Устройство для следящего спектрального анализа Советский патент 1982 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к средствам измерительной техники и может быть использовано для одновременного определения мощности и фазы гар МОНИК с медленной частотой модуляции с целью текущего спектрального анализа детерминированных и случайных сигналов. -. Известно устройство следящего спе трального анализа, содержащее в кана ле управления полосовой фильтр, блок автоподстройки частоты и управляемый генератор частот, а в канале измерения - перемножитель, узкополосный фильтр, усилитель промежуточной частоты, детектор и индикатор 1. Однако,в данном устройстве нельзя найти фазу анализируемого сигнала, требуется перестройка узкополосного фильтра и усилителя промежуточной частоты при изменении несущей частоты, невозможно определять мощность гармоник, кратных отслеживаемой, затруднительно изменение частотного разрешения и интервала времени, на котором производится анализ мощности -и фазы, кроме того, отсутст вие в устройстве управления слежения за частотой со стороны сокращает возможности применения этого устройства. Известно также устройство для спектрального анализа, содержащее управляемый генератор, два накопителя, два квадратора, сумматор, блок усреднения и индикатор 2. Недостаток известного устройства состоит в том, что с его помощью невозможно определять фазу соответствующих частотных составляющих. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности анализа фазы гармонической составляющей и кратных ей частот при ее внутреннем и внешнем сопровождении, а также упрощение перестройки устройства при изменений разрешения и временного интервала анализа. Указанная цель достигается тем, что в устройство для следящего спектрального анализа, содержащее управляемый генератор частоты, выход которого подключен к управляющему входу индикатора, два накопителя, выходы которых подключены к входам соответствующих квадраторов, выходы которых соединены с соответствующими входами cyw.aiopa, выход которого подключен к первому информационному входу индикатора, введены блок деления, блок воспроизведения арктангенса, два дискретизатора, блок задержки-, полосовой фильтр, блок автоподст ройки частоты и два переключателя, выход первого переключателя соединен с информационными входами дискретизаторов, выходы которых подключены к входам соответствующих накопи телей, выход второго переключателя соединен с входом управляемого генератора частоты, выход которого подключен к управляющему входу первого дискретизатора и к входу блока задержки, выход которого соединен с управляющим входом второго дискре тизатора, первый вход первого переключателя объединен с входом полосо вого фильтра и является первым входом устройства, выход полосового ,фил тра и является первым входом устрой ства, выход полосового фильtpa соединен с вторым входом первого переключателя и с входом блока автоподстройки частоты,, выход которого под ключен к первому входу второго пере ключателя, второй вход которого является вторым входом устройства, входы блока деления подключены соот ветственно квыходам первого и второго накопителей, выход блока деления через блок воспроизведения арк.тангеса соединен с вторым информаци онным входом индикатора. На чертеже изображена структурна схема предлагаемого устройства. Устройство содержит полосовой фильтр 1, блок 2 автоподстройки час ты, дискретизаторы 3 и-4, блок 5 за держки на четверть периода выборки, управляемый генератор б частот, накопители 7 и 8, квадра.торы 9 и 10, блок 11 деления, сумматор 12, блок 13 воспроизведения арктангенса, индикатор 14 и два переключателя 15 и 16 на два положения и одно направле ние каждый, при этом вход полосового фильтра 1 является входом анализатора, выход полосового фильтра 1 подключен ко.входу блока 2 автоподстройки частоты и к выходу 17 переключателя 15, второй вход 18 переключателя 15 подключен к вхо;ду поло сового фильтра 1, а выход подключен к объединенным информационным входам дискретизаторов 3 и 4, выход блока 2 автоподстройки частоты подключен ко входу 19 переключателя 16 второй вход 20 которого является входом внаинего сигнала управления частотой, выход переключателя 16 подключен Ко входу управляемого генератора б частот, выход которого соединен с управляющим входом дискретизатора 3 и СО входом блока 5 задержки, выход которого подключен к управляющему входу дискретизатоа 4; выход дискретизатора 3 подключек ко входу накопителя 7, а выход дискретизатора 4 - ко входу накопителя 8, выход накопителя 7 подключен ко входу квадратора 9 и ко входу делителя блока 11 деления, а выход накопителя 8 - ко входу квадатора 10 и ко входу делимого блока Г1 деления,-выходы квадраторов 9 и 10 подключены ко входам сумматора 12, вход которого подключен к одноу информационному входу индикатора 14, выход блока 11 деления подключен ко входу блока 13 воспроизведения арктангенса, подключенноговыодом ко второму информационному входу индикатора 14, синхронизирующий вход которого соединен с выходом управляемого генератора б частот, выход индикатора является выходом устройства. Устройство работает следующим образом. . Для одновременного.определения ощности и фазы сигнала анализируемой частоты в основу работы предлагаемого 5 стройства положены формулы S(i)Re(,( i(uJ) ArctgRe(u))3x(iut) Im(jo) S xdutfi-) где x(t) - сигнал, поступающий на вход дискретизатора; - шаг дискретизации сигнгша по времени; - отслеживаемая частота; - количество усредняемых отсчетов сигнала, определяемое разрешением по частоте и статистическими погрешностями оценок спектра случайных сигналов. Обоснование возможности получения величины S (м) и (ы) по формулам (1) и (2) дано в приложении. При этом если анализ осуществляется .только для. одной частоты UJ, то сигнал x(t) не должен содержать кратных гармоник. Опирация отфильтрования кратных гармоник осуществляется полосовым фильтром. Если же необходимо найти мощность гармоник кратных данной частоте to, то предварительная фильтрация входного сигнала не производится. Исследуемый сигнал x(t). подается на вход полосового фильтра 1, если переключатель 15 подключен на вход 17, или же на объединенные информационные входы дискретизаторов 3 и 4, если переключатель 15 включен на вход 18, а анализу подвергается суммарный сигнал нескольких гармоник. Если переключатель 15 включен на вход 18, то x(t) UBx(t), где и вх (t) - входной сигнал устройства. Если переключатель 15 включен на вход П, то x(t) s(t), где у (t) вьаходной сигнал полосового фильтра, не содержащий кратных гармоник. С выхода полосового фильтра 1 наделенный из спектра сигнал x(t) поступает одновременно на объединенные информационные входы дискретизаторов 3 и 4 и вход блока 2 автоматической ПОДСТРОЙКИ частоты, блок автоподстройки частоты вырабатывает сигнал, управляющий значением частоты и;, т.е. сигнал управления слежением за ансшизируемой частотой ио . Если значение частоты UJ устанавливается в управляющем генераторе частот, воз1МЭЖНЫ два режима работ. 1.Автосложение за частотой. В этом случае переключатель 16 включен на вход 19, и на вход управляемого -генератора б частот поступает сигнал с выхода блока 2 автоподстройки частоты. 2.Внешнее сопровождение. В этом случае переключатель 16 включен на вход 20 и на вход управляемого генератора 6 частот поступает сигнал внешнего управления частотой. По получению сигнала слежения за частотой управляемый генератор 6 ча тот вырабатывает соответствующее значение частоты ш, увеличивая или уменьшая текущее значение частоты последовательности импульсов на его выходе. Эта частота равна частоте дискретизации и частоте анализа ш /at. С выхода управляемого генератора 6 частот сигнал одновременно поступает на управляющий вход дискретиза тора 3 и на бпок 5 задержки на четверть периода выборки, откуда сигнал поступает на управляющий вход дискр тизатора 4. В результате этого на вы ходе дискретизаторов 3 и 4 пдлучгиот ся отсчеты x(iAt) и х () Эти отсчеты поступают на входы нако пителей 7 и 8, с выхода которых сни маются суммарные значения сигналов Sx(iAt) и Б x(iut+.i-), в результат чего формируется действительная и мнимая составляющие спектра сигнал которые одновременно поступают с вы хода накопителя 7 на вход квадратора 9 и на вход делителя блока I; де ления, с выхода накопителя 8 - на вход квадратора 10 и На вход делимо го блока 11 деления. После квадратичного детектирования с выходов квадраторов 9 и 10 си налы, пропорциональные средней мощности действительной и мнимой часте исследуемого, поступают на входы сумматора 12. С выхода cy Iмaтopa 12 величина, пропорциональная мощности сигнала (1), поступает на один из информационных входов индикатора 14, где и отображается. С выхода блока 11 деления величина/(и))1т(ш) / Re(u)) (5) поступает на вход блока 13 воспроизведения арктангенса 13, после чего выполняется вычисление величины Arctg fuj), , (6) /которая пропорциональна фазе исследуемого сигнала. Эта величина поступает для отображения на второй информационный вход индикатора 14. Тем самым реализуются формулы (1) и (2). JHa управляемый вход индикатора 14 поступает сигнал с управляемого генератора 6 частот, что позволяет определить сдвиг по фазе сигнала, снятого с выходасумматора 12. В предлагаемом устройстве для изменения интервала анализа Т ЫдЪ, определяющего спектральное разрешение, необходимо, сохраняя ut, т.е. ту же частоту анализа, изменять N. Это значительно проще, чем менять параметры интегратора и ширину полосы пропускания узкополосного фильтра известного устройства. Реализация всех введенных элементов хорошо известна в вычислительной технике и не вызывает затруднений. Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет расширить возможности спектрального анализа за счет одновременного измерения и отображения мощности и фазы анализируемого сигнала; исследовать характеристики кратных исследуемой частоте гармоник, что обеспечивается алгоритмом вычисления действительной и мнимой составляющих спектра; изменять частотное разрешение и интервал времени, на котором осуществляется спектральный анализ, изменением N, т.е. без дополнительной подстройки устройства индикации (интегратора) и узкополосного фильтра, что позволяет упростить перестройку устройства в целом; за счет переключения осуществлять внутреннее и внешнее сопровождение исследуемой частоты. Улучшение возможностей спектрального анализа позволяет расширить область существующих устройств для следящего спектрального ангшиза, повысить его качество и качество решаемых с помощью спектрального ангшиза научных и производственных, исследовательских и практических задач. Формула изобретения Устройство для следящего спектрального анализа, содержащее управляемый

