способ сверхширокополосной автоматической синхронизации и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ сверхширокополосной автоматической синхронизации, заключающийся в формировании стандартного синхросигнала, связанного с заданной точкой исходного синхросигнала, отличающийся тем, что исходный синхросигнал подвергают масштабно-временному преобразованию, формируют разностный сигнал из преобразованного и эталонного сигналов, изменяют процесс масштабно-временного преобразования для поддержания его в заданной точке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс масштабно-временного преобразования является аналоговым, при котором все операции осуществляются над сигналами в аналоговой форме.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс масштабно-временного преобразования является цифровым, при котором информация об исходном сигнале представлена в аналоговой форме, а все остальные операции преобразования осуществляются над сигналами в цифровой форме.

4. Устройство для реализации способа сверхширокополосной автоматической синхронизации, содержащее формирователь стандартного синхросигнала, отличающееся тем, что в него введены смеситель, первый вход которого является входом устройства, второй вход соединен с выходом формирователя импульсов выборки, выход соединен с входом расширителя, первый выход которого соединен с третьим входом смесителя, а второй выход соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом формирователя сигнала сравнения, а выход соединен с входом задающего генератора, первый выход которого соединен с входом формирователя импульсов выборки, а второй выход соединен с входом формирователя стандартного синхросигнала, выход формирователя стандартного синхросигнала является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано при проектировании различных широкополосных измерительных систем для обеспечения сверхширокополосной автоматической синхронизации при проведении измерений.

Известен способ синхронизации [1] , заключающийся в синхронизации по фронту исходного сигнала (положительному или отрицательному). Способ [1] используется как в аналоговых, так и в цифровых широкополосных системах и заключается в:

- отборе (выделении части) входного (исследуемого) сигнала;

- нормализации отобранной части входного сигнала;

- сравнении отобранного нормализованного сигнала с заданным сигналом;

- определении полярности наклона (положительной или отрицательной) сигнала, полученного от предыдущего сравнения, и формировании стандартного синхросигнала.

После выполнения последней операции и начинается собственно процесс измерения. Заданное значение сигнала и полярность наклона определяют точку исследуемого сигнала, к которой происходит привязка процесса синхронизации.

Недостатками способа [1] являются: невозможность выполнения процесса автоматической синхронизации (процесс контролирует оператор) и малый диапазон частот синхронизации, определяемый процессом сравнения. При этом диапазон частот синхронизации значительно меньше полосы пропускания широкополосной системы и находится в диапазоне мегагерц.

Известно устройство синхронизации [1], реализующее способ [1]. В устройстве синхронизации вход блока нормализации соединен с одним из входов предусилителя исследуемого сигнала, выход блока нормализации соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного сигнала, значение которого определяет "уровень синхронизации", а выход - с первым входом логического блока, второй выход которого соединен с выходом источника сигнала, значение которого определяет наклон (положительный или отрицательный) сигнала синхронизации, выход логического блока соединен с входом устройства развертки системы.

Значения сигналов "уровень" и "наклон" определяют точку исследуемого сигнала, к которой происходит привязка процесса синхронизации при измерении.

Недостатком устройства [1] является наличие ручек регулировки "уровень" и "наклон" синхронизации, которые препятствуют автоматизации процесса синхронизации, и невозможность работы устройства в широком диапазоне частот до гигагерц (ограничивается быстродействием компаратора). Это в значительной мере ограничивает реальную полосу пропускания системы, поскольку не обеспечивает измерений при ее расширении.

Известен способ синхронизации [2], выбранный за прототип, заключающийся в:

- разделении исходного сигнала синхронизации на два;

- формировании двух сигналов противоположной полярности;

- формировании из двух сигналов стандартного синхросигнала.

Недостатками способа [2] являются: невозможность организации процесса автоматической синхронизации и ограниченный диапазон частот синхронизации, а также малая чувствительность.

Известно устройство синхронизации [2], выбранное за прототип. В устройстве вход источника синхросигнала соединен с входом расщепителя, первый выход которого соединен с входом первого скоростного (бистабильного) элемента, вход которого соединен с выходом источника сигнала "стабильность", второй выход расщепителя соединен с входом второго скоростного (бистабильного) элемента, вход которого соединен с выходом первого скоростного (бистабильного) элемента и выходом источника сигнала "уровень", а выход - является выходом устройства.

