Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение предназначено для аппаратурного анализа характеристик нестационарных случайных сигналов и может быть использовано при обработке шумовых сигналов в радиосистемах. Спектроанализатор содержит широкополосный усилитель 1, M каналов, каждый из которых состоит из подключенных к выходу усилителя последовательно соединенных фильтра 2, детектора 3, интегратора 4, M блоков 5 вычитания первой группы, M-входовый сумматор 6, M ключей 7, M блоков 8 вычитания второй группы, M пороговых элементов 9, KM + 1 одновходовых умножителей 10, K + 2 дополнительных M-входовых сумматоров 11, K двувходовых умножителей 12, (K + 1)-входовых сумматоров 13, генератор 14 пилообразного напряжения, K - 1 блоков 15, два формирователя 16, линию 17 задержки с M отводами, M триггеров 18, блок 19 деления, ключ 20, M ветвей, содержащих последовательно соединенные пороговый элемент 21, триггер 22, масштабный усилитель 23. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2014621
Класс(ы) патента: G01R23/16
Номер заявки: 4932945/21
Дата подачи заявки: 29.04.1991
Дата публикации: 15.06.1994
Заявитель(и): Северо-Западный заочный политехнический институт
Автор(ы): Бабкин А.Ф.; Соколов О.Л.; Шишигин Р.В.
Патентообладатель(и): Северо-Западный заочный политехнический институт
Описание изобретения: Изобретение предназначено для аппаратурного анализа характеристик нестационарных случайных сигналов и может быть использовано при обработке шумовых сигналов в радиосистемах.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет оценки коэффициента искажения уточненной формы энергетического спектра шумового сигнала.
Функциональная схема спектроанализатора представлена на фиг.1; на фиг.2 показаны примеры изменения спектральной плотности мощности шумового сигнала (сплошные линии); на фиг.3 - временные диаграммы работы спектроанализатора.
Спектроанализатор (фиг. 1) содержит широкополосный усилитель 1, М каналов, каждый из которых состоит из подключенных к выходу усилителя последовательно соединенных фильтра 2, детектора 3, интегратора 4, а также М блоков 5 вычитания первой группы, М-входовый сумматор 6, М ключей 7, М блоков 8 вычитания второй группы, М пороговых элементов 9. Спектроанализатор снабжен КМ+1 одновходовыми умножителями 10, К-2 дополнительными М-входовыми сумматорами 11, К двувходовыми умножителями 12, (К+1)-входовым сумматором 13, генератором 14 пилообразного напряжения, К-1 блоками 15 fр, двумя формирователями 16, линией 17 задержки с М отводами, М триггерами 18, блоком 19 деления, ключом 20, М ветвями, содержащими последовательно соединенные пороговый элемент 21, триггер 22, масштабный усилитель 23.
Выход интегратора 4 каждого канала подсоединен одновременно к соответствующему входу М-входового сумматора 6, входу соответствующего ключа 7 и вычитаемому входу соответствующего блока 5 вычитания первой группы. Вычитающие входы блоков 5 объединены с первым входом (К+1)-входового сумматора 13 и подсоединены к выходу одновходового умножителя 10-0, вход которого соединен с выходом М-входового сумматора 6. Выход j-го блока 5-j вычитания первой группы соединен с входами всех одновходовых умножителей 10- (i-1)+j. Выход одновходового умножителя 10- (i-1)+j) соединен с j-м входом дополнительного М-входового сумматора 11-i. Выход сумматора 11-i соединен с одним входом двувходового умножителя 12-i, второй вход которого соединен с выходом блока 15 fр, кроме умножителя 12-1, второй вход которого объединен с входами блоков 15 и входом первого формирователя 16-1 и соединен с выходом генератора 14 пилообразного напряжения. При этом выход каждого двувходового умножителя 12 соединен с соответствующим входом (К+1)+входового сумматора 13. Выход первого формирователя 16-1 соединен с входом линии 17 задержки с М отводами, каждый отвод которой подсоединен к управляющему входу соответствующего ключа 7, выход которого соединен с вычитаемым входом соответствующего блока 8 вычитания второй группы. Вычитающие входы блоков 8 вычитания второй группы объединены и подсоединены к выходу (К+1)-входового сумматора 13. Выход каждого блока 8 вычитания второй группы подсоединен к входу соответствующего порогового элемента 9, выход которого соединен с входом соответствующего триггера 18, выход которого соединен с соответствующим входом М-входового сумматора 11-(К+1). Выход сумматора 11-(К+1) соединен с входом делимого блока 19 деления, выход которого соединен с информационным входом ключа 20. Вход каждой ветви (порогового элемента 21-i) соединен с выходом М-входового сумматора 11-i, а выход каждой ветви (усилителя 23-i) соединен с соответствующим входом М-входового сумматора 11-(К+2), выход которого соединен с входом делителя блока 19 деления. Выход ключа 20 является выходом спектроанализатора, управляющий вход ключа 20 соединен с выходом второго формирователя 16-2, вход которого соединен с выходом М-го отвода линии 17 задержки. Входы сброса М триггеров 18 и триггеров 22 М ветвей объединены и подсоединены к выходу первого формирователя 16-1.
