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





















Яндекс.Метрика

Синхронный усилитель

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: