Определение напряжения видеосигнала и видеофильтры

Добавлено 23 февраля 2021 в 13:41

Информация об уровне входного сигнала содержится в уровне сигнала ПЧ и представляет собой сигналы амплитудной модуляции в огибающей сигнала ПЧ. При использовании аналоговых и цифровых фильтров ПЧ огибающая сигнала ПЧ детектируется после фильтрации последней промежуточной частоты (рисунок 1).

Рисунок 1 Детектирование огибающей сигнала ПЧ
Рисунок 1 – Детектирование огибающей сигнала ПЧ

Эта архитектура аналогична схеме аналогового детектора огибающей, используемого для демодуляции амплитудномодулированных сигналов (рисунок 2). Сигнал ПЧ детектируется, высокочастотная составляющая сигнала устраняется фильтром нижних частот, и на выход схемы выдается напряжение видеосигнала.

Рисунок 2 Детектирование огибающей сигнала ПЧ с помощью детектора огибающей
Рисунок 2 – Детектирование огибающей сигнала ПЧ с помощью детектора огибающей

Для цифровых диапазонов оцифровывается сам сигнал ПЧ, т.е. огибающая определяется по выборкам после цифрового фильтра ПЧ. Если посмотреть на сигнал ПЧ, представленный комплексным вращающимся вектором (смотрите раздел 2.1), огибающая соответствует длине вектора, вращающегося с угловой скоростью ωпч (рисунок 3). Огибающая может быть определена путем вычисления амплитуды с использованием алгоритма CORDIC[1].

Рисунок 3 Сигнал ПЧ при синусоидальном входном сигнале, представленный комплексным вращающимся вектором
Рисунок 3 – Сигнал ПЧ при синусоидальном входном сигнале, представленный комплексным вращающимся вектором

Из-за детектирования огибающей информация о фазе входного сигнала теряется, поэтому на дисплее может отображаться только амплитуда. Это одно из основных различий между детектором огибающей и БПФ-анализатором, описанным в разделе 3.1.

Динамический диапазон детектора огибающей определяет динамический диапазон анализатора спектра. Современные анализаторы имеют динамический диапазон около 100 дБ. Одновременно отображать настолько разные значения в линейном масштабе смысла нет. Поэтому на анализаторе спектра уровень обычно отображается в логарифмическом масштабе. Следовательно, перед детектором огибающей 33 сигнал ПЧ может быть усилен с помощью логарифмического усилителя 32, тем самым увеличивая отображаемый на дисплее динамический диапазон (номера, выделенные синим цветом ссылаются на блоки на структурной схеме анализатора спектра в конце статьи).

Получающееся в итоге напряжение видеосигнала зависит от входного сигнала и выбранной полосы разрешения. На рисунке 4 показано несколько примеров. В этих примерах анализатор спектра настроен на фиксированную частоту, поэтому отображаемая полоса обзора (SPAN) равна 0 Гц (нулевая полоса обзора).

Рисунок 4a Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – синусоидальный сигнал
Рисунок 4a – Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – синусоидальный сигнал
Рисунок 4b Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – АМ сигнал, ширина полосы разрешения менее чем в два раза превышает ширину полосы модуляции
Рисунок 4b – Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – АМ сигнал, ширина полосы разрешения менее чем в два раза превышает ширину полосы модуляции
Рисунок 4c Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – АМ сигнал, полоса разрешения более чем в два раза превышает ширину полосы модуляции
Рисунок 4c – Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – АМ сигнал, полоса разрешения более чем в два раза превышает ширину полосы модуляции
Рисунок 4d Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – шум
Рисунок 4d – Видеосигнал (оранжевые кривые) и сигнал ПЧ после фильтра ПЧ (синие кривые) – шум

За детектором огибающей следует видеофильтр 35, который определяет полосу пропускания видеосигнала (BV, VBW, video bandwidth). Видеофильтр представляет собой фильтр нижних частот первого порядка, используемый для освобождения видеосигнала от шума и для сглаживания кривой, которая затем отображается дисплее, чтобы изображение было стабилизировано. В описываемом анализаторе видеофильтр реализован в цифровом виде. Поэтому видеосигнал дискретизируется на выходе детектора огибающей с помощью аналого-цифрового преобразователя 34, и его амплитуда квантуется.

