Способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов

 

Изобретение относится к спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности анализа путем стабилизации параметров полосовых фильтров. Способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов основан на том, что предварительно, до получения результатов спектрального анализа, опорные сигналы парных частот дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих тестовых сигналов на значения фазовых сдвигов, вносимых настроенным полосовым фильтром. Суммируют продетектированные сигналы парных частот. Полученный сигнал ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала. Вычитают полученный сигнал из сигнала, пропорционального нормированному коэффициенту передачи подстраиваемого полосового фильтра. Полученным разностным сигналом изменяют его коэффициент передачи до равенства нулю этого сигнала. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОРИА ЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А2

„.SU,» 1553 1 (51)5 G 01 R 23 16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П1НТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (61) 1471147 (21) 4491075124-21 (22) 18.07.88 (46) 30.03.90. Бюл. У 12 (71) Институт кибернетики им.В.М.Глушкова АН УССР (72) В.Т.Кондратов и Ю.А.Скрипник (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1471147, кл. G 01 R ?3/16, 1987. ! (54) СПОСОБ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к области спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности анализа путем стабилизации параметров полосовых фильтров. Способ параллельного спектрального анализа электрических сигИзобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к технике параллельного спек-: трального анализа, и может быть использовано в радиотехнике, медицине, гидроакустике, ультразвуковой дефектоскопии и т.д. для измерения спектральных составляющих сложных сигналов, а также в синтезаторах сигналов.

Цель изобретения — повышение точности анализа.

На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа.

Сущность способа заключается в следующем.

Предварительно, до получения результатов спектрального анализа, опор2 налов основан на том, что предварительно, до получения результатов спе" ктрального анализа, опорные сигналы парных частот дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих тестовых сигналов на значения фазовых сдвигов, вносимых настроенным полосовым фильтром. Суммируют продетектированные сигналы парных частот. Полученный сигнал ослабляют в число раэ, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала. Вычитают полученный сигнал из сигнала, пропорционального нормированному коэффициенту передачи подстраиваемого полосового фильтра. Получен- Я ным разностным сигналом изменяют его коэффициент передачи до равенства ну" лю этого сигнала. 1 ил.

С ные сигналы парных частот дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих тестовых сигналов, опорные сигналы дополнительно сдвигают по фазе на значение фазовых сдвигов, вносимыхнастроенным полосовым фильтром,сумми-, руют продетектированные сигналы парных частот, полученный сигнал ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала, вычитают полученный сигнал из сигнала, пропорционального.. g коэффициенту передачи настроенного полосового фильтра, полученным раэностным сигналом изменяют его коэффициент передачи до равенства нулю это.го сигнала.

1 553915

Для параллельного спектрального анализа электрического сигнала, описываемого выражением

П . 5

U „(t)= 7 V „sin(/r, t + g.) (1) U„(t)=Ч „,. sin(u„;t+ср„,); (2) 0 ; (t)=V,. sin(w< t-p,), (3) сетки парных частот ы „;и /./щ, симмет30,,ричных относительно центральной частоты //1. полосовых фильтров, т.е.

1 удовлетворяющих условию (4) 35 // (/н + " 6 )/2.

При этом парные частоты //„; и и тестовых сигналов имеют определенную для каждого i-го полосового фильтра разность частот 40 (5) 6| он

Частоты сд„;и u) ; тестовых парных сигналов выбирают за пределами полосы пропускания 45

2 ь Я, = (ю.+ай.)-(ы, "йй,), (6) . установленной на уровне 0,707 относительно центральной частоты д.исходя I из ослабления амплитуд этих сигналов на 30-40 дБ, т.е. (7) (д) . /л 1 +A Я;

ы„с с; -аЙ;. (8) При этомразность i-х парных частот,55 (7) и (8) превыпает полосу пропускания i-ro фильтра дм; = Mы-мк1 72ай/ ° (9) где i = 1,2,3,...,n используют И параллельно соединенных по входу полосовых фильтров с полосой пропускания !О

2dQ., отвечающей условию 2dg,///; =

= const При этом центральные частоты полосовых фильтров устанавливают равными выбранным значениям частот спектральных составляющих, т.е. //,, д,... 15 ..., <и,,...,и/,„. В результате воздействия внешних дестабилизирующих факторов изменяются центральные частоты полосовых фильтров и их коэффициенты передачи, и для i-го полосового филь- 20 .тра, они приняли соответственно зна .чения ы,, и k ., вместо /„/,и k

Согласно йредложенному способу параллельного спектрального анализа формируют тестовые сигналы 25

На частотах (/) и (8) амплитуда входного сигнала i-.ãî полосового фильтра должна ослабляться на 3040 дБ по сравнению с амплитудой сигнала на центральной частоте <о. поло/ сового фильтра. Это условие обеспечивает правильный выбор тестовых сигналов сетки парных частот.

