Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения




09.08.2022


09.08.2022


08.08.2022


08.08.2022


08.08.2022


06.08.2022


06.08.2022





Яндекс.Метрика

Синхронный усилитель

07.03.2022

Синхронный усилитель — тип электронного усилителя, в котором применён принцип синхронного детектирования сигнала.

Позволяет обнаруживать периодические полезные сигналы с заранее известной частотой на фоне очень сильных помех, величина которых может превосходить в десятки и сотни раз амплитуду полезного сигнала.

Выигрыш в разрешении сильно зашумлённого сигнала осуществляется за счёт сужения полосы частот, или, что то же самое — за счёт увеличения времени накопления.

Принцип действия

Главными элементами синхронного усилителя являются ключ и усреднитель сигнала. Ключ коммутируется с частотой принимаемого полезного периодического сигнала, а выход ключа подключён к какому-нибудь усреднителю сигнала, например, интегратору. При работе ключ передаёт на интегратор в каждом периоде только часть периода — время выборки, в остальное время периода ключ разомкнут. Так как сигнал помехи обычно некоррелирован с полезным сигналом, то во время выборки сигнал помехи имеет разные знаки и, будучи проинтегрирован за достаточно большое число выборок, даст небольшой относительно сигнала вклад в выходной сигнал интегратора, в то время как полезный сигнал во время каждой выборки имеет один и тот же знак и поэтому постепенно накапливается интегратором.

Допустим, что полезный сигнал синусоидальный с частотой ω {displaystyle omega } и амплитудой A {displaystyle A} :

U s ( t ) = A sin ⁡ ( ω t ) , {displaystyle U_{s}(t)=Asin(omega t),}

который аддитивно смешан (просуммирован) с сигналом шума с нулевым математическим ожиданием U n ( t ) {displaystyle U_{n}(t)} , например, с гауссовским шумом, то есть сигнал, подаваемый на ключ имеет вид:

U s n ( t ) = A sin ⁡ ( ω t ) + U n ( t ) . {displaystyle U_{s}n(t)=Asin(omega t)+U_{n}(t).}

Пусть ключ открывается в течение каждого 1-го полупериода сигнала, тогда выходной сигнал интегратора с нулевым начальным сигналом через достаточно длительное время, спустя n + 1 {displaystyle n+1} периодов будет:

U I ( t ) = ∫ 0 T / 2 [ A sin ⁡ ( ω t ) + U n ( t ) ] d t + ∫ T T + T / 2 [ A sin ⁡ ( ω t ) + U n ( t ) ] d t + ⋯ + ∫ n T n T + T / 2 [ A sin ⁡ ( ω t ) + U n ( t ) ] d t = ; {displaystyle U_{I}(t)=int _{0}^{T/2}[Asin(omega t)+U_{n}(t)],dt+int _{T}^{T+T/2}[Asin(omega t)+U_{n}(t)],dt+dots +int _{nT}^{nT+T/2}[Asin(omega t)+U_{n}(t)],dt={};} = ∫ 0 T / 2 A sin ⁡ ( ω t ) d t + ∫ T T + T / 2 A sin ⁡ ( ω t ) d t + ⋯ + ∫ n T n T + T / 2 A sin ⁡ ( ω t ) d t + ; {displaystyle {}=int _{0}^{T/2}Asin(omega t),dt+int _{T}^{T+T/2}Asin(omega t),dt+dots +int _{nT}^{nT+T/2}Asin(omega t),dt+{};} + ∫ 0 T / 2 U n ( t ) d t + ∫ T T + T / 2 U n ( t ) d t + ⋯ + ∫ n T n T + T / 2 U n ( t ) d t . {displaystyle {}+int _{0}^{T/2}U_{n}(t),dt+int _{T}^{T+T/2}U_{n}(t),dt+dots +int _{nT}^{nT+T/2}U_{n}(t),dt.}

Сумма интегралов, где в подынтегральном выражении полезный сигнал будет равна ( n + 1 ) ⋅ A , {displaystyle (n+1)cdot A,} а сумма интегралов с шумовым сигналом близка к 0 — оценке математического ожидания гауссовского сигнала за время ( n + 1 ) ⋅ T / 2. {displaystyle (n+1)cdot T/2.}

Таким образом, описанный метод позволяет накапливать сигнал, причём отношение сигнала к шуму в результате обработки будет тем больше, чем длительнее время накопления.

В рассмотренном примере было принято, что времена выборки длятся первую половину периода (ключ открывается в течение первого полупериода). То есть, обработка произведена с априорным знанием частоты и фазы полезного сигнала. Во многих приложениях это априорное знание имеется. Но в некоторых случаях известна только частота сигнала, но неизвестна фаза. В этом случае можно накапливать результаты с помощью 2 ключей и двух интеграторов, причём фазы открытия ключей сдвинуты на четверть периода (π/2), что гарантирует по крайней мере в одном из каналов накопление результата. В этом случае амплитуда и фаза полезного сигнала могут быть получены вычислениями:

A = U 0 2 + U π / 2 2 , {displaystyle A={sqrt {{U_{0}}^{2}+U_{pi /2}^{2}}},}

и

θ = arctan ⁡ U 0 U π / 2 , {displaystyle heta =arctan {frac {U_{0}}{U_{pi /2}}},} где U 0 {displaystyle U_{0}} и U π / 2 {displaystyle U_{pi /2}} — выходные сигналы каналов.

Если априорно неизвестна также и частота полезного сигнала, то для её определения с целью применения синхронного детектирования применяют корреляционные статистические математические методы или спектральные, например, с помощью дискретного преобразования Фурье по выборкам сигнала или спектральные экспериментальные методы с помощью анализаторов спектра.

Описанный метод пригоден не только для обнаружения сигнала и определения его амплитуды, но и для определения формы периодического сигнала. Для определения формы ключ открывают в течение небольшого времени в периоде и задержку открытия ключа относительно начала периода постепенно изменяют, применяют так называемое «стробоскопическое осциллографирование».

Применение

Данный метод и приборы, основанные на методе применяются везде, где требуется обнаружение слабых сигналов и измерение их параметров на фоне сильных помех, в астрономии, геофизике, радиосвязи, навигации и др.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: