Патент на изобретение №2339959

(54) КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ФЛУКТУАЦИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения спектра мощности флуктуаций квазигармонических радиосигналов. Согласно изобретению измеритель содержит разветвитель, высокостабильный генератор частоты отстройки, корреляционный блок с индикатором и два идентичных канала преобразования сигнала. Каналы содержат: смесители; широкополосные фильтры нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания, равной требуемому диапазону отстроек; узкополосные низкочастотные полосовые фильтры (ПФ), определяющие полосу анализа шумов =2F; синхронно перестраиваемые калиброванные аттенюаторы; измерительные усилители низких частот; высокочастотные синхронно перестраиваемые генераторы опорной частоты; усилители-ограничители; частотно-фазовые детекторы; усилители постоянного тока. Особенность измерителя заключается в том, что в каждый канал перед ПФ введены идентичные следящие режекторные фильтры, подавляющие несущую разностного колебания на выходах ФНЧ, и сдвоенный переключатель, в одном положении которого входы ПФ подключаются к выходам режекторных фильтров, а в другом положении – непосредственно к выходам ФНЧ. Благодаря этому может быть повышена точность измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Область техники, к которой относится изобретение.

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

Уровень техники.

Известны корреляционные измерители флуктуаций амплитуды и частоты радиосигналов [1], содержащие два идентичных измерительных канала, детекторы (амплитудные или частотные соответственно) и усилители низких частот (УНЧ) с разветвителем на входе, который должен обеспечивать развязку между входами каналов не менее 35-40 дБ для обеспечения некоррелированности собственных шумов обоих каналов измерителя. Для компенсации вносимого разветвителем затухания применяется супергетеродинное преобразование входного сигнала с большим усилением на промежуточной частоте и независимыми гетеродинами в каждом канале. Недостатком этих измерителей является сравнительно низкая точность измерения спектра мощности флуктуаций исследуемого сигнала, которая определяется по разности показаний промышленного анализатора спектра (АС) с квадратичным детектором при измерении спектра суммы выходных сигналов УНЧ обоих каналов и спектра их разности. Разрешающая способность и точность при этом ограничивается флуктуационной погрешностью используемого АС.

Известен измеритель частотных флуктуаций [2], имеющий два идентичных канала, состоящих из последовательно включенных фазовых детекторов, усилителей и фильтров, выходы которых подключены ко входам выходного перемножителя, выходной сигнал которого интегрируется и поступает на индикатор. Одни входы фазовых детекторов соединены вместе и со входом измерителя, на который подается сигнал от исследуемого генератора, а другие входы фазовых детекторов подключены к выходам опорных генераторов в каждом канале, охваченных системами ФАПЧ (для подавления амплитудных флуктуаций). Его отличительной особенностью является введение дополнительного генератора и перемножителей в каждом канале, входы которых подключены к выходам усилителей, а выходы – ко входам ФНЧ в каждом канале, с помощью которых осуществляется фильтрация сигналов флуктуаций исследуемого генератора и опорных генераторов каждого канала в окрестностях частоты настройки дополнительного генератора. Отсутствие разветвителя на входе этого измерителя является его серьезным недостатком.

Известен также корреляционный измеритель фазовых шумов [3], включающий дискриминатор с разветвителем в виде делителя мощности на входе, к которому подключается выход исследуемого генератора. Однако этот измеритель в силу особенностей своей схемы может работать только в ограниченной полосе частот диапазона СВЧ.

