СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИДЕНТИЧНОСТИ И НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR CONTROLLING THE IDENTITY AND NONLINEAR PROPERTIES OF AMPLIFICATION PATHS (VARIANTS)

Изобретение относится к области радиоизмерений и позволяет определять степень идентичности усилительных трактов, обладающих нелинейными свойствами. В частности, изобретение может применяться для контроля качества многоканальных усилителей различного назначения, а также оценки искажений, вносимых трактами в исходный сигнал.
Для контроля идентичности усилительных трактов может применяться способ, описанный в [Пат. РФ №2328003. Способ оценки частотных искажений и устройство для его осуществления / Г.Р. Аванесян. - Опубл. 27.06.2008. Бюл. №18] и выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности. Суть способа состоит в определении спектров двух сигналов и измерении коэффициента корреляции полученных спектров, по значению которого можно судить о том насколько спектры сигналов отличаются друг от друга. В случае применения одного тестового сигнала, подаваемого одновременно на входы двух усилительных трактов, сравнение спектров на выходах трактов действительно может показать, как отличаются характеристики трактов. Однако способ-прототип в свое время был предложен как инструмент оценки частотных искажений случайных сигналов, возникающих в контролируемых цепях и по этим причинам оказывается относительно сложным для реализации в качестве средства контроля идентичности усилительных трактов. Указанное является недостатком способа.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в упрощении реализации способа за счет исключения необходимости анализа спектров одновременно двух сигналов.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля идентичности и нелинейных свойств усилительных трактов (вариант 1), предусматривающем определение спектра сигнала и измерение коэффициента корреляции спектров, согласно изобретению, генерируют тестовый синусоидальный сигнал, подают тестовый сигнал одновременно на входы двух усилительных трактов, задают порог фильтрации по амплитуде спектральных составляющих, после чего определяют спектр первого сигнала на выходе первого усилительного тракта, удаляют из спектра первого сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, спектр первого сигнала запоминают, после чего определяют спектр второго сигнала на выходе второго усилительного тракта, удаляют из спектра второго сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, после чего измеряют коэффициент корреляции спектров первого и второго сигналов, извлекая из памяти спектр первого сигнала, полученное значение коэффициента корреляции является оценкой степени идентичности усилительных трактов.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля идентичности и нелинейных свойств усилительных трактов (вариант 2), предусматривающем определение спектра сигнала и измерение коэффициента корреляции спектров, согласно изобретению, генерируют тестовый синусоидальный сигнал, подают тестовый сигнал одновременно на входы двух усилительных трактов, задают в логарифмическом масштабе порог фильтрации по амплитуде спектральных составляющих, после чего определяют спектр первого сигнала на выходе первого усилительного тракта, представляя уровни спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, удаляют из спектра первого сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, после чего уменьшают все спектральные составляющие первого сигнала на величину равную порогу фильтрации, спектр первого сигнала запоминают, после чего определяют спектр второго сигнала на выходе второго усилительного тракта, представляя уровни спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, удаляют из спектра второго сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, после чего уменьшают все спектральные составляющие второго сигнала на величину равную порогу фильтрации, после чего измеряют коэффициент корреляции спектров первого и второго сигналов, извлекая из памяти спектр первого сигнала, полученное значение коэффициента корреляции является оценкой степени идентичности усилительных трактов.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, реализующего первый вариант заявленного способа, на фиг. 2 представлены графики иллюстрирующие способ, на фиг. 3 показана функциональная схема устройства, реализующего второй вариант заявленного способа, на фиг. 4 показана функциональная схема корреляционного процессора, входящего в состав вышеупомянутых устройств, а на фиг. 5 - функциональная схема амплитудного селектора.
Схема устройства по фиг. 1 содержит генератор 1 синусоидальных сигналов, мультиплексор 2, спектроанализатор 3, управляемый амплитудный селектор 4 и корреляционный процессор 5, а также контролируемое устройство 6 с двумя усилительными трактами, входы которых объединены и подключены к выходу генератора 1, а выходы ко входам мультиплексора 2, выход которого соединен со входом спектроанализатора 3, выход которого соединен с сигнальным входом амплитудного селектора 4, выход которого соединен с сигнальным входом корреляционного процессора 5, выход которого является выходом устройства. Управляющий вход амплитудного селектора 4 является входом S задания порога фильтрации устройства, входами выбора режима работы устройства являются адресный вход А1 мультиплексора 2 и входы А2, WR/RD корреляционного процессора 5.
