RU2032924C1 - Устройство для измерения времени запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения запаздывания одного случайного сигнала относительно другого случайного сигнала. Устройство содержит: блок усреднения, n умножителей на константы, n сумматоров, n вычитателей, n компараторов, n коммутаторов. 3 ил.

Description

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для измерения запаздывания одного случайного сигнала относительно другого случайного сигнала, стационарно связанного с первым сигналом. Изобретение может быть использовано, например, в разностнодальномерных гидроакустических системах определения положения плавающего аппарата, излучающего широкополостный случайный сигнал.

Известно устройство измерения временного интервала, описанное на с.71 книги Мирского Г.Я. Измерение временных интервалов. М-Л. Энергия, 1964. Временное запаздывание определяется согласно зависимости
Δt φ ·

устройство содержит измеритель фазового сдвига φ двух гармоничных сигналов друг относительно друга, а также умножитель на константу 1/ω Если сигналы случайны, то необходимо иметь анализатор спектра сигналов, в простейшем случае фильтр, выделяющий из каждого из случайных сигналов гармонику частотой ω полупериод которой не менее времени наибольшего возможного запаздывания сигналов. В принципе, устройство реализуемо как с помощью аналоговых, так и дискретных средств. Это устройство обладает низкой точностью определения времени запаздывания случайных сигналов. Фазоизмерительное устройство также используется как функциональный элемент в измерителе группового времени запаздывания, описанном в а.с. N 661492, кл. G 04 F 10/06.

Известен способ измерения времени задержки (а.с. N 748336, кл. G 04 F 10/06, H 03 K 5/13), одной из отличительных особенностей которого является осуществление сдвигов фазы колебаний на угол, не кратный π. Способ (и реализующее его устройство) предназначены для измерения времени задержки радиоимпульсов с постоянной несущей частотой и практически неприменимы для случайных сигналов.

В качестве прототипа выбрано устройство для измерения запаздывания случайного сигнала, которое содержит блок усреднения, фильтры нижних частот, фильтр верхних частот, умножители сигналов, линейный преобразователь. В описании приведено обязательное условие, обеспечивающее нормальную работу устройства:
T >> τ_к τ_з откуда, следует, что время осреднения Т должно быть значительно больше модуля времени наибольшего запаздывания τ_з
Т >>τ_з|
Выражение "значительно больше" строго не определено. Его используют, например, если отношение /T/τ_з| / составляет десятки. Таким образом, если прототип использовать в гидроакустической системе, гдеτ_з| составляет доли-единицы секунд, то время усреднения ("длина усредняемой реализации случайного процесса) принципиально должна составлять десятки секунд. Прототип обладает низким быстродействием измерения времени запаздывания. Кроме того, вычитатель, блок усреднения, блок управления и линейный преобразователь образуют замкнутую систему с отрицательной обратной связью. Из теории систем с обратными связями известно, что в такой системе возможна неустойчивость, избежать чего можно, уменьшая коэффициент передачи системы в "разомкнутом" состоянии, что также ведет к снижению быстродействия. В системах обнаружения и навигации высокоскоростных аппаратов быстродействия использование прототипа неприемлемо. Однако, наличие блока усреднения является положительным в том отношении, что позволяет работать со случайными сигналами.

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения времени запаздывания.

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее регистры значений фазовых сдвигов n гармоник первого сигнала, соответственно, относительно n гармоник второго сигнала, содержит (n-1) параллельных цепей, входы которых подключены к регистру значения фазового сдвига первых гармоник друг относительно друга, а выходы ко входам блока усреднения. Каждая из указанных параллельных цепей содержит (К-1) параллельных цепей из последовательно соединенных входа уменьшаемого вычитателя, компаратора, управляющего входа коммутатора, сумматор, входы которого подключены к выходам указанных коммутаторов, и умножитель на константу. При этом входы вычитаемых вычитателей подключены к регистрам значений фазовых сдвигов, некратных π информационные входы коммутаторов подключены к регистрам фазовых сдвигов, кратных π а второй вход сумматора подключен к регистру значения фазового сдвига К-х гармоник друг относительно друга. Здесь К 2,3,n.

На фиг.1 показаны временные диаграммы гармоник сигнала; на фиг.2 функциональная схема устройства с тремя регистрами фазовых сдвигов; на фиг.3 обобщенная функциональная схема устройства для определения времени запаздывания сигналов друг относительно друга.

На фиг. 3 обозначены 1-(1-1,1-2,1-m) регистры значений фазовых сдвигов гармоник сигналов друг относительно друга, 2(2-1,2-2.2-n) умножители на константы, 3(3-1,3-2.3-n) сумматоры, 4(4-1,4-2,4-n) вычитатели, 5(5-1,5-2, 5-n) компараторы, 6(6-1,6-2,6-n) коммутаторы, 7 блок усреднения, n, m, r целые (натуральные числа). При этом вторая цифра числового обозначения элементов 1, 2, 3 равна номеру гармоник, которым соответствует данное устройство цепи обработки информации. Например, 1-1 регистр фазового сдвига первых гармоник, 1-3 регистр фазового сдвига третьих гармоник,

,

,

измеренные значения (оценки) фазовых сдвигов гармоник друг относительно друга; φ₁ φ₂ φ_n фазовые сдвиги гармоник друг относительно друга, φ_i ω_i t (i 1,2,n), W_i частота i гармоники,

,

,

оценки времени запаздывания, полученные из φ₁ φ₂ φ_n

усредненная оценка времени запаздывания (выходная информация устройства), U₁, U₂, U₃, U₄ первая, вторая, третья, четвертая гармоники, t время.

