Цифровой рециркуляционный анализатор спектра в реальном масштабе времени

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистимеских

Республик (») 51 7856 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 16.02.73 (21) 1884385/10 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 15.06.76, Бюллетень №22 (45) Дата опубликования описания14.01.77 (51) M. Кл.

G01 R 23/00

Государственный комитет

Совета Мииистров СССР оо делам изооретеиий и открытий (53) УДК

621.317.757 (088.8) (72) Автор изобретения

А. В. Зеленков

Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской„" авиации им. Ленинского комсомола а

Д " -, »> (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ

2,3

Изобретение относится к разновидности устройств

;пектрального анализа быстропротекающих процессов, представленных дискретнь>ми выборками, в реальном времени.

Известны цифровые анализаторы спектра в реальном масштабе времени, выполненные по принципу цифрового рециркуляционного устройства с компенсацией фазового сдвига выборок входного сигнала и их синфазным накоплением в двух связанных между собой квадратурных каналах накопления — канале 1р получения выборок вещественной части и канале получения выборок мнимой части спектра входного сигнала.

Однако частотный диапазон и разрешающая способность такого анализатора спектра ограничены быстродействием цифровых элементов, составляющих каналы накопления выборок входного сигнала.

Для расширения диапазона анализируемых частот и увеличения разрешающей способности предлагаемый анализатор снабжен дополнительными квадратурными каналами получения выборок вещественной и мнимой частей спектра входного сигнала, ключами, соединенными с их выходами, и коммутатором, подключенным к управляющим входам ключей, выходы которых связаны с входами устройств возведения в квадро .

Описываемый анализатор представлен на чертеже, 1де — полосовой фильтр или фильтр нижних час> тот с шириной полосы пропускания — (гц)

>" — аналого-цифровые преобразователи с 3апоминанием амплитуды выборок в двоичном коде на время Т; — полосовой фазовращатель на 90 в полосе частот — гц)

Т

1 — устройство автоматической регулировки усиления и фазового сдвига на 90о;

6 — входной сумматор вещественного канала первой пары квадратурных каналов;

7 — входной сумматор мнимого канала первой пары квадратурных каналов;

8 и 9 — оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) соответственно вещественного и мнимого каналов первой пары;

10 и 11 — устройства умножения выборок соответственно вещественного и мнимого каналов

517856

0 <81< — ë)

360

43

24 первой пары на выборки где 8 соответствуют значениям В для первой нары, т. е. в диапазоне

12 и 13 — устройства умножения выборок соответственно вещественного и мнимого каналов первой пары на выборки COS В

14 — вычитающее устройство вещественного f© канала первой пары;

15 — суммирующее устройство мнимого канала первой пары;

16 и 17- выходные сумматоры соответственно вещественного и мнимого каналов и — ои лары квадратурных каналов;

18 и 19 — ОЗУ соответственно вещественного и мнимого каналов n — ой пары;

20 и 21 — устройства умножения выборок соответственно вещественного и мнимого каналов п — ой пары; на выборки SLII ВГ, где 9р соответствуют значениям 8 для n —; т. е. в диапазоне

360 < Од < 360, 22 и 23 — устройства умножения выоорок соответственно вещественного и мнимого каналов и — ой пары на выборки sin 8 — вычитающее устройство вещественного канала п — ой пары;

25 — суммирующее устройство мнимого канала rL -ой лары;

26 — постоянное запоминающее устройство 35 (ПЗУ) выборок sin Идля всех пар квадратурных каналов (0 % 9 < 360о);

27 — ПЗУ выборок Cos Вдля всех пар квадратурных каналов;

28,29,30,31 — ключи, стоящие на выходе вещественных каналов первой, второй, ....., к-ой,.....

n — ой пар квадратурных каналов;

32,33,34,35 — ключи, стоящие на выходе мнимых каналов первой, второй,.....,к-ой,..... n îé пар квадратурных каналов;

36 — коммутатор, по очеред после м-ой ц рку ляции попарнс открывающий ключи 28 и 32, стоящие на выходе соответственно вещественного и мнимого каналов первой пары, ключи

29 и 33 — на выходе второй пары, ключи 30 и

56

34 — на выходе к — ой пары, ключи 31 и 35 на выходе последней n — ой пары на время, необходимое для считывания и выборок огибающей спектра в соответствующем диапазоне 8 каждой пары;

Зб

37 и 38 — устройство возведения в квадрат выборок огибающей соответственно вещественной и мнимой частей спектра;

39 — сумматор квадрата выборок огибающей вещественной и мнимой частей спектра;