Спектроанализатор работает следующим образом.
Шумовой сигнал с выхода усилителя 1 поступает на входы полосовых фильтров 2 каналов. Сигналы с выходов фильтров 2 детектируются соответственно детекторами 3, а затем интегрируются соответственно в интеграторах 4.
Пусть изменением спектральной плотности мощности шумового сигнала в зависимости от частоты описывается полиномиальной функцией, многочленом К-й степени вида
S(f)= α+β1f+β2f2+ ...+βkfk, (1) где α,β12,...,βk - коэффициенты формы энергетического спектра шума.
Выражением (1) описывается изменение энергетического спектра широкого класса нестационарных шумовых сигналов. Оценки (f1), (f2),...,(fm) энергетического спектра шумового сигнала на средних частотах f1, f2,..., fм, фиксированных полосовыми фильтрами 2, получают на выходах интеграторов 4.
Оценку функции спектральной плотности мощности шумового сигнала можно представить в виде суммы, зависящей от частоты f неслучайной компоненты (1) и случайной составляющей Z(f), отражающей влияние флюктуаций на выходах интеграторов 4:
(f)=α+β1f+β2f2+ ...+βkfk +Z(f) (2)
Оценки спектральной плотности мощности на выходах интеграторов 4 (f1), (f2), . . . , (fm) изображены (фиг.2а, б) в виде точек, случайным образом расположенных относительно кривой А на фиксированных частотах f1, f2, ..., fм. Пунктиром Б показаны аппроксимации энергетических спектров в виде прямых линий. При этом (фиг.2а) показано ложное обнаружение квазигармонической составляющей в энергетическом спектре шума.
Ложное обнаружение происходит в канале на частоте, на которой имеется "горб" спектральной плотности мощности шума. Но при этом квазигармоническая составляющая отсутствует в спектре шума.
На фиг. 2 б показан пропуск квазигармонической составляющей, которая имеет частоту fj, попадающую в частотный диапазон энергетического спектра с "провалом" характеристики. В этом случае ΔSj<Δ>j, где Δj - пороговый уровень порогового элемента 9-j.
Для избежания ложных обнаружений и пропусков квазигармонических составляющих необходимо уточнить форму спектра, аппроксимируя ее в отличие от прототипа многочленом-полиномом К-й степени вида (1), при этом наиболее точно оценив коэффициенты α,β1,...,βk.
Оптимальное определение коэффициентов в выражении (2) сводится к задаче оценки коэффициентов параболической регрессии по методу наименьших квадратов.
Суммируя оценки (fj) в сумматоре 6, определяют среднее значение в умножителе 10-0 за частотный интервал f1, fм, которое дает оценку коэффициента α.
Величина коэффициента умножения в умножителе 10-0 определяется из соотношения
= (fj)= , (3) где 1/M - коэффициент умножения в умножителе 10-0.
На выходе каждого блока 5 вычитания производят центрирование каждой оценки (fj), т. е. определяют разность (fj)-. Центрированное значение каждой оценки (fj)- умножается на соответствующий коэффициент в умножителях 10-1, ..., 10-КМ.
Оценки параметров ,..., с выходов сумматоров 11 поступают на первые входы соответствующих двувходовых умножителей 12. На второй вход каждого умножителя 12 поступает напряжение, пропорциональное частоте fp. Так, на второй вход умножителя 12-1 поступает напряжение с выхода генератора 14 пилообразного напряжения, пропорциональное частоте f, на второй вход умножителя 12-2 поступает напряжение, пропорциональное значению f2 с выхода блока 15-1 и т. д. На второй вход умножителя 12-К поступает напряжение, пропорциональное значению fk с выхода блока 15-(К-1).
Период колебаний на выходе генератора 14 пилообразного напряжения определяется из условия Т < [τ]мин, где [τ]мин - наименьший интервал корреляции шумового сигнала на выходе интеграторов 4. Тем самым обеспечена практическая неизменность оцененных коэффициентов , ,..., за время Т - интервал моделирования полиномиальной функции (1), описывающей изменение спектральной плотности мощности шумового сигнала в зависимости от частоты f.
