Цифровой рециркуляционный анализатор спектра в реальном масштабе времени Советский патент 1976 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к разновидности устройств ;пектрального анализа быстропротекающих процессов, представленных дискретными выборками, в реальном времени.

Известны цифровые анализаторы спектра в реаль- 5 ном масштабе времени, выполненные по принципу цифрового рециркуляционного устройства с компенсацией фазового сдвига выборок входного сигнала и их синфазным накоплением в двух связанных между собой квадратурных каналах накопления - канале ю получения выборок вещественной части и канале получения выборок мнимой части спектра входного сигнала.

Однако частотный диапазон и разрешающая способность такого анализатора спектра ограничены бы- 15 стродействием цифровых злементов, составляющих каналы накопления выборок входного сигнала.

Для распшрепия диапазона анализируемых частот и увеличения разрешающей способности предлагае- 20 мый анализатор снабжен дополнительными квадратурными каналами попуче шя выборок вещественной и мнимой частей спектра входного сигнала, ключами, соединенными с их выходами, и коммутатором, подключенным к управляющим входам ключей, выходы 25

которых связаны с входами устройств возведения в квадрат.

Описываемый анализатор представлен на чертеже,

1де

1 - полосовой фильтр или фильтр нижних частот с шириной полосы пропускания - (ги.)

2,3 аналого-цифровь1е преобразователи с запоминанием амплитуды выборок в двоичном коде на время Т;

- полосовой 4азовращатель на в полосе

4 5 6 частот - Сгц) ;

- устройство автоматической регулировки усиления и фазового сдвига на 90°;

- входной сумматор вещественного канала первой пары квадратурных каналов;

7

- входной сумматор мнимого канала первой пары квадратурных каналов;

8 и 9 - оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) соответственно вещественного и мнимого каналов первой пары;

