Анализатор спектра сигнала

Полезная модель относится к области электроавтоматики и может быть использована в системах гармонического анализа сигналов, в частности, анализа модулей гармонических составляющих Фурье. Анализатор содержит переключатель на два положения 4 и последовательно соединенные между собой источник анализируемого сигнала 1, квантователь 2, умножитель 3, переключатель на m положений 5, m запоминающих элементов 6 и сумматор 7, а также содержит генератор тактовых импульсов 9 с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде, переключатель на n положений 8 и делитель напряжения, которые обеспечивают расширение его функциональных возможностей.

Полезная модель относится к области электроавтоматики и может быть использована в системах гармонического анализа электромагнитных сигналов, в частности анализа модулей гармонических составляющих Фурье.

Известно устройство для определения гармонических составляющих Фурье, содержащее вычислители разложения анализируемой величины по базисным функциям Уолша, масштабные блоки интерполяции гармонических компонент и генератор тактовых импульсов [1]. Недостаток известного устройства состоит в сложности технической реализации масштабных блоков и низкой точности вычислений первых по порядку гармонических коэффициентов Фурье.

Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является устройство для определения коэффициентов Фурье, содержащее переключатель на два положения и последовательно соединенные между собой источник анализируемого сигнала, квантователь, умножитель, переключатель на m положений, m запоминающих элементов и сумматор, выход которого является выходом устройства, кроме того, это известное устройство содержит две матрицы m²×n элементов задания весовых коэффициентов, два элемента ИЛИ на m² входов каждый и лого-метр, где m - число тактов квантования по времени анализируемого сигнала и n - порядковый номер гармоники Фурье [2].

Недостаток прототипа состоит в его ограниченных функциональных возможностях вычисления только значений коэффициентов Фурье а _n и b_n, в то время как для гармонического анализа требуется главным образом информация о модуле (амплитуде) гармонических составляющих Фурье, а не значения его коэффициентов a_n и b_n.

Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей анализатора спектра сигнала за счет вычисления модуля гармонических слагаемых Фурье без дополнительных вычислительных средств.

Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: переключателя на два положения и последовательно соединенных между собой источника анализируемого сигнала, квантователя, умножителя, переключателя на m положений, m запоминающих элементов и сумматора, выход которого является выходом устройства, предлагаемой анализатор спектра сигнала содержит генератор тактовых импульсов, переключатель на n положений и делитель напряжения, n отводов которого подключены к соответствующим неподвижным контактам переключателя на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым входом умножителя, один крайний отвод делителя напряжения подсоединен к общей шине устройства, а другой крайний отвод делителя напряжения соединен с подвижным контактом переключателя на два положения, неподвижные контакты которого подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющим входам квантователя и переключателей на два, n и m положений, при этом генератор тактовых импульсов выполнен с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде.

Новизна полезной модели заключается в том, что предлагаемый анализатор спектра сигнала содержит генератор тактовых импульсов, переключатель на n положений и делитель напряжения, n отводов которого подключены к соответствующим неподвижным контактам переключателя на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым входом умножителя, один крайний отвод делителя напряжения подсоединен к общей шине устройства, а другой крайний отвод делителя напряжения соединен с подвижным контактом переключателя на два положения, неподвижные контакты которого подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющим входам квантователя и переключателей на два, n и m положений, при этом генератор тактовых импульсов выполнен с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде, за счет чего обеспечивается расширение его функциональных возможностей.

Функциональная схема анализатора спектра сигнала изображена на чертеже, где обозначено: 1 - источник анализируемого сигнала x(t); 2 - квантователь m тактов; 3 - умножитель; 4 - переключатель на два положения; 5 - переключатель на m положений; 6 - блок m запоминающих элементов; 7 - сумматор; 8 - делитель напряжения; 9 - генератор тактовых импульсов (генератор).

В исходном положении источник 1 анализируемого сигнала подключен через квантователь 2 к одному входу умножителя 3. Неподвижные контакты переключателя 4 подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока. Выход умножителя 3 соединен через переключатель 5 и блок 6 запоминающих элементов с входами сумматора 7. Выход переключателя 8 подключен к входу умножителя 3, а вход переключателя 8 соединен с неподвижным контактом переключателя 4. Выход генератора тактовых импульсов 9 связан с управляющими входами квантователя 2 и переключателей 4 и 5.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Анализируемый сигнал x(t) в интервале 0tТ прерывается квантователем 2 с частотой прерывания , значение которой по теореме Котельникова целесообразно выбрано такой величины, чтобы не было потери информации о сигнале x(t) в паузах дискретизации. Частоту прерывания задает генератор 9.

Если интервал времени 0-Т прерывается четным числом m отрезков, то

При условии, что m=2n(i+1), где i=0, 1, 2, , m-1.

Другой гармонический коэффициент Фурье в этом случае имеет значение:

Искомое значение модуля гармонической составляющей Фурье получается:

.

В каждом i-ом такте работы генератора 9 анализируемый сигнал квантуется с помощью квантователя 2 и в виде импульсов X_i, поступает на один вход умножителя 3, на другой вход которого подается разнополярное напряжение с выхода делителя 8. Переключатель 4 и делитель напряжения 8 реализуют множитель в искомом выражении С_n. Результат перемножения в виде импульсного сигнала на выходе умножителя 3 распределяется с помощью переключателя 5.1 на входы запоминающих элементов 6 для последующего их суммирования в сумматоре 7.

По завершению последнего из m тактовых импульсов на выходе генератора 9 предъявляется искомый результат С_n модуля гармонических составляющих Фурье для любого заданного значения n на выходе сумматора 7 и, кроме того, с помощью переключателя 5.2 осуществляется сброс накопленных величин в блоке 6 для приведения его в исходное состояние.

Промышленная осуществимость предлагаемого устройства обосновывается тем, что в нем используются типовые узлы и блоки по своему прямому, известному в аналоге [1] и прототипе [2], функциональному назначению. В организации - заявителе изготовлен действующий макет анализатора спектра сигнала в 2010 году.

Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что расширяются функциональные возможности анализатора спектра сигнала за счет вычисления модуля гармонических слагаемых Фурье без дополнительных вычислительных средств.

Литература:

1. Устройство для вычисления гармонических коэффициентов Фурье, Авт. свид. СССР на изобретение 590764, 1978 г., Бюллетень изобретений 4, 1978 г. (аналог).

2. Устройство для определения коэффициентов Фурье, авт. свид. СССР 1656562, МПК G06G 7/19, 1989 г. (прототип).

1. Анализатор спектра сигнала, содержащий переключатель на два положения и последовательно соединенные между собой источник анализируемого сигнала, квантователь, умножитель, переключатель на m положений, m запоминающих элементов и сумматор, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что содержит генератор тактовых импульсов, переключатель на n положений и делитель напряжения, n отводов которого подключены к соответствующим неподвижным контактам переключателя на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым входом умножителя, один крайний отвод делителя напряжения подсоединен к общей шине устройства, а другой крайний отвод делителя напряжения соединен с подвижным контактом переключателя на два положения, неподвижные контакты которого подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющим входам квантователя и переключателей на два, n и m положений.

2. Анализатор спектра сигнала, отличающийся тем, что генератор тактовых импульсов выполнен с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде.