Корреляционный измеритель флуктуаций

Корреляционный измеритель флуктуаций

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для измерения спектра мощности флуктуаций квазигармонических радиосигналов.

Уровень техники

Известен корреляционный измеритель флуктуаций, содержащий индикатор, два усилителя и разветвитель, входом подключенный к входу измерителя, а каждым из двух выходов - к одному из входов двух смесителей, вторые входы каждого из которых через последовательно соединенные фазовращатель, генератор опорной частоты, управляющий элемент и фильтр низкой частоты подключены к выходу каждого из двух фазовых детекторов [1]. Недостатком этой схемы является обязательное наличие двух идентичных источников высокостабильных колебаний и высокие требования к идентичности амплитудно- и фазочастотных характеристик каналов измерителя.

Известен также корреляционный измеритель фазовых шумов, включающий дискриминатор с разветвителем в виде делителя мощности на входе, вход которого является клеммой для подключения сигнала от исследуемого генератора [2]. Однако этот измеритель в силу особенностей своей схемы может работать только в ограниченной полосе частот диапазона СВЧ.

В измерителе, предложенном в [3], имеется два канала с разветвителем на входе, обеспечивающим развязку между входами каналов не менее 35-40 дБ. Для компенсации вносимого разветвителем затухания применяется супергетеродинное преобразование сигнала с большим усилением на промежуточной частоте и независимыми гетеродинами в каждом канале, что сильно усложняет схему.

В [4] описан супергетеродинный двухканальный измеритель флуктуаций с амплитудными и частотными детекторами в каналах и цифровым коррелометром на выходе типа Х6-4 с блоком преобразования Фурье (как, например, в приборах Х6-8, Х6-11) для определения спектра мощности исследуемых флуктуации. Показано, что этот метод обладает преимуществами перед методом последовательного спектрального анализа (с использованием узкополосного фильтра) и при прочих равных параметрах (разрешающей способности, диапазоне частот исследуемого сигнала) требует в несколько раз меньшего общего времени измерения. Диапазон частот исследуемых сигналов при этом может быть многократно расширен за счет применения в супергетеродинных преобразователях частоты стробоскопических преобразователей (СП), как это сделано, например, в корреллометре Х6-5, работающем в диапазоне до 1000 МГц. Известно также применение СП в ВЧ и СВЧ фазометрах (от ФК2-12, работающего в диапазоне частот от 1 до 1000 МГц, до ФК2-33, работающего в диапазоне частот до 17,85 ГГц), а также в сверхширокополосных стробоскопических осциллографах (например, от С7-16, работающего в диапазоне частот до 800 МГц, до С7-20/4, работающего в диапазоне частот до 30 ГГц). СП включают в себя сверхбыстродействующие ключи (например, на п/п диодах) и работают по принципу "выборка-запоминание" (он используется также, например, в современных интегральных АЦП). Для управления этими ключами необходимы формирователи чрезвычайно коротких строб-импульсов (ФСИ), длительность которых (по основанию) не должна превышать 1 нс при частоте исследуемого сигнала до 1 ГГц и 0,1 нс при частоте исследуемого сигнала до 10 ГГц. В настоящее время стробоскопические преобразователи существуют в виде интегральных микроузлов, включающих в себя собственно СП и оконечный ФСИ (например, на п/п диодах с накоплением заряда). При этом на управляющий вход такого интегрального СП необходимо подавать импульсы длительностью от 7 до 20 нс.

Наиболее близким по техническому решению - прототипом предлагаемого устройства - является корреляционный измеритель чистоты спектра радиосигналов, описанный в [5]. Он содержит разветвитель на входе, с двух выходов которого исследуемые сигналы поступают на два измерительных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные смесители, на другие входы которых подаются сигналы от общего перестраиваемого малошумящего гетеродина. С выходов смесителей сигналы исследуемых флуктуаций подаются на входы идентичных низкочастотных усилителей. С выходов этих усилителей усиленные и отфильтрованные сигналы исследуемых флуктуаций и собственные шумы измерительных каналов (эти шумы являются некоррелированными при достаточно большом переходном затухании между выходами разветвителя - не менее 40 дБ) подаются на входы коррелометра, содержащего последовательно соединенные аналоговый перемножитель, интегрирующий усилитель и индикаторный прибор.

