RU2060511C1

RU2060511C1 - Method for calibrating computerized pulse/reflection- coefficient microwave meter

Info

Publication number: RU2060511C1
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Рясный; О.А. Романов
Original assignee: Новосибирский электротехнический институт связи
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: microwave measurement technology; high-accuracy measurement of circuit and signal parameters. SUBSTANCE: method for calibrating computerized pulse/reflection-coefficient microwave meter involves supply DC voltage to meter input and sampling of its level followed by feeding sine-wave microwave signal to meter input and sampling its level and length, digital Fourier transform and calculation of gain factor using formula given in description of the invention. EFFECT: improved measurement accuracy. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано при измерении параметров цепей и сигналов с высокой точностью. The invention relates to a microwave measurement technique and can be used to measure circuit and signal parameters with high accuracy.

Известен способ калибровки импульсно-рефлектометрического СВЧ-измерителя, заключающийся в подаче прямоугольных импульсов с известной амплитудой на вход стробоскопического преобразователя (СП) и измерении отклонения луча индикатора рефлектометра с последующим вычислением коэффициента отклонения по формуле
K=U/S, мВ/дел.A known method of calibrating a pulse reflectometry microwave meter, which consists in applying rectangular pulses with a known amplitude to the input of a stroboscopic transducer (SP) and measuring the deflection of the reflectometer indicator beam, followed by the calculation of the deviation coefficient by the formula
K = U / S, mV / div.

Известен также способ калибровки импульсного рефлектометра, заключающийся в подаче известного напряжения постоянного тока на вход измерителя и измерении отклонения луча индикатора рефлектометра с последующим вычислением коэффициента отклонения по формуле
K=U/2, мВ/дел.There is also a method of calibrating a pulse reflectometer, which consists in applying a known DC voltage to the meter input and measuring the deflection of the reflectometer indicator beam, followed by the calculation of the deviation coefficient by the formula
K = U / 2, mV / div.

Наиболее близким к изобретению является способ, сущность которого заключается в следующем. Сигнал в виде напряжения постоянного тока известной амплитуды с выхода калибратора измерителя (либо от внешнего источника) подают на вход СП, нагруженного на согласованную нагрузку, с низкочастотного выхода которого преобразованный сигнал поступает на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки индикатора, имеющей на экране шкалу. При этом ручку плавной регулировки усиления в канале вертикального отклонения устанавливают в такое положение, чтобы луч индикатора отклонялся на две клетки шкалы, и определяют коэффициент отклонения по формуле
K=U/2.Closest to the invention is a method, the essence of which is as follows. A signal in the form of a direct current voltage of known amplitude from the output of the meter calibrator (or from an external source) is fed to the input of the joint venture, which is loaded to a matched load, from the low-frequency output of which the converted signal is fed to the deflecting plates of the indicator cathode ray tube, which has a scale on the screen. In this case, the gain control knob in the channel of vertical deviation is set in such a position that the indicator beam deviates into two cells of the scale, and the deviation coefficient is determined by the formula
K = U / 2.

Такой способ калибровки позволяет измерять амплитуду исследуемых СВЧ-сигналов во временной области. This calibration method allows you to measure the amplitude of the studied microwave signals in the time domain.

К недостаткам этого способа калибровки относятся: низкая точность измерений параметров сигналов, обусловленная визуальным отсчетом по шкале электронно-лучевой трубки индикаторa, отсутствие возможности определять абсолютные значения амплитуды спектральных составляющих сложных СВЧ-сигналов. The disadvantages of this calibration method include: low accuracy of measurement of signal parameters due to visual reading on the indicator cathode ray tube scale, the inability to determine the absolute values of the amplitude of the spectral components of complex microwave signals.

Целью изобретения является определение абсолютного значения амплитуды спектральных составляющих сигналов и повышение точности измерения коэффициента передачи в частотной области. The aim of the invention is to determine the absolute value of the amplitude of the spectral components of the signals and improve the accuracy of measuring the transmission coefficient in the frequency domain.

