Измеритель превышения полезного сигналанад шумом

Союз Советских Социалистических Республик,52 МП с присоединением заявки Приор ите смитвт по делам изобретений и аткрыти при Совете Министров СССРпубликовано ЗО.Х та опубликования описания 14,11,19 Авторизобретения, М. Кувшино явитель ЕРИТЕЛЬ ПРЕВЫШЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО СИГНА НАД ШУМОМИзобретение относится к устройствам преобразования и измерения характеристик электрических сигналов в присутствии шумов иможет быть использовано в измерительныхустановках, в системах автоматического регулирования, в устройствах автоматики.В измерителях превышения величина выходного напряжения дает оценку отношениясигнал/шум входного напряжения и не зависит от абсолютных значений сигнала или 10шума,Известные измерители превышения сложныи работают или на основе автокорреляционнойфункции сигнала, или на основе разделениясигнала и шума по спектральному признаку. 15Целью настоящего изобретения являетсяупрощение измерителя превышения, Эта цельдостигается выполнением измерителя превышения с использованием следящего порогового устройства, после которого включено усредняющее устройство.Измеритель превышения работает на основе различия законов плотности вероятностиогибающей шума и сигнала с шумом.Для различных случаев применения в предложенный измеритель превышения могут бытьдополнительно введены, инвертор импульсов,отделитель постоянной составляющей и восстановитель постоянной составляющей дляполучения выходного напряжения другой по лярпости; амплитудный детектор и фильтр низкой частоты для снижения требований к следящему пороговому устройству по быстродействию при высокой частоте сигнала; амплитудный детектор, фильтр низкой частоты и модулятор для снижения требований к следящему пороговому устройству по быстродейегвию и получения выходного напряжения другой полярности.Кроме того, усредняющее устройство может быть выполнено не только в виде аналогового сглаживающего, но и в виде измерителя средней частоты импульсов.На фиг, 1 показана упрощенная принципиальная схема измерителя превышения, содержащая ЯС-фильтр низких частот в качестве усредняющего устройства, с выходов которого можно получить как отрицательное, так и положительное напряжение; на фиг, 2 - схема выпрямителя среднего значения напряжения, которая может быть использована в качестве отделителя постоянной составляющей, восстановителя постоянной составляющей и усредняющего устройства; на фиг. 3 - блок-схема измерителя превышения, в котором для сниже. ния требований к следящему пороговому устройству по быстродействию, перед следящим пороговым устройством включены амплитудный детектор и фильтр низких частот; на фиг. 4 - блок-схема измерителя превышения,10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3в котором для получения выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности при низких требованиях к следящему пороговому устройству по быстродействию, перед следящим пороговым устройством включены амплитудный детектор, фильтр низких частот и модулятор; на фиг. 5 приведены плотности вероятности огибающей для шума и для сигнала с шумом (плотность вероятности Райса), и обозначены площади, которым пропорционален выходной сигнал измерителя превышения; на фиг. 6, показано прохождение шума через измеритель превышения, а на фиг. 7 - прохождение синусоидального сигнала через него; на фиг. 8 приведены осциллограммы, поясняющие преобразование шума его огибающей) при подаче его на измеритель превышения по блок-схеме фиг, 3.Измеритель превышения содержит следящее пороговое устройство 1 (см, фиг. 1) и и усредняющее устройство 2. Следящее пороговое устройство в данном случае выполнено на транзисторе 3, нелинейном элементе 4 с односторонней проводимостью, в качестве которого применен транзистор, конденсаторе 5, делителе из двух резисторов б и 7 и пороговом устройстве на транзисторе 8. Переход база - эмиттер транзистора 8 зашунтирован резистором 9. Выходное. напряжение снимается с резистора 10, включенного в коллекторный вывод транзистора 8.