Анализатор спектра

Союз Советскик Социалистических Республик(51)М Клз с присоединением заявки йо 0 01 й 23/16 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 300781(54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения спектра,взаимного спектра и коэффициента когерентности.Известны анализаторы спектра с циф.ровой фильтрацией сигнала, содержащие входной аналого-цифровой преобразователь, блоки памяти, арифметический блок, вычислители и блок вводавесовой функции ).Однако точность измерений такиханализаторов недостаточна,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому является 15анализатор, содержащий входной преобразователь, умножитель, сумматоры,делители, блок сравнения и блокипамяти 2).Недостатком известного анализатора являются большие погрешностиизмерений, вызванные низким быстродействием,Цель изобретения - повышение точности измерений.25Указанная цель достигается тем,что в анализатор спектра, содержащийпоследовательно соединенные входнойблок, фильтр верхних частот, аналоговый коммутатор, аналоговый блок 30 памяти, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода и первый блок памяти, подключенный ковходу второго блока памяти и ко вхо-ду умножителя, второй вход которогоподключен к выходу устройства вводавесовых коэффициентов, а также двасумматора два делителя, два вычислителя, блок логарифмирования, блокуправления и индикатор, причем выходпреобразователя кода подключен одновременно ко второму входу второгоблока памяти и ко входу блока Сравнения, второй вход которого соединенс выходом переключателя кодов, дополнительно введены три блока памяти ицифровой коммутатор, вход которогоподключен к выходу умножителя, а выход соединен с последовательно соединенными первым сумматором, первымделителем, первым вычислителем, вторым сумматором, вторым делителем,третьим блоком памяти и индикатором,при этом третий блок памяти связанс блоком логарифмирования и вторымвычислителем, второй сумматор связанс четвертым блоком памяти, а выходпервого сумматора подключен ко входупятого блока памяти, выход которогосоединен со вторым входом цифрового Киевский ордена Ленина политехнический институтим. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революциикоцз 4 утаФора. При этом устройство вво.да весовых коэффициентов выполненов виде последовательно соединенныхблока ввода весовой функции, блокапамяаи 4 феобразователя код-частота,адресногэ блока и второго блока ламяти, второй вхоц которого подключенко второму выходу блока ввода, причемадресный блок связан с третьим блокомпамяти,На чертеже представлена структурная схема предлагаемого анализатора.Анализатор состоит иэ вхоциогоблока 1, фильтра 2 верхних частот,аналогового коммутатора 3, аналогового блока 4 памяти, аналого-циФровогопреобразователя 5, преобразователя бкода, блоков 7 и 8 памяти, умножителя9, цифрового коммутатора 10, первого сумматора 11, первого делителя12, первого вычислителй 13, второгосумматора 14, второго делителя 15,блока 16 памяти, индикатора 17, устройства 18 ввода весовых коэффициен"тон, блока 19 памяти, преобразователя20 код-частота, адресного блока 21,блоков 22 и 23 памяти, переключателя24 кодов, блока 25 сравнения, бяока26 памяти, блока 27 логарифмирования;второго вычислителя 28, блока 29 управления и блока 30 памяти.Анализатор работает следующим образом.Входные сигналы поступают на входной блок 1, имеющий требуемые входноесопротивление и коэффициент усиленияпо каждому из каналов. Фильтр 2 верхних.частот отфильтровывает гармоникивходного сигнала, частота которыхбольше максимальной. Далее сигналыпоступают на вход коммутатора 3,который последонательно через. равныеинтервалы времени опрашивает все каналы, и мгновенное значение в моментопроса запоминается аналоговым блоком4 памяти и хранится в течение временипреобразования аналого-цифровогопреобразователя 5. Аналого-цифровойпреобразователь 5 преобразует мгновенные значения аналогового сигналав последовательный код, который затем преобразуется преобразователем6 кода в параллельный код.Выходной код преобразователя 6кода, соответствующий определенномумгновенному значению входного сигналав и-ом канале, сравнивается в блоке25 сравнения с предварительно набранным на переключателе 24 кодом уровнязапуска. Если мгновенное значениевходного сигнала превышает заданныйуроненьна выходе блока 25 сравнения появляется управляющий сигнал,запускающий анализатор. При этом выходной код преобразователя 6 кодапоступает на блоки 7 и 8 памяти,которые работают попеременно в режимезаписи и н режиме считывания. Дляразложения входных сигналов на.