RU2041469C1 - Phase fluctuation characteristic meter - Google Patents

Phase fluctuation characteristic meter Download PDF

Info

Publication number
RU2041469C1
RU2041469C1 SU5051414A RU2041469C1 RU 2041469 C1 RU2041469 C1 RU 2041469C1 SU 5051414 A SU5051414 A SU 5051414A RU 2041469 C1 RU2041469 C1 RU 2041469C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
phase
output
unit
signal
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.А. Карелин
Original Assignee
Российский институт радионавигации и времени
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российский институт радионавигации и времени filed Critical Российский институт радионавигации и времени
Priority to SU5051414 priority Critical patent/RU2041469C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2041469C1 publication Critical patent/RU2041469C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio measurement technology. SUBSTANCE: meter has reference-frequency generator 1, frequency synthesizer 2, sampling pulse shaper 3, pulse shaper 4, pulse counter 5, register 6, retrieval and storage units 7,8, analog-to-digital converters 9,10, arc tangent computing unit 11, control unit 12, storage unit 13, arithmetic unit 14. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в системах спутниковой радионавигации для дальномерных, скоростных и угломерных траекторных измерений, а также в информационно-измерительных системах для оценки и контроля параметров сигналов стандартов частоты, синтезаторов частоты и т.п. The invention relates to radio measurement technology and can be used in satellite radio navigation systems for rangefinder, high-speed and goniometric trajectory measurements, as well as in information-measuring systems for evaluating and monitoring parameters of frequency standard signals, frequency synthesizers, etc.

Известен цифровой измеритель характеристик фазовых флуктуаций, содержащий высокостабильный генератор опорной частоты, формирователь стробирующих импульсов, блоки выборки и хранения, аналого-цифровые преобразователи, блок вычисления арктангенса, блок управления, запоминающий блок, арифметический блок, управляемый аттенюатор, управляемый фазовращатель, амплитудный компаратор, фазовый детектор, делитель частоты, фазовый детектор и фильтр нижних частот. A well-known digital meter of phase fluctuation characteristics, containing a highly stable reference frequency generator, a gate pulse generator, sampling and storage units, analog-to-digital converters, an arctangent calculation unit, a control unit, a storage unit, an arithmetic unit, a controlled attenuator, a controlled phase shifter, an amplitude comparator, a phase detector, frequency divider, phase detector and low pass filter.

Работа данного измерителя основана на стробировании короткими импульсами опорной частоты ωо синусной и косинусной составляющих исследуемого сигнала. По цифровым отсчетам сигналов синусного и косинусного каналов, полученным с помощью блоков выборки и хранения и аналого-цифровых преобразователей, блок вычисления арктангенса вычисляет значение фазы φi сигнала, поступающего на вход устройства. Вычисленные значения фазы φi заносятся в запоминающий блок. Арифметический блок вычисляет разность каждых двух смежных вычисленных значений фазы сигнала (φi+1 φi), которые также заносятся в запоминающий блок и представляет собой значения набегов фазы входного сигнала за равные интервалы времени τ между соседними стробимпульсами
τ ti+1 ti 2 π/ωo. Арифметический блок вычисляет также разность смежных значений набегов фазы, представляющую собой фазовые флуктуации δφi входного сигнала
δφii φi-1) (φi-1 φi-2) В отсутствии фазовых шумов
φi ωti + φo; φi φi-1 φo; δφi 0.
The operation of this meter is based on gating with short pulses the reference frequency ω about the sine and cosine components of the signal under study. Using digital samples of the signals of the sine and cosine channels obtained using the sampling and storage units and analog-to-digital converters, the arctangent calculator calculates the phase value φ i of the signal input to the device. The calculated phase values φ i are recorded in the storage unit. The arithmetic unit calculates the difference of every two adjacent calculated signal phase values (φ i + 1 φ i ), which are also recorded in the storage unit and represents the values of the phase incursions of the input signal for equal time intervals τ between adjacent strobe pulses
τ t i + 1 t i 2 π / ω o . The arithmetic unit also calculates the difference of adjacent values of the phase incursions, which is the phase fluctuation of the input signal δφ i
δφ ii φ i-1 ) (φ i-1 φ i-2 ) In the absence of phase noise
φ i ωt i + φ o ; φ i φ i-1 φ o ; δφ i 0.

В данном измерителе частота высокостабильного генератора опорной частоты с помощью петли ФАПЧ "привязывается" к частоте ω входного сигнала. Благодаря этому обеспечивается кратность частот ω и ωо, т.е. ω m ωo, и устраняется погрешность измерения из-за нелинейных искажений входного сигнала. Элементами системы ФАПЧ в этом устройстве являются делитель частоты, фазовый детектор и фильтр нижних частот. Однако введение системы автоподстройки частоты ωо высокостабильного генератора приводит к ограничению функциональных возможностей устройства, в частности исключает возможность измерения частоты ω входного сигнала.In this meter, the frequency of a highly stable reference frequency generator is “linked” to the frequency ω of the input signal by means of a PLL. This ensures the frequency multiplicity ω and ω о , i.e. ω m ω o , and the measurement error due to non-linear distortion of the input signal is eliminated. PLL elements in this device are a frequency divider, a phase detector and a low-pass filter. However, the introduction of a frequency-locked loop ω of a highly stable generator leads to a limitation of the device’s functionality, in particular, it excludes the possibility of measuring the frequency ω of the input signal.

