Одноканальное устройство измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов с цифровым детектированием
SINGLE-CHANNEL DEVICE FOR MEASUREMENT OF AMPLITUDE-TEMPORAL AND FREQUENCY PARAMETERS OF SIGNALS WITH DIGITAL DETECTION

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в цифровых осциллографах, панорамных радиоприемниках и в аппаратуре мониторинга и анализа параметров источников радиоизлучений.
Известно устройство измерения периода повторения импульсов, разработанное В.И. Симоновым, А.А. Чижовым (патент RU №2020496, МПК G01R 29/02), позволяющее измерять период повторения импульсов аппаратурой с высокой точностью.
Известен способ определения обобщенных параметров импульсов, разработанный Л.И. Вулло (авторское свидетельство SU №1709243, МПК G01R 29/02), позволяющее измерять обобщенные амплитуду и длительность импульсов или периодической импульсной последовательности за счет измерения вольт-секундной площади.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство измерения длительности импульса (авторское свидетельство SU №1824597, МПК G01R 29/02), которое позволяет измерять длительность импульсов аппаратурой с малым количеством элементов с высокой степенью интеграции.
Существенными недостатками данных устройств является устаревшая элементная база и громоздкость конструктивной реализации при ограничении измерения только временных параметров импульсов (длительности/периода повторения), что не позволяет обеспечить необходимую полноту и качество описания принятых импульсов.
Целью изобретения является качественное расширение перечня измеряемых импульсных параметров за счет измерения по одному каналу промежуточной частоты (ПЧ) без предварительного детектирования импульсов, а также увеличение чувствительности и помехозащищенности системы за счет применения устройства сглаживания и децимации, селекторов по амплитуде, длительности и несущей частоте импульсов.
Цель достигается тем, что в известную систему (устройство), содержащую, фильтры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), схемы сравнения, коммутаторы, регистры, счетчики, генератор тактовых импульсов (ГТИ), вычитатели, формирователи, блок регистрации времени, согласно изобретению введены цифровой детектор, устройство сглаживания и децимации, обнаружитель, измеритель частоты, первичный и вторичный измерители параметров, контроллер передачи данных, селекторы по амплитуде, длительности и несущей частоте импульса, блок запоминающего устройства (БЗУ), при этом выход цифрового детектора подключен к устройству сглаживания и децимации, выход которого подключен к обнаружителю, выход обнаружителя подключен к первичному измерителю параметров, при этом сигнал с выхода АЦП ПЧ задерживается в линии задержки и передается в измеритель частоты, затем поступает на вход коммутатора результатов измерений, выход которого подключен к контроллеру передачи данных, выход контроллера подключен к вторичному измерителю параметров, выход которого подключен к селекторам по амплитуде, длительности и несущей частоте импульса, выходы селекторов подключены к коммутатору результатов селекции, выходные данные хранятся в БЗУ.
Сопоставительный анализ технического решения с устройством, выбранным в качестве прототипа, показывает, что новизна технического решения заключается в интеграции в заявленное устройство новых схемных элементов: цифрового детектора, устройства сглаживания и децимации, обнаружителя, измерителя частоты, коммутатора, первичного и вторичного измерителя параметров, контроллера передачи данных, селекторов по амплитуде, длительности и несущей частоте импульса, БЗУ.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что введенные функциональные узлы известны. Однако введение их в одноканальное устройство измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов с цифровым детектированием с указанными связями придает этому устройству новые свойства. Введенные функциональные узлы взаимодействуют таким образом, что позволяют качественно расширить перечень измеряемых импульсных параметров за счет измерения по одному каналу ПЧ и цифрового детектирования огибающей (видеосигнала), а также увеличить чувствительность и помехозащищенность системы за счет применения устройства сглаживания и децимации, селекторов по амплитуде, длительности и несущей частоте импульса.
Таким образом, техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Изобретение может быть использовано в цифровых осциллографах, панорамных радиоприемниках, а также в аппаратуре мониторинга и анализа параметров источников радиоизлучений для обнаружения, измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов с целью последующей селекции и классификации сигналов из потока импульсных параметров по одному каналу ПЧ.
Таким образом, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".
На фиг. 1 представлена структурная блок-схема одноканального устройства измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов с цифровым детектированием, которое содержит:
1 - АЦП ПЧ;
2 - ГТИ;
3 - цифровой детектор;
4 - устройство сглаживания и децимации;
5 - линия задержки;
6 - обнаружитель;
7 - измеритель частоты;
8 - первичный измеритель параметров;
9.1 - коммутатор результатов измерения;
9.2 - коммутатор результатов селекции;
10 - контроллер передачи данных;
11 - вторичный измеритель параметров;
12.1 - селектор по амплитуде импульса;
12.2 - селектор по длительности импульса;
12.3 - селектор по несущей частоте импульса;
13 - БЗУ.
На фиг. 2 - таблица сравнения аналогов по измеряемым параметрам.