Масштабный коэффициент q КГц/мс определяется из выражения
q = , (4) где fмакс = fм - наибольшая частота энергетического спектра шума.
Таким образом, на выходе каждого двувходового умножителя 12 получают сигнал, пропорциональный соответствующему произведению fi.
Сигнал, пропорциональный оценке α , получают на выходе умножителя 10-0.
Суммируя в сумматоре 13 сигналы с выходов умножителей 12, а также с выхода умножителя 10-0, получают на его выходе оценку изменения энергетического спектра шумового сигнала в зависимости от частоты в виде
(f)=+f+f2+ ...+fk. (5)
Поскольку оценки параметров , ,..., в параболической регрессии в выражении (2) получены методом наименьших квадратов, полученная оценка (5) является наилучшей оценкой изменения энергетического спектра шумового сигнала в зависимости от частоты.
На фиг. 3а показано изменение напряжения на выходе генератора 14 пилы. Изменение оценки (5) за период Т показано на фиг.3б на выходе сумматора 13. На фиг. 3в показано формирование импульса на выходе первого формирователя 16-1. На фиг.3г приведены импульсы на выходе первого отвода линии 17 задержки, на фиг.3д - импульсы на выходе j-го отвода линии задержки.
На диаграмме (фиг.3б) условно показано появление квазигармонической составляющей на частоте fj в такте I, а в такте II показано появление второй квазигармонической составляющей на частоте fn. В такте III эти квазигармонические составляющие исчезают. Следует отметить, что квазигармонические составляющие появляются и исчезают за несколько тактов работы спектроанализатора. Поэтому данные диаграммы следует рассматривать как поясняющие.
Импульсы с отводов линии 17 задержки поступают на соответствующие ключи 7-1, ..., 7-М, которые открываются в эти моменты и передают входные напряжения на свои выходы. Так, в момент поступления импульса с j-го отвода линии 17 задержки напряжение с выхода интегратора 4-j поступает через ключ 7-j на вычитаемый вход блока 8-j вычитания. В результате на выходе блока 8-j вычитания образуется разность Δ Sj оценки спектральной плотности на частоте fj на выходе интегратора 4-j и аппроксимированной оценки спектра в момент, соответствующий частоте fj(фиг. 3б).
На фиг.3ж показана разность Δ Sj в такте I, которая превышает заданный пороговый уровень Δ j. Это означает, что в j-м канале спектроанализатора обнаружена квазигармоническая составляющая в энергетическом спектре шумового сигнала.
Поскольку, как уже отмечалось, оценка (5) - наилучшая оценка энергетического спектра шумового сигнала, в данном спектроанализаторе обнаружение квазигармонических составляющих производится по уточненной форме спектра сигнала с наилучшей помехоустойчивостью.
На фиг.3з показаны временные интервалы срабатывания триггера 18-j в тактах I и II, соответствующих наличию в энергетическом спектре шума квазигармонической составляющей на частоте fj (фиг.3б). Появление в такте II квазигармонической составляющей на частоте fn (фиг.3б) приводит к срабатыванию триггера 18-n, что показано на фиг.3и.
На диаграмме фиг.3к приведен сигнал на выходе сумматора 11-(К+1), который в такте I повторяет выходной сигнал триггера 18-j, а в такте II равен сумме выходных сигналов триггеров 18-j и 18-n. В такте III выходной сигнал сумматора 11-(К+1) равен нулю, так как в энергетическом спектре шума отсутствуют квазигармонические составляющие (фиг.3б,к).
Сигнал на выходе сумматора 11-(К+2) показан на фиг.3л. Он формируется следующим образом. Сигналы с выходов сумматоров 11-1, ..., 11-К, отображающие коэффициенты βHat1,βHat2,...,βHatk, поступают на входы соответствующих пороговых элементов 21-1, ..., 21-К. В случае превышения соответствующим коэффициентом , ,..., заданного порога в пороговом элементе 21-i срабатывает соответствующий триггер 22-i, выходное единичное напряжение которого поступает на вход соответствующего масштабного усилителя 23-i. Выходной сигнал масштабного усилителя 23-i увеличивает единичное напряжение триггера 22-i, пропорциональное i-й степени при соответствующем коэффициента .
Таким образом, выходное напряжение масштабного усилителя 23-i можно записать в виде U23-i = di . 1 ( 22-i ), (6) где di - весовой коэффициент
1(22=i)=
Ui - пороговый уровень порогового элемента 21-i.