Недостатком известного устройства является невозможность обеспечить требуемую точность для решения поставленных радионавигационных задач, что обусловлено наличием аддитивных шумов во входном исследуемом сигнале и шумов квантования. A disadvantage of the known device is the inability to provide the required accuracy for solving the radio navigation problems posed, due to the presence of additive noise in the input signal under investigation and quantization noise.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является измеритель, содержащий генератор опорной частоты, формирователь стробирующих импульсов, блоки выборки и хранения, аналого-цифровые преобразователи, блок вычисления арктангенса, блок управления, запоминающий блок, арифметический блок, управляемый аттенюатор, фазовый детектор, амплитудный компаратор, фазовый детектор [1]
Из входного исследуемого сигнала с помощью управляемого фазовращателя, управляемого аттенюатора, амплитудного компаратора и фазового детектора формируются квадратурные сигналы равной амплитуды; 90о-ный фазовый сдвиг квадратурных сигналов контролируют с помощью фазового детектора и поддерживают постоянным в диапазоне частот с помощью управляемого фазовращателя. Равенство амплитуд квадратурных сигналов поддерживают благодаря амплитудному компаратору и управляемому аттенюатору. С помощью формирователя стробирующих импульсов, поступающих с частотой ωо опорного сигнала на управляющие входы блоков 7 и 8 выборки и хранения, осуществляется запоминание мгновенных значений напряжений квадратурных сигналов. Преобразователи аналог-код преобразуют запомненные значения напряжений квадратурных сигналов в цифровые коды, которые подаются на соответствующие входы блока вычисления арктангенса. Блок вычисления арктангенса вычисляет значение фазы φi входного сигнала на момент прихода i-го строб-импульса на входы блоков выборки и хранения. Вычисленные значения фазы φi заносятся в запоминающий блок. Арифметический блок вычисляет разность каждых двух смежных вычисленных значений фазы сигнала (φi φi-1). Вычисленные разности, значения которых также заносятся в запоминающий блок, представляют собой набеги фазы входного сигнала за равные интервалы времени между соседними строб-импульсами
τ= 2 π/ωo. и в отсутствии фазовых флуктуаций входного сигнала должны иметь неизменное значение. Невозможность обеспечить с помощью известного устройства требуемую точность измерения обусловлена как шумами во входном исследуемом сигнале, так и шумом квантования. Относительно высокая погрешность измерения приводит, в свою очередь, к недопустимому увеличению времени измерения.
Closest to the proposed device is a meter containing a reference frequency generator, a gate pulse generator, sampling and storage units, analog-to-digital converters, an arctangent calculation unit, a control unit, a storage unit, an arithmetic unit, a controlled attenuator, a phase detector, an amplitude comparator, a phase detector [1]
Quadrature signals of equal amplitude are formed from the input signal under investigation using a controlled phase shifter, controlled attenuator, amplitude comparator and phase detector; 90 ethyl quadrature phase shift control signal by the phase detector and kept constant in the frequency range through controlled phase shifter. The amplitude amplitudes of the quadrature signals are maintained thanks to the amplitude comparator and the controlled attenuator. Using the shaper of the strobe pulses arriving at a frequency of ω about the reference signal to the control inputs of the sampling and storage blocks 7 and 8, the instantaneous voltage values of the quadrature signals are stored. Analog-code converters convert the stored voltage values of quadrature signals into digital codes, which are fed to the corresponding inputs of the arctangent calculation unit. The arc tangent calculation unit calculates the phase value φ i of the input signal at the time of arrival of the i-th strobe pulse at the inputs of the sampling and storage units. The calculated phase values φ i are recorded in the storage unit. The arithmetic unit calculates the difference of every two adjacent calculated signal phase values (φ i φ i-1 ). The calculated differences, the values of which are also recorded in the storage unit, represent the phase incursions of the input signal for equal time intervals between adjacent strobe pulses
τ = 2 π / ω o . and in the absence of phase fluctuations of the input signal must have a constant value. The inability to provide the required measurement accuracy with a known device is due to both noise in the input signal under investigation and quantization noise. A relatively high measurement error leads, in turn, to an unacceptable increase in the measurement time.

Суммарная ΔΣ случайная погрешность измерения для данного устройства может быть записана в виде
ΔΣ Δш + Δк (1) где Δш погрешность, обусловленная шумами во входном исследуемом сигнале;
Δк погрешность от квантования. Дисперсия σ2Σ) суммарной погрешности выразится
σ2Σ2ш + σ2к), (2) где σ2ш) и σ2к) соответственно дисперсии шумовой погрешности и погрешности от квантования. Известно, что
σ2ш)

Figure 00000002
(3) где No мощность шума;
εс энергия сигнала, накопленная за время наблюдения, т.е.The total Δ Σ random measurement error for this device can be written as
Δ Σ Δ w + Δ k (1) where Δ w the error due to noise in the input signal under investigation;
Δ to the error from quantization. The variance σ 2Σ ) of the total error is expressed
σ 2Σ ) σ 2w + σ 2k ), (2) where σ 2w ) and σ 2k ), respectively, are the variances of the noise error and the quantization error.
σ 2W )
Figure 00000002
(3) where N o is the noise power;
ε с signal energy accumulated during the observation time, i.e.