Ослабляют тестовые сигналы (2} и (3) до уровня анализируемого сигнала (1). В частности, например, тестовые сигналы (2} и (3} ослабляют до тех пор, пока их не превысит действующее значение входного сигнала, т.е. (1 0) (11) Чь Чью 1 о. Чек

- коэффициент ослабления i-x тестовых сигналов (1с <1), одинаковый для боковых часТОТ /) 6, И Мн, э — амплитудное значение входного сигнала; где k и — амплитудные значения i-й пары ослабленных тестовых сигналов.

Суммируют исследуемый и ослабленные тестовые сигналы

П . (t) =U,„(t)+CU„;(t)+U „(t)):k,. (12)

Суммарные сигналы (1I2) пропускают через полоеовые фильтры. В результате на выходах полосовых фильтров получают электрические сигналы

П;(t) = V; sin(u,.t + q/ +Ay, ) +

+ V;„Sin(v„;t + 4«+ 4Ц„;) +

+ V; z sin(uвР /./ ь "4Чщ ) (13) где +dcp,, +,/, л/у ; — Фазовые сдвиги,вносимые настроенным -м полосовым фильтром, на частотах /,„ „. и /|

Н 6/ соответственно;

/.

Ч „; = k / V ; — амплитудное значение спектральной составляющей.,прошедшей через i-й полосовой фильтр

У

Ч1 // k i k // Ч / ///у V /g kf 1С //

Ч/ ; — амплитудные значения тестовых сигналов, прошедших через i-й полосовой фильтр.

Выходные сигналы (13) полосовых фильтров синхронно детектируют с использованием в качестве опорных тестовых сигналов каждой пары частот // .и

//

// ; в отдельности. При применении релейных синхронных детекторов в качестве опорных сигналов могут быть ис1 1

U . (t) = = — — sin(2m-1)х н(7» „,, Zm-1

«(Ю „, + (4 н; + б» »», ) «

U l(t) =-„

1 1 з1п(2тв-1)

DS l 7((»((,» 2lll 1 (14) " »»е| " — Чв » в 3 (15) В результате синхронного детектирования сигнала (13) с использовани25 ем опорных сигналов (14) и (15) получают сигналы л

»о (н

v,. - ) и„(> u,„, (e>ac= (н

=1 в (, Чтн» = »-Чпн, V ; = ) 0,(t) U,, (t)dt=

1 с

= ko ki -k; Ч„, = k, Ч.„., (1 7) где н; и ; — постоянные времени фильтров нижних частот; 40 — коэффициент передачи синхронного детекторૠ— коэффициент пропорциональности« прапор- 45 циональный амплитудным значениям тестовых сигналов и коэффициентам передачи k,,k, и k,.

50

Определяют разность и полусумму продетектированных сигналов парных частот

v .=v. -v .=к(v .-v ) °

Дi li 1(mwi тв| « (18)

Ч1-, -- О,5(Ч((+Ч »-)=К(Ч, »+Ч,„ь» )/2 ° (19) 5 15539 пользованы, например, сигналы типа меандр с единичной амплитудой, основными частотами (,»„; и ю ; i-й пары и начальными фазовыми сдвигами d (l и d tf

Н» 6

Последнее обусловлено тем, что согласно предложенному способу опорные сигналы парных частот ьу н,и ы, дополнительно сдвигают по фазе относитель" но соответствующих по частоте тестовых сигналов на значения +дц„,, и

».д(,фазового сдвига, вносимого настроенным i-м полосовым фильтром.

Полученные опорные сигналы описываются выражениями: !5

15 6

Раэностным напряжением (18) подстраивают центральную частоту соот- - ветствующего полосового фильтра до момента равенства нулю разностного напряжения, т.е. до значения V . О

Д! или

Ч н1 н» Ч хч В i ° (20) при котором ы = (»

Равенство (20) устанавливается при симметричном расположении значений парных частот («»„;и (.» ., на частотйой оси относительно центральной частоты а ., равной полусумме парных частот.

