приемник для измерения радиопомех

Формула изобретения

Приемник для измерения радиопомех, содержащий тракт высокой частоты, тракт промежуточной частоты с детектором огибающей и взвешивающий фильтр, включающий квазипиковый детектор, подключенный к первому фильтру низкой частоты, отличающийся тем, что во взвешивающий фильтр введены пиковый детектор, первый и второй компараторы, второй фильтр низкой частоты, третий фильтр низкой частоты, перемножитель, усреднитель и ключ, подключенный к устройству индикации, причем выход детектора огибающей соединен с входами пикового детектора, второго фильтра низкой частоты и первым входом первого компаратора, второй вход которого подключен к выходу усреднителя, а выход через третий фильтр низкой частоты связан с входом квазипикового детектора, выход первого фильтра низкой частоты подключен к первому входу перемножителя, второй вход которого соединен с выходом пикового детектора и первым входом усреднителя, второй вход которого подключен к выходу второго фильтра низкой частоты и первым входом ключа и второго компаратора, второй вход которого соединен с вторым входом ключа и выходом перемножителя, а выход подключен к управляющему входу ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения радиопомех, и может быть использовано при сертификации промышленных изделий по уровню излучаемых радиопомех в диапазоне 0,009 1000 MHz.

Известные приемники радиопомех осуществляют измерения по методике Международного Специального Комитета по Радиопомехам (МСКРП) [1]

В отечественной практике указанные измерения регламентированы ГОСТ 11001-80 [2]

Известен приемник для измерения радиопомех, состоящий из тракта высокой частоты, тракта промежуточной частоты и взвешивающего фильтра, состоящего из квазипикового детектора и магнитоэлектрического стрелочного прибора [3]

Более совершенным аналогом этого приемника, выбранным авторами за прототип, является приемник фирмы Rohde Schwarz ESVP [4] состоящий из тракта высокой частоты, тракта промежуточной частоты с детектором огибающей и взвешивающего фильтра, состоящего из квазипикового детектора и фильтра низкой частоты (ФНЧ) электронного аналога критически демпфированного измерительного прибора (в [4] демпфер).

Квазипиковый детектор в обоих выше описанных аналогах включает в себя звено с малой постоянной времени заряда t_з=R1C1 и звено с большей постоянной времени разряда t_p=R2C1.

Существенным недостатком выше описанных аналогов является большая погрешность "взвешивания" при малом отношении сигнал/шум на входе приемника. Действительно, напряжение на выходе взвешивающего фильтра определяется выражением

U_вз=U_максQ_вз

где U_макс амплитуда входного сигнала на входе взвешивающего фильтра;

Q_вз значение весовой функции, зависящее от формы и скважности импульсов, а также соотношения длительности импульса и постоянной времени заряда конденсатора квазипикового детектора.

Такой взвешивающий фильтр работает безукоризненно до тех пор, пока отношение напряжения импульсного сигнала к напряжению собственных шумов приемника достаточно велико.

Влияние шумов заметно в случае, когда конденсатор C1 не может разрядиться ниже напряжения шумов. К приходу следующего импульса конденсатор C1 не разряжен настолько, как это требуется для обеспечения верного взвешивания. Напряжение на конденсаторе в конце действия импульсной помехи оказывается завышенным, а погрешность взвешивания выходит за пределы допуска, установленного МСКРП.

Для устранения указанного недостатка в схему взвешивающего фильтра в приемниках фирмы Rohde Schwarz введена дополнительная взвешивающая цепь, содержащая аналогичные звенья с малой постоянной времени заряда и большой постоянной времени разряда, а также введены первый и второй компараторы, управляющие работой фильтра и схема задержки. Принцип работы фильтра организован таким образом, что при отсутствии импульсного сигнала на его входе первая взвешивающая цепь осуществляет индикацию шумов, при этом вторая взвешивающая цепь отключена и ее конденсатор полностью разряжен. Если сигнал на входе взвешивающего фильтра превышает напряжение шумов, подключается вторая взвешивающая цепь, которая осуществляет индикацию входного сигнала в соответствии с весовой функцией во всем диапазоне индикации.

Другим существенным недостатком как прототипа, так и выше описанных аналогов является низкая чувствительность в режиме измерения импульсных сигналов с малой частотой следования и узкий диапазон линейной индикации уровня импульсных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная схема взвешивающего фильтра приемника для измерения радиопомех; на фиг. 2 изображены временные диаграммы работы приемника в установившемся режиме; на фиг. 3 сравнительная диаграмма диапазона линейности показаний взвешенного одиночного импульса для приемника фирмы Rohde Schwarz (прототипа) и предлагаемого приемника.

Рассмотрим влияние тракта приемника фирмы Rohde Schwarz на величину диапазона линейной индикации одиночного импульса в диапазоне 30 1000 МГц, работа в котором является наиболее сложной задачей в техническом отношении.

Как известно из [4] верхняя граница диапазона определяется в соответствии с выражением



где U_макс максимальный уровень сигнала после прохождения входных частотно-избирательных цепей приемника (преселектора), соответствующий компрессии для синусоидального сигнала на 1 дБ входного смесителя;

характеризует уменьшение амплитуды импульса после прохождения фильтра промежуточной частоты;

B_rf и B_if полосы пропускания фильтра преселектора и фильтра промежуточной частоты соответственно;

W1 весовой коэффициент для импульсной помехи, характеризует ослабление одиночного импульса взвешивающим фильтром, W1=43,5 дБ для одиночных импульсов в соответствии с [2]

Нижняя граница диапазона линейной индикации определяется в соответствии с выражением



где -67 дБмкВ абсолютный уровень тепловых шумов в полосе 1 Hz, приведенный к входу приемника;

тепловой шум после прохождения фильтра промежуточной частоты;

F(дБ) коэффициент шума измерительного приемника (типичное значение в рабочем диапазоне составляет 14 16 дБ);

W2 квазипиковое значение индикации шумов, которое для устройств индикации МСКРП равно 7 дБ [4]

Исходя и уравнений (2) и (3) построена диаграмма диапазона линейности показаний для одиночного импульса приемника фирмы Rohde Schwarz (фиг. 3,а).

Из анализа диаграммы диапазона линейности показаний видно, что при максимальном уровне сигнала на входе смесителя порядка 122 дБмкВ диапазон линейной индикации после учета влияния тракта приемника на его прохождение составляет всего 10 15 дБ и при уровне сигнала на входе смесителя меньше, чем 107 дБмкВ, операцию взвешивания с приемной точностью провести нельзя. Кроме того, как указывалось выше, на одиночный короткий импульс взвешивающий фильтр [4] оказывает компрессию на 43,5 дБ [2] Следовательно, для индикации импульса с превышением над шумом на 6 дБ необходимо, чтобы импульс превышал шум на 49 дБ (в 200 раз). При сигнале, превышающем шум меньше чем 49 дБ, невозможно с приемлемой точностью проиндицировать взвешенное значение импульсного сигнала. Введение дополнительного усиления в тракт промежуточной частоты или на выходе взвешивающего фильтра приемника фирмы Rohde Schwarz не приводит к полезному эффекту, так как происходит равное усиление как сигнала, так и шума.

Таким образом, недостатками приемника фирмы Rohde Schwarz являются низкая чувствительность при измерении одиночного импульса и малый диапазон линейной индикации взвешенного значения импульсов.

Задача изобретения заключается в увеличении чувствительности измерительного приемника в режиме измерения импульсных сигналов с малой частотой следования и расширении диапазона линейной индикации уровня импульсных сигналов.