εc=

Figure 00000003
A2sin2ωtdt (4) В известном устройстве отсчеты измеряемого сигнала в квадратурных каналах берутся в короткие моменты стробирования, поэтому выражение (4) можно переписать
εc= A2
Figure 00000004
sin2ωtδ(t-tc)dt A2sin2ωtc (5) где σ (.) дельта-функция Дирака. Из (5) следует, что εс зависит от tc. Поэтому необходимо найти среднее значение εс, полагая распределение фазы сигнала равномерным на интервале
Figure 00000005
=
Figure 00000006
A2
Figure 00000007
sin2ωtcdtc=
Figure 00000008
(6) где Т 2 π/ω. С учетом (6) выражение (3) примет вид
σ2ш)
Figure 00000009
1/q (7) где q A2/No отношение сигнал-шум. Для определения σ2к) положим, что разрядность АЦП равна n. При этом напряжения Ас и Ак сигнала в каждом из квадратурных каналов квантуется на 2n уровней. Очевидно, что значение фазы сигнала, равное φi arctg(Ac/Aк), квантуется на 2n+1 уровней, т.е. Δо 2 π/2n+1c =
Figure 00000003
A 2 sin 2 ωtdt (4) In the known device, samples of the measured signal in quadrature channels are taken at short gating times, therefore, expression (4) can be rewritten
ε c = A 2
Figure 00000004
sin 2 ωtδ (tt c ) dt A 2 sin 2 ωt c (5) where σ (.) is the Dirac delta function. It follows from (5) that ε c depends on t c . Therefore, it is necessary to find the average value of ε s , assuming that the phase distribution of the signal is uniform over the interval
Figure 00000005
=
Figure 00000006
A 2
Figure 00000007
sin 2 ωt c dt c =
Figure 00000008
(6) where T 2 π / ω. In view of (6), expression (3) takes the form
σ 2W )
Figure 00000009
1 / q (7) where q A 2 / N o is the signal-to-noise ratio. To determine σ 2k ), we assume that the ADC capacity is n. In this case, the voltage A c and A k of the signal in each of the quadrature channels is quantized into 2 n levels. Obviously, the signal phase value equal to φ i arctan (A c / A k ) is quantized into 2 n + 1 levels, i.e. Δ about 2 π / 2 n + 1 .

Плотность распределения погрешности от квантования Δк равномерна на интервале Δо [8] Поэтому дисперсия Δк выражается в виде
σ2к)

Figure 00000010
Figure 00000011
(8) Суммарную дисперсию погрешности измерения фазы, учитывая статистическую независимость составляющих, можно выразить в виде
σ2= σ2ш)+σ2к) 1/q +
Figure 00000012
(9) При малых отношениях сигнал/шум (например, в системах дальней радионавигации) определяющий вклад в суммарную погрешность фазовой синхронизации вносит шумовая составляющая, поэтому выражение (9) в этом случае можно приближенно записать
σ2
Figure 00000013
1/q Для достижения требуемой точности фазовой синхронизации современных навигационных систем необходимо, чтобы относительная дисперсия погрешности оценки фазы была равна
σ 2 о т=
Figure 00000014
≈ 1015-1016 Для достижения столь малой дисперсии применяется усреднение m фазовых отсчетов. При этом дисперсия уменьшается в m раз, т.е.The density distribution of the error from quantization Δ k is uniform over the interval Δ o [8] Therefore, the variance Δ k is expressed as
σ 2k )
Figure 00000010
Figure 00000011
(8) The total variance of the phase measurement error, taking into account the statistical independence of the components, can be expressed as
σ 2 = σ 2w) + σ 2 (Δ k) 1 / q +
Figure 00000012
(9) For small signal-to-noise ratios (for example, in long-range radio navigation systems), the noise component makes a decisive contribution to the total phase synchronization error; therefore, expression (9) in this case can be approximately written
σ 2
Figure 00000013
1 / q To achieve the required accuracy of the phase synchronization of modern navigation systems, it is necessary that the relative variance of the phase estimation error be equal to
σ 2 about t =
Figure 00000014
≈ 10 15 -10 16 To achieve such a small dispersion, averaging of m phase samples is applied. In this case, the dispersion decreases m times, i.e.

σ2 от σ2/m˙4 π2 1/mq˙4 π2. При реальном значении отношения сигнал/шум q 4, достижение требуемой точности возможно, если m 7˙1012. В этом случае время измерения составит
Тн 7˙1012То, где То длительность периода опорного стробирующего сигнала. Для То 10-9 с, Тн 7000 с. что недопустимо велико. Кроме этого, данному устройству присуща существенная погрешность при анализе фазовых флуктуаций колебаний с большим уровнем нелинейных искажений. В самом деле исследуемое колебание V(t) в первом приближении, пренебрегая фазовыми шумами, можно рассматривать как синусоидальное колебание с амплитудой А1 и частотой ω, промодулированное по амплитуде и фазе сигналами с частотой (k-1) ωo, т.е. в виде
U(t)

Figure 00000015
A
Figure 00000016
1 +
Figure 00000017
·cos[(k-1)ωot]
Figure 00000018
cos
Figure 00000019
t+
Figure 00000020
sin[(k-1)ωot]
Figure 00000021

Пренебрегая амплитудной модуляцией, можно записать
U′(t) A1cos
Figure 00000022
t+
Figure 00000023
sin[(k-1)ωt]
Figure 00000024
(10) Значение фазы сигнала будет
φi= ωti+
Figure 00000025
sin[(k-1)ωti] (11) Поскольку в общем случае ω≠n ωo, где ωо частота опорного сигнала, а m целое число, то
δφi= φi+1i≠0 в отсутствии фазовых шумов. Погрешность из-за нелинейных искажений приводит к полной неработоспособности известного устройства при анализе фазовых флуктуаций периодической последовательности импульсов из-за неоднозначности фазовых отсчетов при стробировании последовательности импульсов.σ 2 from σ 2 / m˙4 π 2 1 / mq˙4 π 2 . With a real signal-to-noise ratio q 4, the achievement of the required accuracy is possible if m 7˙10 12 . In this case, the measurement time will be
T n 7˙10 12 T about , where T about the duration of the period of the reference gating signal. For T about 10 -9 s, T n 7000 s. which is unacceptably large. In addition, this device is characterized by a significant error in the analysis of phase fluctuations of oscillations with a high level of nonlinear distortion. In fact, the studied oscillation V (t), to a first approximation, neglecting phase noise, can be considered as a sinusoidal oscillation with amplitude A 1 and frequency ω, modulated in amplitude and phase by signals with frequency (k-1) ω o , i.e. as
U (t)
Figure 00000015
A
Figure 00000016
1 +
Figure 00000017
Cos [(k-1) ω o t]
Figure 00000018
cos
Figure 00000019
t +
Figure 00000020
sin [(k-1) ω o t]
Figure 00000021