Расщепитель формирует два одинаковых, но противофазных сигнала. Благодаря этому происходит поочередное переключение двух скоростных (бистабильных) элементов и формирование стабильного (стандартного) сигнала с крутыми фронтами, являющегося стандартным выходным сигналом устройства, который запускает устройство развертки широкополосной системы.

В качестве скоростных (бистабильных) элементов используются туннельные диоды (ТД), которые обеспечивают диапазон частот синхронизации до 18 гГц, что является предельным для ТД. Отметим, что полоса пропускания системы при этом составляет 20 гГц. Наличие ТД исключает возможность обеспечения автоматической синхронизации устройств такого типа.

Устройство [2] обладает рядом недостатков. Выполнение скоростных элементов в виде ТД ограничивает верхнее значение диапазона частот синхронизации значением 18 гГц, а чувствительность синхронизации - 50 мВ. Это делает невозможным использование таких устройств при расширении полосы пропускания системы свыше 18 гГц, например, до 40-50 гГц, и синхронизации от источников слабых сигналов (малой амплитуды). Сигналы (ручки управления устройством) "уровень" и "стабильность" исключают автоматическую синхронизацию в принципе.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона частот и увеличение чувствительности синхронизации при одновременном обеспечении автоматизации самого процесса синхронизации.

Технический результат достигается тем, что в способе сверхширокополосной автоматической синхронизации, заключающемся в масштабно-временном преобразовании исходного синхросигнала, формировании разностного сигнала из преобразованного и эталонного сигналов, изменении процесса масштабно-временного преобразования для поддержания его в заданной точке, формировании стандартного синхросигнала, связанного с заданной точкой исходного синхросигнала.

Технический результат достигается тем, что в устройство, которое реализует способ сверхширокополосной автоматической синхронизации, содержащее формирователь стандартного синхросигнала, введены смеситель, первый вход которого является входом устройства, второй вход - соединен с выходом формирователя импульсов выборки, выход - соединен с входом расширителя, первый выход которого соединен с третьим входом смесителя, а второй выход - соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом формирователя сигнала сравнения, а выход - соединен с входом задающего генератора, первый выход которого соединен с входом формирователя импульсов выборки, а второй выход - соединен с входом формирователя стандартного синхросигнала, выход которого является выходом устройства.

Процесс масштабно-временного преобразования позволяет расширить диапазон частот синхронизации до 40-50 гГц и выше (в 2-3 раза выше, чем у прототипа). Способ позволяет увеличить чувствительность синхронизации до значения не более 5 мВ (на порядок выше, чем у прототипа).

Способ обеспечивает при высокой чувствительности и в широком диапазоне частот автоматическую синхронизацию и в принципе исключает наличие традиционных для устройств синхронизации ручек "уровень", "полярность", "стабильность" и других и позволяет обеспечить устойчивую синхронизацию без визуального наблюдения за исследуемым сигналом. Способ дает возможность широкополосной системе работать без монитора (дисплея), поскольку синхронизация поддерживается автоматически и наличие оператора не требуется.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего способ сверхширокополосной автоматической синхронизации.

Способ осуществляется следующим образом:

- исходный синхросигнал подвергают масштабно-временному преобразованию;

- формируют разностный сигнал из преобразованного и эталонного сигналов;

- изменяют процесс масштабно-временного преобразования для поддержания его в заданной точке;

- формируют стандартный синхросигнал, связанный с заданной точкой исходного синхросигнала.

Способ реализуется следующим образом. Исходный синхросигнал, который может быть синхросигналом или частью исследуемого сигнала, полученного за счет операции отбора, подвергают масштабно-временному преобразованию, которое заключается в трансформации спектра ВЧ и СВЧ сигналов в низкочастотную область без изменения их амплитуды [3]. За счет этого фиксируется определенная точка на исходном сигнале, осуществляется выделение и перенос данной спектральной составляющей из области СВЧ и ВЧ в область низких частот (диапазон килогерц). Формируют разностный сигнал как результат сравнения (вычитания) преобразованного и эталонного сигналов. При совпадении сигналов разностный сигнал не формируется. В общем случае, когда формируется разностный сигнал, происходит изменение момента преобразования исходного сигнала до первоначального. Таким образом происходит отслеживание момента преобразования и поддержание его в заданной точке (все происходит автоматически) (обеспечение устойчивой синхронизации). Формируют стандартный синхросигнал, связанный с заданной точкой исходного синхросигнала, используемый для запуска устройства автосдвига и развертки широкополосной системы.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего способ сверхширокополосной автоматической синхронизации, которая включает следующие узлы: 1 - СВЧ смеситель; 2 - расширитель (причем смеситель 1 и расширитель 2 охвачены обратной связью); 3 - формирователь импульсов выборки; 4 - блок вычитания; 5 - формирователь сигнала сравнения; 6 - задающий генератор; 7 - формирователь стандартного синхросигнала.