В одноканальном устройстве измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов с цифровым детектированием (фиг. 1) выход АЦП ПЧ подключен к цифровому детектору, выход которого подключен к устройству сглаживания и децимации, выход которого подключен к обнаружителю, выход обнаружителя подключен к первичному измерителю параметров, при этом сигнал с выхода АЦП ПЧ задерживается в линиях задержки и передается в измеритель частоты, затем поступает на вход коммутатора результатов измерений, выход которого подключен к контроллеру передачи данных, выход контроллера подключен к вторичному измерителю параметров, выход которого подключен к селекторам по амплитуде, длительности и несущей частоте импульса, выходы селекторов подключены к коммутатору результатов селекции, выходные данные хранятся в БЗУ.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В ходе мониторинга в радиотехнике существует необходимость классификации, распознавания и идентификации, принимаемых импульсных сигналов в автоматическом/автоматизированном режиме работы аппаратуры. Для этого необходимо качественно и количественно описать принятые импульсы с помощью специальных устройств в виде потока параметров импульсов, удобном для дальнейшей обработки в специальном устройстве или электронно-вычислительной машине (ЭВМ). Следовательно, требуется специальное устройство измерения параметров импульсных сигналов.
Для решения указанных задач в предлагаемом устройстве сверхвысокочастотные (СВЧ) сигналы преобразуют и подают на входы устройства измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов на ПЧ.
j
j
Далее в АЦП ПЧ выполняется процедуры квантования и дискретизации радиосигнала с возможностью выбора частоты дискретизации. По результатам квантования цифровой детектор формирует видеосигнал (огибающая радиоимпульса без несущей частоты): с помощью амплитудной демодуляции входного сигнала, результаты его АЦП - {As} преобразуются в массив {|As|}, который потом сглаживается цифровым фильтром нижних частот, реализованным в виде динамической оконной функции, использующей принципы некогерентного накопления.
После этого амплитудно-временные отсчеты поступают в блок сглаживания и децимации, где исключаются выбросы и грубые ошибки измерения по амплитуде и времени прихода импульсов, а также выполняется процедура сглаживания, построенная на основе автокорреляционной функции с изменяемым размером окна по формуле для каждого импульса:
,
i
где A - i-я амплитуда импульса,
i+k
A - i+k-я амплитуда импульса,
i=1…N (TST-количество отсчетов АЦП импульса по каналу Видео)
k - программно изменяемая величина окна автокорреляционной функции (от 16 до 256 точек).
Далее данные поступают в обнаружитель, который выполняет процедуру обнаружения импульсов и передает результаты обнаружения первичному измерителю параметров. Обнаружитель построен на основе критерия превышения видеосигналом порога, устанавливаемого программно с помощью специальной команды.
Первичный измеритель параметров управляет работой обнаружителя, осуществляет предварительный расчет временных параметров сигналов и управляет процессом записи информативных данных в БЗУ путем формирования признака обнаружения.
Параллельно с работой блоков 3, 4, 6, 8 выполняется измерение несущей частоты/ширины спектра излучения в блоке измерения частоты 7 с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье по 1024 точкам. При этом параметры радиосигнала задерживаются на время, достаточное для обнаружения импульса по данным от цифрового детектора и первичного измерения параметров, с помощью линии задержки 5.
Обнаруженный сигнал после прореживания данных (по критерию минимально допустимой длительности импульса) подается в первичный измеритель, который производит определение амплитуды, длительности и времени прихода импульсов.
Коммутатор результатов измерений 9.1 обеспечивает запись данных обнаруженного сигнала в БЗУ только при наличии признака обнаружения, а при калибровке измерителя переключает потоки данных амплитудно-временных и частотных параметров импульсов.
После коммутатора поток данных поступает в контроллер передачи данных буферной памяти 10 и через него в БЗУ. Контроллер выполняет коммутацию банков на запись и чтение.
Вторичный измеритель параметров 11 производит считывание параметров импульсов из БЗУ 13. Данные последовательно передаются между модулями измерения амплитуды, длительности, корректором времени прихода. Выходные данные передаются в селекторы по амплитуде 12.1, длительности 12.2 и несущей частоте импульса 12.3, которые осуществляют процедуру селекции по уточненным параметрам сигналов. Селекторы работают по принципу полосовых фильтров по величине параметра импульса (длительности, амплитуде и несущей частоты) в соответствии с критерием:
min
i
max
P<P<P,
min
max
где P, P - минимальное и максимальное значение параметра импульса,
i
P - i-e значение параметра импульса.
Измеренные параметры с помощью коммутатора результатов селекции 9.2 записываются в БЗУ 13 вместе с оцифрованными сигналами с предысторией и постисторией. Длина предыстории и постистории выбирается программно и составляет максимально порядка 250 не каждая. По команде данные из БЗУ переписываются в ЭВМ для дальнейшей обработки.
Устройство формирует слово состояния, в котором содержится информация о состоянии системы (запущена или остановлена), признаках остановки, количестве принятых импульсов, объеме БЗУ.
Таким образом, достигнут положительный эффект, заключающийся в качественном расширении перечня измеряемых импульсных параметров за счет измерения по одному каналу частотных и временных параметров с цифровым детектированием и увеличении чувствительности системы за счет применения устройства сглаживания и децимации. Применение предложенного устройства в современных и перспективных комплексах радиотехнического контроля позволяет в одних и тех же условиях расширить перечень измеряемых импульсных параметров за счет измерения по одному каналу частотных и временных параметров: к длительности, измеряемой прототипом, добавлены амплитуда, время прихода, период повторения, несущая частота, ширина спектра импульса.
Для реализации заявляемого устройства использованы известные элементы и схемы, выпускаемые зарубежной промышленностью. Блоки 3-12 реализованы на перепрограммируемой логической интегральной схеме XILINX KINTEX7. Блоки 1, 2, 13 являются отдельными микросхемами.