Neglecting amplitude modulation, you can write
U ′ (t) A 1 cos
Figure 00000022
t +
Figure 00000023
sin [(k-1) ωt]
Figure 00000024
(10) The phase value of the signal will be
φ i = ωt i +
Figure 00000025
sin [(k-1) ωt i ] (11) Since in the general case ω ≠ n ω o , where ω о is the frequency of the reference signal and m is an integer, then
δφ i = φ i + 1i ≠ 0 in the absence of phase noise. An error due to nonlinear distortions leads to the complete inoperability of the known device in the analysis of phase fluctuations of a periodic pulse sequence due to the ambiguity of phase readings during gating of a pulse sequence.

Предлагаемое техническое решение возникло в результате решения задачи построения измерителя фазы сигнала, обеспечивающего необходимую точность измерения для работы по сигналам радионавигационных станций (РНС), в частности спутниковых радионавигационных систем (СРНС), например, для систем фазовой синхронизации (СФС). В современных СРНС достижение требуемых точностей возможно, если относительная дисперсия оценки фазы составит величину 10-15-10-16. При этом отношение сигнал/шум в этих системах относительно невелико, например, на входе приемника оно составляет -160 дБ, а на входе измерителя (2-4) дБ. Как показано в материалах заявки, достижение такой точности при столь малых отношениях сигнал/шум с помощью известных технических решений требует недопустимо большого времени измерения.The proposed technical solution arose as a result of solving the problem of constructing a signal phase meter that provides the necessary measurement accuracy to work on the signals of radio navigation stations (RNS), in particular satellite radio navigation systems (SRNS), for example, for phase synchronization systems (SPS). In modern SRNS, the achievement of the required accuracy is possible if the relative variance of the phase estimate is 10 -15 -10 -16 . Moreover, the signal-to-noise ratio in these systems is relatively small, for example, at the receiver input it is -160 dB, and at the meter input (2-4) dB. As shown in the application materials, achieving such accuracy with such a small signal-to-noise ratio using known technical solutions requires an unacceptably long measurement time.

Техническим результатом изобретения является снижение влияния шумовой погрешности и, как следствие, повышение точности измерения при фиксированном времени измерения или достижение заданной точности измерения за существенно меньшее время. The technical result of the invention is to reduce the influence of noise error and, as a result, to increase the measurement accuracy at a fixed measurement time or to achieve a given measurement accuracy in a significantly less time.

Для достижения технологического результата в измеритель характеристик фазовых флуктуаций, содержащий генератор опорной частоты, формирователь квантующих импульсов, первый и второй блоки выборки и хранения, соединенные через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соответственно с первым и вторым информационными входами блока вычисления арктангенса, выход которого подключен к второму информационному входу запоминающего блока, выход которого соединен с информационным входом арифметического блока, первый, второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами соответственно блока вычисления арктангенса, запоминающего блока и арифметического блока, выход которого подключен к третьему информационному входу запоминающего блока и является выходом измерителя, введены формирователь импульсов, последовательно соединенные счетчик импульсов и регистр, между генератором опорной частоты и формирователем квантующих импульсов включен синтезатор частоты, при этом синусный и косинусный выходы синтезатора соединены с сигнальными входами соответственно первого и второго блоков выборки и хранения, входы стробирования которых объединены с входом сброса счетчика и входом синхронизации регистра и подключены к выходу формирователя импульсов, вход которого является входом измерителя, выход формирователя квантующих импульсов соединен со счетным входом счетчика и входом блока управления, выход регистра соединен с первым информационным входом запоминающего блока. To achieve a technological result in a phase fluctuation characteristic meter, comprising a reference frequency generator, a quantizer of pulse pulses, the first and second sampling and storage units connected through the first and second analog-to-digital converters, respectively, to the first and second information inputs of the arctangent calculation unit, the output of which is connected to the second information input of the storage unit, the output of which is connected to the information input of the arithmetic unit, the first, second and third you the strokes of the control unit are connected to the control inputs of the arctangent calculation unit, the storage unit, and the arithmetic unit, the output of which is connected to the third information input of the storage unit and is the output of the meter, a pulse shaper, pulse counter and a register connected in series between the reference frequency generator and the quantizer the frequency synthesizer is turned on, while the sine and cosine outputs of the synthesizer are connected to the signal inputs respectively Actually, the first and second sampling and storage blocks, the gating inputs of which are combined with the counter reset input and the register synchronization input and are connected to the output of the pulse shaper, whose input is the input of the meter, the output of the quantizer of the pulse shaper is connected to the counting input of the counter and the input of the control unit, the register output connected to the first information input of the storage unit.

Включение новых блоков с соответствующими связями позволило использовать зависимость погрешности измерения фазы входного сигнала от соотношения частот входного ω и опорного ωо сигналов. Зная априорно соотношение сигнал/шум на входе измерителя, с помощью перестраиваемого синтезатора можно получить такое значение частоты ωо, формируя из которого сигналы квадратурных каналов и затем стробируя их импульсами, сформированными из смеси входного сигнала и шума, можно минимизировать дисперсию оценки фазы, т.е. повысить точность измерения на заданном интервале времени.Incorporation of new blocks with corresponding connections possible to use the error dependence of the input signal phase measurement of the ratio of the input frequency ω and ω about the reference signals. Knowing a priori the signal-to-noise ratio at the meter input, using a tunable synthesizer, one can obtain such a frequency value ω о , generating signals from quadrature channels and then gating them with pulses formed from a mixture of the input signal and noise, it is possible to minimize the phase estimation variance, i.e. e. to increase the accuracy of measurement at a given time interval.

