Многоканальный адаптивный спектроанализатор Советский патент 1993 года по МПК G01R23/16 

сл

С

Изобретение относится к аппаратуре для анализа характеристик нестационарных случайных сигналов и может быть использовано при обработке шумовых сигналов в радиосистемах. Устройство содержит широкополосный усилитель, М каналов, состоящих из последовательно соединенных фильтра, детектора, интегратора, блока логарифмирования, блока вычитания, делителя, выходы которых подсоединены к соответствующим входам М-входового сумматора, М-1 одновходовых умножителей, М- 1 двухвходовых сумматоров, М-1 блоков вычитания второй группы, М-1 ключей первой группы, М-1 пороговых элементов, генератор импульсов, М-1 ключей второй группы, семь ключей, семь элементов задержки, М-1 триггеров первой группы, М-й триггер, два комбинационных блока, (Т+1)-входовый сумматор, Р-входовый сумматор, два масштабных усилителя, два блока логарифмирования, три блока вычитания, два амплитудных селектора, ждущий мультивибратор, инвертор, блок деления. 2 ил.

Изобретение предназначено для аппаратурного анализа характеристик нестационарных случайных сигналов и может быть использовано при обработке шумовых сигналов в радиосистемах.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет оценки вариации показателя наклона спектра шума при существенно положительных значениях информационной целесообразности автоматического отключения каналов, содержащих превышающую заданную велич ину квазигармонических составляющих.

Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1; временные диаграммы работы устройства - на фиг.2.

Устройство (фиг, 1) содержит широкополосный усилитель 1. М каналов, каждый из которых состоит из подключенных к выходу

усилителя 1 последовательно соединенных фильтра 2, детектора 3, интегратора 4, блока 5 логарифмирования. Устройство содержит также М блоков 6-1 ,-6-М вычитания первой группы, М делителей 7-1...7-М, М-входовый сумматор 8, М-1 одновходовых умножителей 9-1...9-(М-1), М-1 двухвходовых сумматоров 10-1...КНМ-1), М-1 блоков 11-1-1НМ-1) вычитания второй группы, М-1 ключей первой 12-1-12-(М-1) группы, М-1 пороговых блоков 13-1...13-{М-1), генератор 14 импульсов.

Устройство содержит также М-1 ключей 15-1-15-(М-1) второй группы, семь ключей 16-1-16-7 третьей группы, семь элементов 17-1-17-7 задержки... 17-7, М-1 триггеров 18-1-184М-1) первой группы, М-й триггер 19,первые комбинационные блоки 20-1 и 20-2 с М-1 входами, 20-2, (Т+ 1)-входовый

оэ

А) О

Јь

00

ю

сумматор 21-1, Р-входовый сумматор 21-2, два масштабных усилителя 22-1, 22-2, два блока 23-1, 23-2 логарифмирования, три блока 24-1-24-3 вычитания, два амплитудных селектора 25-1, 25-2, ждущий мультивибратор 26, инвертор 27, блок деления 28.

Устройство работает следующим образом.

Шумовой сигнал с выхода широкополосного усилителя 1 поступает на фильтры 2-2...2-М каждого канала, настроенные на свою частоту.

Сигналы с выходов фильтров каждого канала детектируются детекторами 3-1...3- М, а затем интегрируются в интеграторах 4-1.,.4-М.

Далее сигналы логарифмируются в блоках логарифмирования 5-1...5-М, на выходе которых получают логарифмические оценки

м -1

энергетического спектра InS(fi). где i -1,2...М.

Сигналы с выходов блоков логарифмирования всех соседних каналов подаются на входы соответствующих блоков 6-1-6-М вычитания, на выходах которых получают разности логарифмических оценок спектра. которые поступают на входы соответствующих блоков 7-1-7-М деления.

В блоках 7-1...7-М каждая разность логарифмических оценок спектра делится на коэффициент, зависящий от выбранных значений средних частот fi,f2,...fM фильтров 2-1...2-М.

