8.5. Спектральный анализ

Как уже отмечалось в § 8.1, энергетический спектр случайного сигнала может быть определен для каждой реализации его по об­щим правилам. Таким образом, вес основные теоретические поло­жения и методы спектрального анализа детерминированных сигна­лов, рассмотренные в § 7.8, применимы и при анализе спектров случайных сигналов. Из всех видов АС для техники статистических измерений характерны фильтровые и цифровые АС.

Метод фильтрации, как и при анализе спектров детерминирован­ных сигналов, заключается в применении для оценки спектральной плотности мощности селективного фильтра (фильтров), полоса про­пускания которого настолько узка, что в ее пределах можно считать постоянной. На выходе фильтра возникает узкополосный центрированный случайный сигнал, дисперсия которого пропорцио­нальна на частоте настройки фильтра. Подключив к выходу фильтра вольтметр среднеквадратического напряжения с закрытым входом, по его показаниям (см. §,8.2) определяют .

Цифровые АС реализуют алгоритмы БПФ (см. §7.8.5). При анализе спектров стационарных случайных сигналов БПФ может быть при­менено либо к самой реализации X(t), либо, согласно (8.11) и (8.12), к корреляционным функциям, что наиболее предпочтительно. Дей­ствительно, АС в этом случае по-прежнему представляет собой цифровой коррелометр, который дополняется преобразователем Фурье, осуществляющим вычисление или и по алгоритму БПФ. Функциональные возможности кор­релометров еще более расширяются.

9. Измерительные генераторы

Измерительный генератор — это источник измерительных сигналов с заранее известными параметрами, предназначенный для исследования, настройки и про­верки функционирования электрорадиотехнических цепей и устройств. Пара­метры сигналов могут быть фиксированными и регулируемыми в определенных пределах. Именно возможность установки и регулировки параметров генерируе­мых сигналов с нормированной погрешностью отличает измерительные генерато­ры (ИГ) от других источников сигналов.

Рассмотрение принципа работы, схемных решений и параметров ИГ должно предшествовать изучению методов и средств измерений параметров электрора­диотехнических цепей и устройств. Однако этим не ограничивается область при­менения ИГ, которые являются одними из наиболее распространенных электрорадиоизмерительных приборов и широко применяются при измерениях электри­ческих и неэлектрических величин.

9.1. Классификация измерительных генераторов

Измерительные генераторы были охарактеризованы при общей классифи­кации электрорадиоизмерительных приборов в § 2.1 как самостоятельная груп­па — источники измерительных сигналов. Внутри этой группы выделяются гене­раторы шумовых сигналов (Г2), генераторы сигналов низкочастотные (ГЗ) и вы­сокочастотные (Г4), генераторы импульсов (Г5), сигналов специальной формы (Г6) и, наконец, ГКЧ (Г8).

Наиболее часто при измерении параметров цепей применяются ИГ видов ГЗ, Г4 и Г5. При этом ИГ видов ГЗ и Г4 предназначены для генерирования немодулированных или модулированных различными способами гармонических сиг­налов (синусоидальных колебаний) и дополнительно классифицируются (ГОСТ 9788—78) по диапазону частот, выходному уровню напряжения (мощ­ности) и виду модуляции. В зависимости от диапазона частот генерируемых сиг­налов выделяют низкочастотные ИТ (20 Гц...300 кГц), высокочастотные (30 кГц...300 МГц) и СВЧ (свыше 300 МГц), которые в свою очередь могут иметь коаксиальный (300 МГц... 18 ГГц) или волноводный (свыше 6 ГГц) выходы. По выходному уровню напряжения (мощности) различают ИГ с калиброванным и некалиброванным уровнями. Наконец, в ИГ могут осуществляться следующие виды модуляции генерируемых сигналов: амплитудная синусоидальная (AM), частотная синусоидальная (FM), амплитудно-импульсная (РМ), частотно-им­пульсная (FT), фазово-импульсная ( T) и однополосная (SM).

К источникам гармонических сигналов относятся также ГКЧ. Характерной особенностью их, как мы уже знаем, является автоматическое изменение (кача­ние) частоты. Чаще всего закон качания является линейным и обеспечивается с помощью ГЛИН. Дополнительно ГКЧ классифицируются (ГОСТ 15166—73) по значению полосы качания частоты: широкополосные (от 1% до полного частот­ного диапазона), узкополосные (менее 1% от максимальной частоты диапазона) и комбинированные ГКЧ.

Кроме того, к источникам гармонических сигналов должны быть отнесены и синтезаторы частоты, хотя они входят в подгруппу Ч, образуя вид Ч6 (см. § 5.1). По определению (ГОСТ 19896—74) синтезатор частоты — это устройство, выра­батывающее одно или несколько выходных колебаний с заданными частотами, которые либо порознь когерентны колебанию опорного генератора, либо попарно могут образовывать колебания разностной частоты. Таким образом, с по­мощью синтезаторов высокостабильная фиксированная частота колебаний опор­ного генератора преобразуется в множество дискретных, следующих друг за дру­гом частот выходных колебаний — сетку частот синтезатора, занимающую опре­деленный диапазон.

Общим признаком, объединяющим генераторы импульсов (Г5), является форма выходного сигнала. Такие генераторы предназначены для формирования видеоимпульсов прямоугольной формы. Исключительно широкая область приме­нения предопределила необходимость дополнительной классификации их на:

генераторы с простым видом выходной последовательности импульсов, на которые распространяются требования ГОСТ 11113—74 и которые дополнитель­но подразделяются на генераторы одинарных и парных импульсов;

генераторы со сложным видом выходной последовательности импульсов, к которым относятся генераторы кодовых комбинаций и псевдослучайных последо­вательностей импульсов;

генераторы для проверки переходных характеристик линейных четырехпо­люсников (см. § 7.2) — специализированные ИГ, отличающиеся высокой точ­ностью установки параметров видеоимпульсов. Они включены в подгруппу И, где образуют, в дополнение к видам И2 (см. § 5.1) и И4 (см. § 7.7), вид И1.

Видеоимпульсы прямоугольной формы — не единственный вид импульсных сигналов, генерируемых ИГ. Для генераторов сигналов специальной формы (Г6) характерно сочетание гармонических и импульсных сигналов прямоугольной, тре­угольной и пилообразной форм. Кроме того, предусматривается возможность получения гармонических сигналов с различными фазовыми сдвигами.

Генераторы шумовых сигналов, называемые часто генераторами шума (ГШ), — автономный вид ИГ, генерирующих шумовые измерительные сигналы с нормированными статистическими характеристиками. Шумовые сигналы яв­ляются типичным примером случайных сигналов и представляют собой совокуп­ность одновременно существующих электрических колебаний, частоты и ампли­туды которых имеют флюктуационный характер. Различают аналоговые и циф­ровые ГШ.