генератор частоты, выход которого подключен к управляющему входу индикатора, два накопителя, выходы которых подключены к входам соответствующих квадратор9В, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к первому информационному вхоДу индикатора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет оцен ки фазы гармонической составляющей при внутреннем и внешнем сопровождении, в устройство введены блок де;Ления, блок воспроизведения арктангенса, два дискретизатора, блок задержки, полосовой фильтр, блок, автоподстройки частоты и два переключателя, выход первого переключателя соединен с информационными входами дискретизатЪров, выходы которых подключены к входам соответртвующих накопителей, выходвторого переключателя соединен с входом управляемого генератора частоты, выход которого подключен к управляющему входу первого дискретизатора и к входу

блока задержки, выход которого сое- динен с управляющим входом второго дискретизатора, первый вход первого переключателя объединен с входом полосового фильтра и является первым входом устройства, выход полосового фильтра соединен с вторым входом первого переключателя и с входом блока автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу второго переключателя, второй вход которого является вторым входом устройства, входы блока деления подключены соответственно к выходам первого и второго накопителя, выход блока деления через блок воспроизведния арктангенса.соединен с вторым информационным входом индикатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент СИЛ № 3400578, 73-116, опублик. 1968.

2.Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., Энергия, 1972, с. 261 (прототип).