Это достигается тем, что при способе калибровки, заключающемся в подаче известного напряжения постоянного тока на вход измерителя, постоянное напряжение квантуют по уровню и запоминают в ЭВМ, затем на вход измерителя подают синусоидальный СВЧ-сигнал, устанавливают длительность временного окна анализа сигнала, равную периоду СВЧ-сигнала, производят его квантование по уровню и длительности, подают в ЭВМ и определяют коэффициент, соответствующий единичному значению гармоники сигнала в частотной области по формуле
K_f=

где U_п известное напряжение постоянного тока;
n количество отсчетов, соответствующих U_п при его аналого-цифровом преобразовании;
n₁ количество отсчетов, соответствующих амплитуде синусоидального сигнала;
α- относительное значение, соответствующее гармонике синусоидального сигнала, полученной при ДПФ.This is achieved by the fact that with the calibration method, which consists in supplying a known DC voltage to the meter input, the constant voltage is quantized in level and stored in a computer, then a sinusoidal microwave signal is fed to the meter input, the duration of the signal analysis time window is set equal to the microwave period -signal, it is quantized by level and duration, fed to a computer and the coefficient corresponding to a single value of the signal harmonic in the frequency domain is determined by the formula
K _f =

where U _p known DC voltage;
n is the number of samples corresponding to U _p during its analog-to-digital conversion;
n _{1 the} number of samples corresponding to the amplitude of the sinusoidal signal;
α is the relative value corresponding to the harmonic of the sinusoidal signal obtained by the DFT.

Сигнал в виде напряжения постоянного тока известной амплитуды U_п с выхода калибратора измерителя неоднородностей линии Р 5-15 (либо от внешнего источника) подают на вход СП через переключатель, с выхода СП сигнал поступает на вход индикатора и в интерфейсный блок. В интерфейсном блоке сигнал квантуется с помощью АЦП, а затем передается в ЭВМ, где запоминается количество отсчетов n, соответствующих U_п после его аналого-цифрового преобразования. Далее с помощью переключателя от входа СП отключают калибратор и подключают генератор гармонического сигнала. С выхода СП гармонический сигнал поступает на индикатор измерителя и в интерфейсный блок, где он квантуется по уровню и длительности. Длительность временного окна анализа гармонического сигнала выбирается равной его периоду. Из интерфейсного блока гармонический сигнал, представленный в виде массива дискретных значений, поступает в ЭВМ. ЭВМ вычисляет количество отсчетов n₁, соответствующих амплитуде гармонического сигнала, и преобразует массив дискретных значений сигнала по алгоритму дискретного преобразования Фурье из временной области в частотную, затем выделяет первую гармонику с относительным значением амплитуды α и определяет коэффициент преобразования тракта автоматизированного импульсно-рефлектометрического СВЧ-измерителя, соответствующий единичному значению гармоники синусоидального сигнала по формуле
K_f=

При определении амплитуды любых спектральных составляющих сложных СВЧ-сигналов необходимо воспользоваться формулой
U_i=K_fα_i, где α_i относительное значение амплитуды i-й гармоники.A signal in the form of a direct current voltage of known amplitude U _p from the output of the calibrator of the inhomogeneity meter of line P 5-15 (or from an external source) is fed to the input of the SP through a switch, from the output of the SP the signal goes to the indicator input and to the interface unit. In the interface unit, the signal is quantized using an ADC, and then transmitted to a computer, where the number of samples n corresponding to U _p after its analog-to-digital conversion is stored. Then, using the switch, the calibrator is turned off from the input of the SP and the harmonic signal generator is connected. From the SP output, the harmonic signal is fed to the meter indicator and to the interface unit, where it is quantized by level and duration. The duration of the time window for the analysis of the harmonic signal is chosen equal to its period. From the interface unit, a harmonic signal, presented in the form of an array of discrete values, enters the computer. The computer calculates the number of samples n ₁ corresponding to the amplitude of the harmonic signal, and converts the array of discrete signal values according to the discrete Fourier transform algorithm from the time domain into the frequency domain, then selects the first harmonic with a relative amplitude α and determines the conversion coefficient of the path of the automated pulse-reflectometric microwave meter corresponding to a single harmonic value of the sinusoidal signal according to the formula
K _f =

When determining the amplitude of any spectral components of complex microwave signals, you must use the formula
U _i = K _f α _i , where α _{i is the} relative value of the amplitude of the i-th harmonic.

На чертеже приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа калибровки автоматизированного импульсно-рефлектометрического СВЧ-измерителя. The drawing shows a structural diagram of a device for implementing the proposed method for calibrating an automated pulse reflectometry microwave meter.

Устройство состоит из генератора гармонического сигнала 1, выход которого соединен с переключателем 2 и измерителем неоднородностей Р-15 3. К второму входу переключателя 2 подключен калибратор измерителя неоднородностей, выход переключателя 2 соединен с СП 4. СП 4 нагружен на согласованную нагрузку 5, а его низкочастотный выход соединен с входом измерителя неоднородностей 3. Измеритель неоднородностей 3 соединен с интерфейсным блоком 6, управление которым производится с помощью ЭВМ 7. The device consists of a harmonic signal generator 1, the output of which is connected to switch 2 and the heterogeneity meter P-15 3. A calibrator of the heterogeneity meter is connected to the second input of switch 2, the output of switch 2 is connected to SP 4. SP 4 is loaded to the matched load 5, and its the low-frequency output is connected to the input of the heterogeneity meter 3. The heterogeneity meter 3 is connected to the interface unit 6, which is controlled by a computer 7.

