УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ОТНОШЕНИЙ СИГНАЛ/ШУМ

Полезная модель относится к области радиоизмерений, а именно к измерению отношений сигнал/шум.
Известно, устройство для измерения отношения сигнал/шум содержащее последовательно соединенные первый квадратор, первый узкополосный фильтр, а также первый вычислитель и вычислитель отношения сигнал/шум, первый вход которого подключен к выходу первого вычислителя, введены n-входовой мультиплексор и n-каналов, каждый из которых содержит интегратор и соединенные последовательно вычислитель, квадратор, узкополосный фильтр, преобразователь; при этом выход первого квадратора соединен с входами интегратора и вычислителя первого канала, выход квадратора первого канала соединен с входами интегратора и вычислителя второго канала и так далее, выход квадратора n-го канала соответственно, а выход интегратора каждого канала соединен со вторым входом вычислителя этого же канала соответственно; выход первого преобразователя подключен к первому входу мультиплексора, выход функционального преобразователя первого канала подключен ко второму входу мультиплексора и так далее, выход функционального преобразователя n-го канала подключен к n-му входу мультиплексора соответственно, выход которого соединен со вторыми входами первого вычислителя и вычислителя отношения сигнал/шум соответственно, а выход интегратора первого канала подключен также к первому входу первого вычислителя [Ав. св. СССР №1441334 Б. №.44.88 г.].
Устройство для измерения отношения сигнал/шум, выбранное в качестве прототипа, содержит нелинейный элемент с квадратурной характеристикой, вход которого является входом устройства,
последовательно соединенные первый квадратор, первый фильтр нижних частот и делитель, выход которого является выходом устройства, а также второй фильтр нижних частот, введенные первый полосовой фильтр, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу нелинейного элемента, и второй квадратор, а также вычислитель, первый вход которого подключен к выходу второго фильтра нижних частот, а выход к второму входу делителя, при этом входы первого и второго полосовых фильтров подключены к выходу нелинейного элемента, выход первого полосового фильтра подключен к входу первого квадратора, а выход второго квадратора к входу фильтра нижних частот. [Ав. св. СССР №1529148 Б. №.46.89 г.]
Основным недостатком существующих измерителей отношений сигнал/шум, в том числе взятых в качестве аналога является низкая точность измерений в области малых отношений сигнал/шум, а именно в диапазоне 0<С/Ш<3.
Измеритель отношений сигнал/шум принятый за прототип предназначен для измерения отношения сигнал/шум в диапазоне малых значений 0<С/Ш<3.
Однако следует отметить, что нелинейный элемент является по сути амплитудным детектором. Поэтому, существует возможность, что отдельные компоненты спектров сигнала и шума будут детектироваться в режиме «слабого» сигнала на нелинейной части ВАХ нелинейного элемента, в то время как другие будут детектироваться в режиме «сильного» сигнала. Это обстоятельство будет оказывать существенное влияние на точность измерения. Для устранения вышеизложенного источника погрешности необходимо либо предусмотреть предварительное усиление смеси сигнала и шума для обеспечения детектирования в режиме «сильного» сигнала, либо применить другой способ преобразования входного процесса.
Решаемой технической задачей, в предложенном устройстве измерения малых отношений сигнал/шум, является упрощение реализации и повышение точности измерений в области малых отношений сигнал/шум, по сравнению с прототипом.
Решаемая техническая задача достигается использованием нового принципа преобразования входного сигнала посредством статистической оценки количества перескоков фазы высокочастотной составляющей на π в реализации для которой производится оценка отношения сигнал/шум.
Решаемая техническая задача в предложенном устройстве для измерения малых отношений сигнал/шум, содержащем узкополосный фильтр соединенный с блоком индикации через нелинейный элемент, достигается тем, что нелинейный элемент содержит последовательно соединенные фазовый детектор, компаратор, счетчик, при этом входы управления счетчика соединены с выходом блока управления.