При этом коэффициент деления в блоке 7-I деления выбирается из оценочного выражения для коэффициента наклона спектра, полученного методом наименьших квадратов

/SI 1

п

У. (lnS(fi)-lnS(fi+i))(lnfi-H -lnft) + (lnS(fi)-lnS(fM))(ln fv -Infi )

м -1

2 (In fi - In ft + 1 )2 + (In fi - In fM )2 t 1

(D

Из выражения (1) следует, что коэффи- нт деления в блоке деления 7-1 должен ь павным

циент

быть равным

lnf| + 1 -tnfl

К, м,тт (2)

У («nfi-lnfi + i -f lnfi-ШГм)2 « 1 .

С выходов блоков 7-1-7-{М-1) деления сигналы через ключи 15-1-15-(М-1) поступают на соответствующие входы сумматора 8, на М-й вход которого сигнал поступает с выхода блока 7-М деления.

Таким образом, при открытых ключах 15-1...15-(М-1) второй группы на выходе сумматора 8 будем получать оценку показателя наклона спектра п, определяемую выражением (1), которая передается на непрерывный выход устройства.

Эта же оценка поступает на первый элемент 17-1 задержки, с выхода которого задержанная оценка показателя наклона спектра поступает на входы умножителей 9-1...9-(М-1). В каждом блоке умножения 9-1 оценка показателя наклона спектра п умножается на постоянную величину, пропорциональную разности логарифмов частот fM и f 1. Так в умножителе 9-1 оценка п умножается на величину, пропорциональную 1пТм - Infi в умножителе 9-2 на величину tnfw - Infz и т.д.

энергетического спектра InS(fi). где i -1,2...М.

Сигналы с выходов блоков логарифмирования всех соседних каналов подаются на входы соответствующих блоков 6-1-6-М вычитания, на выходах которых получают разности логарифмических оценок спектра. которые поступают на входы соответствующих блоков 7-1-7-М деления.

В блоках 7-1...7-М каждая разность логарифмических оценок спектра делится на коэффициент, зависящий от выбранных значений средних частот fi,f2,...fM фильтров 2-1...2-М.

При этом коэффициент деления в блоке 7-I деления выбирается из оценочного выражения для коэффициента наклона спектра, полученного методом наименьших квадратов

(D

Таким образом, на выходе каждого блока 9 получаем напряжение, пропорциональное величине n(lnfM - Infi).

Напряжения с выходов умножителей 9- 1...9-(М-1) поступают на первые входы соответствующих сумматоров 10-1...10-(М-1). На второй вход каждого сумматора 1СИ поступает сигнал с выхода блока 5-М логарифмирования.

Т.к. средняя частотам полоса пропускания фильтра 2-М выбраны таким образом, чтобы в спектре шумового сигнала на его выходе заведомо отсутствовала квазигармоническая составляющая, то логарифмическая оценка спектра на выходе блока логарифмирования 5-М будет незна- итель- но отличаться от его истинного значения.

Благодаря этому на выходе каждого сумматора 10-1 будем получать с наименьшей погрешностью расчетную логарифмическую оценку энергетического спектра шума в виде

InSp(fi) n(lnfw - Infi) + InS(fM)

(3)

Сигнал с выхода каждого сумматора 10-1 поступает на вычитающий вход соответствующего блока 11-1 вычитания второй группы. На вычитаемый вход блока 11-i поступает сигнал с выхода блока 5-i логарифмирования.

Таким образом, на выходе каждого блока 11-1 вычитания формируется напряжение пропорциональное разности tnfjf(j) - nSp(fi).

Значения этих разностей через соответствующие ключи 12-1...12-(М-1) поступают на входы соответствующих пороговых элементов 13-1...13-(М-1). А

Причем разности InS(fi) - lnSp{fi) поступают на входы пороговых элементов (фиг.2а) в моменты открывания ключей 12-i импульсом с выхода элемента 17-2 задержки см,фиг.2б.