Рассмотрим фиг. 2. В этом случае устройство содержит регистры 1-1, 1-2 значений фазовых сдвигов первых и вторых гармоник, регистр 1-3 фазового сдвига третьих гармоник друг относительно друга. Пусть n число регистров фазовых сдвига гармоник. В рассматриваемом случае (фиг.3) n 3. Образованы n-1 2 параллельные цепи, входы которых подключены к регистру значения фазового сдвига первых гармоник (точка а₁, а₂) а выходы /

,

/ подключены ко входам блока усреднения. Цепь а

соответствует регистру 1-2 фазового сдвига гармоники, номер которой К 2. Цепь а₂

соответствующая гармонике с номером К 3, содержит К-1 3-1 2 параллельные цепи из последовательно соединенных входа уменьшаемого вычитателя (4-3 и 4-4), компаратора (5-3 и 5-4), коммутатора (6-3 и 6-4). Кроме того, каждая из параллельных цепей а

а

содержит сумматор (3-2 и 3-3), входы которого подключены к выходам указанных коммутаторов и умножитель на константу (2-2, 2-3). При этом входы вычитаемых вычислителей (4-1, 4-2, 4-3) подключены к регистрам фазовых сдвигов, составляющих доли π / π /2, π /3;2π /3. Информационные входы коммутаторов (6-2, 6-3, 6-4) подключены к регистрам произведений целых чисел на π/π, 2π /. Второй вход сумматора, установленного в последовательной цепи, подключен к регистру значения фазового сдвига гармоники с номерами К 2, К 3 (к регистрам 1-2, 1-3).

Функциональная схема устройства с большим количеством регистров фазовых сдвигов гармоник может быть индуктивно получена очевидным добавлением к схеме фиг.2 соответствующих цепей от точек a_i до входов

блока усреднения.

На фиг.3 обозначено m 1+2+.+(n-1) n(n-1)/2.

Устройство работает следующим образом.

Регистр 1-1 содержит значения фазового сдвига

первых гармоник друг относительно друга, измеренных с помощью доступных пользователю фазоизмерительных устройств. При этом

=

откуда значение запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала, определенное измеренным значением

равно, как и в прототипе

=

Частота первой гармоники ω₁ известна (определена работой анализатора спектра сигналов), следовательно, для определения

достаточно

умножить на константу (1/ ω₁ ). Это выполняется умножителем 2-1 на константу. При отсутствии помех значение

было бы точным значением времени запаздывания τ одного сигнала относительно другого сигнала. Однако, ввиду наличия помех значение

τ Для повышения достоверности (уменьшения погрешности измерения или повышения точности измерения) в метрологии осуществляют несколько измерений одной и той же физической величины и в качестве оценки значения величины принимают ее среднее по результатам нескольких измерений (обычно рассматривают среднее арифметическое). Такой способ повышения достоверности как усреднение результатов нескольких измерений реализованы и в предлагаемом устройстве. Регистр фазового сдвига 1-2 вторых гармоник друг относительно друга содержит измеренное значение

фазового сдвига вторых гармоник. Подобно описанному выше, можно определить по значению

значение

=

умножив

на константу (1/ω₂ ), поскольку ω₂ известна. Однако, при этом возможна "грубая" ошибка ввиду того, что фазометры измеряют (или вычисляют) значения фазовых сдвигов в диапазоне /± π/ Следовательно, при этом возможны "потери" части значений фазового сдвига, кратные π ( π, 2π 3 π и т.п.). Предлагаемое устройство содержит элементы и связи, которые позволяют определить фазовые сдвиги без "потерь", получить оценки временных запаздываний по фазовым сдвигам и усредненную оценку временного запаздывания.

Рассмотрим фиг.1. На фиг.1,а представлена временная диаграмма первой гармоники соответственно φ₁ ∈ [0,π Из фиг.1,б,в,г видно, что при этом диапазоны изменений фазовых сдвигов φ₂ ∈ [0,2π φ₃∈ [0,3 π φ₄ ∈ [0,4π При этом анализатор спектра и фазометр первой гармоники проектируется при создании таким образом, что возможному наибольшему временному запаздыванию соответствует φ₁| < π
Пусть временное запаздывание составляет τ₁ (фиг.1). Фазовые сдвиги всех четырех гармоник не превышают π "потери" фазы не произойдут. Пусть временное запаздывание составляет τ₂ Фазометр четвертой гармоники измерит

произойдет потеря значения π Истинное значение φ₄=

+π Пусть запаздывание составляет τ₃ Истинное значение φ₃=

+π но будет измерено лишь значение

Пусть запаздывание составляет τ₄. При этом φ₂=

+π φ₄=

+π Происходят потери, кратные π
Приведем, например для первых пяти гармоник требующиеся поправки Δ φ_i к измеренным значениям

