Многоканальные системы с частотным уплотнением сигналов. Спектроанализаторы

ЛЕКЦИЯ 15

7.2. Многоканальные системы с частотным уплотнением сигналов

Одним из наиболее интересных вариантов использования АРК является реализация многоканальных фильтров для суммирования и разветвления сигналов в системах с частотным уплотнением. Пример канала связи с частотным уплотнением парциальных сигналов приведен на (рис. 7.3). На входы сумматора (мультиплексора) подаются парциальные сигналы на различных частотах , поступающие после объединения в широкополосный канал связи. На выходе связного канала предусмотрен разветвитель (демультиплексор), осуществляющий разветвление (выделение) парциальных сигналов путем частотной селекции парциальных сигналов путем частотной селекции.

Рис. 7.3. Канал связи с частотным уплотнением сигналов

В общем случае как мультиплексор, так и демультиплексор идентичны и различаются только направлением следования сигналов (от независимых входов к общему выходу или от общего входа к независимым выходам), т. е. конструктивно имеют как бы зеркальную симметрию. В частном случае роль мультиплексора может сводиться лишь к широкополосному суммированию входных сигналов, при этом полоса пропускания его по всем входам может быть одинаковой . В демультиплексоре задача пространственного разветвления сигналов решается одновременно, а точнее, путем их частотной селекции. Полоса пропускания каждого из выходных каналов должна выбираться в зависимости от спектра соответствующего парциального сигнала. То есть мы имеем дело с многоканальным фильтром с различными центральными частотами полос пропускания каждого из каналов. Иногда дополнительная частотная селекция осуществляется и во входных каналах мультиплексора; таким образом, эти устройства становятся полностью идентичными.

Рассмотрим варианты построения многоканального фильтра на ПАВ, лежащего в основе любой конструкции акустических де- и мультиплексоров. Классическая схема многоканального фильтра (рис. 7.4) предполагает обычно наличие общего широкополосного преобразователя 1, взаимодействующего по независимым пространственным каналам с парциальными преобразователями, центральные частоты которых лежат в пределах полосы пропускания общего преобразователя и соответствуют частотам уплотняемых (разделяемых) сигналов. На рис. 7.4 многоканальный фильтр включен в режиме демультиплексора: к широкополосному преобразователю подводится входной многочастотный сигнал, излучаемый в равных долях в трех независимых пространственных каналах. В приведенном примере используется двунаправленное излучение входного преобразователя с апертурой W_∑: выходные преобразователи с апертурой W_n = W_∑/3 располагаются по обеим его сторонам, что позволяет вдвое уменьшить потери и общую ширину звукопровода при незначительном увеличении его длины.

Рис. 7.4. Типичная схема многоканального фильтра

Собственно селективные свойства многоканального фильтра такой конструкции формируют выходные преобразователи. При большом числе каналов и узкой полосе пропускания конструкция фильтра значительно усложняется, что, безусловно, сказывается на его стоимости и надежности.

Значительно компактнее многоканальный фильтр, в основе которого лежит использование ангармонических составляющих спектра преобразователя с разреженной структурой электродов (рис. 7.5). Наличие пространственно чередующихся групп и пропусков электродов обусловливает в спектре преобразователя дополнительные гармонические составляющие на частотах  и т. д. с интервалом , обратно пропорциональным пространственному шагу  групп электродов: . И если в узкополосных полосовых фильтрах эти гармонические составляющие (ангармоники) подавляются, то при создании многоканального фильтра их существование позволяет добиться сугубо позитивных результатов.

На рис. 7.5, а приведена конструкция многоканального фильтра с общим преобразователем 1, имеющим разреженную структуру электродов. Заметим, что выходные преобразователи (1 – 5) изображены в одном пространственном канале лишь для упрощения. В общем случае они могут располагаться как и в предыдущем варианте в независимых пространственных каналах по обеим сторонам от входного.

Рис. 7.5. Многоканальный фильтр с использованием

разреженного преобразователя

Суть данного решения в том, что входной (в случае демультиплексора выходной) преобразователь полностью определяет селективность любого из частотных каналов. Роль выходных преобразователей сводится лишь к подавлению частотных составляющих, соответствующих соседним каналам. Пространственный шаг  групп электродов входного преобразователя и шаг  электродов в группах выбираются таким образом, чтобы центральная частота входного преобразователя совпадала с частотой одного из входных сигналов (являющейся также центральной или близкой к ней для всей группы входных сигналов), а ближайшие к ней ангармоники совпадали с остальными входными сигналами. Протяженность выходных преобразователей выбирается равной пространственному шагу  групп входного преобразователя, а шаг электродов в них различен и выбирается в соответствии с частотой  выделяемого сигнала. При этом центральные частоты выходных преобразователей  совпадают с частотами соответствующих ангармоник, а их нули – с частотами соседних с используемой ангармоник, что исключает их влияние на работу фильтра (рис. 7.5, б). Практически форма АХЧ, соответствующая каждому из каналов, определяется законом аподизации входного преобразователя (на рис. 7.5 изображен неаподизованный преобразователь).

Приведенные соображения полностью справедливы в том случае, когда требуемая полоса пропускания каждого из каналов значительно уже разницы между их центральными частотами. Если эти величины близки по значению, форма АХЧ выходного преобразователя начинает влиять на форму АХЧ соответствующего канала фильтра, что должно учитываться при расчете.

7.3. Спектроанализаторы

Иллюстрируя возможности АРК с точки зрения создания устройств для спектрального анализа, рассмотрим два варианта спектроанализатора: с пространственным и временным разделением сигналов.

Пространственное разделение (выделение) сигналов с различной частотой, поступающих на вход спектроанализатора, может быть осуществлено с помощью набора (блока) параллельно включенных полосовых фильтров, перекрывающих весь рабочий диапазон. Повышение требований к разрешению сигналов связано с ростом числа парциальных фильтров и повышением их селективности, что порой экономически неоправданно.

Значительное распространение получили спектроанализаторы с временным разделением сигналов. Пример одного из таких устройств, предназначенного для анализа непрерывных сигналов, приведен на рис. 7.6, а.

На входе спектроанализатора расположен смеситель 1, к которому, наряду с входным сигналом, подводится опорный радиоимпульс с линейной частотной модуляцией от свип-генератора 2. Результирующий сигнал поступает на ДЛЗ 3, дисперсионная характеристика, которой (рис. 7.6, б) имеет наклон, обратный наклону характеристики выходного импульса свип-генератора. Максимальная девиация (полоса частот) ДЛЗ равна или несколько  превышает  предполагаемый  спектральный  диапазон  входных сигналов.

Рис. 7.6. Спектроанализатор с временным разделением сигналов

Крутизна дисперсионных характеристик опорного сигнала от свип-генератора и ДЛЗ имеет одинаковое значение, что вызывает сжатие (см. далее) сигналов 1, 2 (обусловленных действием двух непрерывных входных сигналов на частотах f₁, f₂) во времени. На выходе спектроанализатора присутствуют сигналы 3, 4, задержка которых t₁, t₂ обусловлена частотами спектральных составляющих f₁ , f₂ входного сигнала.