На фиг.1 изображен предлагаемый измеритель; на фиг.2 временная диаграмма работы измерителя. Figure 1 shows the proposed meter; figure 2 is a timing diagram of the operation of the meter.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 опорной частоты, синтезатор 2 частоты, формирователь 3 квантующих импульсов, а также последовательно соединенные формирователь 4 импульсов, счетчик 5 импульсов и регистр 6. Выход формирователя 4 импульсов соединен с входом сброса счетчика 5 импульсов и входом синхронизации регистра 6, а также со стробирующими входами блоков 7 и 8 выборки и хранения, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи 9 и 10 подключены соответственно к первому и второму входам блока 11 вычисления арктангенса. Выход формирователя 3 квантующих импульсов подключен к счетному входу счетчика 5 импульсов и входу блока 12 управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющими входами блока 11 вычисления арктангенса, запоминающего блока 13 и арифметического блока 14. Первый, второй и третий входы запоминающего блока 13 соединены соответственно с выходом регистра 6, выходом блока 11 вычисления арктангенса и выходом арифметического блока 14, выход последнего является выходом измерителя. Входом измерителя является вход формирователя 4 импульсов. The proposed device comprises a series-connected reference frequency generator 1, a frequency synthesizer 2, a quantizer of 3 pulses, as well as sequentially connected a pulse shaper 4, a pulse counter 5 and a register 6. The output of the pulse shaper 4 is connected to a reset input of a pulse counter 5 and a synchronization input of register 6 , as well as with the gating inputs of blocks 7 and 8 of the selection and storage, the outputs of which through analog-to-digital converters 9 and 10 are connected respectively to the first and second inputs of block 11 in Calculations of arctangent. The output of the shaper 3 of quantizing pulses is connected to the counting input of the counter 5 pulses and the input of the control unit 12, the first, second and third outputs of which are connected respectively to the control inputs of the arctangent calculating unit 11, the memory unit 13 and the arithmetic unit 14. The first, second and third memory inputs unit 13 are connected respectively with the output of the register 6, the output of the arctangent calculation unit 11 and the output of the arithmetic unit 14, the output of the latter is the output of the meter. The input of the meter is the input of the shaper 4 pulses.

Работает измеритель следующим образом. The meter works as follows.

В соответствии с априорно известным соотношением сигнал/шум на входе измерителя из сигнала высокостабильного генератора 1 опорной частоты с помощью синтезатора 2 частоты формируются квадратурные опорные сигналы синусный U1 Asin ωot и косинусный U2 Acos ωot (фиг.2 в,г). Сигналы U1 и U2 поступают на сигнальные входы соответственно блоков 7 и 8 выборки и хранения. На входы стробирования этих блоков поступает периодическая последовательность импульсов (фиг.2,б) с частотой ω, сформированная в формирователе 4 импульсов в моменты перехода напряжения входного сигнала Uвх (фиг.2,а) через нулевой уровень с положительной производной. В блоках 7 и 8 выборки и хранения, представляющих собой, например, конденсатор, который с помощью ключей отключается от цепей заряда и разряда, осуществляется запоминание мгновенных значений напряжений опорной частоты U1 i и U2 i квадратурных каналов. Аналого-цифровые преобразователи 9 и 10 преобразуют запомненные значения напряжений квадратурных сигналов опорной частоты в цифровые коды, которые подаются на соответствующие входы блока 11 вычисления арктангенса. Блок 11 вычисления арктангенса вычисляет значение фазы φiсигнала опорной частоты на момент прихода i-того импульса исследуемого сигнала на входы стробирования блоков 7 и 8 выборки и хранения в соответствии со следующим алгоритмом:
φi= arctg

Figure 00000026
Одновременно импульсы исследуемого сигнала с выхода формирователя 4 импульсов поступают на вход синхронизации регистра 6, в котором фиксируется код li с выхода счетчика 5 импульсов. Счетчик 5 импульсов осуществляет подсчет квантующих импульсов опорной частоты (фиг.2,д), сформированных из сигнала U3 перестраиваемого синтезатора частоты формирователем 3 квантующих импульсов. По окончании i-го импульса исследуемого сигнала, поступающего также на вход сброса счетчика 5, последний обнуляется и начинает счет с нулевого значения. Поэтому число li равно целому числу импульсов опорного сигнала частоты ωо, сформированных в интервале времени Тi между i-ым и (i-1)-ым импульсами исследуемого сигнала. Значения φi и li заносятся в запоминающий блок 13. Арифметический блок 14 вычисляет разность каждых двух смежных вычисленных значений фазы Φ1 φi φi-1 исследуемого сигнала. Формирователь 4 импульсов и формирователь 3 квантующих импульсов, а также счетчик 5 и регистр 6 могут быть выполнены любым известным образом [8] в качестве блоков 7 и 8 выборки и хранения могут быть использованы микросхемы ключей, например 564 КП1, с запоминающим конденсатором на выходе [6] Могут быть использованы микросхемы АЦП, содержащие устройства выборки и хранения, например 1107ПВ1, 1107ПВ2 и т.п. [7] Арифметический 14 и запоминающий 13 блоки могут быть реализованы, например, на микросхемах 580ВМ80 и 537РУ10. Блок 12 управления представляет собой распределитель импульсов, созданный на основе, например, сдвигового регистра, счетчика или делителя, реализованных на микросхемах серии 533, 530 и т.п. Синтезатор частоты представляет собой перестраиваемый синтезатор и может быть выполнен, например, как показано в [9] Значение фазы φi опорного сигнала в момент времени tiстробиpования равно
φi ωoti.In accordance with the a priori known signal-to-noise ratio at the meter input, from the signal of a highly stable reference frequency generator 1, a sine U 1 Asin ω o t and cosine U 2 Acos ω o t sine signals are generated using a frequency synthesizer 2 (Fig. 2 c, d ) The signals U 1 and U 2 are fed to the signal inputs of the blocks 7 and 8 of the sample and storage, respectively. The strobe inputs of these blocks receive a periodic sequence of pulses (Fig.2, b) with a frequency ω, formed in the shaper 4 pulses at the moments of transition of the voltage of the input signal U I (Fig.2, a) through the zero level with a positive derivative. In blocks 7 and 8 of the sampling and storage, which are, for example, a capacitor, which is disconnected from the charge and discharge circuits with the help of keys, the instantaneous values of the voltage of the reference frequency U 1 i and U 2 i of the quadrature channels are stored. Analog-to-digital converters 9 and 10 convert the stored voltage values of the quadrature signals of the reference frequency into digital codes, which are supplied to the corresponding inputs of the arctangent calculation unit 11. The arc tangent calculation unit 11 calculates the phase value φ i of the reference frequency signal at the time of arrival of the i-th pulse of the signal under study at the gating inputs of sampling and storage units 7 and 8 in accordance with the following algorithm:
φ i = arctg
Figure 00000026
At the same time, the pulses of the signal under study from the output of the pulse shaper 4 are fed to the synchronization input of the register 6, in which the code l i is fixed from the output of the 5 pulse counter. The counter 5 pulses calculates the quantizing pulses of the reference frequency (figure 2, e), formed from the signal U 3 tunable frequency synthesizer generator 3 quantizing pulses. At the end of the i-th pulse of the signal under study, which also arrives at the reset input of counter 5, the latter is reset and starts counting from zero. Therefore, the number l i is equal to the integer number of pulses of the reference signal of frequency ω о formed in the time interval T i between the i-th and (i-1) -th pulses of the signal under study. The values of φ i and l i are entered in the storage unit 13. The arithmetic unit 14 calculates the difference of each two adjacent calculated phase values Φ 1 φ i φ i-1 of the signal under study. Shaper 4 pulses and shaper 3 quantizing pulses, as well as counter 5 and register 6 can be performed in any known manner [8] as blocks 7 and 8 of the sampling and storage can be used chip chips, for example 564 KP1, with a storage capacitor at the output [ 6] ADC circuits containing sampling and storage devices, for example 1107PV1, 1107PV2, etc., can be used. [7] Arithmetic 14 and memory 13 blocks can be implemented, for example, on chips 580VM80 and 537RU10. The control unit 12 is a pulse distributor based on, for example, a shift register, counter or divider implemented on 533, 530 series microcircuits, etc. The frequency synthesizer is a tunable synthesizer and can be performed, for example, as shown in [9]. The phase value φ i of the reference signal at the sampling time t i is equal to
φ i ω o t i .

Поскольку моменты времени ti, в которые берутся отсчеты фазы φi, определяются моментами перехода входного исследуемого сигнала Uвх Asin(ωt + φo) через нулевой уровень с положительной производной, то
ω ti + φo 2 πi и, следовательно,
ti (2 πi - φo)/ω. Следовательно, в отсутствии фазовых шумов
φi ωo(2 πi φo)/ω
Φi= φii-1= 2π

Figure 00000027

δΦii φi-1)i-1- φi-2) 0 Найдем погрешность оценки фазы φi в заявляемом устройстве. Эта погрешность обусловлена аддитивными шумами Uш(t) во входном исследуемом сигнале и шумом квантования. Аддитивный шум Uш(t) приводит к смещению Δ tш момента перехода через нулевой уровень входного сигнала
t
Figure 00000028
ti+Δtш=
Figure 00000029
+ Δtш
Figure 00000030
Figure 00000031
+ Δt
Figure 00000032
Figure 00000033
+ ωoΔtш= φioΔtш Значение для Δ tш можно найти из уравнения
Asin ωΔ tш Uш(t)
sin ωΔ tш Uш(t)/А При малых отношениях Uш(t)/А
ωΔ tш ≈ Uш(t)/А
Δ tш ≈ Uш(t)/Аω Следовательно,
Δφш ≈ ωоUш(t)/А ω. Дисперсия "шумовой" погрешности выразится
σ2(Δφш) ωо 2 No/A2 ω2 K2/q, где No мощность аддитивного шума;
К2 ωо 22;
q A2/No отношение сигнал/шум. Выразим далее погрешность от квантования. В предлагаемом измерителе импульсы исследуемого сигнала осуществляют стробирование напряжения опорного сигнала в двух квадратурных каналах с последующим преобразованием простробированных напряжений в цифровой двоичной код в аналого-цифровых преобразователях 8 и 9. Следовательно, момент tiперехода исследуемого сигнала через нулевой уровень определяется с дискретом Δ, равным
Δо Тo/2n+1 (12) где n разрядность аналого-цифровых преобразователей. Отсюда следует, что измеренное значение фазы φизм исследуемого сигнала будет
φизм ω (ti + Δi), где Δi погрешность определения момента времени ti из-за дискpетизации. Погрешность измерения фазы выразится
Δφк φизм φ ω(ti + Δi) ωti ωΔi. Соответственно для дисперсии имеем
σ2(Δφк) ω2σ2i) Считая плотность распределения величины Δi равномерной на интервале Тои используя выражение (12), получим
σ2(Δφк) ω2Δ 2 o /12 ω2T 2 o /12·2n+1=
Figure 00000034
Figure 00000035
При статистической независимости случайных погрешностей Δφш и Δφкдисперсию суммарной погрешности можно выразить в виде
σ 2 Σ σ2(Δφш)+σ2(Δφк) K2/q+
Figure 00000036

Figure 00000037

(13) Выражение (13) показывает, что дисперсия σΣ 2 зависит от К
Figure 00000038
.Поэтому найдем значение Ко, минимизирующее дисперсию σΣ 2. Продифференцировав (13) по К и приравнивая производную нулю, получим
Ko=
Figure 00000039
В этом случае значение дисперсии ошибки будет
Figure 00000040
=
Figure 00000041
(14) Сравним (14) и (9)
Figure 00000042
Figure 00000043
+
Figure 00000044
Figure 00000045
(15) Выражение (15) показывает, что, выбрав соответствующим образом разрядность n аналого-цифрового преобразователя, можно получить существенный выигрыш в точности измерения. Например, при q 4, выбирая n 19, получим
Figure 00000046
Figure 00000047
100 Следовательно, заявляемое устройство, будучи примененным в системе фазовой синхронизации СРНС, позволит достичь требуемую точность оценки фазы (относительная дисперсия погрешности измерения фазы 10-5-10-16). При этом время измерения всего 70 с, что в сто раз меньше по сравнению с известным измерителем.Since the moments of time t i at which phase phase φ i samples are taken are determined by the transition points of the input signal under investigation U in Asin (ω t + φ o ) through the zero level with a positive derivative, then
ω t i + φ o 2 π i and therefore
t i (2 π i - φ o ) / ω. Therefore, in the absence of phase noise
φ i ω o (2 π i φ o ) / ω
Φ i = φ ii-1 = 2π
Figure 00000027

δΦ ii φ i-1)i-1 - φ i-2 ) 0 Find the error in the estimation of the phase φ i in the claimed device. This error is due to additive noise U W (t) in the input signal under investigation and quantization noise. Additive noise U W (t) leads to a shift Δ t W the moment of transition through the zero level of the input signal
t
Figure 00000028
t i + Δt w =
Figure 00000029
+ Δt w
Figure 00000030
Figure 00000031
+ Δt
Figure 00000032
Figure 00000033
+ ω o Δt w = φ i + ω o Δt w The value for Δ t w can be found from the equation
Asin ωΔ t w U w (t)
sin ωΔ t w U w (t) / A At small ratios U w (t) / A
ωΔ t w ≈ U ш (t) / А
Δ t w ≈ U ш (t) / Аω Therefore,
Δφ w ≈ ω о U ш (t) / А ω. Dispersion of "noise" error will be expressed
σ 2 (Δφ W ) ω о 2 N o / A 2 ω 2 K 2 / q, where N o is the power of additive noise;
K 2 ω about 2 / ω 2 ;
q A 2 / N o signal to noise ratio. We further express the quantization error. In the proposed meter, the pulses of the signal under study perform the gating of the voltage of the reference signal in two quadrature channels with the subsequent conversion of the gated voltages into a digital binary code in analog-to-digital converters 8 and 9. Therefore, the moment t i of the transition of the signal under study through the zero level is determined with a discrete Δ equal to
Δ о Т o / 2 n + 1 (12) where n is the bit depth of analog-to-digital converters. It follows that the measured value of the phase φ ism of the investigated signal will be
φ ISM ω (t i + Δ i ), where Δ i is the error in determining the time t i due to discretization. Phase measurement error will be expressed
Δφ to φ ism φ ω (t i + Δ i ) ωt i ωΔ i . Accordingly, for variance we have
σ 2 (Δφ k ) ω 2 σ 2i ) Assuming that the distribution density of Δ i is uniform over the interval T о and using expression (12), we obtain
σ 2 (Δφ k ) ω 2 Δ 2 o / 12 ω 2 T 2 o / 12 · 2 n + 1 =
Figure 00000034
Figure 00000035
With statistical independence of random errors Δφ W and Δφ to the variance of the total error can be expressed as
σ 2 Σ σ 2 (Δφ w ) + σ 2 (Δφ k ) K 2 / q +
Figure 00000036

Figure 00000037

(13) Expression (13) shows that the variance σ Σ 2 depends on K
Figure 00000038
. Therefore, we find the value of K o minimizing the variance σ Σ 2 . Differentiating (13) with respect to K and equating the derivative to zero, we obtain
K o =
Figure 00000039
In this case, the error variance value will be
Figure 00000040
=
Figure 00000041
(14) Compare (14) and (9)
Figure 00000042
Figure 00000043
+
Figure 00000044
Figure 00000045
(15) Expression (15) shows that by choosing the appropriate bit depth n of an analog-to-digital converter, a significant gain in the accuracy of measurement can be obtained. For example, for q 4, choosing n 19, we obtain
Figure 00000046
Figure 00000047
100 Therefore, the inventive device, being used in the phase synchronization system of the SRNS, will achieve the required accuracy of the phase estimation (the relative variance of the error in the measurement of the phase 10 -5 -10 -16 ). At the same time, the measurement time is only 70 s, which is a hundred times less compared to the known meter.

Помимо радионавигационных систем предлагаемое устройство может с успехом использоваться в аппаратуре контроля частоты (фазы) источников сигналов стабильной частоты, например, квантовых стандартов частоты. В данном случае использование предлагаемого устройства позволяет достичь высокой разрешающей способности без использования специальных приборов-компараторов частот, которые благодаря своей узкополосности искажают спектральную структуру входного сигнала, внося дополнительную погрешность измерения. In addition to radio navigation systems, the proposed device can be successfully used in equipment for monitoring the frequency (phase) of stable frequency signal sources, for example, quantum frequency standards. In this case, the use of the proposed device allows to achieve high resolution without the use of special frequency comparators, which due to their narrow band distort the spectral structure of the input signal, introducing an additional measurement error.

