АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СИГНАЛА

Полезная модель относится к области электроавтоматики и может быть использована в системах гармонического анализа электромагнитных сигналов, в частности анализа модулей гармонических составляющих Фурье.
Известно устройство для определения гармонических составляющих Фурье, содержащее вычислители разложения анализируемой величины по базисным функциям Уолша, масштабные блоки интерполяции гармонических компонент и генератор тактовых импульсов [1]. Недостаток известного устройства состоит в сложности технической реализации масштабных блоков и низкой точности вычислений первых по порядку гармонических коэффициентов Фурье.
2
2
Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является устройство для определения коэффициентов Фурье, содержащее переключатель на два положения и последовательно соединенные между собой источник анализируемого сигнала, квантователь, умножитель, переключатель на m положений, m запоминающих элементов и сумматор, выход которого является выходом устройства, кроме того, это известное устройство содержит две матрицы m×n элементов задания весовых коэффициентов, два элемента ИЛИ на m входов каждый и лого-метр, где m - число тактов квантования по времени анализируемого сигнала и n - порядковый номер гармоники Фурье [2].
n
n
n
n
Недостаток прототипа состоит в его ограниченных функциональных возможностях вычисления только значений коэффициентов Фурье а и b, в то время как для гармонического анализа требуется главным образом информация о модуле (амплитуде)  гармонических составляющих Фурье, а не значения его коэффициентов a и b.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей анализатора спектра сигнала за счет вычисления модуля гармонических слагаемых Фурье без дополнительных вычислительных средств.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: переключателя на два положения и последовательно соединенных между собой источника анализируемого сигнала, квантователя, умножителя, переключателя на m положений, m запоминающих элементов и сумматора, выход которого является выходом устройства, предлагаемой анализатор спектра сигнала содержит генератор тактовых импульсов, переключатель на n положений и делитель напряжения, n отводов которого подключены к соответствующим неподвижным контактам переключателя на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым входом умножителя, один крайний отвод делителя напряжения подсоединен к общей шине устройства, а другой крайний отвод делителя напряжения соединен с подвижным контактом переключателя на два положения, неподвижные контакты которого подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющим входам квантователя и переключателей на два, n и m положений, при этом генератор тактовых импульсов выполнен с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде.
Новизна полезной модели заключается в том, что предлагаемый анализатор спектра сигнала содержит генератор тактовых импульсов, переключатель на n положений и делитель напряжения, n отводов которого подключены к соответствующим неподвижным контактам переключателя на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым входом умножителя, один крайний отвод делителя напряжения подсоединен к общей шине устройства, а другой крайний отвод делителя напряжения соединен с подвижным контактом переключателя на два положения, неподвижные контакты которого подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющим входам квантователя и переключателей на два, n и m положений, при этом генератор тактовых импульсов выполнен с удваивающейся частотой их следования в каждом последующем полупериоде, за счет чего обеспечивается расширение его функциональных возможностей.
Функциональная схема анализатора спектра сигнала изображена на чертеже, где обозначено: 1 - источник анализируемого сигнала x(t); 2 - квантователь m тактов; 3 - умножитель; 4 - переключатель на два положения; 5 - переключатель на m положений; 6 - блок m запоминающих элементов; 7 - сумматор; 8 - делитель напряжения; 9 - генератор тактовых импульсов (генератор).
В исходном положении источник 1 анализируемого сигнала подключен через квантователь 2 к одному входу умножителя 3. Неподвижные контакты переключателя 4 подключены к разнополярным клеммам источника постоянного тока. Выход умножителя 3 соединен через переключатель 5 и блок 6 запоминающих элементов с входами сумматора 7. Выход переключателя 8 подключен к входу умножителя 3, а вход переключателя 8 соединен с неподвижным контактом переключателя 4. Выход генератора тактовых импульсов 9 связан с управляющими входами квантователя 2 и переключателей 4 и 5.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Анализируемый сигнал x(t) в интервале 0≤t≤Т прерывается квантователем 2 с частотой прерывания , значение которой по теореме Котельникова целесообразно выбрано такой величины, чтобы не было потери информации о сигнале x(t) в паузах дискретизации. Частоту прерывания задает генератор 9.
Если интервал времени 0-Т прерывается четным числом m отрезков, то
При условии, что m=2n(i+1), где i=0, 1, 2, …, m-1.
Другой гармонический коэффициент Фурье в этом случае имеет значение:
Искомое значение модуля гармонической составляющей Фурье получается:
.
i
n
В каждом i-ом такте работы генератора 9 анализируемый сигнал квантуется с помощью квантователя 2 и в виде импульсов X, поступает на один вход умножителя 3, на другой вход которого подается разнополярное напряжение с выхода делителя 8. Переключатель 4 и делитель напряжения 8 реализуют множитель  в искомом выражении С. Результат перемножения в виде импульсного сигнала на выходе умножителя 3 распределяется с помощью переключателя 5.1 на входы запоминающих элементов 6 для последующего их суммирования в сумматоре 7.
n
По завершению последнего из m тактовых импульсов на выходе генератора 9 предъявляется искомый результат С модуля гармонических составляющих Фурье для любого заданного значения n на выходе сумматора 7 и, кроме того, с помощью переключателя 5.2 осуществляется сброс накопленных величин в блоке 6 для приведения его в исходное состояние.
Промышленная осуществимость предлагаемого устройства обосновывается тем, что в нем используются типовые узлы и блоки по своему прямому, известному в аналоге [1] и прототипе [2], функциональному назначению. В организации - заявителе изготовлен действующий макет анализатора спектра сигнала в 2010 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что расширяются функциональные возможности анализатора спектра сигнала за счет вычисления модуля гармонических слагаемых Фурье без дополнительных вычислительных средств.
Литература:
1. Устройство для вычисления гармонических коэффициентов Фурье, Авт. свид. СССР на изобретение №590764, 1978 г., Бюллетень изобретений №4, 1978 г. (аналог).
2. Устройство для определения коэффициентов Фурье, авт. свид. СССР №1656562, МПК G06G 7/19, 1989 г. (прототип).