для определения истинного значения φ_i в зависимости от измеренных значений

Поправки к φ₂
φ₁ > π/2 требуется поправкаΔ φ₂ π
Поправки к φ₃
2 π / 3 ≥ φ₁ > π/3 поправка Δ φ₃ π
φ₁ ≥ 2 π/3 поправка Δ φ₃ 2 π
Поправки к φ₄
π / 2 ≥ φ₁ > π/4 поправка Δ φ₄ π
3 π / 4 ≥ φ₁ > π/2 поправка Δ φ₄ 2 π
φ₁ ≥ 3 π/4 поправка Δ φ₄ 3 π
Поправки к φ₅
2 π / 5 ≥ φ₁ > π//5 поправка Δ φ₅ π,
3 π / 5 ≥ φ₁ > 2 π/5 поправка Δ φ₅ 2 π,
4 π / 5 ≥ φ₁ > 3 π/5 поправка Δ φ₅ 3 π,
φ₁ ≥ 4 π/5 поправка Δ φ₅ 4 π
Рассмотрим условие поправки к φ₂ в виде: φ₁ π/2 > 0. Для проверки этого условия необходим вычитатель /φ₁ π /2 и компаратор (проверка на условие > 0). Вычитатель 4,2 осуществит вычитание

-π/2 Компаратор 5,2 при

-π/2 ≅ 0 на своем выходе выработает 0 (нуль), коммутатор 6,2 образует на своем выходе 0: π 0, сумматор 3-2 осуществит сложение φ₂=

+0 φ₂ Умножитель 2-2 на константу (1/ω₂ ) на своем выходе образует значение оценки запаздывания по фазовому сдвигу вторых гармоник

=

1/ω₂.

Если же

>π/2 то результат вычитания в вычитателе положителен:

-π/2 > 0 Компаратор 5,2 выработает на своем выходе 1 (единицу), коммутатор 6,2 на своем выходе образует 1˙ π π
Сумматор 3-2 сложит измеренное

и π и на своем выходе образует истинное значение φ₂=

+π С выхода умножителя 2-2 на константу (1/ω₂ ) на вход блока усреднения 7 поступит оценка

= φ₂·1/ω₂ Блок усреднения 7 определит усредненное значение оценки временного запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала:
τ

Рассмотрим работу устройства с тремя регистрами фазовых сдвигов (фиг.2). Определение

и

происходит так, как описано выше. Вычитатель 4-3 осуществляет вычитание /φ₁ π/3 / Если результат вычитания отрицателен, то на выходе компаратора 5-3 образуется 0, на выходе коммутатора 6-3 образуется 0, на выходе сумматора 3-3 образуется значение

на выходе умножителя 2-3 на константу (1/ ω₃) образуется значение τ₃=

1/ω₃ Если же разность (φ₁ π/3) > 0, то на выходе компаратора 5-3 образуется 1, на выходе коммутатора 6-3 образуется 1˙ π π на выходе сумматора 3-3 образуется истинное значение φ₃=

+π а на выходе умножителя 2-3 на константу (1/ ω₃ ) оценка

= φ₃·

При φ₁ 2 π/3 на выходе компаратора 5-4 образуется 1, на выходе коммутатора 6-3 образуется поправка 2π на выходе сумматора 3-3 образуется истинное значение φ₃=

+2π а на выходе умножителя 2-3 на константу образуется оценка значения

= φ₃·1/ω₃ На выходе блока усреднения образуется значение оценки запаздывания сигналов друг относительно друга

Аналогично, в устройстве с n регистрами фазовых сдвигов гармоник оценка времени запаздывания

Все функциональные элементы, из которых состоит предлагаемое устройство, общеизвестны. Эффективность предлагаемого устройства, являющаяся следствием повышения быстродействия вычисления времени запаздывания, состоит в повышении быстродействия определения координат положения объекта, определяемых гидроакустической системой, в которой использовано предлагаемое устройство.

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ОДНОГО СИГНАЛА ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГОГО СИГНАЛА, содержащее блок усреднения и подключенные к его входам n умножителей на константы, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия измерения времени запаздывания, в устройство введены n регистров значений фазовых сдвигов n гармоник частотного спектра первого сигнала, соответственно относительно n гармоник частотного спектра второго сигнала, регистры хранения значений чисел, некратных π и регистры хранения значений чисел, кратных p а также n 1 параллельных цепей, каждая из которых содержит k 1 (k 2,3, n) параллельных цепей из последовательно соединенных вычислителя, компаратора, коммутатора, сумматора, причем входы вычитаемых вычитателей подключены к выходам регистров значений фазовых сдвигов, входы уменьшаемых вычитателей подключены к выходам регистров хранения значений чисел, некратных p информационные входы коммутаторов подключены к выходам регистров хранения значений чисел, кратных p вторые входы сумматоров подключены к выходам регистров значений фазовых сдвигов, выходы сумматоров, являющиеся входами n 1 параллельных цепей, подключены к входам умножителей на константы.

Images