Анализатор спектра

(71) Институт тех М 20еской кибернет ССР 984 вычислидля вен за -УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТИЗОБРЕТЕН 1 ЯМ И ОТКРЫТИЯМГННТ СССР(57) Изобретение относится ктельной технике и преднаэначполучения спектра модности илплитудного спектра аналоговонала. Цель изобретения - поточности спектрального анали.8056799 стигается в результате скачкообразного сканирования спектра цифровым полосовым фильтром. Анализатор содержит вход 1, аналоговые фильтры 2, 13 нижних частот, генератор 3 тактовой частоты, блок 4 синхронизации, аналогоцифровой преобразователь 5, промежуточный запоминающий блок 6, запоминающий блок 7 с перезаписью, генератор 8 качающейся частоты, генератор 9 линейно нарастающего ступенчатого напряжения, цифровой полосовой фильтр 10, блок 1 постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь 12, коммутаторы 14, 17, блок 15 коррекции, блок 16 выделения частотных полос, с квадратор 18, выход 19. Введение цифрового полосового фильтра О, блока 11 постоянной памяти позволяет повысить точность анализа, 5 ил.Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено дляполучения спектра мощности или амплитудного спектра аналогового сигнала,Целью изобретения является повышение точности спектрального анализаза счет скачкообразного сканированияспектра цифровым полосовым фильтром,На фиг. 1 представлена блок-схемаанализатора спектра; на фиг. 2 - схема блока синхронизации; на фиг,3соотношения частот, формируемых блоком синхронизации; на фиг4,5 - диаграммы, поясняющие принцип работыанализатора,Анализатор (фиг. 1) содержит вход1, первый аналоговый фильтр 2 нижних частот, генератор 3 тактовой частоты, блок 4 синхронизации, аналогоцифровой преобразователь 5, промежуточный запоминающий блок 6, запоминающий блок 7 с перезаписью, генератор 8 качающейся частоты, генератор 9 линейно нарастающего ступенчатого напряжения, цифровой полосовойфильтр 10, блок 11 постоянной памяти,цифроаналоговый преобразователь 12,второй аналоговый фильтр 13 нижнихчастот, первый коммутатор 14, блок15 коррекции, полосовой фильтр 16,второй коммутатор 17, квадратор 18,выход 19,Последовательно соединены первыйаналоговый фильтр 2 нижних частот,аналого-цифровой преобразователь 5,промежуточный запоминающий блок 6и запоминающий блок 7 с перезаписью,попарно последовательно соединенысоответственно генератор 9 линейно нарастающего ступенчатого напряжения игенератор 8 качающейся частоты, цифроаналоговый преобразователь 12 ивторой аналоговый фильтр 13 нижних 45частот, фильтр 16 и второй коммутатор17, первый выход второго коммутатора17 и квадратор 18, первый выход первого коммутатора 14 и блок 15 коррекции, генератор 3 тактовой частотыи блок 4 синхронизации, первый, вто.рой и третий выходы которого подключены к управляющим входам аналогоцифрового преобразователя 5,промежуточного запоминающего блока 6 и пер 55вому управляющему входу генератора9 линейно нарастающего ступенчатогонапряжения соответственно, второйвход и выход запоминающего блока 7 с перезаписью соединены между собой,второй выход первого коммутатора 14подключен к входу и выходу фильтра 16и блока 15 коррекции соответственно,второй выход второго коммутатора 17подсоединен к выходу квадратора 18,который является выходом устройства,причем вход первого аналогового фильтра 2 нижних частот является входоманализатора, последовательно соединены блок 11 постоянной памяти и цифровой полосовой фильтр 10, информационным входом и выходом соединенныйс первым выходом запоминающего блока7 с перезаписью и входом цифро-аналогового преобразователя соответственно, первый управляющий и адресньшвходы блока 11 постоянной памяти подключены соответственно к третьему ичетвертому выходам блока 4 синхронизации, пятым выходом соединенногос управляющим входом блока выделениячастотных полос и вторыми управляющими входами генератора 9 линейно нарастающего ступенчатого напряжения иблока 11 постоянной памяти, выход генератора 8 качающейся частоты подсоединен к третьему входу запоминающегоблока 7 с перезаписью,Блок синхронизации (фиг, 2) содержит делитель 20 частоты, первый 21элемент задержки, триггер 22, первый23 и второй 24 элементы И, кольцевойсчетчик 25, блок 26 постоянной памяти,второй 27 и третий 28 элементы задержки.