Наиболее близким по техническому решению – прототипом предлагаемого устройства – является корреляционный измеритель флуктуаций [4]. Он содержит разветвитель на входе, с двух выходов которого исследуемый сигнал поступает на два измерительных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные смесители с фильтрами нижних частот (ФНЧ) на выходах, низкочастотные полосовые фильтры, измерительные аттенюаторы и усилители низких частот, выходы которых подключены к входам корреляционного блока, содержащего последовательно соединенные перемножитель, интегратор и индикатор. На одни входы смесителей, подключенных к выходам разветвителя, подается исследуемый сигнал, а на другие входы через регулируемые фазовращатели подаются колебания с выходов идентичных генераторов опорной частоты, охваченных независимыми системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащими последовательно соединенные усилители-ограничители (их входы подключены к выходам ФНЧ в каждом канале), фазовые детекторы с ФНЧ на выходах и управляющие элементы для подстройки частот генераторов в обоих каналах. В измерителе имеется дополнительный генератор частоты отстройки, выходные колебания которого подаются на вторые входы фазовых детекторов систем ФАПЧ. Частота этого генератора перестраивается в заданном диапазоне отстроек от несущей частоты исследуемого сигнала, на которых необходимо измерить его флуктуации, отфильтрованные низкочастотными полосовыми фильтрами в каждом канале. Измерения отношения уровня несущей к уровню флуктуаций осуществляется с помощью измерительных аттенюаторов в каждом канале (переключаемых синхронно), точность калибровки которых определяет точность измерений. Недостатком данного измерителя (прототипа) является невозможность полного подавления колебания несущей частоты преобразованного сигнала низкочастотными фильтрами каналов при малых значениях частоты отстройки (соизмеримых со значением верхних граничных частот этих фильтров), что ухудшает точность измерений.

Сущность изобретения.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерений за счет увеличения степени подавления колебаний несущей частоты преобразованного сигнала в обоих каналах измерителя.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства. Оно содержит разветвитель (тройник) 1, высокостабильный генератор частоты отстройки 2, корреляционный блок 3 с индикатором, смесители 4 и 4′, широкополосные фильтры нижних частот (ФНЧ) 5 и 5′, имеющих полосу пропускания, равную требуемому диапазону отстроек, узкополосные низкочастотные полосовые фильтры (ПФ) 6 и 6′, определяющие полосу анализа шумов =2F, синхронно перестраиваемые калиброванные аттенюаторы 7 и 7′, измерительные усилители низких частот (УНЧ) 8 и 8′, высокочастотные синхронно перестраиваемые генераторы (ПГ) опорной частоты 9 и 9′, имеющие помимо электронного управления частотой тонкую ручную настройку для компенсации фазовых сдвигов в каналах, усилители-ограничители 10 и 10′, частотно-фазовые детекторы 11 и 11′, усилители постоянного тока (УПТ) 12 и 12′, следящие режекторные фильтры (РФ) 13 и 13′, самонастраивающиеся на частоту преобразованного сигнала несущей (частоту генератора отстройки 2), сдвоенный переключатель S1. Элементы схемы 4-13 с переключателем S1.1 и элементы 4′-13′ с переключателем S1.2 образуют соответственно первый и второй каналы измерителя. Характеристики каналов должны быть идентичными.

На фиг.2 приведены частотно-спектральные диаграммы, поясняющие работу устройства. Пунктирными линиями построены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) отдельных блоков. Устройство работает следующим образом. Исследуемый квазигармонический сигнал (линия W_вх() на фиг.2) с медленно меняющимися амплитудой U_вх(t) и фазой _вх(t) с частотой _вх

через разветвитель 1, обеспечивающий необходимую развязку входов обоих каналов, что позволяет считать собственные шумы каналов независимыми, подается на входы смесителей 4 и 4′. На вторые входы смесителей поступают сигналы от подстраиваемых генераторов опорной частоты 9 и 9′

(линия W_пг() на фиг.2). Генераторы охвачены независимыми системами ФАПЧ, содержащими усилители-ограничители 10 и 10′, фазовые детекторы 11 и 11′, усилители постоянного тока 12 и 12′. С выходов смесителей преобразованные сигналы поступают на широкополосные фильтры нижних частот 5 и 5′ (АЧХ ФНЧ на фиг.2), выделяющие преобразованные сигналы биений с разностной частотой входного и опорного генераторов

где k_см – коэффициент передачи смесителей.

