Способ спектрального анализа Советский патент 1992 года по МПК G01N23/16 

(/

С

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа широкополосных случайных сигналов, содержащих регулярные составляющие. Цель изобретения - повышение разрешающей способности путем выявления низкоуровневых составляющих сигнала. Для этого выявляют регулярные составляющие сигнала и уточняют уровни каждой регулярной составляющей путем последовательного подавления выделенных гармонических составляющих сигнала, при этом последовательно подавляют и все выявленные ранее гармонические составляющие и определяют низкоуровневые гармонические составляющие путем усиления, фильтрации и последующего уточнения уровней каждой гармонической составляющей последовательным их подавлением. Данный способ реализуется анализатором спектра по а.с. 1322171, в который дополнительно введены блок из управляемых узкополосных фильтров 24, третий и четвертый сумматоры 25 и 26, блок 27 генераторов гармонических сигналов, блок ключей 28, усилитель 29, четвертый ключ 30. 2ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа спектров широкополосных случайных сигналов, содержащих регулярные гармонические составляющие.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема анализатора спектра, реализующего способ; на фиг. 2 - спектрограммы, поясняющие работу анализатора.

Анализатор содержит управляемый узкополосный фильтр 1, инвертор 2, первый сумматор 3, параллельные каналы анализа, каждый из которых состоит из полосового фильтра 4, измерителя дисперсии 5, коммутатор 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, первый ключ 8, первый блок

памяти 9, первый преобразователь 10 код- временной интервал , второй сумматор 11, телевизионную трубку 12, второй преобразователь 13 код-временной интервал, второй ключ 14, генератор 15 гармонических сигналов, третий ключ 16, преобразователь 17 частота-код, схему 18 сравнения кодов, счетчик 19, блок 20 формирования метки, второй блок памяти 21, вычислитель 22, блок 23 формирования символов, блок N управляемых узкополосных фильтров 24.1- 24.N, третий и четвертый сумматоры 25, 26, блок генераторов 27.1 -27.N, блок N ключей 28.1-28.N, усилитель 29, четвертый ключ 30. Вход управляемого узкополосного фильтра 1 является входом анализатора спектра и параллельно соединен с входами управляемых узкополосных фильтров 24.1-24.N,

GJ О

ел VI

о

ходы которых подключены к входам третьего сумматора 25, а его выход через четвертый ключ 30 подключен к первому входу четвертого сумматора 26, ко второму входу которого подключен выход управляемого узкополосного фильтра 1. Выход четвертого сумматооа 26 через инвертор 2 подключен к первому входу первого сумматора 3, второй вход которого соединен с выходом анализатора, а выход - с усилителем 29, с параллельными каналами анализа, состоящими из полосового фильтра 4, измерителя дисперсии 5, выходы которых подключены к входам коммутатора 6. Выход коммутатора через АЦП 7 подключен к последовательно соединенным второму ключу 14, второму преобразователю 13 код-временной интервал, модулятору цветной телевизионной трубки 12 и к входам первого блока памяти 9 через первый ключ 8. Адресные входы первого блока памяти 9 соединены с выходом счетчика 19 и входом управления коммутатора 6, выход первого блока памяти 9 подключен к входу первого преобразователя 10 код-временной интервал, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 11, выходом подключенного к одному из модуляторов цветной телевизионной трубки 12, а вторым входом - к выходу блока 23 формирования символов, вход которого подключен к входу вычислителя 22. Третий вход сумматора 11 соединен через блок формирования метки 20 с выходом схемы 18 сравнения кодов, первый вход которой соединен с выходом счетчика 19, второй вход- с выходом преобразователя 17 частота-код и одним их входов вычислителя 22, другие входы которого подключены к выходу АЦП 7, выходу первого блока памяти 9 и к выходу второго блока памяти 21. Выход преобразователя 17 частота-код через ключ 16 и через блок N ключей 28.1-28.N подключен к генератору 15 и блоку N генераторов 27 соответственно. Кроме того, выход генератора 15 подключен к управляющему входу узкополосного фильтра 1, а выходы каждого из N генераторов 27 - к управляющим входам соответствующих фильтров блока N фильтров 24.

Анализатор спектра работает следующим образом.

