования. При выполнеНИИ этого неравенства указанные спектры не перекрываются. Это оптимизация отношения сигнал/шум по частотам среза усилителя 2,

Таким образом получаем

где

SCO) 2- 1

. (u.).

Дисперсия для односторонней плотности равна

р

J S(0)dt;

6 „ °5(0)4,

где й - полоса пропускания избирательного усилителя 4. Отношение сигнал/шум

С Ш

иф

1

Ii2

.. U VSoif Ф,

При отсутствии ограничения функции ,; 1 получаем отношение сигнал/шум модуляционного метода измерения шумов.

Определим выигрыш изобретения перед модуляционным методом как отношение сигнал/шум после введения ограничения и до введения

Q f 1 +yoII(M.

Ф.

Ж -

(5)

0

0

0

5

0

5

0

Анализ последней формулы показывает, что при уменьшении Uo. выигрыш неограниченно возрастает. Например, при ,5 вьшгрьш . Физический смьюл полученного результата состоит в том, что ограничивая сигнал сверху, преязде всего уменьшаем амплитуду огибающей шумового процесса,.так как огибающая определяется изменением ампл 1туды пиков процесса. Ограничитель вьфавнивает амплитуды отдельных пиков. Чем меньше порог ограничения, тем большее количество пиков одинаково и тем меньше значение напряжения помехи. При уменьшении порога постоянная составляющая, осциллирующая с частотой Ыр, часть которой является полезньм сигналом, уменьшается в меньшей степени, так как учитывая, что тепловой щум много больше измеряемого, именно он определяет нахождение сигнала аддитивной смеси или в линейной области, или в области ограничения. А так как наиболее вероятно нахождение сигнала около нуля, т.е. в линейной области, то большая часть амплитудно-модулированного сигнала аддитивной смеси сохраняется.

Таким образом, физический смысл состоит в том, что при уменьшении порога ограничения спектральная плотность флуктуации уменьшается быстрее полезного сигнала, что и определяет повьш1енив отношения сигнал/шум при использовании предлагаемого устройства.

Формула изобретения

Устройство для измерения шумов, содержащее последовательно соединенные источник амплитудно-модулированного шума, усилитель и детектор, а также последовательно включенные избирательный усилитель и регистратор, ,от личающе е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, введен ограничитель, подключенный к детектору, а его выход соединен с входом избирательного усилителя.