Рассмотрим вначале случай отсутствия в спектре шума квазигармонических составляющих. В этом случае величины разностей nS(fi) - InSp(fi) не превышают заданных порогов в пороговых элементах 13-1, в результате чего не происходит срабатывания триггеров 18-1...18-(М-1). Тогда напряжение, отображающее показатель наклона спектра п после задержки в элементе 17-1 задержки поступит на вход ключа 16-3 третьей группы и в момент поступления на его управляющий вход импульса с выхода генератора 14 импульсов поступит на импульсный выход показателя наклона спектра.

Отметим, что в этом случае величины на непрерывном выходе и импульсном выходе устройства совпадают.

Кроме того, нулевые выходные напряжения всех триггеров 18-1...18-{М-1) поступают на соответствующие входы 20-1 и 20-2 комбинационных блоков. Нулевая входная комбинация на входах второго блока 20-2 дает на Р выходах его также нулевую комбинацию сигналов.

На &ходе первого комбинационного блока 20-1 также присутствует нулевая комбинация сигналов. Следовательно на выходах его также будет нулевая выходная комбинация сигналов, которая поступает на Т входов (Т+1)-входовый сумматор 21-1.

Рассмотрим какой сигнал поступает на (Т+1)-й вход сумматора 21-1 с выхода М-го триггера 19. Сигнал на выходе ключа 16-1 (фиг.2е) третьей группы появится в момент открывания ключа импульсом с выхода генератора импульсов 14. После задержки его в элементе 17-5 задержки (фиг.2ж) сигнал поступает на вычитаемый вход блока 24-3 вычитания. На вычитающий вход блока 24-3 в этот же момент времени поступает сигнал с выхода шестого элемента задержки 17-6 (фиг.2и), на вход которого поступает сигнал с выхода второго ключа 16-2 (фиг.2з) третьей группы. Поскольку входы ключей 16-1 и 16-2 объединены, на них поступает один и тот же сигнал. Следовательно, на выходе блока 24- 3 вычитания (фиг.2к) должен быть нулевой разностный сигнал.

В большинстве случаев так и будет наблюдаться нулевой разностный сигнал на

выходе блока 24-3 вычитания, Однако, в некоторых случаях могут появляться положительные импульсы напряжения на выходе блока 24-3 вычитания, которые могут превы5 шать пороговый уровень срабатывания амплитудного селектора 25-2, вызывая его срабатывание, из-за того, что напряжение оценки показателя наклона спектра шума является случайной величиной, которая мо0 жет иметь выбросы флуктуации, приводящие к разностному напряжению на. выходе блока вычитания, превышающему пороговый уровень срабатывания амплитудного селектора 25-2. В результате срабатывает

5 триггер 19 (фиг.2л) и на его выходе появляется напряжение, соответствующее единичному уровню, которое подается на (Т+1)-й вход сумматора 21-1.

На выходе (Т+ 1)-входового сумматора

0 21-1 появляется в этом случае сигнал равный сумме Т нулевых сигналов и единичному сигналу, который поступает на вход масштабного усилителя 22-1.

На выходе масштабного усилителя 22-1

5 появится сигнал, отображающий величину

т . . , который поступает на вход блока

23-1 логарифмирования.

Рабочий диапазон входных сигналов

0 блока 23-1 логарифмирования заключен в пределах от 0 до единичного напряжения, которым соответствуют выходные сигналы от Улог. до.О, Следовательно, при входном напряже5 нии равном выходной сигнал блока 23-1 будет мало отличаться от значения Unor. Примем для определенности, что в этом случае выходное напряжение блока 23-1 логарифмирований будет равно - 0,9 Unor.

0 На входе блока 23-2 логарифмирования в это время будет нулевое напряжение, т.к. на вход масштабного усилителя 22-2 поступает с выхода сумматора 21-2 сумма нулевых Р слагаемых.

5 Следовательно, на выходе блока 23-2 логарифмирования будет действовать напряжение, равной-илог.

На выходе блоха 24-1 вычитания напряжение будет равно разности - О.ЭУлог. +

0 +Unor. О.Шлог., которая в момент открытия четвертого ключа 16-4 третьей группы импульсов е выхода четвертого элемента 17-4 задержки фиг.2м не вызовет срабатывания .первого амплитудного селектора 25-1

5 (фиг.2н).