1
2
Графики по фиг. 2 содержат спектральные составляющие, представляющие собой модули комплексных коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ) |S(n)|, |S(n)| и |S(n)|, отнесенные соответственно к входному сигналу (фиг. 2, а) и сигналам на выходах трактов (фиг. 2, б, в, г), представленные в логарифмическом масштабе. На графиках приведены примеры разложения на спектральные составляющие синусоидального сигнала частотой 1 МГц при максимальном значении n=9.
Схема устройства по фиг. 3 содержит генератор 7 синусоидальных сигналов, мультиплексор 8, спектроанализатор 9, управляемый амплитудный селектор 10, вычитатель 11 и корреляционный процессор 12, а также контролируемое устройство 13 с двумя усилительными трактами, входы которых объединены и подключены к выходу генератора 7, а выходы ко входам мультиплексора 8, выход которого соединен со входом спектроанализатора 9, выход которого соединен с сигнальным входом амплитудного селектора 10, выход которого соединен с первым входом вычитателя 11, выход которого соединен с сигнальным входом корреляционного процессора 12, выход которого является выходом устройства. Управляющий вход амплитудного селектора 10 является входом S задания порога фильтрации устройства, входами выбора режима работы устройства являются адресный вход А1 мультиплексора 8 и соответствующие входы корреляционного процессора 12.
В свою очередь корреляционный процессор (см. фиг. 4) состоит из демультиплексора 14, блока 15 памяти и измерителя 16 коэффициента корреляции, выход которого является выходом процессора, сигнальным входом которого является информационный вход демультиплексора 14, первый выход которого подключен к информационному входу блока 15 памяти, выход которого соединен с первым входом измерителя 16 коэффициента корреляции, ко второму входу которого подключен второй выход демультиплексора 14, адресный вход А2 которого и вход управления записью WR/RD блока 15 памяти являются входами выбора режима работы устройства для контроля идентичности и нелинейных свойств усилительных трактов.
Амплитудный селектор по схеме, приведенной на фиг. 5, содержит цифровой компаратор 17, буферный регистр 18 и многоразрядный ключ 19, выход которого является выходом амплитудного селектора, входом которого является первый вход компаратора 17, второй вход которого соединен с выходом регистра 18, вход которого является входом S задания порога фильтрации, выход компаратора 17 соединен с разрешающим входом ключа 19, вход которого подключен ко входу амплитудного селектора.
0
0.
0
Первый вариант предложенного способа контроля идентичности и нелинейных свойств усилительных трактов (см. п. 1 Формулы изобретения) иллюстрируется устройством, схема которого показана на фиг. 1. Контролируемое средство 6, выделенное штриховыми линиями, представлено в виде двух усилительных трактов с объединенными входами. На входы трактов подают с выхода генератора 1 тестовый синусоидальный сигнал, по результатам прохождения которого через контролируемое устройство 6, будет получена оценка степени идентичности трактов. Работу устройства, также как и цикл контроля, в соответствии с содержанием способа, можно разбить на два этапа. На первом этапе мультиплексор 2 коммутирует на вход спектроанализатора 3 сигнал с выхода первого усилительного тракта (верхний по схеме), спектр которого определяют как спектр первого сигнала, для чего на входе А1 устанавливают уровень логического нуля. Полученный в результате анализа сигнала, прошедшего контролируемый тракт, спектр, состоящий из конечного числа составляющих, запоминается в блоке памяти корреляционного процессора 5, который находится в режиме запоминания данных (А2=0 WR/RD=1). До поминания спектра из него удаляют малозначимые по уровню и вкладу в общую картину спектральные составляющие, основываясь на минимально допустимом уровне спектральных составляющих, определенном условиями конкретной задачи. Это позволит сократить избыточность представления данных, снизить нагрузку на память и корреляционный процессор. Функции фильтра выполняет амплитудный селектор 4, на выход которого проходят только те спектральные составляющие |S(n)| (n=0 1, 2, …N-1), уровень которых не меньше заданного порога фильтрации S, то есть те, для которых выполняется условие |S(n|≥SДля задания величины S в амплитудном селекторе предусмотрен вход S.