40 — цифро-аналоговый преобразователь, к выхоцу которого подключается сглаживающий фильтр; — видеоиндикатор на электроннолучевой трубке, развертка которого запускается в момент времени t = МТ от начала очередного цикла анализа, а длительность ее должна быль не менее времени, требуемого на считывание, возведение в квадрат, суммирование, извлечение квадратного корня и преобразование цифрааналог N выборок огибающей спектра амплитуд (спектра мощности) по всем и парам квадратурных каналов, т.е. общего числа выборок, равного nN; — любого типа устройство записи для регистрации спектра амплитуд (спектра мощности); — устройство извлечения квадратного корня из суммы квадратов выборок вещественной и мнимой частей спектра, т.е. устройство получения выборок модуля спектра (огибающей спектра амплитуд) . Рассмотрим принцип действия цифрового анализатора спектра. Пусть на вход фильтра 1 подано гармоническое колебание с частотой 0- Юх 1- (де 1 = г ), начальной фазой Ч и амплитудой А, т. е.

=А С0 (СО„t г)

Это колебание после фильтра 1 непосредственно подается на вход АЦП 2, т. е.

У „=Ч, =Л cos (са„ф - ) и через фазовращатель 4 — на вход АЦП 3, т. е. бх "а Л (х )

Устройство автоматической регулировки усиления и фазового сдвига 5 предназначено для подцержания равенства амплитуд сигналов на входах AIUI

2 и 3 и сдвига их фаз точно на 90о.

Из сигналов V> и V- с помощью АЦП 2 и 3 берутся выборки с периодом 1., амплитуда которых преобразуется в двоичный код и запоминается на весь период Г

С выхода АЦП 2и 3 выборки сигналов VI и Ч, в двоичном коде И раз в течение каждого периода длительностью Т параллельно подаются соответственно на входные сумматоры вещественных каналов и входные сумматоры MHHMbIx каналов каждой из П пар квадратурных каналов. Так как по структурной схеме построение всех О пар квадратурных каналов полностью идентично, то остановимся более детально на принципе действия одной из пар, а именно первой пары квадратурных каналов.

С выхода входного сумматора 6 выборка (V ) =

»-Л С08 Ч в течение первой циркуляции, т. е. при

1 = 0-Т последовательно И раэ подается на вход оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)

8 вещественного канала первой пары. Одновременно с выхода входного сумматора 7 выборка (V, ) =

«А sLn9 зараз подается на вход ОЗУ 9 мнимого канала первой пары.

ОЗУ 8 и 9 предназначены для запоминания N чисел,поступающих с сумматоров 6 и 7, на время Т .

517856

Так как в течение первой циркуляции на входные сумматоры 6 и 7 поступают только числа (V ) и (V ), то через время Ф = Г от начала анализа во все N ячеек ОЗУ 8 и 9 происходит последовательная запись одних и тех же чисел, соответствующих выборкам (\/з) и (V>);

В течение второй циркуляции происходит последовательное считывание чисел (V>) 1 и (/Д из ячеек

ОЗУ 8 и 9, и они поступают на вход арифметического устройства, производящего операцию перемножения комплексных чисел. При считывании записанное в

:оответствующей ячейке число стирается без восстановления, Арифметическое устройство включает в свой состав четыре устройства умножения: 10, 12 — в канале получения вещественной части спектра и 11, 13 — в канале получения мнимой части спектра, вычитающее устройство 14 в канале получения вещественной части спектра и суммирующее устройство 15 в канале получения мнимой части спектра. Считываемые из ячеек

ОЗУ 8 числа подаются на один из входов устройств умножения 10, 12, а из ячеек ОЗУ 9 числа подаются на один из аналогичных входов устройств умножения

11, 13. На другие входы устройств умножения 10 и

11 по мере поступления чисел с выхода ОЗУ 8 и 9 последовательно поступает N чисел с выхода постоян- 25 ного запоминающего устройства (ПЗУ) 26, соответб 2K чением 8 = — (К -1 KN Я К

После окончания M -ой циркуляции в ячейки

ОЗУ 8 и ОЗУ 9 будет»писано N чисел, соответствующих N значениям 9 = 8 9- — -—

N —.(tl N

1О в диапазоне его изменения для первой пары квадратурных каналов накопления. Одновременно аналогичные N rrap чисел будут записаны в оперативные запоминающие устройства следующей пары квадратурных каналов, но уже соответствуюшие значениям

И 2Х 22 М вЂ” 1 я = 8 = — — — (g +- ),т. е. в диапазоне

2 д Х ствующих выборкам З ц 81 (О и 81 "- гг ) а

2Х на другие входы устройств умножения 12 и 13 поступает И чисел с выхода постоянного запоминаю- ЭО щего устройства (ПЗУ) 27, соответствующих выборкам eos 8». Я чисел, полученных в резульrare перемножения, с выхода устройств умножения 12 и