К недостатку прототипа следует отнести невозможность измерения флуктуации исследуемого сигнала меньших, чем флуктуации общего гетеродина (т.к. флуктуации гетеродина когерентны в обоих каналах, так же, как и сигналы исследуемых флуктуации). Кроме того, частотный диапазон исследуемых сигналов ограничен диапазоном перестройки этого гетеродина.

Общим недостатком упомянутых корреляционных измерителей является большое затухание, вносимое разветвителем (делителем мощности) в исследуемый сигнал.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является упрощение схемы за счет отказа от деления мощности во входном разветвителе без ухудшения развязки между каналами, а также повышение чувствительности измерителя и расширение диапазона частот исследуемых сигналов.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства. Оно состоит из измерителя корреляционной функции с блоком преобразования Фурье (коррелометра) 1, общего перестраиваемого гетеродина 2, системы АПЧ 3, стробоскопических преобразователей (СП) 4 и 4', фильтров нижних частот (ФНЧ) 5 и 5', широкополосных малошумящих измерительных усилителей низких частот (УНЧ) 6 и 6', формирователей коротких импульсов (ФКИ) 7 и 7', устройства задержки 8, разделительных конденсаторов малой емкости 9, 9' и линии задержки 10. Емкость конденсаторов выбирается такой, чтобы их сопротивление на нижней (несущей) частоте исследуемого сигнала было малым (по сравнению с входным сопротивлением стробоскопических преобразователей 4 и 4'), но большим на верхней частоте исследуемых флуктуаций. Время задержки в устройстве задержки 8 должно быть минимальным, но, по крайней мере, вдвое больше длительности (по основанию) импульсов, генерируемых ФСИ в самих СП 4 и 4'. Длительность импульсов, генерируемых ФКИ 7 и 7', как указывалось выше, должна быть от 7 до 20 нс и зависит от применяемых СП.

Нижняя и верхняя граничная частота (f_н и f_в соответственно) полосы пропускания УНЧ определяются выбранным диапазоном частот измеряемых флуктуаций (равным диапазону отстройки от несущей частоты исследуемого сигнала), при этом f_н дополнительно определяется выбранной полосой пропускания системы АПЧ, a f_в, кроме того, определяется возможностями применяемого коррелометра (например, 250 кГц для Х6-4 и 500 кГц для Х6-11). Соответствующим выбором f_н можно отфильтровать избыточные фликкер-шумы для предотвращения перегрузки УНЧ и коррелометра. Представляется целесообразным предусмотреть возможность синхронного переключения f_н, f_в и коэффициента усиления идентичных УНЧ 6 и 6' в обоих каналах.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Исследуемый сигнал поступает на вход, откуда через разделительные конденсаторы 9 и 9' поступает на входы СП 4 и 4'. На другие их входы подается сигнал с ФКИ 7, 7', при этом сигнал с формирователя 7 подается на СП 4 через устройство кратковременной задержки 8. ФКИ 7 и 7' вместе с ФСИ в СП представляют собой генераторы множества гармоник, основная частота генерируется перестраиваемым гетеродином 2. При использовании высших гармоник частоты гетеродина значительно расширяется диапазон частот исследуемого входного сигнала (по сравнению с диапазоном перестройки самого гетеродина 2). Гетеродин 2 дополнительно охвачен системой АПЧ 3, вход которой подключен к выходу ФНЧ 5', для автоматической настройки на частоту (несущую) исследуемого сигнала ближайшей к ней гармоники частоты гетеродина. Также система АПЧ играет роль фильтра верхних частот для исследуемых флуктуаций, частотные составляющие которых, находящиеся за пределами полосы пропускания системы АПЧ, получаются независимыми в разных измерительных каналах. Сигналы с выходов СП 4, 4' поступают через ФНЧ 5, 5' и УНЧ 6, 6' на входы коррелометра 1. ФНЧ 5 и 5' позволяют избавиться от высокочастотных продуктов преобразования частот. Поступающий на входы коррелометра 1 сигнал состоит из суммы измеряемых флуктуаций и собственных шумов измерительных каналов. В силу некоррелированности собственных шумов измерительных каналов они дают нулевой вклад в результирующую функцию взаимной корреляции.