Задача достигается тем, что в приемнике для измерения радиопомех, содержащем тракт высокой частоты, тракт промежуточной частоты с детектором огибающей и взвешивающий фильтр, включающий квазипиковый детектор, подключенный к первому ФНЧ, согласно изобретению во взвешивающий фильтр введены пиковый детектор, первый и второй компараторы, второй ФНЧ, третий ФНЧ, перемножитель, усреднитель и ключ, подключенный к устройству индикации, причем выход детектора огибающей соединен с входами пикового детектора, второго ФНЧ и первым входом первого компаратора, второй вход которого подключен к выходу усреднителя, а выход через третий ФНЧ связан с входом квазипикового детектора, выход первого ФНЧ подключен к первому входу перемножителя, второй вход которого соединен с выходом пикового детектора и первым входом усреднителя, второй вход которого подключен к выходу второго ФНЧ и первым входам ключа и второго компаратора, второй вход которого соединен с вторым входом ключа и выходом перемножителя, а выход подключен к управляющему входу ключа.

Введение во взвешивающий фильтр предлагаемого приемника выше перечисленных блоков и новых связей позволяет определить максимальное значение импульса входного сигнала с помощью пикового детектора, который обеспечивает большее отношение сигнал/шум, чем квазипиковый детектор, и одновременно подать на взвешивающую цепь, включающую квазипиковый детектор, подключенный к ФНЧ, сигнал, аналогичный входному, но свободный от шумов приемного тракта. При этом на перемножитель поступают два сигнала: максимальное значение входного импульса и значение весовой функции со взвешивающей цепи.

В предлагаемом приемнике выполняется операция над сигналом в соответствии с выражением



где U_макс значение сигнала на выходе пикового детектора;

Q_вз значение весовой функции;

K дополнительный сомножитель, вводимый в перемножитель и учитываемый при определении уровня сигнала.

Как указывалось выше, ослабление одиночных импульсов взвешивающим фильтром равно 43,5 дБ, что соответствует значению весовой функции Q_вз=0,007. С другой стороны, для одиночных импульсов справедливо выражение (что соответствует отношению сигнал/шум=2) [3] Устанавливая K=143, получим , то есть для одних и тех же условий индикации в сравнении с прототипом, где импульсная составляющая должна превышать среднее значение "белого" шума в 280 раз (49 дБ), в предлагаемом устройстве это превышение составляет только 4 раза (12 дб), что составляет выигрыш по чувствительности в 70 раз и расширяет диапазон линейности индикации в сторону нижней границы на 37 дБ, что иллюстрируется диаграммой (фиг. 3,б).

В отличие от традиционного взвешивания в предлагаемом приемнике в случае редких импульсов (единиц герц) и малого значения Q (значение весовой функции для одиночных импульсов порядка 0,007) можно установить необходимое усиление в перемножителе для индикации и правильного взвешивания импульсного сигнала, не усиливая шумы приемного тракта.

Таким образом, для определения нижней границы индикации предлагаемого приемника в формулу (3) введен коэффициент W3=37 дБ для одиночных импульсов и определяется в соответствии с выражением



Из сравнения формул (3) и (5) и сравнительной диаграммы фиг. 3 видно, что чувствительность и диапазон линейной индикации увеличились на W3=37 дБ, чем и решается задача изобретения.

Структурная схема взвешивающего фильтра приемника для измерения радиопомех представлена на фиг. 1. Взвешивающий фильтр содержит пиковый детектор 1, первый и второй компараторы 2 и 3, первый и второй ФНЧ 4 и 5, третий ФНЧ 6, квазипиковый детектор 7, усреднитель 8, перемножитель 9, ключ 10 и устройство индикации 11. Выход детектора огибающей соединен с входами пикового детектора 1, второго ФНЧ 5 и первым входом первого компаратора 2, второй вход которого подключен к выходу усреднителя 8, а выход через последовательно соединенные третий ФНЧ 6, квазипиковый детектор 7 и первый ФНЧ 4 подключен к первому входу перемножителя 9, второй вход которого соединен с выходом пикового детектора 1 и первым входом усреднителя 8. Второй вход усреднителя 8 подключен к выходу второго ФНЧ 5 и первым входом ключа 10 и второго компаратора 3, второй вход которого соединен с вторым входом ключа 10 и выходом перемножителя 9. Выход второго компаратора 3 подключен к управляющему входу ключа 10, соединенного с устройством индикации 11.

Работа тракта высокой частоты и тракта промежуточной частоты не отличается от работы аналогичных трактов приемника-прототипа.