Аналогично, не произойдет срабатывания первого амплитудного селектора 25-1, если не сработает М-й триггер 19, поскольку в этом случае на выходе (Т+1)-входовогосум- маторэ 21-1 будет действовать сумма нулевых Т-И слагаемых, дающих на выходе масштабного усилителя 22-1 нулевое напряжение, а, следовательно, разность на выходе блока вычитания 24-1 будет равна - Jnor. + +Uflor.eO.

Несрабатывание первого амплитудного селектора 25-1 не приведет к запуску ждущего мультивибратора 26 (фиг,20), а, следовательно, не откроются ключи 16-6, 16-7 третьей группы. В результате на выходе седьмого ключа 16-7 третьей группы в момент прихода тактового импульса с выхода генератора 14 не появится оценка вариации коэффициента наклона спектра шума.

Рассмотрим теперь случай наличия е спектре шума квазигармонических составляющих,

В этом случае отдельные величины разностей nS(fi) - nSp(fi} могут превысить заданные пороги в пороговых элементах 13, в результате чего произойдет срабатывание соответствующих триггеров (8-1-18-(М-1) первой группы.

Отметим, что в этом случае величины, отображающие показатель наклона спектра шума на непрерывном и импульсном выходах, могут не совпадать, что свидетельствует о состоявшейся коррекции величины показателя наклона спектра при автоматическом отключении каналов, содержавших превышающую заданную величину квази- гармоническмх составляющих (см. фиг.2г, д, начало И такта).

Выходные напряжения триггеров 18- 1,.,18-(М-1) первой группы, содержавшие некоторую комбинацию нулевых и единичных напряжений, поступают на соответствующие М-1 входы комбинационных блоков 20-1, 20-2. Выходные комбинации сигналов на Т-выходах блока 20-1 и Р-выходах блока 20-2 определяются соответствующими таблицами истинности.

Предположим, что Ti - число едцниц в выходной комбинации блока 20-1 при появлении некоторой входной комбинации WM нулей и единиц, причем Tt Т .

Соответственно, Pi. число единиц е выходной комбинации блока 20-2 при появлении той же входной комбинации М-1 нулей и единиц. Причем Pi Р. Тогда на выходе масштабного усилителя 22-1 выходное напряжение будет отображать величину Т1 ..... Ti+1

г-ИЛИ

в зависимости от соТ + 1 Т + 1 стояния триггера 19.

На выходе масштабного усилителя 22-2 напряжение будет отображать величину

PJ

Р

В случае превышения порога в амплитудном селекторе 25-2 срабатывает М-й триггер 19 (фиг.2л), единичное выходное напряжение которого поступает на (Т+1)-й

вход сумматора 21-1.

Выходное напряжение сумматоров 21-1 и 21-2 поступает на соответствующие блоки

логарифмирования 22-1 и 22-2, с выходов которых - на первый блок 24-1 вычитания.

Таким образом, на выходе блока 24-1 вычитания появится.напряжение

Ti + .1

. -(-Vrr)in

fl

P

(4)

или напряжение

UBI ln

Ti

Т +-1

In

Pi

(5)

0

0

В зависимости от,.в.еличин Ti и PI разностное напряжение UBI может принять существенно положительное значение, т.е. превысить порог в первом амплитудном се- 5 лекторе 25-1, или не принять существенно положительное значение, т.е. не превысить порог в селекторе 25-1.

Поступление выходного напряжения блока 24-1 вычитания происходит в момент открытия ключа 16-4 третьей группы импульсом с выхода четвертого элемента 17-4 задержки (фиг.2м). Пятый ключ 16-5 третьей группы при этом открыт, поскольку он зэ- . крывается только после запуска ждущего 5 мультивибратора 26 выходным сигналом инвертора 27.

Предположим, что .выходное напряжение UBI превысит порог в первом амплитудном, селекторе 25-1 (см.фиг.2н). Выходным импульсом селектора 25-1 запускается ждущий мультивибратор 26 (фиг.2о), импульс на выходе которого открывает шестой ключ 16-6 третьей группы и через инвертор закрывает пятый ключ 16-5 третьей группы.