13 поступает соответственно на вычитающее устройство 14 и суммирующее устройство 15. Одновременно З, на те же устройства 14 и 15 поступает M чисел соответственно с выхода устройств умножения 11 (вычитаемые числа) и 10 (слагаемые числа). С выхода устройства вычитания 14 N чисел, представляющих собой выборки вещественной части результата перефе множения комплексных чисел в арифметическом устройстве, поступает на сумматор 6, а с выхода суммирующего устройства 15 N чисел, представляющих собой выборки мнимой части результата перемножения комплексных чисел в арифметическом устройстве, поступает на сумматор 7.

В ячейках ПЗУ 26 записано Я чисел для каждой К . ой пары квадратурных каналов, соответствующих выборкам Ып О, где 8 „изменяется от(К-1.) PU (1 — Х + — )

2X И -1 2%Ã 6© гт и

=2Х

К= 1, 2, 3,, П, с шагом Ь8 =, а в ячейках.

ПЗУ 27 — соответственно Ч чисел, соответствующих выборкам СОЯ 8, Так для первой пары квад55 ратурныхканалов К-1,то О < 8 <<

2зь 3 -1

Таким образом, для каждой пары квадратурннх каналов ширина диапазона по 8 равна Ь и Я =

2 Г

Последовательное считывание всех 1 значений тт

Sin 8, и 005 В„производится одновременно в Е течение каждого интервала длительностью Г, начиная со значения Ц = (К вЂ” 1.)

2К и кончая знаК, и изменения О для второй пары квадратурных каналов, и, т. д.

С окончанием хх-ой циркуляции процесс накопления во всех парах квадратурных каналов прекращается и происходит последовательное считывание N пар чисел сначала с ОЗУ 6 и 7 первой пары квадратурных каналов, затем N лар чисел е ОЗУ второй пары и т. д. Процесс считывания заканчивается после считывания N пар чисел с ОЗУ 18 и 19 последней О -ой пары квадратурных каналов. Каждая считываемая пара чисел с ОЗУ соответствующего квадратурного канала подается на свою пару ключей, которые открыты только на время ситывания Л) пар чисел данной пары квадратурных каналов. В начале процесса считывания открываются ключи 28 и 32, подключенные соответственно к ОЗУ 6 и ОЗУ 7 первой пары квадратурных каналов, после окончания считывания N чисел с ОЗУ б и 7 ключи 28 и 32 закрываются, а открываются ключи 29 и 33, подключенные к ОЗУ второй пары квадратурных каналов и т. д., затем открываются ключи 30 и 34, подключенные к ОЗУ K -ой пары квадратурных каналов, и в конце процесса считывания — ключи 31 и 35, подключенные соответственно к ОЗУ 18 и ОЗУ 19 последней г1 -ой пары квадратурных каналов. Таким образом, каждая пара ключей открывается поочередно на время, требуемое для считывания N пар чисел с ОЗУ соответствующей пары квадратурных каналов. Такое управление ключами осуществляется при помощи коммутатора 36.

С выхода открытых ключей считанная пара чисел с ОЗУ соответствующей пары квадратурных каналов подается на схемы возведения в квадрат 37 и 38 и после осуществления операции возведения в квадрат складывается в суммирующем устройстве 39. С выхода сумматора 39 результат сложения подается либо сразу на цифро-аналоговый преобразователь 40 и далее на видеоиндикатор 41 или устройство записи 42, либо вначале на устройство извлечения квадратного корня 43, а затем — íà IJAII 40, видеоиндикатор 41 или устройство записи 42.

Устройства возведения в квадрат 37 и 38 одинаковы по схемному построению и представляют собой устройства умножения, на оба входа которых подаются одни и те же числа.

517856

Цифровой рециркуляционный анализатор спектра позволяет осуществить преобразование "частота-время". На интервале времени МТ+ (ЧТ г(й Т<ч), где

Т ч суммарное время, требуемое на считывание, возведение в квадрат, суммирование, извлечение квадратного корня и преобразование цифра-аналог одной пары чисел, поступающих с ОЗУ одной из пар квадратурных каналов, получается ряд "пиковых" чисел, временное положение которых прямо пропорционально частотам 4.>.< гармонических составляющих исследуемого сигнала на выходе фильтра 1, а величина этих чисел прямо пропорциональна квадратам амплитуд или амплитудам соответствующих гармоник.

