RU2111496C1 - Method measuring frequency of harmonic oscillations - Google Patents
Method measuring frequency of harmonic oscillations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2111496C1 RU2111496C1 SU5062480A RU2111496C1 RU 2111496 C1 RU2111496 C1 RU 2111496C1 SU 5062480 A SU5062480 A SU 5062480A RU 2111496 C1 RU2111496 C1 RU 2111496C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- sample
- triads
- analog
- samples
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения отклонений мгновенной частоты от номинального значения, для демодуляции ЧМ-сигналов в радиоизмерительных, радиоприемных устройствах, в цифровых телевизионных декодерах СЕКАМ, в радиолокации. The invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure deviations of the instantaneous frequency from the nominal value, for demodulation of FM signals in radio measuring, radio receivers, in SECAM digital television decoders, in radar.
Известно значительное число способов демодуляции дискретного ЧМ-сигнала, измерения частоты гармонических колебаний, подробный обзор которых приведен, например, в [1]. A significant number of methods are known for demodulating a discrete FM signal, measuring the frequency of harmonic oscillations, a detailed review of which is given, for example, in [1].
Один из наиболее простых способов заключается в том, что для вычисления значений мгновенной частоты в нем используются три последовательные выборки сигнала, например A1, A2 и A3, на основании которых определяют частоту в соответствии с выражением:
где
T - период дискретизации.One of the simplest methods is that to calculate the instantaneous frequency values it uses three consecutive signal samples, for example A 1 , A 2 and A 3 , based on which the frequency is determined in accordance with the expression:
Where
T is the sampling period.
Можно показать, что данный способ оценивания является оптимальным с точки зрения минимума среднеквадратической ошибки измерения. Используемая в нем операция деления на выборку A2 уменьшает зависимость выходного сигнала от амплитуды несущей, т.е. в определенной степени заменяет амплитудный ограничитель, что особенно важно для демодуляции ЧМ-сигналов.It can be shown that this method of estimation is optimal from the point of view of the minimum standard error of the measurement. The sampling operation A 2 used in it reduces the dependence of the output signal on the carrier amplitude, i.e. to some extent replaces the amplitude limiter, which is especially important for demodulation of FM signals.
Вместе с тем наличие операции деления в рассматриваемом способе является его недостатком, поскольку при A2=0 выполнить ее невозможно.However, the presence of the division operation in the considered method is its drawback, since when A 2 = 0 it cannot be performed.
Развитием данного подхода к измерению частоты является наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению способ [2], включающий, в частности, операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в N следующих друг за другом триадах моментов времени, совместную обработку всех полученных триад отсчетов аналого-цифрового преобразования. The development of this approach to frequency measurement is the method closest in technical essence to the claimed invention [2], including, in particular, operations of analog-to-digital signal conversion, storing its values in N consecutive time triads, joint processing of all the obtained triads samples of analog-to-digital conversion.
Следует отметить, что суммирование нескольких триад отсчетов сигнала позволило снизить влияние флуктуационных помех. Кроме того, в рассматриваемом способе удалось исключить возможность сбоев, обусловленных делением на ноль, хотя для этого и потребовалось ввести операцию логарифмирования. It should be noted that the summation of several triads of signal samples allowed us to reduce the influence of fluctuation interference. In addition, in the considered method, it was possible to exclude the possibility of failures due to division by zero, although this required the introduction of a logarithm operation.
Недостатком способа-прототипа является неоптимальность обработки отсчетов напряжений сигнала (используются не сами напряжения, а их модули). Кроме того, в рассматриваемом способе во избежание смещения нулевой точки необходимо выполнять дополнительное взвешивание отсчетов АЦП. The disadvantage of the prototype method is the non-optimal processing of samples of signal voltages (not the voltages themselves are used, but their modules). In addition, in the considered method, in order to avoid zero point shift, it is necessary to perform additional weighting of the ADC samples.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что частоту сигнала ω определяют в соответствии с выражением:
где
T-период дискретизации;
U1n, U2n, U3n - значения кодов по выходу аналого-цифрового преобразователя в n-ой триаде отсчетов, причем выбор частоты дискретизации сигнала, расстановку триад во времени и выбор их количества осуществляют из условия неравенства нулю суммы
Покажем, что предлагаемый способ измерения частоты оптимален в смысле метода наименьших квадратов.The essence of the claimed invention lies in the fact that the frequency of the signal ω is determined in accordance with the expression:
Where
T-period of sampling;
U 1n , U 2n , U 3n are the values of the codes for the output of the analog-to-digital converter in the n-th triad of samples, moreover, the sampling frequency of the signal, the arrangement of the triads in time and the choice of their number are carried out from the condition that the sum is zero
We show that the proposed method of measuring the frequency is optimal in the sense of the least squares method.