Входной широкополосный сигнал, содержащий гармонические компоненты, поступает на вход узкополосного управляемого фильтра 1, на входы узкополосных фильтров блока из N фильтров 24.1- 24.N и на второй вход первого сумматора 3. Первоначально четвертый ключ 30 разомкнут, а частота настройки узкополосного фильтра 1 находится за пределами частотного диапазона анализатора спектра, т.е. fen тн, где тон - начальная частота настройки узкополосного фильтра 1, a fH - нижняя рабочая частота анализатора. В этом случае

5 на выходе управляемого фильтра 1 сигнал отсутствует, и на выход первого сумматора 3 через его второй вход проходит весь входной сигнал без изменения, спектр которого соответствует фиг. 2,а. Широкополосный

0 сигнал, усиленный усилителем 29 до уровня, обеспечивающего нормальную работу параллельных каналов измерений, разбивается полосовыми фильтрами А на ряд узкополосных сигналов, поступающих на

5 входы блока 5 измерения дисперсий. С выхода последнего сигналы в виде постоянных напряжений, пропорциональных дисперсиям узкополосных сигналов, поступают на соответствующие входы коммутатора 6. С

0 выхода коммутатора 6 сигналы поступают на вход АЦП 7, где осуществляется преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. С выхода АЦП 7 сигнал в цифровой форме поступает через замкнутый в ис5 ходном состоянии первый ключ 8 в первый блок памяти 9, при этом ключи 14 и 16 разомкнуты и управление первым блоком памяти 9 и коммутатором 6 осуществляется с выхода счетчика 19 номера канала. С выхода

0 первого блока памяти 9 сигнал поступает через первый преобразователь 10 код-временной интервал и сумматор 11 на модулятор цветной телевизионной трубки 12. При

5 этом экран телевизионной трубки 12 высвечивает результаты параллельного спектрального анализа в виде светящихся столбцов красного цвета по числу параллельных каналов, уровни которых соответ0 ствуют дисперсиям сигналов в соответствующих полосах частот. Таким образом, по окончании времени спектрального анализа в первом блоке памяти 9 находятся результаты параллельного спект5 рального анализа и одновременно эти результаты высвечиваются на экране телевизионной трубки 12. Затем ключ 8 размыкается, а ключ 14 замыкается, с выхода генератора 15 гармонического сигнала гар0 монический сигнал переменной частоты поступает на управляющий вход управляемого узкополосного фильтра 1 и перестраивает его по частоте. При этом частота гармонического сигнала изменяется оператором от fH

5 до тв, где fH, fe - соответственно нижняя и верхняя границы частотного диапазона анализатора спектра. С выхода управляемого узкополосного фильтра 1 сигнал через четвертый сумматор 26 и инвертор 2 поступает на первый вход сумматора 3, на второй вход

которого поступает измеряемый широкополосный сигнал, В результате противофазного суммирования узкополосного и широкополосного сигналов на выходе сумматора 3 появляется разностный сигнал, причем на частоте настройки управляемого узкополосного фильтра 1 происходит полное вычитание сигналов, так как коэффициент усиления цепи: управляемый узкополосный фильтр 1, сумматор 26. инвертор 2 - равен единице, а суммарный фазовый сдвиг сигнала равен 180°. В процессе перестройки управляемого узкополосного фильтра 1 осуществляется плавное сканирование частоты настройки и последовательное подавление частот анализируемого широкополосного сигнала. С выхода первого сумматора 3 широкополосный сигнал поступает на параллельные каналы анализа. С выхода измерителя дисперсий 5 сигналы через коммутатор 6 поступают на вход АЦП 7, с выхода которого сигнал в цифровой форме через замкнутый третий ключ 14 поступает на зход второго преобразователя 13 код- временной интервал и далее на модулятор телевизионной трубки 12. В процессе сканирования частоты настройки управляемого узкополосного фильтра 1 при совпадении ее с частотой гармонической компоненты происходит полное подавление последней, что отражается на экране индикатора телевизионной трубки 12. В этот момент оператор останавливает перестройку частоты генератора 15 и замыкает второй ключ 16. При этом гармонический сигнал с выхода генератора 15 через замкнутый второй ключ 16 поступает на вход преобразователя 17 частота-код, с выхода которого сигнал в цифровой форме поступает на первый вход схемы 18 сравнения кодов и на второй вход вычислительного блока 22. На второй вход схемы сравнения 18 поступает сигнал в цифровой форме со второго выхода счетчика 19 номера канала. При совпадении кодов на первом и втором входах схемы 18 сравнения кодов на ее выходе появляется сигнал, который поступает на вход блока 20 формирования метки, с выхода которого сигнал через сумматор 11 поступает на модулятор телевизионной трубки 12. При этом на соответствующем месте растра индикатора появляется метка, характеризующая местоположение на частотной оси значения частоты настройки управляемого узкополосного фильтра 1. Одновременно на первый, третий и четвертый входы вычислительного блока 22 поступают сигналы соответственно с выходов второго блока памяти 21, первого блока памяти 9 и АЦП 7. Во втором блоке памяти 21 хранится информация об амплитудно-частотных характеристиках анализирующих фильтров и программа вычислений. По значению частоты гармонического сигнала, поступающего на второй вход вычислительного блока 22, оценивается