Большинство радиотехнических систем являются как правило узкополосными, для которых справедливо следующее условие
где ΔF - ширина спектра выходного сигнала
F - промежуточная частота приемно-регистрирующей системы.
Как следует из [В.И.Тихонов. Статистическая радиотехника. «Советское радио». M. 1966 г. [1]], при воздействии на такую систему стационарных флуктуаций с широким спектром на выходе в общем случае имеем узкополосный шум ξ{t}.
Флуктуации ξ(t) можно представить в виде гармонического сигнала, случайно модулированного по амплитуде и фазе
0
A(t) и φ(t) - медленно изменяющиеся функции по сравнению с cosωt, представляющие огибающую и случайную фазу узкополосного процесса.
Если на вход узкополосной системы подается нормальный широкополосный шум, то выходной процесс ξ(t) и огибающая A(t) будут также нормальными с нулевым средним значением [2], т.к. выходной сигнал является линейным преобразованием входного нормального процесса.
Рассмотрим структуру узкополосного процесса. Представим огибающую A(t} в виде разложения в ряд Фурье;
так как А(t) - нормальный случайный процесс с нулевым средним значением, то нулевой член разложения отсутствует.
С учетом этого разложения узкополосный процесс может быть представлен в следующем виде;
Как следует из (4), узкополосный процесс по своей структуре соответствует структуре сигнала биений. Из теории колебаний следует, что в сигнале биений, результирующее колебание изменяет фазу высокочастотной составляющей на π при каждом переходе огибающей через ноль.
Наличие перескоков фазы узкополосных случайных сигналов известно из теории узкополосных сигналов [1].
В этом случае узкополосный процесс на выходе линейного фильтра будет состоять из суммы гармоник шумовых флуктуаций, образующих сигнал биений и гармонической составляющей полезного сигнала.
Так как смесь сигнала и шума подается на линейную систему, для которых справедлив принцип суперпозиции, то сигнал на выходе узкополосного фильтра можно представить в следующем виде:
Из выражения следует (5), что структура аддитивной смеси сигнала и шума зависит от уровня гармонического сигнала. Как и предполагалось выше, при больших значениях амплитуды гармонического сигнала (С/Ш>3} структура смеси сигнала и шума подобна структуре амплитудно-модулированного сигнала, а при малых уровнях гармонического сигнала (0<С/Ш<3), структура смеси близка к структуре амплитудно-модулированного колебания с частично подавленной несущей.
Изменение структуры узкополосного процесса приводит к тому, что число перескоков фазы в отдельно взятой реализации статистически зависит от отношения сигнал/шум. График зависимости числа перескоков фазы от отношения сигнал/шум приведен на Фиг.1. Как видно из представленного графика зависимость числа перескоков фазы наиболее ярко выражена в области малых отношений сигнал/шум т.е. в диапазоне (0<С/Ш<3). Рассмотренная зависимость может быть использована для точного измерения малых отношений сигнал/шум.
Устройство для измерения малых отношений сигнал/шум приведено на Фиг.2.
Устройство для измерения малых отношений сигнал/шум (Фиг.2) содержит узкополосный фильтр 1 соединенный с блоком индикации 2 через нелинейный элемент 3, при этом нелинейный элемент 3 содержит
последовательно соединенные фазовый детектор 4, компаратор 5, счетчик 6, управляющие входы которого соединены с блоком управления 7. Входом устройства является вход узкополосного фильтра 1. Выходом устройства является выход блока индикации 2. Блоки; фазовый детектор 4, компаратор 5, счетчик 6, управляющие входы которого соединены с блоком управления 7, подключены к соответствующим системам электропитания, которые на чертеже не показаны. Алгоритм работы блока управления 7 приведен в приложении к заявке.
Рассмотрим работу устройства для измерения малых отношений сигнал/шум.
В начале измерения с блока управления 7 регистры счетчика 6 обнуляются и на его вход управления подается сигнал разрешения счета импульсов с компаратора 5.