Следует отметить, что подача выходного напряжения сумматора 11-i на пороговый элемент 21-i необходима для селекции флюктуаций напряжения сумматора 11-i, обусловленных конечностью времени интегрирования сигналов в интеграторах 4, а следовательно, для нормальной работы спектроанализатора.
Выходные напряжения масштабных усилителей 23 суммируются на выходе сумматора 11-(К+2). В результате на выходе сумматора 11-(К+2) получают сигнал (фиг.3л), который отображает в заданном масштабе сложность формы энергетического спектра шумового сигнала. Действительно, выходное напряжение сумматора 11-(К+2) имеет вид
U11=(K+2)= U23=i. (7)
Но из выражения (6) следует, что каждое слагаемое выражения (7) зависит как от формирующего члена полиномиальной функции оценки (5), так и от степени этого члена.
Сигнал с выхода сумматора 11-(К+2) поступает на вход делителя блока 19 деления, на вход делимого которого поступает сигнал с выхода сумматора 11-(К+1). Сигнал с выхода блока 19 деления (фиг.3м) поступает на информационный вход ключа 20. На управляющий вход ключа 20 поступает импульс с выхода второго формирователя 16-2 (фиг. 3н), который формирует импульс по заднему фронту импульса и с выхода М-го отвода линии 17 задержки (фиг.3е). Управляющий импульс открывает ключ 20, и на его выходе появляется импульс (фиг. 3о), амплитуда которого отображает в заданном масштабе коэффициент искажения уточненной формы энергетического спектра шума в виде
Kи= .
Коэффициент искажения уточненной формы энергетического спектра шума Ки позволяет выделить наличие квазигармонических составляющих в спектре шумов по их уточненной форме спектра и, кроме того, по величине этого коэффициента судить о числе этих квазигармонических составляющих.
Формула изобретения: МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР, содержащий широкополосный усилитель, к выходу которого подключены M каналов, содержащие последовательно соединенные фильтр, детектор, интегратор, а также M блоков вычитания первой группы, два M-входовых сумматора, M ключей первой группы, M блоков вычитания второй группы, M ветвей, содержащих последовательно соединенные пороговый элемент и триггер, M одновходовых умножителей, блок деления, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем оценки коэффициента искажения уточненной формы энергетического спектра шума, он снабжен (K - 1)M + 1-одновходовыми умножителями, K дополнительными M-входовыми сумматорами, K двухвходовыми умножителями, (K + 1)-входовым сумматором, генератором пилообразного напряжения, K-1 блоками fp, где p = 2,3, ... , K, двумя формирователями, K-входовым сумматором, линией задержки с M отводами, ключом, K ветвями, содержащими последовательно соединенные пороговый элемент, триггер и масштабный усилитель, причем выход интегратора каждого канала подсоединен одновременно к соответствующему входу первого M-входового сумматора, входу соответствующего ключа первой группы и вычитаемому входу соответствующего блока вычитания первой группы, вычитающие входы которых объединены с первым входом (K + 1)-входового сумматора и подсоединены к выходу одновходового умножителя, вход которого соединен с выходом первого M-входового сумматора, выход j-го блока вычитания первой группы (i = 1,2, ... , M) подсоединен к входам всех ij-одновходовых умножителей (i = 1,3, ... , K), (i - 1)-й выход (M + j)-го одновходового умножителя соединен с j-м входом i-го дополнительного M-входового сумматора, выход которого соединен с одним входом i-го двухвходового умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока fp, кроме i = 1-двухвходового умножителя, второй вход которого объединен с входами блоков fp и входом первого формирователя и соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход каждого двухвходового умножителя соединен с соответствующим входом (K + 1)-входового сумматора, выход первого формирователя соединен с входом линии задержки с M отводами, каждый отвод которой подсоединен к управляющему входу соответствующего ключа первой группы, выход которого соединен с вычитаемым входом соответствующего блока вычитания второй группы, вычитающие входы всех блоков вычитания второй группы объединены и подсоединены к выходу (K + 1)-входового сумматора, выход каждого блока вычитания второй группы подсоединен к входу соответствующей ветви из M ветвей, выход которой соединен с соответствующим входом второго M-входового сумматора, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого соединен с информационным входом ключа, при этом вход i-й ветви соединен с выходом i-го M-входового сумматора, а выход каждой ветви соединен с соответствующим входом K-входового сумматора, выход которого соединен с входом делителя блока деления, при этом выход ключа соединен с выходом устройства, управляющий вход ключа соединен с выходом второго формирователя, вход которого соединен с выходом M-го отвода линии задержки, а входы сброса триггеров M и K ветвей объединены и подсоединены к выходу первого формирователя.