Вь»деление разностного сигнала (18),, содержащего информацию о величине и знаке разности амплитуд тестовых сигналов в зависимости от величины и знака расстройки полосового фильтра, обеспечивает подстройку центральной частоты Ы . соответствующего полосово1 го фильтра до номинального значения (.»,. Исключение влияния фазового сдвига, вносимого расстройкой полосового фильтра по тестовому сигналу, повышает точность подстройки центральной частоты. Это позволяет выбирать частоты тестовых сигналов вдали от полосы пропускания, что повьппает помехозащищенность по основному анализируемому сигналу.

Согласно предложенному способу полученный сигнал (19) ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала, т.е. в 2М ; = 28 Ч,„„; раз, где S(1/В ) — крутизна преобразования, равная, например, единице. Поскольку при равенстве (?0) .коэффициенты переI I дачи k „, и k »»; на частотах (, .и

Hi равны, т.е. k „; = k p; = k,. то получают сигнал

V ; /2N о» = К .Ч н, /2)Я о, kp k„k ;

= V k.

sv Г (21) где kq = k, k,/SUB ) — коэффициент пропорциональности.

Вычитают полученный сигнал (21) из сигнала

Чо; = 1 я 1 » (2")

k,/à — коэффициент пропорциональности, равный приведенному выше значению kz)B ), пропорциональному нормированному коэффициенту передачи k ., i-ro подстраиваемого полосового фильтра:

Vp» = Vp, — Ч„; = kg(k» — ki) (23) 1553915

Полученным разностным сигналом (23) изменяют коэффициент передачи

i-го полосового фильтра (путем измеНения, например, коэффициента усиления активного фильтра или изменением сопротивления резисторов пассивного фильтра) до равенства нулю этого сиги цала, т.е. до V4; = О или

kg(k, — 1с ;) О. (24) 10

Равенство (24) достигается при и! т.е. при установлении коэффициента передачи i-го полосового фильтра, измененного под действием

15 внешних дестабилизирующих факторов, рукавным номинальному значению k;.

Если бы при синхронном детектироМании использовались опорные сигналы, не сдвинутые по фазе, то были бы полу20 чены продектированные сигналы

Ч К Vt„H1 cos49Hi1

Ч ; = К V пв; cos 4Чв, г1де 4Ч„; и 4 g — дополнительные фа- 25 зовые сдвиги, вносимые полосовым фильтром.

Полусумма

V,. = 0,5(V, + V ;) =

=0,5K)V ; cos4yв,.+Ч „.,cos4<„;j

И разность продетектированных сигналов в этом 35 случае содержит погрешность, обусловл енную значениями фазовых сдвигов

4 Чв; и 4(gs; вносимых настроенными полосовыми фильтрами в суммарные сигнавида (12). В результате при под- 40 с ройке разностным напряжением V

4 центральной частоты соответствующего полосового фильтра возникает погрешность подстройки, зависящая от значений 4 Чв,.и 4 Ч„1. Аналогично возникает 45 погрешность подстройки коэффициента передачи i-ro полосового фильтра при

1 использовании напряжения V< . Введение в опорные сигналы парньм частот

1 мн, H 40 . дополнительных фазовьм

СДвигов и Ч„.и 4 Ч в; обеспечивает исключение погрешностей подстройки центральных,частот и коэффициентов передачи полосовых фильтров. Действительно, при синхронном детектировании : . 55 сигналов вида (13) с использованием ойорных сигналов (14) и (15) сов 1 Чв сов(дЧв — 4Чв 1 = О

cosd Ч„= созе,4Ч„, " д 9„; ) = 0 °

Тогда настройка центральной частоты полосового фильтра осуществляется разностным напряжением

I(Ч4 = К(Ч,„„cos d ö,— Ч„„„cos dy )= т.е. равным напряжению (1О).

При настроенном полосовом фильтре

V „. = V в,.= V1, напряжение V ., с учетом того, что cos 8Ч = соз Уg О, записывается в виде:

Ч:е 0 5К(Чьи + Чье ) К Чгпн1

=KЧ„,; =KV;

Этим напряжением осуществляется подстройка коэффициента передачи соответствующего полосового фильтра.

Причем управляющее напряжение не содержит погрешностей, зависящих от

4 Ч;и 4 Ч„,, что обеспечивает высокоточную подстройку коэффициента передачи.

Анализатор спектра параллельного действия содержит широкополосный усилитель 1, сумматоры 2-4, суммирующие усилители 5-7 с регулируемым коэффициентом передачи, генератор 8 сетки парных частот, полосовые фильтры 9-11 первого, i-го и N-ro параллельных каналов„ формирователи 12-14 управлян щих сигналов, амплитудные детекторы

15-17, электронный коммутатор 18, счетчик 19 импульсов и цифровой осциллограф или регистратор 20.

