RU1827642C - Способ измерени начальной фазы сигнала и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: радиотехника, контрольно-измерительна  техника, радиотехнические и информационно-вычислительные системы. Сущность изобретени : селекци  частотных составл ющих прин того сигнала по двум наборам частотных участков, каждый из которых перекрывает диапазон полосы анализа, и средние частоты участков первого и второго наборов с одинаковыми номерами совпадают, ширина участков первого набора больше ширины соответствующих участков второго набора, измерение отселектированных в первом наборе участков частотных составл ющих и выделение максимального значени  амплитуды с фиксацией номера ns соответствующего частотного участка, измерение разности начальных фаз частотных составл ющих, отселектированных в частотных участках первого и второго наборов с зафиксированным номером ns, формирование фазовой коррекции пропорционально измеренному значению разности фаз, измерение начальной фазы сигнала путем суммировани  фазовой коррекции со значением начальной фазы частотной составл ющей в выделенном участке с номером ns первого набора, при этом весовой коэффициент дл  формировани  фазовой коррекции равен отношению значени  крутизны фазочастотной характеристики выделенной цепи селекции первого набора к разности значений крутизны фазо- частотных характеристик выделенных цепей селекции первого и второго наборов. Устройство содержит 1 широкополосный тракт (1), 2 набора узкополосных фильтров

Description

Изобретение относитс  к радиотехнике и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических и информационно-вычислительных системах , функционирующих в реальном масштабе времени.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  начальной фазы сигнала при неизменном времени анализа.

На фиг. 1 приведены спектрограммы, по сн ющие предлагаемый способ; на фиг. 2 приведена структурна  схема устройства, реализующего способ.

Пусть необходимо определить начальную фазу входного сигнала с неизвестной частотой вида UBx(t)Assin( Cdst+ (p HS), где: As - амплитуда, re fs - частота, (рн$ - начальна  фаза входного сигнала.

Перед измерением частоты сигнала производ т предварительные селекцию по частоте с целью формировани  частотной полосы анализа шириной AFa и усиление, обеспечивающее требуемую чувствительность . Затем в пределах полосы анализа выдел ютс  два набора частотных участков, содержащих одинаковое количество участков М. Частотные участки первого и второго наборов с одинаковыми номерами имеют одинаковые средние частоты, но ширина участков первого набора больше ширины участков второго набора (см. фиг.1). Каждый

из обоих наборов частотных участков перекрывает полосу анализа. По каждому из них производитс  селекци  соответствующих частотных составл ющих. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и ФЧХ цепей селекции частотных составл ющих первого и второго наборов могут быть описаны следующим образом:

Цепи селекции, соответствующие первому набору частотных участков

Hli(f)f(t-fCpi) Pli(f)V(t-fcpi)

(1)

где Hii(f)- АЧХ цепи селекции по му участку первого набора;

(f) - ФЧХ цепи селекции по i-му участку первого набора;

,2М - номер участка в наборе.

Цепи селекции, соответствующие второму набору частотных участков:

H2i(f)Ј(mt-fCpi) i(f) mv(t-fcPi)

(2)

где H2i(f) - АЧХ цепи селекции по i-му участку второго набора;

2i(f) - ФЧХ цепи селекции по i-му участку второго набора;

,2М - номер участка в наборе.

m - положительный коэффициент больший единицы.

Причем

Ј(f -fcpi) 0 ПРИ fcpi + f fcpi - Afa1i

2

Ј (f - fcpi) 0 при fcpi +

Afali

f f,

a max{ Ј(f-fcpi) (°) ПРИ ,

где Ј (f-fcpi) функци , описывающа  АЧХ i-й цепи селекции первого набора;

V (f - fcpi) 01 (f - fcpi) ПРИ fcpi + AfaV

2

V (t - fcpi) ± Я При f fcpi ±

где V() - функци , описывающа  ФЧХ цепи селекции, соответствующей i-му частотному участку первого набора;

a i - крутизна ФЧХ цепи селекции 1-го частотного участка первого набора.

A Fa § Afazi.

i 1

- Afa1i

2

Afali

(3)

Afaii - ширина 1-го частотного участка первого набора;

fcpi - средн   частота i-ro частотного участка первого набора.

f fcpi Afali

(4)

Сигналы после селекции частотных составл ющих по первому и второму набору частотных участков описываютс  следующим образом:

по первому набору участков:

{Aijsin()}M,

(5)

где Aii AsHii(fs)As |(f-fcpi); fcpi;

Vb1i s+ Vl (fs)V HS+ V (fs-fcpi).

- по второму набору участков:5

{A2i sin( )}М,(6)

где A2i AsH2i(fs)As Ј (Mcpi);

10

Н21 2i(fs) Hs+ m V(fs-fcpi).