Окончание процесса записи в память корреляционного процессора 5 спектра первого сигнала является окончанием первого этапа работы устройства. Для перехода ко второму этапу устройство следует перевести в соответствующий режим работы, что происходит при следующих логических уровнях на управляющих входах: А1=1, А2=1, WR/RD=0. При таком распределении управляющих уровней мультиплексор 2 коммутирует выход второго усилительного тракта (нижний по схеме) на вход спектроанализатора 3, это приводит к подаче на вход спектроанализатора второго сигнала, а в корреляционном процессоре 5 запускается процесс измерения коэффициента корреляции спектров первого и второго сигналов. Причем спектр первого сигнала, в виде набора спектральных составляющих, извлекается из памяти процессора 5, а спектр второго сигнала, представленный аналогичным образом, поступает непосредственно на сигнальный вход процессора.
12
Коэффициент корреляции спектров r в блоке 5 определяется по алгоритму задаваемому выражением
где
1
2
|S(n)| и |S(n)| - модули комплексных коэффициентов ДПФ после селекции по амплитуде, соответствующих разложению первого и второго сигналов на спектральные составляющие;
N- количество спектральных составляющих.
12
12
12
12
12
Показанный коэффициент r принимает значения в пределах от 0 до 1. При полной идентичности усилительных трактов спектры на их выходах также будут идентичными, в этом случае r=1. Случаю максимального отличия сравниваемых спектров - отсутствию их корреляции - отвечает r=0, следовательно, усилительные тракты неидентичны в максимально возможной, согласно применяемому алгоритму, степени. Особенностью корреляционного критерия является то, что результаты сравнения спектров не зависят от абсолютных значений их составляющих, то есть коэффициенты усиления контролируемых трактов не влияют на значения измеряемых показателей r. На значения коэффициентов r оказывает влияние только отклонение формы одного спектра от другого, что возможно при неидентичности трактов, вызванных отличием их нелинейных свойств, то есть различными нелинейными искажениями, вносимыми, в частном случае, в тестовый сигнал. Подчеркнем, что случай неравномерной амплитудно-частотной характеристики тракта не рассматривается, предполагается, что линейными искажениями в исследуемом диапазоне частот можно пренебречь.
Из вышеприведенного несложно видеть, что способ легко можно использовать не только для контроля идентичности трактов, но и для оценки нелинейных свойств (характеристик) усилительных трактов. Для этого достаточно на первом этапе определить спектр тестового сигнала, а на втором - спектр сигнала на выходе исследуемого тракта. Коэффициент корреляции указанных спектров в данном случае будет являться мерой нелинейных искажений (чем ближе коэффициент корреляции к единице, тем меньше в спектре исследуемого сигнала продуктов нелинейного преобразования).
а
0
1
1
1
1
Вторым вариантом заявляемого способа контроля является способ, предусматривающий преобразование уровней спектральных компонент в логарифмические единицы и выполнение всех дальнейших операций над величинами, представленными в логарифмическом масштабе. Такой подход может быть полезен при малых нелинейных искажениях, когда разница между амплитудой основной гармоники и амплитудами остальных весьма существенна. В качестве примера на фиг. 2 приведены спектрограммы, полученные для синусоидального сигнала частотой 1 МГц с представлением составляющих (гармоник) в логарифмических единицах. Тестовый сигнал в настоящем примере имеет спектр, показанный на фиг. 2, , а порог фильтрации lgS составляет 30 дБм. Реализован способ в устройстве, схема которого представлена на фиг. 3. После прохождения контролируемых трактов 13 (см. фиг. 3), в качестве которых в эксперименте использовались два канала многоканального усилителя синусоидальных сигналов, спектр тестового сигнала на выходе первого из каналов приобрел вид, показанный на фиг. 2, б. В настоящем примере выше порога фильтрации в 30 дБм находятся четыре гармоники, включая основную, |S(l)|, |S(3)|, |S(5)| и |S(9)|, которые участвуют в дальнейшем анализе, направляясь с выхода амплитудного селектора 10 на вход вычитателя 11. На выходе последнего формируется разность вида
lg12
что позволяет перейти от вычислений с разными знаками к вычислениям с приращениями спектральных компонент для получения операндов одного знака. Далее в устройстве по фиг. 3 выполняются те же операции, которые выполнялись в ранее рассмотренном устройстве, реализующем первый вариант способа. В то же время за счет введения в спектроанализаторе 9 дополнительных нелинейных операций логарифмирования результат вычисления коэффициента корреляции не будет идентичен результату, полученному согласно способу по первому варианту. В этом несложно убедиться, если обратить внимание на выражение определяющее коэффициент корреляции r на выходе корреляционного процессора 12:
lg12
1
2
Анализ выражения (2) показывает, что r=1 только в случае равенства всех спектральных составляющих, прошедших амплитудную фильтрацию, то есть при выполнении условия |S(n)|=|S(n)|, которое должно выполняться при всех n. Это значит, что изменение коэффициента усиления тракта отразится на результатах контроля идентичности трактов, даже если формы спектров на выходах трактов абсолютно идентичны, то есть если произошло неискажающее масштабирование сигнала. Указанную особенность необходимо учитывать при применении данного критерия для контроля идентичности трактов, но с другой стороны и исходить из того, что рассматриваемый вариант способа позволит выявлять не только отклонения в спектральных составах выходных сигналах контролируемых трактов, но и отличия в коэффициентах усиления.