Полосовые фильтры 9-11 имеют два контура регулирования — по центральной частоте и по коэффициенту передачи.

Анализатор спектра параллельного действия работает следующим образом.

Анализируемый сигнал (1) поступает на вход широкополосного усилителя

1, где усиливается до требуемого уровня. С выхода широкополосного усилителя анализируемый сигнал поступает на объединенные первые входы сумматоров

2-4. На вторые входы сумматоров 2-4 поступают тестовые сигналы с частотами м „; и ув;. Последние формируются с помощью генератора 8 сетки парных частот. Генератор 8 выдает сигнал как синусоидальной, так и прямоугольной формы с основными частотами ы„, и м в; для каждой ь-й пары.

Для формирования i-ro парного тестового сигнала выходные синусоидаль1553915

Предложенный способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов характеризуется повышенной точностью анализа. Это достигается

50 ные сигналы (2) и (3) генератора 8 попарно суммируют с помощью суммирую.щего i-ro усилителя 6. Подбором коэффициентов передачи k усилителей 5-7. устанавливают требуемые значения тестовых сигналов, поступающих на вторые входы сумматоров 2, 3 и 4 соответственно. С выходов сумматоров 2-4 сигналы вида (12) поступают на входы пелосовых фильтров 9-11 соответственно. Приэтом центральные частоты полосовых фильтров 9-11 соответствуют выбранным значениям частот спектральных составляющих. Полоса пропускания полосовых фильтров на уровне 0,707 определяется выражением (6).

В результате фильтрации на выходах полосовых фильтров 9-11 появляются сигналы вида (13), которые поступают на входы амплитудных детекторов 1517, а также на первые сигнальные входы формирователей 12-14 управляющих сигналов полосовых фильтров.

Подстройка центральной частоты и 25 коэффициента передачи i-го полосового фильтра осуществляется до равенства нулю разностных сигналов (18) и (23) .

Выходные сигналы подстроенных полосовых фильтров детектируются с по- 30 мощью амплитудных детекторов 15-!7.

В результате на входы электронного коммутатора 18 поступают сигналы, равные амплитудным значениям спектральных составляющих анализируемого сигнала (1) . Эти сигналы через электронный ком-— мутатор поступают на вход цифрового осциллографа 20 (нли регистратора).

Переключение электронного коммутатора 18 осуществляется с помощью счет-„ чика импульсов 19, управляемого выходными низкочастотными импульсами генератора 8. Синхронизация развертки цифрового осциллографа 20 осуществляется передним фронтом выходного 4 импульса младшего разряда счетчика 19. за счет дополнительной стабилизации . коэффициента передачи фильтра наряду со стабилизацией его центральной частоты. При этом исключается влияние фазовых сдвигов, вносимых настроенным полосовым фильтром на частотах тестовых сигналов. Кроме того, исключается неизбежная нестабильность амплитуд тестовых сигналов.

Исключение влияния фазового сдвига повышает точность подстройки центральной частоты. Это позволяет выбирать частоты тестовых сигналов вне поносы пропускания, что повьппает помехозащищенность по основному анализируемому сигналу.

Стабилизация коэффициентов передач полосовых фильтров, наряду со стабилизацией центральных частот повышает точность спектрального анализа.

Предложенный способ обеспечивает исключение погрешностей, обусловленных временной и температурной нестабильностью характеристик полосовых фильтров.

Формула изобретения

Способ параллельного спектрального анализа электрических сигналов по авт.св. Р 1471147, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повьппения точности, предварительно до получения результатов спектрального анализа опорные сигналы парных частот дополнительно сдвигают по фазе относительно соответствующих тестовых сигналов на значения фазовых сдвигов, BHocHMbIx настроенным полосовым фильтром, суммируют продетектированные сигналы парных частот, полученный сигнал ослабляют в число раз, равное удвоенному значению амплитуды соответствующего тестового сигнала, вычитают полученный сигнал из сигнала, пропорционального нормированному коэффициенту передачи настроенного полосового фильтра, и полученным разностным сигналом изменяют его коэффициент передачи до равенства этого сигнала нулю.

Составитель Е.Губанов

Редактор Л.Пчолинскаж Техред Л.Сердюкова Корректор Н.Ренская

Заказ 454 Тираа 553 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откратияи при ГКНТ СССР

113Î35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101