В массиве сигналов после селекции по первому набору частотных участков сигнал с максимальной амплитудой будет в том уча- стке, у которого частотное рассогласование средней частоты с частотой входного сигнала минимальное:

Aimax max Am - M Ains Afpns f - fcpns mi - M

(7)

где Aimax - максимальное значение амплитуды сигнала после селекции частотных составл ющих по первому набору участков;

Afpi fs-fcpi - частотное рассогласование средней частоты 1-го частотного участка с частотой входного сигнала.

Разность начальных фаз отселектиро- ванных сигналов в частотных участках пер- вого и второго наборов с номером ns равна:

Ду9нп3 («1 - 02) X X (f, - fcpns ) .(8)

Формируема  фазова  коррекци  в& равна

& - - AVHns Ку Дужпз, (9) 40

«1

- коэффициент пропорцигде Kvr

Y «1 -0.2

ональности.

Произвед  сложение начальной фазы отселектированной частотной составл ющей в частотном участке с зафиксированным номером ns первого набора и фазовой коррекции s, получаем в результате иско- мое значение начальной фазы входного сигнала:

yiHns+0s .(10)

Погрешность измерени  начальной фа- зы сигнала по предлагаемому методу в основном определ етс  погрешност ми измерени  разности фаз и начальной фазы отселектированной частотной составл ющей , так как значени  других величин, в том

числе значени  крутизны ФЧХ цепей селекции , известны заранее и могут быть определены с наперед требуемой точностью:

П Aps,

(11)

10

15

0

5

0

5

0

5

g

5

где П р&, П - погрешности измерени  начальной фазы сигнала и разности фаз соответственно .

Современные технические средства обеспечивают погрешность измерени  разности фаз не хуже единиц-долей градуса (3, 4). Следовательно, с учетом формул (9), (11) имеем

Прз (0,01-1)°.

При использовании известного метода- прототипа измерени  начальной фазы сигнала и равных услови х измерени  погрешность измерени  начальной фазы сигналы составл ет

П ps 0.25A fa V(f - fcpns) :Ј 90°.

Сравнение значений погрешностей измерени  начальной фазы сигнала известного способа измерени  и предлагаемого показывает, что применение за вл емого способа позволит повысить точность на один-два пор дка. Следует отметить, что врем  анализа сигналов при измерении их начальных фаз определ етс  шириной частотных участков анализа Afa и равно Ta 1/Afa. Поэтому при равенстве значений Afa необходимое врем  анализа сигналов дл  известного и предлагаемого способов будет одинаковым.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает более высокую точность измерени  начальной фазы сигнала без увеличени  времени его анализа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (см, фиг.2), состоит из входного ШПТ 1; первого 2 и второго 3 наборов узкополосных фильтров, каждый из которых включает М фильтров (2.1-2.М, 3.1-З.М соответственно ); набора 4 амплитудных детекторов , содержащего М амплитудных детекторов (4.1-4.М); первого 5 и второго 6 коммутаторов; решающего устройства 7; первого 8 и второго 9 измерителей начальной фазы; вычитател  10, умножител  11 и сумматора 12.

Устройство работает следующим образом . Входной сигнал UBx(t) поступает на вход ШПТ1, где производитс  его предварительные селекци  по частоте и усиление. Предварительна  селекци  по частоте обеспечивает формирование требуемой полосы анализа сигналов AFa, а предварительное усиление обеспечивает требуемую чувствительность . С выхода ШПТ 1 сигнал поступает на входы первого 2 и второго 3 наборов узкополосных фильтров, каждый из которых перекрывает полосу анализа ДРа. Частоты настройки (средние частоты полос пропускани ) узкополосных фильтров первого и второго наборов с одинаковыми номерами совпадают, а ширина полос пропускани  фильтров первого набора больше ширины полос пропускани  соответствующих фильтров второго набора. Отселектированные частотные составл ющих. Решающее устройство 7 производит сравнение значений амплитуды частотных составл ющих и выделение максимального значени  с фиксацией номера ns соответствующего узкополосного фильтра. Код номера ns зафик- сированного узкополосного фильтра поступает на управл ющие входы первого 5 и второго 6 коммутаторов сигналов, которые подключают ко входам первого 8 и второго 9 измерителей начальной фазы выходы фильтров соответственно первого 2 и второго 3 наборов с зафиксированным номером ns. Измеренные значени  начальных фаз составл ющих сигнала с выходов первого 8 и второго 9 измерителей начальной фазы поступают соответственно на первый и второй входы вычитател  10, с выхода которого полученна  разность начальных фаз поступает на вход умножител  11. На выходе умножител  11 формируетс  значение фазовой коррекции , которое поступает на второй вход сумматора 12, на первый вход которого поступает значение начальной фазы выделенной частотной составл ющей сигнала в первом наборе с первого 8 измерител  начальной фазы. На выходе сумматора 12 получаем искомую величину начальной фазы сигнала рц$.

Таким образом производитс  измерение начальной фазы сигнала,

Объем аппаратурных затрат устройства измерени  начальной фазы сигнала определ етс  в первую очередь количеством фильтров в наборе, количеством амплитудных детекторов и аппаратурными затратами решающего устройства (1,5).