lg12
lg12
Возвращаясь к рассматриваемому примеру со спектрограммами, показанными на фиг. 2, отметим, что в результате сравнения спектра сигнала на выходе первого тракта (см. фиг. 2, б) со спектром сигнала на выходе второго тракта (см. фиг. 2, в) согласно алгоритму (2) получен коэффициент корреляции r=0,997. Сравнение спектров показывает, что по форме они мало отличаются, в большей степени заметна разница в коэффициентах усиления. Указанное иллюстрирует тот факт, что при относительно малых уровнях спектральных составляющих влияние коэффициентов усиления цепей мало влияет на результаты сравнения спектров (проявляется характеристика логарифмической функции). В то же время контроль идентичности усилительных трактов в случае, когда спектр на выходе одного из них имеет вид, представленный на фиг. 2, б, а на выходе другого - на фиг. 2, г, показал, что коэффициент корреляции r=0,874.
0
1
0
Возможны ситуации, когда сравниваемые спектры отличаются не только формой (соотношением уровней гармоник), но и отсутствием или наличием гармоник. При отсутствии гармоник в одном из спектров соответствующие отсутствующим гармоникам коэффициенты |S(n)| приравниваются к нулям, если применяется алгоритм (1). В случае же работы с логарифмическими единицами, отсутствующие гармоники следует условно принимать равными порогу lgS, так чтобы выполнялось условие lg|S(n)|-lgS=0. Указанная функция может быть заложена в алгоритме работы вычитателя 11. Также необходимо исходить из того, что в процессе работы рассматриваемых устройств важным является первоначальное задание ширины исследуемого спектра, что обеспечивается предварительным заданием N как параметра, определяющего количество спектральных составляющих, участвующих в анализе.
Корреляционный процессор 5 (12) для применения в вышерассмотренных устройствах может быть построен по схеме, показанной на фиг. 4. Входной демультиплексор 14 коммутирует сигналы, поступающие на его вход на первом этапе функционирования устройства, на информационный вход блока 15 памяти, который находится на данном этапе в режиме записи информации (А2=0, WR/RD=1). После перехода ко второму этапу, для этого на управляющих входах устанавливают логические уровни А2=1, WR/RD=0, блок 15 памяти находится в режиме чтения, а демультиплексор 14 направляет входные данные на нижний по схеме вход измерителя 16 коэффициента корреляции, на верхний вход которого поступают данные с выхода блока 15 памяти. Следует заметить, что корреляционный процессор может быть реализован не только в виде специализированного блока, но и программно с использованием универсальных вычислительных средств. В этом случае в его функции целесообразно будет внести дополнительно операции амплитудной селекции и вычитания порогового уровня.
0
Один из возможных вариантов построения амплитудного селектора 4 (10) показан на функциональной схеме по фиг. 5. Работа селектора сводится к сравнению кода на первом входе компаратора 17 (вход селектора) с опорным кодом S, подаваемым на второй его вход (слева по схеме на фиг. 5). Хранится опорный код в регистре 18, в который заносится предварительно, до начала цикла контроля. В случае равенства кодов или превышения значения входного кода значения опорного, на выходе компаратора формируется высокий логический уровень, играющий роль разрешающего для многоразрядного ключа 19. В результате на выход ключа 19 со входа селектора передаются цифровые отсчеты, уровень которых не меньше порога фильтрации S.