ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРЕВЫШЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛАНАД ШУМОМ Советский патент 1971 года по МПК G06G7/52 

Изобретение относится к устройствам преобразования и измерения характеристик электрических сигналов в присутствии шумов и может быть использовано в измерительных установках, в системах автоматического регулирования, в устройствах автоматики.

В измерителях превышения величина выходного напряжения дает оценку отношения сигнал/шум входного напряжения и не зависит от абсолютных значений сигнала или шума.

Известные измерители превышения сложны и работают или на основе автокорреляционной функции сигнала, или на основе разделения сигнала и шума по спектральному признаку.

Целью настояшего изобретения является упрощение измерителя превышения. Эта цель достигается выполнением измерителя превышения с использованием следящего порогового устройства, после которого включено усредняющее устройство.

Измеритель превышения работает на основе различия законов плотности вероятности огибающей шума и сигнала с шумом.

Для различных случаев применения в предложенный измеритель превышения могут быть дополнительно введены, инвертор импульсов, отделитель постоянной составляющей и восстановитель постоянной составляющей для получения выходного напряжения другой полярности; амплитудный детектор и фильтр низкой частоты для требований к следящему пороговому устройству но быстродействию прн высокой частоте сигнала; амплитудный детектор, фильтр низкой частоты и модулятор для снижения требований к следящему пороговому устройству по быстродейс гвию и получения выходного напряжения другой полярности.

Кроме того, усредняющее устройство может быть выполнено не только в виде аналогового сглаживающего, но и в виде измерителя средией частоты импульсов. На фиг. 1 показана упрощенная принципнальная схема измерителя превышения, содержащая / С-фильтр низких частот в качестве усредняющего устройства, с выходов которого можно получить как отрицательное, так н положительное напряжение; на фиг. 2 - схема

выпрямителя среднего значения напряжения, которая может быть использована в качество отделителя постоянной составляющей, восстановителя постоянной составляющей и усредняющего устройства; на фиг. 3 - блок-схема

измерителя превышения, в котором для сннжения требований к следящему пороговому устройству по быстродействию, перед следящим пороговым устройством включены амплитудный детектор и фильтр низких частот; на

в котором для получения выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности при низких требованиях к следящему пороговому устройству по быстродействию, перед следящим пороговым устройством включены амплитудный детектор, фильтр низких частот и модулятор; на фиг. 5 приведены плотности вероятности огибающей для шума и для сигнала с шумом (плотность вероятно-, сти Раиса), и обозначены площади, которым пропорционален выходной сигнал измерителя превышения; на фиг. 6, показано прохождение шума через измеритель превышения, а на фиг. 7 - прохождение синусоидального сигнала через него; на фиг. 8 приведены осциллограммы, поясняющие преобразование шума (его огибающей) при подаче его на измеритель превышения по блок-схеме фиг. 3.

Измеритель превышения содержит следящее пороговое устройство I (см. фиг. 1) и и усредняющее устройство 2. Следящее пороговое устройство в данном случае выполнено на транзисторе 3, нелинейном элементе 4 с односторонней проводимостью, в качестве .которого применен транзистор, конденсаторе 5, делителе из двух резисторов б и 7 и пороговом устройстве на транзисторе 8. Переход база - эмиттер транзистора 8 зашунтирован резистором 9. Выходное .напрял.ение снимается с резистора 10, включенного в коллекторный вывод транзистора 8.

Усредняющее устройство 2 выполнено в виде фильтра низких частот, образованного резистором 11 н конденсатором 12. Возможно применени.е и других вариантов усредняющрьх устройств.

Входное напряжение на измеритель превышения поступает от истчоника 13. Отрицательное выходное напряжение Vi получают на резисторе 14. Для получения одновременно выходного напряжения противоположной полярности -(положительного напряжения для схемына фиг. 1) дополн-ительно имеется устройство 15. Оно содержит инвертор на транзисторе 16, переход база - эмиттер которого зашунтирован резистором 17, а выходной сигнал инвертора снимается с резистора 18 и подается через отделитель постоянной составляющей (конденсатор 19) на восстановитель постоянной составляющей (диод 20), а затем на усредняющее устройство в виде фильтра низких частот на резисторе 21 и конденсаторе 22. Выходное положительное напряжение снимается с резистора 23.

Отделитель постоянной составляющей, восстановитель постоянной составляющей и усредняющее устройство могут быть выполнены также в виде выпрямителя среднего значения напряжения (см. фиг. 2), который содерлсит конденсаторы 24 и 25, диоды 26 и 27 и резисторы 28 и 29. На резисторе 29 получают выходное напряжение измерителя превышения.

родействию между источником 13 сигнала (см. фиг. 3) и следящим пороговым устройством 1 включают, дополнительно амплитудный детектор 30 и .фильтр 31 низких частот.

Если требуется получение на выходе измерителя превышения напряжений обеих полярностей при высокой несущей частоте сигнала, то он содержит следящее пороговое устройство 1

(см. фиг. 4), перед которым включен модулятор 32. Напряжение на него поступает от источника 13 сигнала через амплитудный детектор 30 и фильтр 31 низких частот, а после следящего порогового устройства 1 включают усредняющее устройство 2 и устройство 15, содержащее инвертор импульсов, отделитель постоянной составляющей, восстановитель постоянной составляющей и усредняющее устройство. Работа измерителя превышения основана на

различии плотности вероятности огибающей для шума и для сигнала.