и 11 -устройства умножения выборок соответственно вещественного и мнимого каналов первой пары на выборки sin 9 где в ) соответствуют значениям 9 для первой пары, т. е. в диапазоне 049,1|0. 12 и 13- устройства умножения выборок соответственно вещественного и мнимого каналов первой пары на выборки COS 8} 14- вычитающее устройство вещественного канала первой пары; 15- суммирующее устройство мнимого капала первой пары; 16и 17- выходные сумматоры соответственно вещественного и мнимого каналов п -ой пары квадратурных каналов; 18 и 19- ОЗУ соответственно вещественного и мни мого каналов п -ой пары; 20 и 21- устройства умножения выборок соответственно вещественного и мнимого каналов п - ой пары; на выборки sLn где 8п соответствуют значениям 8 для п - ой пары; т. е. в диапазоне 360° - 6 8п 360°, 22 и 23- устройства умножения выйорок соответственно вещественного и мнимого каналов п - ой пары на выборки sin 8 -вычитающее устройство вещественного канала п - ой пары; -суммирующее устройство мнимого канала п-ойпары; - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) выборок sin 9для всех пар квадратурных каналов (О 58 360°); 27 - ПЗУ выборок Cos йдля всех пар квадратурных каналов; 28,29,30,31 - ключи, стоящие на выходе вещественных каналов первой, второй,, к-ой, п-ой пар квадратурных каналов; 32,33,34,35 - ключи, стоящие на выходе мнимых каналов первой, второй,, к-ой,п-ой пар квадратурных каналов; - коммутатор, по очереди после м-ой цирк ляции попарно открывающий ключи 28 и 32 стоящие на выходе соответственно веществе ного и мнимого каналов первой пары, ключ 29 и 33 - на выходе второй пары, ключи 30 34 - на выхода к-ой пары, ключи 31 и 35 на выходе последней п-ой пары на время, нео ходимое для считывания N выборок огибаю щей спектра в соответствующем диапазоне 0 каждой пары; 37 и 38 - устройство возведения в квадрат выбор огибающей соответственно вещественной и мнимой частей спектра; 39- сумматор квадрата выборок огибающей в щественной и мнимой частей спектра; 40- цифро-аналоговый преобразователь, к вы ходу которого подключается сглаживающий фильтр; -видеоиндикатор на злектроннолз евой трубке, развертка которого запускается в момент времени t МТ от начала очередного цикла анализа, а длительность ее должна быть не менее времени, требуемого на считывание, возведение в квадрат, суммирование, извлечение квадратного корня и преобразование цифрааналог N выборок огибающей спектра амплитуд (спектра мощности) по всем п парам квадратурных каналов, т.е. общего числа выборок, равного nN; -любого типа устройство записи для регистрации спектра амплитуд (спектра мощности); устройство извлечения квадратного корня из суммы квадратов выборок вещественной и мнимой щстей спектра, т.е. устройство получения выборок модуля спектра (огибающей спектра амплитуд). Рассмотрим принцип действия цифрового анализатора спектра. Пусть на вход фильтра 1 подано гармоническое колебание с частотой О начальной фазой Ч и амплитудой А, т. е. Vi А COS (cOj -fcH- f) Это колебание после фильтра 1 непосредственно одается на вход АЦП 2, т. е. Acos ( f) и через фазовращатель 4 - на вход АЦП 3, т. е. 6х V А sin С Wx t - f) Устройство автоматической регулировки усилеия и фазового сдвига 5 предназначено для поддержания равенства амплитуд сигналов на входах АЦП и J и сдвига их фаз точно на 90°. Из сигналов V и V- с помощью АЦП 2 и 3 ерутся выборки с периодом Т , амплитуда котоых преобразуется в двоичный код и запоминается а весь период Т . С выхода АЦП 2 и 3 выборки сигналов V и Vb в двоичном коде N раз в течение каждого периода длительностью Т параллельно подаются соответственно на входные сумматоры вещественных каналов и входные сумматоры мнимых каналов каждой из п пар квадратурных каналов. Так как по структурной схеме построение всех П пар квадратур ных каналов полностью идентично, то остановимся более детально на принципе действия одной из пар, а именно первой пары квадратурных каналов, С выхода входного сумматора 6 выборка (Vj) ( tA COS f в течение первой циркуляции, т. е. при t О Т последовательно N раз подается на вход оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8 вещественного канала первой пары. Одновременно с выхода входного сумматора 7 выборка (V); А SLnfNpaa подается на вход ОЗУ 9 мнимого канала первой пары. ОЗУ 8 и 9 предназначены для запоминания N чисел постзшающих с сумматоров 6 и 7, на время Т . Так как ь течение первой циркуляции на входные сумматоры 6 и 7 поступают только числа (V ) и (V-j)/) , то через время i Т от начала анализа во все N ячеек ОЗУ 8 и 9 происходит последовательная запись одних и тех же чисел, соответствующих выборкам (V) и (V) . В течение второй циркуляции происходит последо вательное считывание чисел (у); и (Vj)) из ячеек ОЗУ 8 и 9, и они поступают на вход арифметического устройства, производящего