В системе АПЧ общего гетеродина в данном устройстве СП представляет собой фактически импульсно-фазовый (ключевой) детектор, работающий по принципу "выборка - запоминание", а система в целом осуществляет фазовую автоподстройку частоты перестраиваемого гетеродина 2 до полного совпадения с частотой (несущей) исследуемого сигнала ближайшей высшей гармоники частоты гетеродина. Таким образом осуществляется автоматическая настройка на частоту исследуемого сигнала. При этом фазовый сдвиг между колебаниями (исследуемого сигнала и соответствующей гармоники частоты гетеродина) устанавливается равным 90° при точной настройке гетеродина и может отклоняться от этого значения на некоторую величину (не превышающую ±90°) при неточной начальной настройке гетеродина (в пределах полосы удержания системы АПЧ). При фазовом сдвиге, равном 90°, устройством будут измеряться, как известно, только флуктуации фазы исследуемого сигнала, а при фазовом сдвиге, равном 45°, будет измеряться полусумма фазовых и амплитудных флуктуаций.

Устройство задержки 8 задерживает управляющий импульс на небольшое (большее, чем длительность самого импульса, и меньшее, чем промежуток между импульсами) время. В результате в каждый момент времени открытым является не более одного СП. Благодаря неодновременному открытию СП 4 и 4' достигается хорошая развязка измерительных каналов. В случае высокой частоты входного сигнала может возникнуть необходимость компенсировать задержку, создаваемую устройством задержки 8, линией задержки 10, время задержки измеряемого входного сигнала в которой должно быть равно времени задержки управляющего короткого импульса в устройстве задержки 8. Формирователи импульсов 7 и 7' обладают независимыми шумами, что позволяет измерять флуктуации исследуемого сигнала меньшие, чем флуктуации гетеродинных сигналов в обоих каналах измерителя.

Данный измеритель пригоден для исследования флуктуаций квазигармонических радиосигналов в широком диапазоне частот, определяемом характеристиками применяемых СП, при этом диапазон частот измеряемых флуктуаций зависит от характеристик применяемого коррелометра.

Источники информации

1. Ермоленко И.А, Савченко М.П., Зигмунд Ю.С. Корреляционный измеритель флуктуаций. - Авт. свид. SU №744375, МКИ G 01 R 29/26, заявл. 23.08.78, опубл. 20.05.80. - Бюл. №24.

2. Чернов В.В. Корреляционный измеритель фазовых шумов. - Авт. свид. SU №1765780, МКИ G 01 R 23/12, заявл. 05.07.90, опубл. 30.09.92. - Бюл. №36.

3. Корнилов С.А. Спектрально-корреляционные методы измерения флуктуационной нестабильности непрерывных СВЧ-колебаний. - Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ, вып.8 (471). - М.: ЦНИИ Электроника, 1977.

4. Буйнявичюс В. - А.В. и др. Статистические методы в радиоизмерениях. - М. Радио и связь, 1985. - 240 с.

5. Ермоленко И.А. и др. Корреляционный измеритель чистоты спектра радиосигналов // Техника средств связи. - 1981. - вып.4. - с.73-78.

1. Корреляционный измеритель флуктуаций, содержащий коррелометр, перестраиваемый гетеродин, охваченный системой автоматической подстройки частоты (АПЧ), и два идентичных измерительных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные стробоскопический преобразователь, фильтр нижних частот и усилитель, отличающийся тем, что в каждый измерительный канал введены идентичные и независимые формирователи коротких импульсов, входы которых соединены с выходом перестраиваемого гетеродина, а выходы соединены с управляющими входами стробоскопических преобразователей в одном из каналов, к выходу фильтра нижних частот которого подключен вход блока АПЧ непосредственно, а в другом канале - через устройство кратковременной задержки, а сигнальные входы преобразователей обоих каналов соединены с входом устройства через идентичные разделительные конденсаторы небольшой емкости.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что в том измерительном канале, в котором введено устройство задержки импульсов между выходом формирователя импульсов и управляющим входом стробоскопического преобразователя, введена линия задержки исследуемого сигнала, включенная между входом этого же преобразователя и разделительным конденсатором, при этом длительность задержки в линии задержки равна длительности задержки в устройстве задержки.