Объединенные входы делителя 20частоты и первого элемента 21 задержки являются входами блока 4 синхронизации, а выходь 1 элемента И 23,элемента 28 задержки, первый, второйвыходы делителя 20 частоты и выходнаявина блока 26 постоянной памяти являются вторым, пятым, третьим, первыми четвертым выходами блока 4 синхронизации соответственно, Первый и третий выходы делителя 20 частоты подключены к первому и второму установочным входам триггера 22 соответственно, первый и второй выходы триггера 22 подсоединены к вторым входамэлемента И 23 и элемента И 24 соответственно. На первый вход элементаИ 23 подключен выход первого элемента 21 задержки, выход элемента И 24подсоединен на объединенный входсчетчика 25 и второго элемента 27 задержки, выходом соединенного с объе диненным входом третьего элемента28 эацерхки и входом считывания блока 26 постоянной памяти, на информационные входы .которого подключеныинформационные выходы счетчика 25,Блок 5 коррекции выполнен в видеаналогового умножителя на весовыекоэффициенты, представляющие собойокно Хеннинга,Блокпостоянной памяти представляет собой запоминающее устройство со схемой формирования следующегоадреса, исполненное, например, наоснове программируемой пользователемпостоянной памяти и интегральныхсхем средней. степени интеграции.Работа анализатора происходит следующим образом,Исследуемый аналоговый сигнал,например полигармонический (фиг, 4 а),имеющий спектр Б(Й) (фиг. 46), поступает на первый аналоговый фильтр2 нижних частот, Этот фильтр ограничивает спектр входного сигнала дочастоты Г , где Г, - частота срезапервого аналогового фильтра 2 нижнихчастот (фиг, 46).Последнее необходимодля исключения эффекта наложенияспектров при последующей дискретизации процесса, Аналоговый сигнал с ограниченным спектром (фиг, 4 в) поступает на аналого-цифровой преобразователь 5 и дискретизируется им. Предискретизированный аналоговый сигналобъемом И слов (например, 1200)через промежуточный запоминающий блок6 заносится в запоминающий блок 7 сперезаписью. В этом случае спектр занесенного в блок 7 дискретиэированного процесса будет периодическим спериодом Р, где Р - тактовая частота работы АЦП 5 (фиг. 4 г). Присчитывании этого процесса из блока 7с повышенной тактовой частоты Р,; -пР (где и - количество анализируе 3мых частотных полос) спектр процессаРсч 1расширяется враз, Это обстоятельство позволяет проводить анализРсусигнала в первой полосе, в -разГболее широкой по сравнению с той,которая была необходима при исследовании исходного аналогового сигнала(подаваемого на АЦП 5), Аналогичнопри считывании с еще более высокойтактовой частотой Р=Р , - - (гдец 1 67992 ьЕ - центральная частота первой,Цсамой высокочастотной частотной полосы; ГЧ- центральная частота второй, более низкочастотной частотнойполосы) спектр проц сод расширится яГсвграз и появится возможность проГведения анализа сигнала во второйГсч10 полосе в враз более широкой по1 Г3сравнению с той, которая была необходима при исследовании исхсдного анал, -гового сигнала, и т,д, Очевидно, что15при считывании с 1-й (1=1-и где иФколичество анализируемых частотныхполос) тактовой частотой Гсч41=Г(1 - центральная частотасчцЦ 120 1-й частотной полосы) спектр процессГсч тбудет расширен враз и возможГ 3но будет его анализировать полосой,во столько же раз более широкой,25 Поскольку при расширении полосыпропускания переходные процессы вфильтре сокращаются, то появляетсявозможность проводить анализ в 1-хГсч;частотных полосах враз быстрееЗО ГЗпо сравнению со скоростями обработкисигнала в реальном масштабе времени.Явление расширения спектра(фиг, 4 г, фиг. 5 а) прн считываниипроцесса с повышенной тактовой часто 35той используется для скачкообразногоего сканирования полосой пропусканияцифрового полосового фильтра. Дляэтого при тактовой частоте Гполоса40 пропускания цифрового полосового фильтра (фиг. 56) настраивается на самые высокие анализируемые частотыв спектре считываемого процесса. Вэтом случае на выход фильтра пройдут45самые высокие частоты анализируемогопроцесса (фиг, 5 а,б), При считыванииГцс тактовой частотой Р =Г с,счев сч 1(фиг. 5 в) в полосу пропускания цифрового полосового фильтра (фиг.5 д,г)Гц 1попадут частоты, в -- более низкиецпо сравнению с предыдущим случаем,И т.