Обеспечение высокой точности измерени  начальной фазы сигнала при использовании способа-прототипа влечет существенные аппаратурные затраты, так как погрешность измерени  начальной фазы пропорциональна ширине полос пропускани  узкополосных фильтров и соответственно частотных участков набора. При этом одновременно резко увеличиваетс  и врем  анализа:

В предлагаемом устройстве количество

фильтров увеличиваетс  незначительно, а объем аппаратурных затрат на остальные дополнительные узлы (измерители разности фаз, коммутаторы, вычитатель, умножитель,

сумматор) незначителен по сравнению с наборами фильтров, детекторов и решающим устройством. Все узлы, вход щие в состав предлагаемого устройства,  вл ютс  типовыми , их реализаци  описана в соответствующей литературе и не вызывает трудностей (2, 3, 4).

Быстродействие и врем  анализа сигнала предлагаемого устройства и прототипа определ ютс  временем установлени  сигнала на выходе узкополосных фильтров первого 2 и второго 3 наборов (1). Ширина полос пропускани  узкополосных фильтров второго набора 3 предлагаемого устройства и набора узкополосных фильтров прототипа

одинаковые, поэтому врем  анализа обоих устройств будет практически одинаковым. При этом погрешность измерени  начальной фазы сигнала по предлагаемому устройству и устройству-прототипу будут

соответственно равны:

Пр5 (0,01-1,0)°.

П ps 0,25Д тф V(f-fcpn,) Ј 90° ,

где: Д fф - полоса пропускани  узкополосного фильтра.

Следовательно, при равных временах анализа сигнала предлагаемое устройство обеспечивает существенно большую точность измерени  начальной фазы сигнала по сравнению с устройством-прототипом.

Следует отметить, что решающие устройства дл  устройств предлагаемого и прототипа однотипные, так как выполн ют

одинаковые функции и взаимосв заны с одними и теми же узлами и блоками при неизменном количестве входов-выходов.

Таким образом, реализаци  предлагаемого устройства, реализующего за вленный

способ, практически не потребует существенного увеличени  объема аппаратурных затрат. Это дает существенный выигрыш в сочетании быстродействие/объем аппаратурных затрат по сравнению со способом-прототипом и устройством, его реализующим, Учитыва  простоту и эффективность за вл емых способа измерени  начальной фазы сигнала и устройства, его реализующего, можно ожидать его широкого применени .

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ измерени  начальной фазы сигнала, заключающийс  в приеме входного сигнала в пределах частотной полосы анализа , селекции частотных составл ющих прин того сигнала по набору частотных участков , перекрывающему частотный диапазон полосы анализа, измерении амплитуд и начальных фаз отселектированных частотных составл ющих и выделении максималь- ного значени  амплитуды с фиксацией номера соответствующего частотного участка , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  при неизменном времени анализа, производ т одновременную селекцию частотных составл ющих прин того сигнала по двум наборам частотных участков, каждый из которых перекрывает диапазон полосы анализа, и средние частоты участков первого и второго наборов первого набора больше ширины соответствующих участков второго набора, измерение амплитуд отселектированных в первом наборе участков частотных составл ющих и выделение максимального значе- ни  амплитуды с фиксацией номера ns соответствующего частотного участка, измерение разности начальных фаз частотных составл ющих, отселектированных в частотных участках первого и второго наборов с зафиксированным номером ns, формирование фазовой коррекции пропорционально измеренному значению разности фаз, измерение начальной фазы сигнала путем суммировани  фазовой коррекции со значе- нием начальной фазы частотной составл ющей в выделенном участке с номером ns первого набора, при этом весовой коэффициент дл  формировани  фазовой коррек

   ции равен отношению значени  крутизны фазочастотной характеристики выделенной цепи селекции первого набора к разности значений крутизны фазочастотных характеристик выделенных цепей селекции первого и второго наборов.
2. 2. Устройство дл  измерени  начальной фазы сигнала, состо щее из последовательно соединенных входного широкополосного тракта, набора узкополосных фильтров, набора амплитудных детекторов, решающего устройства и двух измерителей начальной фазы, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  при неизменном времени анализа, в него введены второй набор узкополосных фильтров, первый и второй коммутаторы, вычитатель, умножитель и сумматор, при этом средние частоты узкополосных фильтров первого и второго наборов с одинаковыми номерами совпадают, а ширина полосы пропускани  фильтров первого набора больше ширины полосы пропускани  соответствующих фильтров второго набора, выходы фильтров первого набора подключены к соответствующим входам первого коммутатора, выходы фильтров второго набора-к соответствующим входам второго коммутатора, управл ющие входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом решающего устройства, а выходы первого и второго измерителей начальной фазы, выход первого измерител  начальной фазы подключен к первым входам вычитател  и сумматора, а выход второго измерител  начальной фазы - к второму входу вычитател , выход вычитател  через умножитель соединен с вторым входом сумматора, выход которого  вл етс  выходом устройства.