На фиг. 5 приведена плотность вероятности а огибающей шума и плотности вероятности б и а огибающей синусоидального сигнала

с шумом при соотношении сигнал/шум, равном

и 5. Конденсатор 5 следящего порогового

устройства 1 осуществляет запоминание величины огибающей. За счет разряда конденсатора 5 через резисторы 6 и 7 средний уровень

напряжения на конденсаторе будет несколько ниже, чем максимальное значение огибающей, но близко к нему. Будем считать, что этот уровень соответствует пересечению линии 33 (на фиг. 5) с кривыми а, б н в (при этом зачерпенные площади под кривыми примерно равны) . Тогда напряжение на конденсаторе 5 от шума будет U,,,, а от сигнала с шумом Llciai s и и . Следящее пороговое устройство будет пронускать на усредняющее нормированное по амплитуде напряжение только в том случае, если входной сигнал превышает запирающее напряжение на резисторе 7, которое определяется напряжением на конденсаторе5 и отношением сопротивлений резисторов 6 и

7. Допустим, что напряжение на выходе следящего порогового устройства появляется, если входное напряжение больше или равно /3 от напряжения на конденсаторе 5. Это будет соответствовать уровню 34 напряжения на

входе устройства для шума (см. фиг. 5), уровню 35 - для сигнал/шум, равном трем; уровню 36 - для сигнал/шум, равном пяти.

Напряжение на выходе измерителя превышения будет пропорционально заштрихованным площадям. Как следует из фиг. 5, напряжение на выходе измерителя превышения будет увеличиваться с ростом отношения сигнал/шум и не будет зависеть от абсолютного значения сигнала на входе устройства (на

усредняющее устройство 2 со следящего порогового устройства I подаются нормированные по амплитуде .импульсы).

соотношения сигнал/шум примерно равного 1,5. Длина линейного участка зависит от относительного уровня следящего порогового устройства.

Работу устройства можно также пояснить осциллограммами (см. фиг. 6, 7, 8). При поступлении на вход измерителя превьпиения шума 37 (см. фиг. 6) на конденсаторе 5 установится напряжение 38, равное fAn, на следящем пороговом устройстве уровень 39, который взят величиной в /з от максимального з 1аченпя огибающей. На выходе следящего порогового устройства / будут существовать импульсы 40, постоянная составляющаякоторых появится на выходе усредняющего устройства в виде отрицательного напряжения 41. Для получения одновременно и положительного напряжения нмпульс со следящего порогового устройства / поступают на инвертор имнульсов на транзисторе 16. Вид осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора 16 будет 42. Эти импульсы поступают через конденсатор 19 (отделитель постоянной составляющей) на восстановитель постоянной составляющей--диод 20. На диоде 20 будут положительные имнульсы 43 с постоянной составляющей 44.

Преобразование синусоидального сигнала 45 в измерителе превышения показано на фиг. 7, где 46 - напряжение на выходе следящего порогового устройства, 47 - отрицательное напряжение на выходе измерителя превыщения, 48 - напряжение на коллекторе транзистора 16, 49 - напряжение на диоде 20 и 50 - положительное напрял ение на выходе измерителя нревыщения.

Как следует из фиг. 6 и 7, на вход следящего порогового устройства подается сигнал без демодуляции. Каскады, находящиеся до усредняющего устройства, должны быть снособны пропускать сигналы с высокой частотой. Чтобы снизить требование но быстродействию к элементам до усредняющего устройства, входной сигнал от источника 13 (см. фиг. 3) детектируется детектором 30 и из него удаляются в фильтре 31 высокочастотные составляющие. В этом случае на вход с.ледящего порогового устройства постунает от синусоиды постоянное напряжение, а от щума

нанряжение вида 51 (см. фиг. 8). Такое напряжение получается носле прохождения щума 36 (см. фиг. 5) через детектор 30 и фильтр 31 низких частот. На выходе следящего порогового устройства будет иапряжение 52, после усредиения которого получается отрицательное напряжение 53 на выходе измерителя превышения.

Еслн требуется нолучить и отрицательное

и положительное напряжение иа выходе измерителя превышения, то носле фильтра 31 (см. фиг. 4) можно включить модулятор 32. Осциллограммы напряжений в измерителе Г1ревьщ1ения в этом случае подобны осциллограммам, показанным на фиг. 6 и 7.

Как следует из фиг. 6 и 7 от шума и от сигпала на выходе следящего порогового устройства нолучается разное количество импульсов в единицу времени. Поэтому в качестве усредняющего устройства можно иснользовать из-: гepитeль средней частоты импульсов, например, аналоговый конденсаторный частотомер или цифровой счетчик. Вынолнение усредняющего устройства в виде : цифрового счетчика

позволяет легко получить произвольное время интегрирования. На выходе конденсаторного частотомера можно получить как положительное, так и отрицательное напряжение без использовапия ннвентора импульсов. Опытная

проверка из.мерителя превышения с усредняющим устройством в виде измерителя средней частоты импульсов показала, что его выходная характеристика также имеет участок, близкий к линейному, начиная с отнощения сигнал/щум, равного 1,5.

Предмет изобретения

Нзмеритель превышения полезного сигнала над шумом, содержащий пороговое устройство, усредпяющее устройство, детектор, связанный со сглаживающим фильтром, отличающийся тем, что, с целью его упрощения, в нем нороговое устройство выполнено следящим и связано выходом с усредняющим устройством, а но входу соединено со сглаживающим фильтром, подключенным через детектор к входной клемме измерителя.

I

2в27

г

-0(+)

5 Z5:b 29

VJ 1

(+)

ш

;

V, tL

Уг +

-

Фиг. 6

ПП/

J5

п u IT Jc

50

V,M

ue 7