Усредняющее устройство 2 выполнено в виде фильтра низких частот, образованного резистором 11 и конденсатором 12. Возможно применение и других вариантов усредняющих устройств.Входное напряжение на измеритель превышения поступает от истчоника 13. Отрицательное выходное напряжение Г, получают на резисторе 14. Для получения одновременно выходного напряжения противоположной полярности.(положительного напряжения для схемы на фиг. 1) дополнительно имеется устройство 15. Оно содержит инвертор на транзисторе 16, переход база - эмиттер которого зашунтирован резистором 17, а выходной сигнал инвертора снимается с резистора 18 и подается через отделитель постоянной составляющей (конденсатор 19) на восстановитель постоянной составляющей (диод 20), а затем на усредняющее устройство в виде фильтра низких частот на резисторе 21 и конденсаторе 22. Выходное положительное напряжение снимается с резистора 23.Отделитель постоянной составляющей, восстановитель постоянной составляющей и усредняющее устройство могут быть выполнены также в виде выпрямителя среднего значения напряжения (см. фиг. 2), который содержит конденсаторы 24 и 25, диоды 26 и 27 и резисторы 28 и 29. На резисторе 29 получают выходное напряжение измерителя превышения.При применении измерителя превышения на повышенной частоте для снижения требований к следящему пороговому устройству по быст 4родействию между источником 13 сигнала (см, фиг, 3) и следящим пороговым устройством 1 включают дополнительно амплитудный детектор 30 и фильтр 31 низких частот.Если требуется получение на выходе измерителя превышения напряжений обеих полярностей при высокой несущей частоте сигнала, то он содержит следящее пороговое устройство 1(см. фиг. 4), перед которым включен модулятор 32. Напряжение на него поступает от источника 13 сигнала через амплитудный детектор 30 и фильтр 31 низких частот, а после следящего порогового устройства 1 включают усредняющее устройство 2 и устройство 15, содержащее инвертор импульсов, отделитель постоянной составляющей, восстановитель постоянной составляющей и усредняющее устройство.Работа измерителя превышения основана на различии плотности вероятности огибающей для шума и для сигнала.На фиг, 5 приведена плотность вероятно. сти а огибающей шума и плотности вероятности б и в огибающей синусоидального сигнала с шумом при соотношении сигнал/шум, равном 3 и 5. Конденсатор 5 следящего порогового устройства 1 осуществляет запоминание величины огибающей. За счет разряда конденсатора 5 через резисторы б и 7 средний уровень напряжения на конденсаторе будет несколько ниже, чем максимальное значение огибающей, но близко к нему. Будем считать, что этот уровень соответствует пересечению линии 33 (на фиг. 5) с кривыми а, б и в (при этом зачерненные площади под кривыми примерно равны). Тогда напряжение на конденсаторе 5 от шума будет с 1,п, а от сигнала с шумом У,уш:з и У, =д. Следящее пороговое устройство будет пропускать на усредняющее нормированное по амплитуде напряжение только в том случае, если входной сигнал превышает запирающее напряжение на резисторе 7, которое определяется напряжением на конденсаторе 5 и отношением сопротивлений резисторов 6 и 7. Допустим, что напряжение на выходе следящего порогового устройства появляется, если входное напряжение больше или равно /з от напряжения па конденсаторе 5. Это будет соответствовать уровню 34 напряжения на входе устройства для шума (см. фиг. 5), уровню 35 - для сигнал/шум, равном трем; уровню 36 - для сигнал/шум, равном пяти.Напряжение на выходе измерителя превышения будет пропорционально заштрихованным площадям. Как следует из фиг. 5, напряжение на выходе измерителя превышения будет увеличиваться с ростом отношения сигнал/шум и не будет зависеть от абсолютного значения сигнала на входе устройства (на усредняющее устройство 2 со следящего порогового устройства 1 подаются нормированные по амплитуде импульсы).Опытная проверка измерителя превышения. по фиг 1 показала, что его выходное напряжение (ток) близко к линейному, начинаясоотношения сигнал/шум примерно равного 1,5. Длина линейного участка зависит от относительного уровня следящего порогового устройства.