Устройство измерения малых отношений сигнал/шум, включает узкополосную фильтрацию входной смеси сигнала и шума, которую осуществляют узкополосным фильтром 1 и его нелинейную обработку, которую осуществляют нелинейным элементом 3, нелинейную обработку смеси сигнала и шума осуществляют путем определения числа перескоков фазы высокочастотной составляющей входной смеси на те в интервале заданной длительности и по значению числа перескоков фазы определяют отношение сигнал/шум, что осуществляется работой блоков, фазового детектора 4, компаратора 5, счетчика 6 и блока управления 7. Длительность временного интервала определяется необходимой точностью измерения. Например, для обеспечения погрешности измерения не более 10% длительность временного интервала, в течение которого производятся измерения Δt, должна быть не менее Δt≥100 Т, где Т - период колебания высокочастотной составляющей входной смеси.
on
Компаратор 5 сравнивает напряжение с выхода фазового детектора 4 с опорным напряжением U которое подбирается таким образом, чтобы при
каждом перескоке фазы высокочастотной составляющей узкополосного процесса на входе узкополосного фильтра 1, компаратор 5 изменял уровень выходного сигнала. Таким образом счетчик 6 подсчитывает число перескоков фазы во временном интервале заданной с устройства управления 7 длительности, которое отображается на блоке индикации 2.
Предлагаемое устройство позволяет производить измерение малых отношений сигнал/шум и по сравнению с прототипом обладает более высокой точностью за счет использования фазовых отличий смеси сигнала и узкополосного шума и просто шума, и простотой реализации.
В качестве узкополосного фильтра 1 может быть использован любой узкополосный фильтр, например собранный по схеме рис.5.19а /Горошков В.И. «Элементы радиоэлектронных устройств»: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988 - Массовая радиобиблиотека: Вып. №1125/ или линейный тракт приемного устройства для которого производятся измерения. В качестве фазового детектора может быть использован фазовый детектор входящий в состав микросхем для радиоприемной аппаратуры или выполненный на дискретных элементах по любой стандартной схеме, например по схеме 7.3 /М.Мэндл 200 избранных схем электроники. - М. Пер. с англ. Изд-во «Мир», 1980 г. 249 с./ Компаратор 5 и счетчик 6 выбираются из стандартных микросхем с учетом диапазона рабочих частот, напряжения питания и т.п. Блок управления 7 со своей сути представляет реле времени с возможностью ручной установки временного интервала в течение которого производится измерение, поэтому может быть выполнено по любой из известных схем. Например по схеме (Рис.34., Федотов Г.А. Электрические и электронные устройства для фотографии. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1991. - 96 с.: ил.). Для использования приведенной схемы в качестве блока управления необходимо вместо одинарной кнопки SB1 (КМ1-1) использовать сдвоенную кнопку (КМ1-2) и вторую группу контактов использовать для сброса счетчика 6 в нулевое состояние.
В качестве устройства блока индикации могут быть использованы сегментные индикаторы тип и схема включения которых зависит от типа счетчика. (Быстров Ю.А., Гапунов А.П., Персианов Г.М. Сто схем с индикаторами - М.: Радио и связь, 1990. - 112 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып.1134).).
Блок управления 7 по своей сути представляет собой временной таймер для управления работой счетчика 6 с возможностью ручной установки временного интервала в течение которого производится измерение.
Перед началом измерения оператор устанавливает на устройстве управления время в течение которого будут производится измерения, при этом, блок управления 7 подает на управляющий вход счетчика 6 сигнал «запрет счета».
В момент начала, которое задается оператором путем нажатия на кнопку «Начало измерения», блок управления формирует короткий импульс для сброса счетчика в нулевое состояние, после чего на управляющий вход счетчика подается сигнал «разрешения счета». По истечении временного интервала установленного оператором на управляющий вход счетчика 6 подается сигнал «запрет счета». При этом в регистрах счетчика 6 фиксируется число перескоков фазы за период измерения. Состояние регистров остается неизменным до следующего цикла измерений.