Импульс с выхода генератора импульсов 14 во И такте через открытый шестой ключ 16-6 третьей группы поступает на управляющий .вход седьмого ключа 16-7 третьей группы, открывая его.

В результате выходное напряжение блока деления 28, отображающее вариацию показателя наклона спектра шума при существенно положительных значениях информационной целесообразности автоматического отключения каналов, содержащих превышающую заданную величину квазигармонических составляющих, поступает на. выход устройства (фиг.2р).

5

0

5

Действительно, на вход делителя блока 28 деления в момент появления импульса с выхода генератора 14 импульсов поступает с выхода третьего ключа 16-3 третьей группы откорректированная оценка показателя наклона спектра шума с выхода первого элемента 17-1 задержки (фиг,2д, такт II).

На вход делимого блока деления 28 с выхода блока 24-2 вычитания поступает разность откорректированной и первоначальной (до коррекции) оценок показателя наклона спектра шума (фиг,2п).

При этом первоначальная оценка пока- наклона спектра поступает с выхода седьмого элемента 17-7 задержки (фиг.2п).

Запуск мультивибратора 26 в I такте приводит к закрытию ключа 16-5 третьей группы во II такте выходным импульсом блока 26 (фиг.2о), поступающим с выхода инвертора 27. Поэтому даже в случае превышения разностным напряжением первого блока 24-1 вычитания порога, указанное напряжение не поступает на вход амплитудного селектора 25-1. Поэтому вне зависимости от величины разностного напряжения Dei амплитудный селектор 25-1 не сработает во II такте.

Очевидно, что в этом случае во II такте на выходе седьмого ключа 15-7 третьей группы не появится напряжение, отображающее вариацию показателя наклона спектра шума.

На фиг.2в третьем такте показано, что разность на выходе третьего блока 24-3 вычитания равна нулю (см. фиг.2к). Поэтому не произойдет срабатывания М-го триггера 19.

В этом случае выходной сигнал триггера 19 нулевого уровня поступает на (Т+ 1)-й вход сумматора 21-1, и на выходе блока 24-1 вычитания появится напряжение, даваемое формулой (5).

В зависимости от величин Ti и Pi разностное напряжение DBI может не принять существенно положительное значение, т.е. не превысить порог в первом амплитудном селекторе 25-1 или принять существенно положительное значение. В последнем случае в третьем такте, повторится ситуация, аналогичная I такту.

При не превышении порога в первом амплитудном селекторе 25-1 не произойдет запуск ждущего мультивибратора 26, а, следовательно, не откроется седьмой ключ 16-7 третьей группы (см.фиг.2и, о, р, такт 111).

Указанное означает, что вариации показателя наклона спектра шума, если они и имеют место, происходят при несущественных положительных значениях информационной целесообразности автоматического

отключения каналов, содержащих превышающую заданную величину квазигармонических составляющих,

Формула из обретения 5Многоканальный адаптивный спектроанализатор, содержащий широкополосный усилитель, к выходу которого подключены М каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенный фильтр, детек- 0 тор, интегратор, блок логарифмирования, а также М блоков вычитания первой группы. М делителей, М-й входовый сумматор, М-1 одновходовыхумножителей, М-1 двухвходо- вых сумматоров, М-1 блоков вычитания вто5 рой группы, М-1 ключей первой группы, М-1 пороговых элементов, генератор импульсов, причем выход каждого блока логарифмирования соединен с объединенными вычитаемым входом соответствующего бло0 ка вычитания первой группы, вычитающим входом блока вычитания первой группы предыдущего канала и вычитаемым-входом соответствующего блока вычитания второй группы, кроме выхода первого блока лога5 рифмирования, который соединен с объединенными вычитаемым входом первого блока вычитания первой группы, вычитающим входом М-го блока вычитания первой группы и вычитаемым входом первого блока

0 вычитания второй группы, и кроме выхода М-го блока логарифмирования, который соединен с объединенными вычитаемым входом М-го блока вычитания первой группы и одним входом всех двухвходовых суммато5 ров, причем выход каждого блока вычитания первой группы соединен с входом соответствующего делителя, выход М-го делителя соединен с соответствующим входом М-входового сумматора, причем выход