Работу устройства можно также пояснить осциллограммами (см, фцг. б, 7, 8). Прц поступлении ца вход измерителя превышения шума 37 (см, фиг. 6) на конденсаторе 5 установится напряжение 38, равное Г,п, на следя. щем пороговом устройстве уровень 39, который взят величиной в -/з от максимального зцачения огибающей, На выходе следящего порогового устройства 1 будут существовать импульсы 40, постоянная составляющая. которых появится на выходе усредняющего устройства в виде отрицательного напряжения 41. Для получения одновременно и положительного напряжения импульсы со следящего порогового устройства 1 поступают ца цнвертор импульсов на транзисторе 1 б, Вид осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора 1 б будет 42. Этц импульсы поступают через конденсатор 19 (отделитель постоянной составляющей) на восстановитель постоянной составляющей - диод 20. На диоде 20 будут положительныс импульсы 43 с постоянной составляющей 44.Преобразование синусоцдального сигнала 45 в измерителе превышения показано на фиг. 7, где 4 б - н апря жение н а выходе следящего порогового устройства, 47 - отрицательное напряжение ца выходе измерителя превышения, 48 - напряжение на коллекторе транзистора 16, 49 - напряжение на диоде 20 и 50 - положительное напряжение ца выходе измерителя превышения.Как следует из фиг. 6 и 7, ца вход следящего порогового устройства подается сигнал без демодуляции, Каскады, находящиеся до усредняющего устройства, должны быть способны пропускать сигналы с высокой частотой. Чтобы снизить требование по быстродействию к элементам до усредцяющего устройства, входной сигнал от источника 13 (см. фиг. 3) детектируется детектором 30 и цз него удаляются в фильтре 31 высокочастотные составляющие. В этом случае на вход следя-. щего порогового устройства поступает от синусоиды постоянное напряжение, а от шума напряжение вида 51 (см. фиг. 8). Такое напряжение получается после прохождения шума 3 б (см. фцг. 5) через детектор 30 и фильтр 31 низких частот. На выходе следящего порого вого устройства будет напряжение 52, послеусреднения которого получается отрицательное напряжение 53 ца выходе измерителя пре.вы щения.Если требуется получить и отрицательное 10 и положительное напряжение ца выходе измерителя превышения, то после фильтра 31 (см. фиг. 4) можно включцть модулятор 32.Осциллограммы напряжений в измерителе превышения в этом случае подобны осццлло 15 граммам, показанным на фиг. 6 ц 7.Как следует из фцг. б и 7 от шума ц от сигнала ца вь ходе следящего порогозого устройства получается разное количество импульсов в едццицу времени. Поэтому в качестве усред няющего устройства можно использовать из-:меритель средней частоты импульсов, например, аналоговый конденсаторный частотомер цлц цифровой счетчик. Выполнение усредняющего устройства в виде цифрового счетчика 25 позволяет легко получить произвольное времяинтегрирования. На выходе конденсаторного частотомера можно получить как положительное, так и отрицательное напряжение без использования цнвентора импульсов. Опытная 30 проверка измерителя превышения с усредняющим устройством в виде измерителя средней частоты импульсов показала, что его выходная характеристика также имеет участок, близкии к линейному, начиная с отношения сцг пал/шум, равного - 1,5,Предмет изобретения40 Измеритель превышения полезного сигнала цад шумом, содержащий пороговое устройство, усредпяющее устройство, детектор, связанный со сглаживающим фильтром, отлссчтащиссся тем, что, с целью его упрощения, в нем по 45 роговое устройство выполнено следящим и связано выходом с усредняющим устройством, а по входу соединено со сглаживающим фильтром, подключенным через детектор к входной клемме измерителя, 322779322779 фиа. Ю Редактор Полякова Заказ 104/15 Изд, Мо 1764 Тираж 473 ПодписноеЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий прп Совете Министров СССР Москва, К, Раушская наб д. 1/5 Типография, пр. Сапунова, 2 Составитель В, ЖовинскийТехред 3. Тараненко Корректоры: И. Шматоваи Н. Шевченко