ортогональные базисные составляющие н анализаторе применена цифровая фильтрация сигнала. Для этого предварительно в блок 22 памяти импульсной переходной характеристики фильтра вводят через устройство 18 ввода функцию, в базисе которой происходит разложение сигнала, Частоты, по которым необходимо произвести разложение сигнала, заносят в блок 19 памяти кодов час-.тот с помощью устройства 18 ввода,Анализ сигнала происхбдит последовательно но времени по всем частотам, хранящимся н блоке 19 памяти. Изменение Фазы базисной функции осуществляют путем изменения начального адре сасчитывания. Изменение частоты базисной Функции, хранящейся в блоке 22 памяти, осуществляют изменением частоты опроса ячеек этого запоминающего блока, т.е. тактовой частоты Щ адресного блока 21; Для этого из блока 19 изнлекают код очередной частоты, преобразуют н преобразователе 20 код-частота этот код н.частоту импульсов, поступающих на адресный блок 21. Мгновенные значения входного сигнала, записанные в блоках 7 и 8,считывают последонательно через время То с ячеек соответствующего ка- ЗО нала и подают на умножитель 9. Синхронно, через время Тр считывают сблока 22 значения базисной функциипо адресу, определяемому адреснымблоком 21,и подают на второй вход 35 умножителя 9. Коды с выхода умножителя 9 передают через циФровой коммутатор 10 и накапливают в первомнакапливающем сумматоре 11, Так какинтервал времени, через который из О меняется адрес н блоках 7 и 8,равен То, интервал времени, черезкоторый изменяется адрес и блоке 22памяти, переменный и определяетсячастотой, на которой идет анализ.Кроме того, если объем выборки сигнала не равен количеству ординат базисной функции, то необходимо по окончании анализа по данной выборке покаждой частоте ипереходе к анализупо следующей выборке по каждой частофф те запомнить накопленное значение поданной выборке по каждому каналу икаждой частоте и адрес ординаты,Время первого усреднения определяется произведением периода считывания 3 дискретных значений из блока 22 начисло дискрет, записанных в этом блоке, т.е.о.ЯчТус 1= ,-ЗАЮЕгде - " - коэффициент сжатия инфорйфщ мации блоками 7 и 8;Е, - частота считывания информации;4 Юза - частота записи информации.При этом с увеличением частоты ксследуемых гармонических составляющих йропорционально растет Г 1 и уменьшается интервал усреднения Т . Этим достигается повышение быстродействия за счет уменьшения до мимималько необходимого значения Т)1 для каждой частоты. Вследствие этого уменьшается динамическая погрешность измерения, вызванная ограниченным временем существования периодических составляющих во входном сигнале. Так, например, если в блок 22, памяти импульсной переходной характеристики занести дискретные значения синусокдальной составляющей, умноженные на гауссово сглаживающее окно, то для всех анализируемых частот можно достичь минимальное значение произведения полосы пропускания на время измерения (Тс ), которое определяется соотношением неопределенности. В част. ности, для 1/3-октавной полосы анализатора и динамического диапазона 40 дБ достаточно шесть периодов периодических составляющих во входном сигнале для измерения а достаточно малой погрешностью, для 1/6-октанной полосы - двенадцать периодов и т.д. После окончания времени первого усреднения на данной частоте накопленная сумма произведений кз первого сумматора 11 поступает через делитель 12 в вычислитель 13, В делителе 12 производится деление накопленной суммы на значение Тус.Так как Тус различные для каждой частоты .и изменяются в зависимости от информации, записанной н блоке 19, то для большинства анализируемых частот Т) оказывается некратным длительности записи информации н блоках 7 и 8, а Мофс,соответственно некратно длительности считывания. В этом случае при считывании последней ячей.ки блоков 7 или 8 при анализе на частоте й ; иэ блока 22 памяти считывается нейоследняя ячейка. Поэтому для 4 продолжения усреднения по тому же интервалу на той же частоте запоминается адрес ячейки блока 22 памяти импульсной переходной характеристики в блоке 23 памяти адреса остатков, а накопленная сумма произведенюй в сум-маторе 11 запоминается в блоке 26 памяти остатков. После этого производится анализ на следующей частоте.После окончания анализа информации ло всем частотам и каналам из блоков памяти (например 7) начинается анализ информации, записанной в другой блок памяти (например 8). При этом н начале анализа на частоте йс( иэ блока 23 памяти ацреса остат- б ков в адресный .блок 21 переписывается записанный там адрес ячейки блока 22 памяти, на котором заканчивается анализ при считывании из первого блока памяти (например 7), а в сум" 65матор 11 переписывается из блока 26памяти остатков накопленная ранеесумма произведений.