д, Таким образом, при скачкообразном повышении тактовой частоты55считывания в полосу пропускания цифрового пщосового фильтра подают всеболее низкие частоты, в результатечего спектр анализируемого процессабудет скачкообразно просканировал полосой пропускания цифрового полосового фильтра, начиная с самых верхних частот.Очевидно, что такое сканирование5 возможно только в том случае, если полоса пропускания цифрового полосового Фильтра не смещается при скачкообразном изменении тактовой частоты считывания, Однако, поскольку тактовая частота считывания является одновременно и тактовой частотой циФ- рового полосового фильтра, то при скачкообразном повышении ее полоса пропускания цифрового полосового фильтра (в случае, если его коэффициенты при этом не изменяются) также сдвигается скачком в сторону более высоких частот, При этом скачка полосы пропускания цифрового полосового фильтра по спектру исследуемого сигнала в сторону более низких частот не произойдет, а следовательно, невозможен будет и анализ спектра. Для 25 того, чтобы полоса пропускания цифрового полосового фильтра не смещалась при скачкообразном изменении частоты считывания, одновременно с изменением частоты считывания изменя ется набор коэффициентов цифрового полосового фильтра, поступающий из блока 11 постоянной памяти.Считанные с различными тактовыми частотами из блока 7 памяти с перезаписью сигналы поступают на цифровой фильтр 10, а с него - через аналогоцифровой преобразователь 12 - на второй аналоговый фильтр 13 нижних частот, Полученные аналоговые сигна лы через блок 15 коррекции (в первом положении переключателя 14) или минуя его (во втором положении переключателя 14) поступают на фильтр 16 выделения частотных полос, который 45 представляет собой резонансный контур, настроенный на центральную частоту полосы пропускания цифрового полосового фильтра. Амплитуда сигнала на резонансном контуре возрастает линейно со временем, причем по окончании одного цикла перезаписи содержимого запоминающего блока 7 производится выборка амплитуды положительной полуволны по сигналу с бло ка 4 синхронизации. Выборочное значение амплитуды подается через квадратор 18 (в первом положении переключателя 17) или минуя его (во втором положении переключателя 7) навыход анализатора.После наперед заданного количества считываний и иэ блока 7 (например, 400) на выходе анализатора появится и уровней сигналов, характеризующих мощность или амплитуду(в зависимости от того, используется квадратор или нет) процесса, считываемого из блока 7 в п анализируемых полосах частот, При этом тактовая частота генератора 8 качающейсячастоты вновь устанавливается равнойРсч 1Эа время и считываний иэ запоминающего блока 7 с перезаписью в промежуточном запоминающем блоке 6 записывается следующий временной участок исследуемого аналогового сигнала, который после обработки первоговременного участка поступает на егоместо в запоминающий блок 7 с перезаписью, и цикл работы повторяетсяТаким образом, исследуемый аналоговый сигнал поступает на вход анализатора непрерывно, а в запоминающий блок 7 с перезаписью - по частям. В результате этого осуществляется режим обработки в реальном масштабе времени,Блок 15 коррекции необходим длясглаживания боковых лепестков в амплитудно-частотной характеристикецифрового полосового фильтра 1 О, которые получатся при обработке процесса по кускам.Блок 4 синхронизации служит дляполучения четырех последовательностей синхроимпульсов с необходимымичастотами следования (фиг. 3) и формирования адреса выбора коэффициентов цифрового полосового фильтра 1 О,находящихся в блоке 11 постоянной памяти, Последовательности Г и Р формируются иэ тактовой частоты гейератора 3 с помощью делителя 20 частоты. Последовательность Гначинаетформироваться в момент, когда по импульсу Р взводится триггер 22, изаканчивается, когда триггер 22 сбрасывается синхроимпульсом Гь. Последовательность же Р, наоборот, формируется при сброшенном положениитриггера 22. Эта последовательностьпоступает на вход кольцевого счетчика и элемента 27 задержки.