0 каждого одновходового умножителя соединен с соответствующим входом двухвходо- вого сумматора, выход каждого из которых соединен с вычитающим входом соответст вующего блока вычитания второй группы,

5 выход каждого блока вычитания второй группы соединен с входом соответствующего ключа первой группы, выход каждого ключа первой группы соединен с входом соответствующего порогового элемента, о т0 л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет оценки вариации показателя наклона спектра шума при существенно положительных значениях информационной целе5 сообразности автоматического отключения каналов, содержащих превышающие заданную величину квазигармонические составляющие, он снабжен М-1 ключами второй группы, семью ключами третьей группы, семью элементами задержки, М-1 триггерами первой группы, Мм триггером, первым комбинационным блоком с М-1 входами и Т-выходами, вторым комбинированным блоком е М-1 входами и Р-выходами, (Т-И}-, входовым сумматором, Р-входовым сумматором, двумя масштабными усилителями, двумя блоками логарифмирования, тремя блоками вычитания, двумя амплитудными селекторами, ждущим мультивибратором, инвертором, блоком деления, причем выход с первого по (М-1)-го делителя соединен с информационным входом соответствующего ключа второй группы, выход которого соединен с соответствующим входом М-входо- вого сумматора, соединенного е объединенными информационными входами первого и второго ключей третьей группы и входом первого элемента задержки, выход которого соединен с объединенными входами М-1 одновходоаых умножителей, информационным входом третьего ключа третьей группы и входом седьмого элемента задержки, при этом управляющий вход каждого ключа второй группы соединен с выходом соответствующего триггера первой группы, вход которого соединен с выходом соответствующего порогового элемента, причем входы сброса триггеров первой группы объединены с входом второго элемента задержки, управляющими входами первого и третьего ключей третьей группы, информационным входам шестого ключа третьей группы и входом сброса М-го триггера и подсоединены к выходу генератора импульсов, выход второго элемента задержки соединен с объединенными управляющими входами ключей первой группы и входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с объединенными управляющим входом второго ключа третьей группы и входом четвертого элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа третьей группы, выход которого соединен с информационным входом пятого ключа третьей группы, причем выход М-1 триггеров первой группы соединены с соответствующими входами первого и второго комбинационных блоков, Т-выходов первого комбинационного блока соединены с соответствующими входами (Т+ 1)-входового сумматора, (Т+1)-й вход которого соединен с выходом М-го триггера, Р-выходов второго комбинационного блока соединены с соответствующими входами Р-входового сумма- тора,-при этом выход каждого (Т+1}-входового и Р-входового сумматоров соединен с входом соответствующего масштабного усилителя, выход которого соединен с входом

соответствующего блока логарифмирования, выходы которых подсоединены соответственно к входам вычитаемого и вычитателя первого блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом четвертого ключа третьей группы, причем выход пятого ключа третьей группы соединен с входом первого амплитудного селектора, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого соединен с объединенными управляющим входом шестого ключа третьей группы и входом инвертора, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа третьей группы, при этом выход шестого ключа

третьей группы соединен с управляющим входом седьмого ключа третьей группы, выход которого является выходом вариации показателя наклона спектра, информационный вход которого соединен с выходом блока деления, вход делителя которого соединен с выходом третьего ключа третьей группы и является импульсным выходом показателя наклона спектра, вход делимого блока деления соединен с выходом второго

блока вычитания, вычитаемый вход которого объединен с выходом третьего ключа третьей группы, а вычитающий вход соединен с выходом седьмого элемента задержки, при этом выход первого ключа третьей

группы соединен с входом пятого элемента задержки, выход которого соединен с вычитаемым входом третьего блока вычитания, вычитающий вход которого соединен с выходом шестого элемента задержки, вход которого соединен с выходом второго ключа третьей группы, выход третьего блока вычитания соединен с входом второго амплитудного селектора, выход которого соединен с входом М-го триггера.

ж

3 V

/г

л м н о

/7

р

Фиг.1