Эти сигналы далее подаются на входы усилителей-ограничителей 10 и 10′, позволяющих избежать влияния изменений амплитуды исследуемого входного сигнала и соответственно сигнала u_б(t) на частоту генераторов опорной частоты 9 и 9′. С выходов усилителей-ограничителей сигналы биений подаются на одни из входов частотно-фазовых детекторов 11 и 11′. При подаче на вторые входы этих детекторов высокостабильного сигнала перестраиваемого генератора 2 с частотой _от, если разность частот _вх и _пг близка к _от, и попадает в полосу пропускания УПТ, сигнал рассогласования с выходов детекторов 11 и 11′, через усилители постоянного тока 12 и 12′, диапазон рабочих частот которых определяет полосу захвата систем ФАПЧ (на фиг.2 АЧХ УПТ), поступает на управляющие элементы генераторов 9 и 9′, корректирующие опорную частоту так, чтобы разность частот колебаний этих генераторов и исследуемого сигнала была в точности равна требуемой частоте отстройки анализируемых флуктуаций от несущей частоты исследуемого сигнала, т.е. частоте _от генератора 2. В этом случае преобразованный сигнал (линия W_пр() на фиг.2) на выходе ФНЧ 5 первого канала может быть представлен следующим образом:

где k_фнч1 – коэффициент передачи напряжения ФНЧ первого канала; _от – частота отстройки от несущей (частота генератора 2, _от много меньше _вх); ₁ – постоянный сдвиг фаз, зависящий от величины начальной расстройки _нач между частотой _от генератора 2 и частотой биений, равной разности частот _вх и _пг1, в момент захвата сигнала системой ФАПЧ; _гот(t) – флуктуации фазы генератора отстройки 2. Как известно, за пределами полосы рабочих частот УПТ 12, т.е. при больше _{в упт}, флуктуации _вх(t), _пг1(t), _гот(t) системой ФАПЧ не отрабатываются и являются независимыми. Аналогично сигнал во втором канале на выходе ФНЧ 5′

С выходов фильтров нижних частот 5 и 5′, при установке сдвоенного переключателя S1 в положение 1 сигналы (4) и (5) поступают на входы узкополосных полосовых фильтров 6 и 6′, нижняя частота среза которых _нпф лежит выше граничной частоты УПТ _вупт, а верхняя _впф существенно меньше граничной частоты фильтров 5 и 5′ (линия АЧХ ПФ на фиг.2). Коэффициенты передачи полосовых фильтров k_пф(р), где p=d/dt – оператор дифференцирования, за пределами полосы пропускания на частотах ниже _нпф и выше _впф стремятся к нулю, а внутри полосы пропускания от _нпф до _впф имеют постоянное значение k_пф. Ширина полосы пропускания от _впф до _нпф равна . Отфильтрованные этими фильтрами низкочастотные компоненты флуктуаций сигналов (4) и (5) далее через регулируемые калиброванные аттенюаторы 7 и 7′ с коэффициентами передачи по напряжению k_атт поступают на входы измерительных усилителей низких частот 8 и 8′ с коэффициентами усиления k_унч. Коэффициенты k_атт и k_унч не зависят от частоты в пределах полосы пропускания ПФ. Сигнал на выходе усилителя 8 имеет следующий вид:

где K₁(p)=k_см1k_фнч1k_атт1k_унч1(p). Принимая во внимание, что флуктуации входного сигнала и сигналов ПГ являются малыми и медленными, т.е.