Claims (1)

ИЗМЕРИТЕЛЬ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ, содержащий генератор опорной частоты, формирователь квантующих импульсов, первый и второй блоки выборки и хранения, соединенные через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соответственно с первым и вторым информационными входами блока вычисления арктангенса, выход которого подключен к второму информационному входу запоминающего блока, выход которого соединен с информационным входом арифметического блока, первый, второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами соответственно блока вычисления арктангенса, запоминающего и арифметического блока, выход которого подключен к третьему информационному входу запоминающего блока и является выходом измерителя, отличающийся тем, что в него введены формирователь импульсов и последовательно соединенные счетчик импульсов и регистр, между генератором опорной частоты и формирователем квантующих импульсов включен синтезатор частоты, при этом синусный и косинусный выходы синтезатора соединены с сигнальными входами соответственно первого и второго блоков выборки и хранения, входы стробирования которых объединены с входом сброса счетчика и входом синхронизации регистра и подключены к выходу формирователя импульсов, вход которого является входом измерителя, выход формирователя квантующих импульсов соединен со счетным входом счетчика и входом блока управления, выход регистра с первым информационным входом запоминающего блока. PHASE FLUCTUATION CHARACTERISTIC METER, comprising a reference frequency generator, a quantizing pulse generator, first and second sampling and storage units, connected through the first and second analog-to-digital converters, respectively, to the first and second information inputs of the arctangent calculation unit, the output of which is connected to the second information input of the storage unit, the output of which is connected to the information input of the arithmetic unit, the first, second and third outputs of the control unit are connected to the control and inputs, respectively, of the arctangent calculation unit, a storage and arithmetic unit, the output of which is connected to the third information input of the storage unit and is a meter output, characterized in that a pulse shaper and a pulse counter and a register are connected in series between the reference frequency generator and the quantizer the frequency synthesizer is turned on, while the sine and cosine outputs of the synthesizer are connected to the signal inputs of the first and second sampling and storage blocks, the gating inputs of which are combined with the counter reset input and the register synchronization input and connected to the output of the pulse shaper, the input of which is the input of the meter, the output of the quantizer of the pulse shaper is connected to the counting input of the counter and the input of the control unit, the register output with the first information input of the storage unit.
SU5051414 1992-07-07 1992-07-07 Phase fluctuation characteristic meter RU2041469C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5051414 RU2041469C1 (en) 1992-07-07 1992-07-07 Phase fluctuation characteristic meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5051414 RU2041469C1 (en) 1992-07-07 1992-07-07 Phase fluctuation characteristic meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2041469C1 true RU2041469C1 (en) 1995-08-09

Family

ID=21608850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5051414 RU2041469C1 (en) 1992-07-07 1992-07-07 Phase fluctuation characteristic meter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2041469C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497136C1 (en) * 2012-04-18 2013-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" Phase meter with heterodyne conversion of frequency
RU2703614C1 (en) * 2019-03-26 2019-10-21 Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 999148, кл. G 01R 25/00, 1983. *
2. Авторское свидетельство СССР N 1522124, кл. G 01R 27/28, 1989. *
3. Авторское свидетельство СССР N 1583865, кл. G 01R 25/00, 1990. *
4. Авторское свидетельство СССР N 1608590, кл. G 01R 27/28, 1990. *
5. Патент США N 4818999, кл. G 01S 19/93. *
6. Цифровые и радиоприемные системы. Справочник. Под ред. Жодзинского М.И. М.: Радио, и связь, 1990. *
7. Федоров Б.Г. и Телей В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990. *
8. Глинченко В.С. и др. Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск: Наука, 1979. *
9. Аппаратура для частотных и временных измерений. Под ред. А.П. Горшкова. М.: Советское радио, 1971. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497136C1 (en) * 2012-04-18 2013-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" Phase meter with heterodyne conversion of frequency
RU2703614C1 (en) * 2019-03-26 2019-10-21 Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6448757B2 (en) Precise digital frequency detection
US5023572A (en) Voltage-controlled oscillator with rapid tuning loop and method for tuning same
US5198748A (en) Frequency measurement receiver with bandwidth improvement through synchronized phase shifted sampling
US7423937B2 (en) Time converter
US3764903A (en) Phase measuring system
CN115494299A (en) Frequency stability measuring method and system
US5566139A (en) Picosecond resolution sampling time interval unit
US20210341524A1 (en) Timing Difference Detection Circuit Capable of Detecting a Phase Difference Between Different Channels
US4728884A (en) Infinite dynamic range phase detector
RU2041469C1 (en) Phase fluctuation characteristic meter
US7057978B2 (en) Time interval measurement device
US4144572A (en) Accurate phase-measuring system using arithmetic synthesis
CN114047683B (en) Time interval measuring method and device based on orthogonal sampling interpolation
EP0192981B1 (en) Circuit for measuring characteristics of a device under test
US3548107A (en) Signal processing apparatus for multiplex transmission
US5128909A (en) Advanced clock measurement system
RU2225012C2 (en) Phase-meter
RU2313101C1 (en) Analyzer of density of probability of the phase of a signal
RU2591742C1 (en) Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor
RU17666U1 (en) FREQUENCY COMPARATOR
RU2799002C1 (en) Method for monopulse measurement of the radial velocity of objects
JPH0454198B2 (en)
US3453625A (en) Radial speed measuring device for clock trajectography
US4654585A (en) Phase detection method
Zubarev et al. Precision phase discriminator for the heterodyne interferometric plasma-density measurement technique