Калибровка производится следующим образом. Calibration is as follows.

Вход СП 4 отключается от переключателя 2 и сигнал с выхода СП 4, соответствующий нулевому уровню, поступает на вход индикатора Р5-15 и затем в интерфейсный блок 6, где преобразуется в цифровой код и запоминается в ЭВМ в виде средней величины А. Затем переключатель 2 соединяют с СП 4 и на его вход подают постоянное напряжение калибратора Р5-15, равное 0,2 В, которое также преобразуется в цифровой код и среднее значение А1 запоминается в ЭВМ. По известным значениям А и А1 вычисляется количество отсчетов n, соответствующее постоянному напряжению 0,2 В. Далее переключатель 2 устанавливается в положение, в котором на вход СП подается синусоидальный сигнал, при этом часть сигнала поступает на индикатор Р5-15 для его синхронизации. С выхода СП 4 гармонический сигнал поступает на индикатор и затем в интерфейсный блок, где он квантуется по уровню и длительности и затем в цифровом виде передается в ЭВМ. Длительность временного окна анализа гармонического сигнала выбирается равной его периоду. ЭВМ по заданной программе вычисляет количество отсчетов n₁, соответствующее амплитуде синусоиды, преобразует массив дискретных значений гармонического сигнала по алгоритму ДПФ из временной области в частотную, затем выделяет первую гармонику с относительным значением амплитуды α и определяет коэффициент передачи тракта автоматизированного импульсно-рефлектометрического СВЧ-измерителя, соответствующее единичному значению гармоники синусоидального сигнала по формуле
K_f=

При определении амплитуды спектральных составляющих сложных СВЧ-сигналов необходимо воспользоваться формулой
U_i= Kf α_i где α_i относительное значение i-й гармоники исследуемого сигнала.The input of SP 4 is disconnected from switch 2 and the signal from the output of SP 4 corresponding to the zero level is fed to the input of indicator P5-15 and then to interface unit 6, where it is converted into a digital code and stored in the computer as an average value A. Then switch 2 connected to SP 4 and fed to its input a constant voltage of the calibrator P5-15, equal to 0.2 V, which is also converted into a digital code and the average value of A1 is stored in the computer. Using the known values of A and A1, the number of samples n corresponding to a constant voltage of 0.2 V is calculated. Next, switch 2 is set to a position in which a sinusoidal signal is supplied to the input of the SP, while part of the signal goes to the indicator P5-15 to synchronize it. From the output of SP 4, the harmonic signal is fed to the indicator and then to the interface unit, where it is quantized by level and duration and then transmitted digitally to a computer. The duration of the time window for the analysis of the harmonic signal is chosen equal to its period. A computer, according to a given program, calculates the number of samples n ₁ corresponding to the amplitude of a sinusoid, converts an array of discrete values of a harmonic signal according to the DFT algorithm from the time domain into the frequency domain, then selects the first harmonic with a relative value of the amplitude α and determines the transmission coefficient of the path of an automated pulse-reflectometric microwave meter corresponding to the unit value of the harmonic of the sinusoidal signal according to the formula
K _f =

When determining the amplitude of the spectral components of complex microwave signals, you must use the formula
U _i = Kf α _i where α _{i is the} relative value of the i-th harmonic of the signal under study.

Достоверность положительного эффекта подтверждается также результатами экспериментального исследования, приведенными в таблице. Измерялась мощность гармонических составляющих сигнала, теоретический спектр которого хорошо известен прямоугольного импульса. The reliability of the positive effect is also confirmed by the results of an experimental study, shown in the table. The power of the harmonic components of the signal was measured, the theoretical spectrum of which is well known for a rectangular pulse.

Claims

A method of calibrating an automated pulse-reflectometric microwave meter, comprising supplying a predetermined constant voltage to the meter input, characterized in that the voltage is quantized by level, then a sinusoidal microwave signal is fed to the meter input, the analysis time is set equal to the period of the sinusoidal microwave signal, quantize it by level and duration, perform a discrete Fourier transform, determine the relative value of the amplitude corresponding to the first harmonic component, and determine the transfer coefficient of an automated pulse-reflectometric microwave meter according to the formula

where U _{n the} specified value of the constant voltage;
n number of samples corresponding to quantization of the direct voltage;
n _{1 the} number of samples corresponding to quantization by the level of a sinusoidal microwave signal;
a relative amplitude value corresponding to the first harmonic component of the sinusoidal microwave signal.