а собственные шумы усилителей, аттенюаторов, фильтров и пр. низкими, пренебрегая малыми величинами второго порядка, выражение (6) можно преобразовать к виду

где U°_вх и U°_пг – средние значения амплитуды соответственно входного сигнала и ПГ, m₁(t) – суммарное значение малых относительных флуктуаций амплитуды, ₁(t) – суммарное значение медленных флуктуаций фазы

Здесь m_соб1(t) и _соб1(t) – вклад собственных шумов канала во флуктуации амплитуды и фазы сигнала. Аналогичное выражение можно записать для второго канала

Далее сигналы (8), (10), содержащие когерентные составляющие флуктуаций амплитуды m_вх(t) и фазы _вх(t), _гот(t) и независимые (некоррелированные) составляющие флуктуаций каналов m_пг(t), m_соб(t), _пг(t), _соб(t) поступают на корреляционный блок 3, в котором перемножаются и усредняются интегратором. При достаточно больших отстройках от несущей полосовой фильтр ПФ подавляет несущую настолько, что первыми слагаемыми в выражениях (8), (10) можно пренебречь по сравнению с остальными слагаемыми. В этом случае выделенные когерентные составляющие флуктуаций исследуемого сигнала характеризуют мощность усиленных флуктуаций, выделенных в полосе, равной удвоенной полосе пропускания фильтров 6 и 6′, при отстройке относительно несущей частоты исследуемого сигнала [5], равной частоте генератора 2

где К² ₁₁=K₁K₂ – произведение коэффициентов усиления каналов в пределах полосы пропускания ПФ;

S_mвх(_от), S_вх(_от), S_гот(_от) – спектральные плотности мощности соответственно амплитудных и фазовых флуктуаций на частоте _от. Эта мощность регистрируется индикаторным прибором корреляционного блока. Фазовый сдвиг в каналах ₁₂ устраняется с помощью ручек тонкой настройки частоты обоих генераторов ПГ при установке показаний индикаторного прибора на максимум (₁₂ равно 0). Из (11) следует, что фазовые флуктуации S_гот(_от) генератора 2 определяют порог чувствительности измерителя флуктуаций, поэтому к выбору генератора 2 следует подходить с особой тщательностью. Далее будем полагать, что S_гот(_от) существенно меньше S_вх(_от):

Минимально возможное значение частоты отстройки [_от]_мин, с которым может работать измеритель, зависит от степени подавления несущей преобразованного сигнала (первое слагаемое в выражениях (8), (10)) фильтрами 11 и 11′. Для снижения порогового значения [_от]_мин в предлагаемый измеритель введены следящие режекторные фильтры (РФ) 13 и 13′, самонастраивающиеся на частоту преобразованного сигнала несущей (частоту генератора отстройки 2).

Измерение спектра мощности флуктуаций квазигармонических радиосигналов S_вх() осуществляется через измерение отношения сигнал/шум. Переключатель S1 ставится в положение 1, на генераторе 2 устанавливается частота в пределах полосы пропускания ПФ от _нпф до _впф, устраняется фазовый сдвиг в каналах ₁₂. Калиброванными аттенюаторами каналов устанавливается некоторое конкретное показание индикатора, например N, и фиксируется значение коэффициента передачи [k_атт]_сигн. Мощность сигнала несущей равна

где К² _11С – значение коэффициента К² ₁₁=K₁K₂ в режиме измерения сигнала (k_атт равно [k_атт]_сигн). Далее на генераторе 2 устанавливается требуемое значение _от, переключатель S1 переводится в положение 2, режекторные фильтры 13 и 13′ настраиваются на частоту преобразованного сигнала несущей (_от), устраняется фазовый сдвиг в каналах ₁₂, аттенюаторами каналов устанавливается то же показание индикатора N. Фиксируется значение коэффициента ослабления [k_атт]_шум. Значение [k_атт]_шум должно быть существенно больше [k_атт]_сигн. Мощность шума равна

где К² _11Ш – значение коэффициента К² ₁₁=K₁K₂ в режиме измерения шума (k_атт равно [k_атт]_шум). Отношение сигнал/шум равно

Отсюда получаем

При калибровке аттенюаторов в дБ по отношению к 1В спектральная плотность мощности флуктуаций определяется следующим образом:

Точность в данной схеме измерителя повышена по сравнению с прототипом за счет дополнительного подавления несущей преобразованного сигнала на выходе ФНЧ 5 и 5′ с частотой f_от, равной _от/2, следящими режекторными фильтрами 13 и 13′ в режиме 2 при измерении флуктуаций этого преобразованного сигнала. Для повышения чувствительности корреляционного измерителя флуктуаций общий перестраиваемый генератор 2 может быть выполнен в виде высокостабильного (и малошумящего) кварцевого генератора (с фиксированной частотой генерации) и двух идентичных (но независимых) делителей частоты с переключаемым коэффициентом деления или синхронно управляемых синтезаторов частот для обоих каналов измерителя.