Работа предлагаемого взвешивающего фильтра происходит следующим образом.

Измеряемое напряжение, состоящее из импульсного сигнала и напряжения шумов от детектора огибающей, поступает на входы пикового детектора 1, компаратора 2 и второго ФНЧ 5 (фиг. 2, эпюра а). При этом пиковый детектор 1 в отсутствие сигнала фиксирует максимальное значение продетектированного напряжения шумов, т.е.

где среднее значение продетектированного шума, а с приходом импульсов фиксирует максимальное значение напряжения U_макс (фиг. 2, эпюра д), и это значение напряжения подается на первый вход усреднителя 8 и первый вход перемножителя 9. На выходе второго ФНЧ 5 (ФНЧ второго порядка с постоянной времени 100 мс) формируется среднее значение измеряемого сигнала (фиг. 2, эпюра б), и этот сигнал является вторым входным сигналом для усреднителя 8. Уровень напряжения на выходе второго ФНЧ 5 значительно не меняется вследствие большой скважности встречающихся на практике импульсных сигналов.

Усреднитель 8 формирует на своем выходе порог срабатывания для компаратора 2, и он равен



где d смещение, вводимое для исключения срабатывания компаратора 2 при отсутствии импульсной составляющей и малом входном сигнале. Смещение определяется разбалансом входов реального компаратора 2.

На фиг. 2 эпюре в изображено напряжение на выходе компаратора 2. Отметим, что при отсутствии импульсов формируется порог срабатывания



поэтому на выходе компаратора 2 формируется нулевое значение сигнала. С приходом импульсов на выходе компаратора 2 формируются импульсы стандартной амплитуды, равной длительности входного импульса, на уровне U_n



В паузах между импульсами напряжение на выходе компаратора 2 равно нулю.

Выходной сигнал от компаратора 2 является входным сигналом для третьего ФНЧ 6.

Третий ФНЧ 6 (фильтр второго порядка) имитирует прохождение импульсного радиосигнала через узкополосную систему (фильтры промежуточной частоты), тем самым устраняется погрешность формирования взвешенного значения сигнала вследствие изменения формы импульса. Эталонный сигнал приобретает необходимую длительность фронтов (фиг. 2, эпюра г).

Взвешивающая цепь, представляющая собой квазипиковый детектор 7 (фиг. 2, эпюра е) и первый ФНЧ 4 (фиг. 2, эпюра ж) с постоянной времени 100 мс, преобразуют импульсный сигнал после ФНЧ 6 в соответствии с требованиями ГОСТ 11001-80 в Q_вз значение весовой функции.

В отличие от взвешивающего фильтра приемника-прототипа предлагаемое устройство не преобразует шумы приемных цепей, т.е. при отсутствии входных импульсов Q_вз=0.

На входы перемножителя 9 поступают сигналы с выхода пикового детектора 1 равный U_макс и с выхода демпфера 4 Q_вз, а на выходе перемножителя 9 формируется сигнал (фиг. 2, эпюра з) в соответствии с выражением (4).

На фиг. 2 эпюре з показан уровень шумов и U_вз=U_максQ_вз, при >U_максQ_вз. В этом случае взвешивающий фильтр приемника-прототипа не индицирует взвешенное значение импульсного сигнала вследствие малого значения U_вз. Для устранения данного недостатка в перемножитель 9 вводится дополнительный множитель k, в результате чего получим



а следовательно, есть возможность провести измерение и проиндицировать значение взвешенного импульсного сигнала.

Компаратор 3 подключен к устройству индикации 11 через ключ 10 либо второй ФНЧ 5 для индикации шума, либо сигнал с устройства 9 (фиг. 2, эпюра и), если его значение больше шума.

Таким образом, происходит непрерывная индикация среднего значения сигнала, а при наличии импульсного сигнала происходит индикация его взвешенного значения.

Эффект от применения предлагаемого приемника для измерения радиопомех заключается в улучшении потребительских качеств приемника, его технических характеристик, а именно увеличение чувствительности в режиме измерения импульсных помех и расширение диапазона индикации.