Рассмотрим прохождение одного иэимпульсов этой последовательности.5 7 о 2 анализа,5 10 15 30 Поступающий на счетньп вход счетчик;.25 импульс увеличивает хранящийся в нем код на единицу, С выхода счетчика 25 числовой код поступает ца адресные входы блока ПЗУ 26, Кроме того, импульс поступает на вход элемента 27 задержки,которого равна врезалмеци срабатывания счетчика 25, с выхода элемента 27 задержки импульс подается на тактовый вход считывания ПЗУ 26 синхронно с поступлением информации на адресные входы последнего. В управляющем слове, полученном на выходе ПЗУ 26, устанавливается адресный код для блока 11 постоянной памяти. С выхода элемента 27 задержки импульс поступает, кроме того,на вход элемента 28 задержки, тдкоторого равна времени срабатывания 20ПЗУ 26. С выхода элемента 28 задержки синхроимпульс поступает ца пятьпвыход блока 4 синхронизации и по нему - к блокам 9, 11 и 16, где происходит скачок напряжения, передача 25новых коэффициентов и выбор новойчастотной полосы соответственно,Самым нестабильным блоком в известном анализаторе (прототипе) является аналоговый паласовой Фильтр.Зто объясняется нестабильностью составляюпих его элементов (В., 1, С),параметры которых зависят как отпараметра окружающей среды (температуры, влажности и т.д.), так и отвремени (старение). В настоящее время относительная нестабильность лучших элементов составляет не менее2О . Путем больших аппаратурных-3затрат нестабильность, обусловленнуювлиянием внешней среды, можно снизить до 2 -10 , однако нестабильность,-Фсвязанную со старением элементов, исключить нельзя, В предлагаемом жеанализаторе нестабильность определяется в основном нестабильностью генератора 3 тактовой частоты, котораядля современных кварцевых генераторов составляет 10 , т,е. обеспечивается на порядок более высокая точность,Кроме того, в прототипе вследствие непрерывного гетеродированияспектра частотный анализ возможентолько в смежных частотных полосах,В предлагаемом же устройстве благодаря скачкообразному сканированию спект-ра цифровым паласовым фильтром возможен анализ как в смежных, так и в перекрьва шихся иее 1 екрья.тпихсячастотных пол ах, чторцт кдополнтельс му повьппгцю тоц сти формула изобретенияАнализатор спектра, содержащийпоследовательно соединенные первыйаналоговый Фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, промежуточьп залоащп блок, последовательно соединенные генератор линейно нарастающего ступенчатого напряжения и генератор качакщеся частоты, последовательно соединенныецифроаналс говьп преобразователь, второй ацалоговьп фильтр нижних частот,первый коммутатор, блок коррекции,паласовой фильтр, второй коммутатори квадратор, а также генератор тактовой частоть и подключенный к немублок синхрозац, первьй, второйи третий выходь которого подключенык управляющим входам аналого-цифрового преобразователя, промежуточногозапоминающего блока и первому управляющему входу генератора линейно нарастающего ступенчатого напряжениясоответственно, второй вход и выходзапоминающего блока с перезаписьюсоединень между собой, второй выходпервого коммутатора подключен к входу полосового фильтра, второй выходвторого коммутатора подсоединен к выходу квадратора, соединенного с выходом устройства, причем вход первого аналогового фильтра нижних частотсоединен с входом анализатора, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности, в него введены последовательно соединенные блокпостоянной памяти и цифровой паласовой фильтр, информационным входом соединенный с вторым выходом запоминающего блока с перезаписью, и выходом - с входом цифроаналогового преобразователя, первый управляющий входблока постоянной памяти подключенсоответственно к четвертому выходублока синхронизации, пятым выходомсоединенного с управляющим входом полосового фильтра и вторыми управляющими входами генератора линейно нарастающего ступенчатого напряжения и,блока постоянной памяти, выход генератора качающейся частоты подсоединен к третьему входу запоминанпегоблока с перезаписью, 156799215679921 Г.2Составитель Е.ГубановРедактор А.Маковская Техреду Л.Олийнык КорректорЗ.ШевкунЗаказ 1321 Тираж 554 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКРГ СССР113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101