Перечень фигур.

Фиг.1. Структурная схема корреляционного измерителя флуктуаций.

Фиг.2. Частотно-спектральные диаграммы.

Источники информации

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

2. Кириллов А.А., Ребизов В.Ф. Измеритель частотных флуктуаций генераторов. – Авт. свид. 792170 (СССР), МКИ G01R 23/00. – Опубл. 30.12.1980. – Бюл. №48.

3. Чернов В.В. Корреляционный измеритель фазовых шумов. – Авт. свид. SU 1765780, МКИ G01R 23/12. – Опубл. 30.09.92. – Бюл. №36.

4. Ермоленко И.А., Савченко М.П., Зигмунд Ю.С. Корреляционный измеритель флуктуаций. – Авт. свид. 744375 (СССР), МКИ G01R 29/26. – Опубл. 30.06.1980. – Бюл. №24.

5. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. Под общей ред. А.К.Нарышкина. Совместное советско-чешское издание. М.: Сов. Радио, 1977.

Формула изобретения

1. Корреляционный измеритель флуктуаций, содержащий разветвитель (тройник), вход которого является входом устройства, общий перестраиваемый генератор, задающий частоту отстройки от несущей частоты исследуемого входного радиосигнала при измерении его флуктуаций, корреляционный блок, содержащий перемножитель с интегратором на выходе и индикатор, и два идентичных канала, включающие в себя смесители с фильтрами нижних частот на выходе, одни входы которых (сигнальные) соединены с выходами входного разветвителя, а другие входы соединены с выходами опорных генераторов (перестраиваемых синхронно), охваченных независимыми системами автоматической подстройки частоты, содержащими последовательно соединенные усилители-ограничители, входы которых соединены с выходами фильтров нижних частот, а выходы соединены с входами частотно-фазовых детекторов, другие входы которых соединены с выходами общего перестраиваемого генератора, задающего частоту отстройки, а выходы соединены с входами усилителей постоянного тока, выходы которых соединены с управляющими входами опорных генераторов, далее в обоих каналах имеются последовательно соединенные полосовые фильтры низких частот, калиброванные регулируемые аттенюаторы и низкочастотные измерительные усилители, выходы которых соединены с входами блока корреляции, отличающийся тем, что в каждый канал измерителя введены дополнительно идентичные следящие режекторные фильтры, настраивающиеся автоматически на частоту отстройки (задаваемую общим перестраиваемым генератором) и подавляющие несущую разностного колебания (сигнала) на выходах фильтров нижних частот (установленных на выходах смесителей в обоих каналах), входы которых соединены с выходами фильтров нижних частот, а к выходам этих режекторных фильтров с помощью переключателей (также введенных дополнительно вместе с режекторными фильтрами) подключаются входы полосовых низкочастотных фильтров в одном положении переключателей (при измерении уровня флуктуаций), а в другом положении этих переключателей (при измерении уровня несущей) входы полосовых низкочастотных фильтров подключаются непосредственно к выходам вышеупомянутых фильтров нижних частот, установленных на выходах смесителей в обоих каналах измерителя.

2. Корреляционный измеритель флуктуаций по п.1, отличающийся тем, что общий перестраиваемый генератор, задающий частоту отстройки от несущей частоты исследуемого входного радиосигнала при измерении его флуктуаций, выполнен в виде высокостабильного (и малошумящего) кварцевого генератора (с фиксированной частотой генерации) и двух идентичных (но независимых) делителей частоты с переключаемым коэффициентом деления или синтезаторов частот для обоих каналов измерителя.

РИСУНКИ