Максимальное значение частоты, определяющее верхнюю границу однозначного диапазона анализируемых частот входного сигнала определяется из равенCTBB 8 (=8 „= Q+ = сОК HJI((К МАКС К МАКС .-т(й Тe((> - " M„„- я.—

Т

Запустив развертку видеоинцикаторного устройства 41 в момент времени t = M, Г от начала анализа и выбрав длительность развертки равной пЯТсч > на экране электронно-лучевой трубки индикатора 41 можно просмотреть ряд "пиков", огибаюшая которых изменяется либо по закону, близкому к функции вида Slh X, либо к SLn М где х2 (x (экТ) «» 1.

Временное положение максимумов "пиков" на развертке индикатора 41 определяется частотами соответствующих гармонических составляющих исследуемого сигнала, а их величина прямо пропорциональна либо квадратам амплитуд, либо амплитудам тех же гармоник.

Преобразование огибающей чисел в аналоговую форму осуществляется преобразователем цифра-аналог 40 со сглаживающим фильтром на выходе.

Согласно теореме Котельникова для безыскаженного восстановления исходного сигнала необходимо частоту повторения выборок это о сигнала выбирать не менее,чем в 2 раза выше граничной частоты амплитудно-частотного спектра, т. е. в нашем случае равной

2М . Тогда на интервале времени Г1NT г(1 1 тсч число выборок nN должно быть не менее nN = 2M

Так как число циркуляций N определяет разре- 5О шающую способность, а — (Гц) — ширину однознач1 ного диапазона анализируемых частот анализатора спектра рециркуляционного типа, то, выбрав Т а затем величину М можно, варьируя число пар квадратурных каналов и, определить требуемое, исходя из быстродействия элементов, число N выборок по 8 приходящихся на каждую пару квадратурных каналов. При заданном быстродействии элементов максимальная ширина однозначного диапазона получается при N - 1. Однако при этом имеет место и максимальное требуемое число параллельных пар квадратурных каналов г(- 2М.

Следует отметить, что при К = 1 можно из структурной схемы каждой пары квадратурных каналов полностью исключить ОЗУ, так как их роль могут при этом выполнять сумматоры, стоящие на входе каждой пары (например, 6 и 7 на входе первой пары) .

Кроме того, при любом М и л дальнейшее упрощение структурной схемы каждой пары квадратурных каналов можно осуществить путем поочередного использования только одного из квадратурных каналов для получения выборок вещественной и мнимой частоты спектра с запоминанием промежуточных результатов перемножения при осуществлении операции умножения комплексных чисел.

Постоянные запоминающие устройства 26 и 27 можно заменить одним ПЗУ, например, только выборок s(n 8 для значений Я в диапазоне отОдо

Л-, так как любые значения выборок sLn8 и соь. 9

2 для (:(в диапазоне Q — могут быть получены

3t из выборок только sih 8 при 8 в диапазоне 0-—

? путем соответствующего считывания и инвертирования знака, как показано на чертеже.

Всего двух аналого-цифровых преобразователей

2 и 3 можно использовать только один, поочередно подключая его в начале каждого периода циркуляций T к выходу фильтра 1 и фазовращателя 4 и запоминая выборки сигнала на весь период Т. Очевидно, что при этом вредное влияние сдвига выборок за счет конечного времени преобразования АЦП будет тем меньше, чем больше ." по сравнению с временем преобразования АЦП(.

Формула изобретения

Цифровой рециркуляционный анализатор спектра в реальном масштабе времени, содержащий аналоговый полосовой фильтр, полосовой фазовра(датель на

90о, два аналого-цифровых преобразователя, квадратурные каналы получения выборок вешественной и мнимой частей спектра входного сигнала, постоянные запоминающие устройства для выборок синуса сдви(а фазы и косинуса сдвига фазы от О до 360", два устройства возведения в квадрат„сумматор, устройство извлечения квадратного корня, цифро-аналоговый преобразователь со сглаживающим фильтром и индикатор спектра аъптлитуд или мгновенного спектра мощности, о тл ич а ю:„-ий с я тем, что, сцелью расширения диапазона акал(зируемых частот и увеличения разрешающей способности, он снабжен дополнительными квадратурными каналами получения выборок вещественной и мнимой частей спектра входного сигнала, ключами, соединенными с их выходами,и коммутатором, подключенным к управляющим входам ключей, выходь.. которых связаны с входами устройств возведения в квадрат.

517856

Составитель В. Калинин

Техред М. Ликович

Редаткор И. Петрашень

Корректор Л. Мельниченко

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проеткная, 4

Заказ 4891/546 Тираж 102с Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР ло делам изобретений и открьпий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5