операцию перемножения комплексных чисел. При считывании записанное в соответствующей ячейке число стирается без восстановления. Арифметическое устройство включает в свой состав четыре устройства умножения: 10, 12 - в канале получения вещественной части спектра и 11, 13 - в канале получения мнимой части спектра, вычитающее устройство 14 в канале получения вещественной част спектра и суммирующее устройство 15 в канале полу чения мнимой части спектра. Считываемые из ячеек ОЗУ 8 числа подаются на один из входов устройств умножения 10, 12, а. КЗ ячеек ОЗУ 9 числа подаются на один из аналогичных входов устройств умножения 11, 13. На другие входы устройств умножения 10 и 11 по мере поступления чисел с выхода ОЗУ 8 и 9 последовательно поступает N чисел с выхода постоя ного запоминающего устройства (ПЗУ) 26, соответствующихвыборкам Sin 8 ( О 8 j ) г з на другие входы устройств умножения 12 и 13 поступает N чисел с выхода постоянного запоминаю щего устройства (ПЗУ) 27, соответствующих выборкам COS 8i. N чисел, полученных в результате перемножения, с выхода устройств умножения 12 и 13 поступает соответственно на вычитающее устройст во 14 и суммирующее устройство 15. Одновременно на те же устройства 14 и 15 поступает Ы чисел со ответственно с выхода устройств умножения 11 (вычитаемые числа) и 10 (слагаемые числа). С выхода устройства вычитания 14 N чисел, представляющих собой выборки вещественной части результата перемножения комплексных чисел в арифметическом устройстве, поступает на сумматор 6, а с выхода суммирующего устройства 15 N чисел, представляющих собой выборки мнимой части результата перемножения комплексных чисел в арифметическом устройстве, поступает на сумматор 7. В ячейках ПЗУ 26 записано М чисел для каждой К - ой пары квадратурных каналов, соответствующих выборкам sinQ, где измеCK-l- -) няется от( к-1) К 1, 2, 3,... П , с шагом Дб - , а в ячейках ПЗУ 27 - соответственно N чисел, соответствующих выборкам COS 8ц . Так для первой пары квад 9 Ы - f ратурныхканалов К- 1,то О BI Таким образом, для каждой пары квадратурных ка- равнаД9-Н - налов ширина диапазона по в Последовательное считывание всех г- значении sin 8 и COS 8 производится одновременно в течение каясдого интервала длительностью Т , начиная СО значения 9 (K-i) --и кончая знаК «I (K-i чением 8, км П После окончания М -ои циркулящ1и в ячейки ОЗУ 8 и ОЗУ 9 будет яписано N чисел, соответ. 2.Tt Ы - / ствующих N значениям В 9 - в диапазоне его изменения для первой пары квадратурных каналов накопления. Одновременно аналогичные N пар чисел будут записаны в оперативные запоминающие устройства следующей пары квадратурных каналов, но уже соответствующие значениям (i -j5- ).т. е. в диапазоне изменения © для второй пары квадратурных каналов, и. т. д. С окончанием М-ой циркуляции процесс накопления во всех парах квадратурных, каналов прекращается и происходит последовательное считывание N пар чисел сначала с ОЗУ 6 и 7 первой пары квадратурных каналов, затем N пар чисел с ОЗУ второй пары и т. д. Процесс считывания заканчивается после считывания N пар чисел с ОЗУ 18 и 19 последней 0-ой пары квадратурных каналов. Каждая считываемая пара чисел с ОЗУ соответствуюцдего квадратурного канала подается на свою пару ключей, которые открыты только на время ситывания N пар чисел данной пары квадратурных каналов. В начале процесса считывания открываются ключи 28 и 32, подключенные соответственно к ОЗУ 6 и ОЗУ 7 первой пары квадратурных каналов, после окончания считывания N часел с ОЗУ 6 и 7 ключи 28 и 32 закрываются, а открываются ключи 29 и 33, подключенные к ОЗУ второй пары квадратурных каналов и т. д. , затем открываются ключи 30 и 34, подключенные к ОЗУ К -ой пары квадратурных каналов, и в конце процесса считывания - ключи 31 и 35, подключенные соответственно к ОЗУ 18 и ОЗУ 19 последней п -ой пары квадратурных каналов. Таким образом, каждая пара ключей открывается поочередно на время, требуемое для считывания N пар чисел с ОЗУ соответствующей пары квадратурных каналов. Такое управление ключами осуществляется при помощи коммутатора 36. С выхода открытых ключей считанная пара чисел с ОЗУ соответствующей пары квадратурных каналов подается на схемы возведения в квадрат 37 и 38 и после осуществления операции возведения в квадрат складывается в суммирующем устройстве 39. С выхода сумматора 39 результат сложения подается либо сразу на цифро-аналоговый преобразователь 40 и далее на видеоиндикатор 41 или устройство записи 42, либо вначале на устройство извлечения квадратного корня 43, а затем - на ЦАП 40, видеоиндикатор 41 или устройство записи 42. Устройства возведения в квадрат 37 и 38 одинаковы по схемному построению и представляют собой устройства умножения, на оба входа которых подаются одни и те же числа. Цифровой рециркуляционный анализатор спектра позволяет осуществить преобразование частота-время. На интервале време ш МТ- (.