В перном вычислителе 13 вычисляется модуль и фаза спектра входных сиг 5 Валов, усредненных на участках Тз, .Для дополнительного уменьшения погрешностей из-за флюктуаиий кэмеояеьаюх спектральных характеристик исследуемого сигнала в анализаторе производят второе усреднение измеряемымихарактеристик по времени или ансамблю, Это усреднение спектральных характеристик производят путем накопления во втором сумматоре 14 с последующим хранением частично накоплен ных сумм в блоке 30 памяти. Число циклов второго усреднения задается блоком 29 управления. После окончания второго усреднения информация передаетсяв блок 16 памяти через второйделитель 20 15, в котором осуществляется делениена число циклов второго усреднения.Для вычисления коэффициента когереитиости двух сигналов с блока16 памяти считывают усредненные оцен.ки и передают йх в вычислитель 28,который вычисляет коэффициент когерентностк сигналов. Вычисленные значения коэффициента когерентности педают в блок 16 памяти и запоминают.Для представления спектральных характЕристик в логаркфмическом масштабеих считывают иэ блока 16 памяти вблок 27 логарифмирования, где преобразуют н логарифмический код и пере"дают обратно в блок 16 памяти. Дляотображения каждой измеренной характеристики н линейном или логарифмическом масштабе производится считывание с соответствующих ячеек блока 16памяти к индицируется результат, на О индикаторе 17.Представление результатов на экране индикатора 17 производится вкоординатах измеряемая спектральная.характеристика - частота - время длякаждого канала, т.е. для каждоговходного сигнала, а также в координатах измеряемая спектральная характеристика - частота-каналы для всехканалов.Таким образом, предлагаемый анализатор позволяет повысить быстродействие при язмерении спектра засчет уменьшения и регулировки времени усредненияДля каждой исследуемой частотной составляющей дли-.тельность первого усреднения состанляет минимально необходимое время,равное целому числу периодов этойисследуемой частотной составляющей.Число периодов, укладывающихся в О интервал усреднения, определяетсянеобходимой полосой анализа. Повышение быстродействия позволяет позы"сить точность за счет уменьшениядинамических погрешностей при измерении сигналов, имеющих периодическиесоставляющие ограниченной длительности. Предлагаемый анализатор позволяет также измерять взаимный спектр и коэффициент когерентности. Кроме тоговвод извне импульсно-переходной характеристики избирательного фильтра делает возможным производить измерения спектра сигналов при различных, а не только гармонических базисных функциях, на которые производится разложение, что обеспечивает возможность измерения сечений йвухмернцго преобразования Фурье.Формула изобретения1, Анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной блок, фильтр верхних частот, аналоговый коммутатор, аналоговый блок па-, мяти, аналого-цифровой преобразователь преобразователь кода и первый блок памяти, подключенный ко входу второго блока памяти и ко входу умножителя второй вход которого подключен к выходу устройства ввода весовых коэффициентов, а также два сумматора, два делителя, два вычислителя, блок логорифмирования, блок управления и индикатор, причем выход преобразователя кода подключен одновременно ко второму входу второго блока памяти и ко входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом переключателя кодов, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены три блока памятии цифровой коммутатор, вход которогоподключен к выходу умножителя, а выход соединен с последовательно соединенными первым сумматором, первымделителем, первым вычислителем, вторым сумматором, вторым делителем,третьим блоком памяти и индикатором,при этом третий блок памяти связанс блоком логарифмирования и вторымвычислителем, второй сумматор связанс четвертым блоком памяти, а выходпервого сумматора подключен ко входу пятого блока памяти, выход кото рого соединен со вторым входом цифрового коммутатора.2. Анализатор по и, 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что устройствоввода весовых коэффициентов выполне,н но в виде последовательно соединенныхблока ввода весовой функции, блокапамяти, преобразователя код-частота,адресного блока и второго блока па-мяти, второй вход которого подключенко второму выходу блока ввода, приэтом адресный блок связан с третьимблоком памяти. Источники информации,Ьринятые во внимание при экспертизе30 1. Мизин И.А;, Матвеев А.А. Цифровые фильтры. М., 1979, с. 101,195.2, Патент ВеликобританииР 1494476, 1977,Зак а илиал ППППатент , г. Ужгород,роектзая 345/б 3 Тираж 732 ВНИИПИ Государствеивог по делам изобретени 13035, Москва, Ж, Рауш