Первый вход смесителя является входом устройства, второй вход - соединен с выходом формирователя импульсов выборки, третий вход - соединен с первым выходом расширителя, выход смесителя соединен с входом расширителя, второй выход которого соединен с первым входом блока вычитания, а второй вход - соединен с выходом формирователя сигнала сравнения, выход блока вычитания соединен с входом задающего генератора, первый выход которого соединен с входом формирователя импульсов выборки, а второй выход - соединен с входом формирователя стандартного синхросигнала, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Формирователь импульсов выборки 3 вырабатывает короткие импульсы, момент запуска которых определяет задающий генератор 6. Под действием импульсов выборки происходит выделение (дискретизация) значения исходного сигнала, действующего на входе смесителя 1. Расширитель 2 преобразует выходной сигнал смесителя 1 в сигнал, представляющий в аналоговой форме постоянный сигнал или в цифровой форме его дискретный вариант, который в точности соответствует значению входного синхросигнала в точке дискретизации (в момент действия импульсов выборки) [3]. В блоке вычитания 4 происходит сравнение выходных сигналов расширителя 2 и формирователя сигнала сравнения 5 и при их отличии формирование разностного сигнала, который, действуя на задающий генератор 6, изменяет момент запуска формирователя импульсов выборки 3 таким образом, чтобы момент выделения (дискретизации) исходного сигнала всегда происходил в один и тот же момент, осуществляя привязку к заданной точке исходного сигнала и автоматическую подстройку при воздействии различных факторов. Одновременно блок 6 запускает блок 7, который формирует стандартный синхросигнал, жестко привязанный к фазе исходного сигнала.

В зависимости от конкретной задачи процесс масштабно-временного преобразования может быть аналоговым, при котором все операции осуществляются над сигналами в аналоговой форме, или цифровым, при котором информация об исходном сигнале представлена в аналоговой форме, а все остальные операции преобразования осуществляются над сигналами в цифровой форме.

При этом на втором выходе расширителя действует дискретный сигнал, а блок вычитания, формирователь сигнала сравнения и задающий генератор являются узлами, работающими с дискретными сигналами, причем у задающего генератора выходные сигналы после преобразования являются аналоговыми.

Благодаря тому, что узлы 1 и 2 охвачены обратной связью, точность масштабно-временного преобразования существенно увеличивается, поскольку происходит отработка приращения сигнала между точками дискретизации при обработке сигнала, а не полной амплитуды входного сигнала. Современный уровень развития позволяет формировать импульсы выборки, длительность которых гарантирует полосу пропускания смесителя до 40-50 гГц. Выполнение на практике смесителя 1 и формирователя импульсов выборки 3 в криогенном исполнении или с использованием оптических устройств (пико- и фемтосекундных импульсов) позволяет расширить полосу пропускания смесителя 1 свыше 40-50 ГГц, вплоть до 1 ТГц и выше. Чувствительность смесителя определяется уровнем его шумов и составляет для полосы пропускания 40-50 гГц не более 5 мВ.

Таким образом, предлагаемый способ сверхширокополосной автоматической синхронизации и устройство для его реализации позволяют: расширить диапазон частот синхронизации как минимум в 2-3 раза с 18 гГц до 40-50 гГц и выше; увеличить чувствительность синхронизации на порядок с 50 мВ до 5 мВ. При этом устройство синхронизации работает полностью автоматически и нет никаких ручек подстройки и не требуется оператор.

Таким образом, способ сверхширокополосной автоматической синхронизации обладает рядом существенных преимуществ перед прототипом и аналогом.

Литература

1 Witte R.A. Getting Scope Triggering in Your Sights //Electronics Test. - 1990. -Aug.-v.l3.-N8.-PP.37-41.

2 Browne J. Trigger Speeds Digitizing Scope form 0.5 to 18 GHz //Microwaves & RF.-1988.-Jun.-v.27.-N6.-P. 56 (прототип).

3. Найденов А. И. Трансформация спектра наносекундных импульсов. - М.: Сов. Радио, 1973.-180 С. (С.6-19).