Тдц где Т(ц суммарное время, требуемое на считывание, возведение в квадрат, суммирование, извлечение квадратного корня и преобразование цифра-аналог одной пары чисел, поступающих с ОЗУ одной из пар квадратурных каналов, получается ряд пиковых чисел, временное положение которых прямо пропорционально частотам Со гармонических составляющих исследуемого сигнала на выходе фильтра 1, а величина зтих чисел прямо пропорциональна квадратам амплитуд или алшлитудам соответствующих гармоник. Максимальное значение частоты, определяющее верхнюю границу однозначного диапазона анализируемых частот входного сигнала определяется из равенства ,. 23t - Х,ИАКС , .nNT,,, т.е. Шх,,,. 5 . Запустив развертку видеоин.цикаторного устройства 41 в момент времени t - МТ от начала анализа и выбрав длительность развертки равной пНТсч ) на экране электронно-лучевой трубки индикатора 41 можно просмотреть ряд пиков, огибающая которых изменяется либо по закону, близкому к функ.JClXXVyil у J JJlXi.. ./SlnJL/ 7 ,либо ции вида X мС6-а)Л) ,. j i. Временное положение максимумов пиков на развертке индикатора 41 определяется частотами соответствующих гармонических составляющих исследу емого сигнала, а их величина прямо пропорциональна либо квадратам амплитуд, либо амплитудам тех же гармоник. Преобразование огибающей чисел в аналоговую форму осуществляется преобразователем цифра-аналог 40 со сглаживающим фильтром на выходе. Согласно теореме Котельникова для безыскаженного восстановления исходного сигнала необходимо частоту повторения выборок этого сигнала выбирать не менее чем в 2 раза выше граничной частоты ампли тудно-частотного спектра, т. е. в нащем случае равно . Тогда на интервале времени uNT. . 1О1да на им1смвалс висмсми ш „ число выборок nN должно быть не менее nN 2 Так как число циркуляции М определяет разрешающую способность, а - (Гц) - ширину однозна ного диапазона анализируемых частот анализатора спектра рециркуляционного типа, то, выбрав Т , а затем величину М можно, варьируя число пар квадратурных каналов п , определить требуемое, исходя из быстродействия элементов, число N вы борок по 0 , приходящихся на каждую пару квадра турных каналов. При заданном быстродействии элементов максимальная ширина однозначного диапазона получается при N - 1. Однако при этом имеет место и максимальное требуемое число параллельных пар квадратурных каналов п- 2М. Следует отметить, что при N 1 можно из структурной схемы каждой пары квадратурных каналов полностью исключить ОЗУ, так как их роль могут при этом выполнять сумматоры, стоящие на входе каждой пары (например, 6 и 7 на в;;оде первой пары). Кроме того, при любом Кип дальнейшее упрощение структурной схемы каждой пары квадратурных каналов можно осуществить путем поочередного использования только одного из квадратурных каналов для получения выборок вещественной и мнимой частоты спектра с запоминанием промежуточных результатов перемножения при осуществлении операции умножения комплексных чисел. Постоянные запоминающие устройства 26 и 27 можно заменить одним ПЗУ, например, только выборок sin 9 для значений 0 в диапазоне от О до , так как любые значения выборок slnQ и COS 8 для 8 в диапазоне О - могут быть получены из выборок только sin В при Q в диапазоне 0-путем соответствующего считывания и инвертирова- ния знака, как показано на чертеже. Всего двух аналого-цифровых преобразователей 2 и 3 можно использовать только один, поочередно подключая его в начале каждого периода циркуляции т к выходу фильтра 1 и фазовращателя 4 и запоминая выборки сигнала на весь период т. Очевидно, что при этом вредное влияние сдвига выборок за счет конечного времени преобразования АЦП будет тем меньше, чем больше Т по сравнению с временем преобразования А)ДП. Формула изобретения Цифровой рециркуляционный анализатор спектра в реальном масштабе времени, содержащий аналоговый полосовой фильтр, полосовой фазовращатель на , два аналого-цифровых преобразователя, квадратурные каналы получения выборок вещественной и мнимой частей спектра входного сигнала, постоянные запоминающие устройства для выборок синуса сдвига фазы и косинуса сдвига фазы от О до 360, два устройства возведения в квадрат, cy iмaтop, устройство извлечения квадратного корня, цифро-аналоговый преобразователь со сглаживающим фильтром и индикатор спектра амплитуд кли мгновенного спектра мощности, отличающийся тем, что, с целью распшрения диапазона анализируемых частот и увеличения разрешающей способности, он снабжен дополнительными квадратурными каналами получения выборок вещественной и мнимой частей спектра входного сигнала, ключами, соединенными с их выходами,и коммутатором, подключенным к управляющим входам ключей, выходь которых связаны с входами устройств возведения в квадрат.