Аналогично полосе разрешения, полоса пропускания видеосигнала также ограничивает максимально допустимую скорость развертки. При уменьшении полосы пропускания видеосигнала увеличивается минимальное необходимое время развертки (раздел 4.6.1).

Примеры на рисунке 4 показывают, что ширина полосы видеосигнала должна быть установлена в зависимости от полосы разрешения и конкретного типа измерения. При настройке ширины полосы видеосигнала также должен быть учтен используемый детектор (раздел 4.5). Последующие рассуждения не относятся к детекторам RMS (среднеквадратичных значений) (раздел 4.4 «Детекторы»).

Для измерений синусоидальных сигналов с достаточно высоким отношением сигнал/шум обычно выбирается ширина полосы видеосигнала, равная полосе разрешения. Однако при низком отношении сигнал/шум изображение на дисплее можно стабилизировать, уменьшив полосу пропускания видеосигнала. При этом сигналы со слабым уровнем отображаются в спектре более отчетливо (рисунок 5), а измеренные значения уровней становятся более стабильными и воспроизводимыми. В случае синусоидального входного сигнала уменьшение ширины полосы видеосигнала не влияет на отображаемый уровень. Это становится совершенно ясно, если посмотреть на напряжение видеосигнала, получающееся в результате подачи на вход анализатора синусоидального сигнала на рисунке 4a. Видеосигнал представляет собой чистое постоянное напряжение, поэтому видеофильтр не влияет на общий уровень видеосигнала.

Рисунок 5 Синусоидальный сигнал с низким отношением сигнал/шум, показанный для большой (вверху) и малой (внизу) полосы пропускания видеосигнала
Рисунок 5 – Синусоидальный сигнал с низким отношением сигнал/шум, показанный для большой (вверху) и малой (внизу) полосы пропускания видеосигнала

Для получения стабильных и воспроизводимых результатов измерений шума следует выбирать узкую полосу пропускания видеосигнала. Таким образом, шумовая полоса уменьшается, а высокие пики шума усредняются. Как более подробно описано в разделе 4.4, отображаемый средний уровень шума будет на 2,5 дБ ниже среднеквадратичного (действующего) значения сигнала.

При измерении импульсных сигналов следует избегать усреднения. Импульсы имеют высокое пиковое и низкое среднее значения (зависящие от коэффициента заполнения импульса). Чтобы избежать слишком низких отображаемых уровней, полосу пропускания видеосигнала следует выбирать намного больше, чем ширина полосы разрешения (рисунок 6). Более подробно это обсуждается в разделе 6.2.

Рисунок 6 Импульсный сигнал, записанный с большой и малой полосой пропускания видеосигнала (верхнее и нижнее изображения соответственно); обратите внимание на уменьшение отображаемой амплитуды при небольшой полосе пропускания видеосигнала (смотрите на значение маркера)
Рисунок 6 – Импульсный сигнал, записанный с большой и малой полосой пропускания видеосигнала (верхнее и нижнее изображения соответственно); обратите внимание на уменьшение отображаемой амплитуды при небольшой полосе пропускания видеосигнала (смотрите на значение маркера)

Структурная схема анализатора спектра, описываемого в данной книге

Структурная схема анализатора спектра, описываемого в данной книге
Структурная схема анализатора спектра, описываемого в данной книге

Справочная информация

  1. Volder, J.E.: The CORDIC Trigonometric Computing Technique. IRE Transaction on Electronic Computers, vol. EC-8, p. 330–334, Sept 1959.

Теги

IF / ПЧ (промежуточная частота)RBW (resolution bandwidth) / Полоса разрешенияVBW (video bandwidth) / Полоса видеосигналаАнализатор спектраДетекторДетектор огибающейИзмерениеРадиочастотный спектрФильтрФНЧ (фильтр нижних частот)

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.