истинное значение амплитуды гармонической компоненты. С выхода вычислительного блока 22 сигнал, характеризующий значение амплитуды гармонического сигнала на i-й частоте, поступает на вход блока 23 формирова0 ния символов. С выхода этого блока сигнал, несущий информацию об уровне гармонической компоненты, сформированный для отображения на экране индикатора цветной телевизионной трубки 12 в виде надписи в

5 соответствующем месте растра, поступает через сумматор 11 на модулятор телевизионной трубки 12. При этом высвечивается уровень гармонической компоненты. После этого оператор размыкает второй ключ 16 и продолжа0 ет перестройку частоты генератора 15 гармонических колебаний, при этом прекращаются вычисления в вычислительном блоке 22 и исчезает надпись. Управляемый узкополосный фильтр 1 при поступлении на

5 его управляющий вход гармонического сигнала переменной частоты изменяет соответственно частоту настройки, и процесс определения гармонических компонент в исследуемом сигнале продолжается анало0 гично указанному. На этом заканчивается первый этап работы анализатора спектра. В результате на нем выявляются все высокоуровневые составляющие (фиг. 2,а) и вычисляются их амплитуды с учетом взаимного

5 влияния. Однако вследствие неидеальности характеристики фильтра, полученный спектр будет иметь вид, изображенный на фиг. 2,а пунктирной линией, и поэтому параметры низкоуровневых составляющих сиг0 нала остаются невыявленными, поскольку они маскируются высокоуроневыми составляющими. Точные значения амплитуд высокоуровневых составляющих вычисляют с учетом того, что низкоуровневые составля5 ющие вносят незначительную погрешность. Отличительная операция заявляемого способа - одновременное подавление всех вычисляемых ранее высокоуровневых составляющих и последующее усиление сигнала

0 до стандартного уровня, возможность которого обеспечивается отсутствием высокоуровневых составляющих, обеспечивает получение спектральной характеристики, изображенной на фиг. 2,6 пунктирной ли5 нией. Проводя аналогию первому этапу - уточнение амплитуд низкоуровневых составляющих сигнала путем последовательного их подавления, получают параметры низкоуровневых составляющих с точностью, соизмеримой с точностью определе&

ния высокоуровневых составляющих. Для этого на втором этапе замыкают четвертый ключ 30. Входной широкополосный сигнал поступает на вход управляемого узкополосного фильтра 1, на входы управляемых узко- полосных фильтров блока из N фильтров 24.1-24.N и на второй вход первого сумматора 3. Первоначальная частота настройки управляемого узкополосного фильтра 1 г фильтров 24 блока находится за пределами частотного диапазона анализатора спектров. Замыкая ключ 28.1, при помощи генератора 27.1 осуществляют подстройку узкополосного управляемого фильтра 24.1 аналогично подстройке узкополосного уп- равляемого фильтра 1 на первом этапе до исчезновения на экране первой высокоуровневой составляющей сигнала. После этого замыкают ключ 28.2 и осуществляют аналогичную подстройку фильтра 24.2 до исчезновения на экране второй высокоуровневой составляющей. Так продолжают до тех пор, пока не произойдет подавление всех высокоуровневых составляющих. В результате на вход параллельного канала ана- лиза поступает сигнал, имеющий спектр, изображенный на фиг. 2,6. Дальнейшая работа анализатора по определению и уточнению низкоуровневых гармонических составляющих осуществляется аналогично работе на первом этапе при определении параметров высокоуровневых составляющих. Формула изобретения Способ спектрального анализа сигнала, заключающийся в выявлении регулярных составляющих сигнала фильтрацией последнего по узкополосным каналам и после- дующем уточнении уровней каждой регулярной составляющей путем последовательного подавления выделенных гармонических составляющих сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем выявления низкоуровневых составляющих, одновременно подавляют все ранее выявленные гармонические составляющие и определяют низкоуровневые составляющие путем усиления и фильтрации результирующего сигнала по N узкополосным каналам и последующего уточнения каждой низкоуровневой составляющей путем их последовательного подавления.

Фиг.2

5 5 си