Выражение (1) для одной тройки отсчетов можно переписать в виде
2•A2•cosωT = A1+A3 (3)
С учетом этого, переходя к триадам отсчетов, можно составить функцию невязок:
Введем новую переменную x = cos ωT и, следуя предписанию метода наименьших квадратов, решим уравнение
В результате получим
или
Отсюда несложно прийти к выражению (2), что и требовалось показать.Expression (1) for one triple of samples can be rewritten in the form
2 • A 2 • cosωT = A 1 + A 3 (3)
With this in mind, passing to the triad of samples, we can compose a residual function:
We introduce a new variable x = cos ωT and, following the instructions of the least squares method, we solve the equation
As a result, we get
or
From here it is easy to arrive at expression (2), which was required to be shown.
В зависимости от производительности аппаратных средств, реализующих заявляемый способ, существуют различные частные варианты его выполнения. Depending on the performance of the hardware that implements the inventive method, there are various private options for its implementation.
Первый вариант сводится к тому, что соседние по времени триады отсчетов АЦП берут без перекрытия (общие элементы в триадах отсутствуют), причем для определения частоты используют только триады с ненулевым вторым отсчетом. The first option boils down to the fact that the time-adjacent triads of ADC samples are taken without overlapping (there are no common elements in the triads), and only triads with a nonzero second sample are used to determine the frequency.
Такой прием исключает возможность обнуления знаменателя и делает излишней операцию логарифмирования, присутствующую в прототипе, устраняя сопутствующие ей проблемы (смещение нуля и т.д.). This technique eliminates the possibility of zeroing the denominator and makes the logarithm operation present in the prototype unnecessary, eliminating its attendant problems (zero offset, etc.).
Другой вариант выполнения способа заключается в том, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с перекрытием в два отсчета, то есть первый отсчет каждой последующей тройки U1n+1 совпадает со вторым отсчетом предыдущей U2n, причем частоту дискретизации напряжений сигнала Fd задают из условия Fd > 4Fсигн, где Fсигн - верхняя частота ожидаемого диапазона частот сигнала.Another embodiment of the method consists in the fact that the time-adjacent triads of samples of analog-to-digital conversion follow with an overlap of two samples, that is, the first sample of each subsequent triple U 1n + 1 coincides with the second sample of the previous U 2n , and the sampling frequency of the signal voltage F d is set from the condition F d> 4F Sig, where F Sig - the upper frequency range of the expected signal frequency.
Подобное ограничение на частоту дискретизации позволяет гарантировать ненулевой результат знаменателя (2) без дополнительного контроля величины суммы Например, при Fd = 4Fсигн для этого достаточно производить замер частоты ω по двум триадам (N=2).Such a restriction on the sampling frequency allows us to guarantee a nonzero result of the denominator (2) without additional control of the sum For example, for F d = 4F signals, for this it is enough to measure the frequency ω over two triads (N = 2).
Наконец, еще две разновидности заявляемого способа отличаются тем, то соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с наложением в один отсчет аналого-цифрового преобразования, то есть первый отсчет каждой последующей триады совпадает с третьем отсчетом предыдущей U3n. При этом, во избежание обнуления знаменателя (2), для определения частоты отбирают только триады с ненулевым вторым отсчетом либо частоту дискретизации напряжений сигнала Fd задают из условия Fd > 4Fсигн, где Fсигн - по прежнему верхняя частота ожидаемого диапазона частот сигнала.Finally, two more varieties of the proposed method are distinguished by the fact that the time-adjacent triads of samples of analog-to-digital conversion follow with the superposition of one analog-digital conversion, that is, the first sample of each subsequent triad coincides with the third sample of the previous U 3n . In this case, in order to avoid resetting the denominator of (2) to determine the frequency select only triad with a nonzero second readout or sampling voltage signal F d frequency is set from the condition F d> 4F Sig, where F Sig - still upper frequency of the expected range of signal frequencies.
Для подтверждения возможности осуществления заявляемого способа был использован специальный измерительный стенд, позволяющий оцифровывать радиочастотный сигнал (непрерывный либо импульсный), накапливать его дискретные отсчеты в буферном ОЗУ в темпе их поступления и далее через специально разработанный 2-байтный порт ввода загружать для обработки в ПЭВМ. To confirm the feasibility of the proposed method, a special measuring stand was used, which made it possible to digitize the radio frequency signal (continuous or pulsed), accumulate its discrete samples in the buffer RAM at the rate of their arrival, and then load it through a specially designed 2-byte input port for processing into a PC.
Функциональная схема экспериментального стенда приведена на фиг.1; где 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 2 - буферное ОЗУ со схемами управления; 4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 6 - сумматор; 7 - ПЭВМ; 8 - синтезатор частоты Ч6-31; 9 - частотомер Ч3-38. Functional diagram of the experimental stand is shown in figure 1; where 1 is an analog-to-digital converter (ADC); 2 - buffer RAM with control circuits; 4 - intermediate frequency amplifier (UPCH); 6 - adder; 7 - PC; 8 - frequency synthesizer Ch6-31; 9 - frequency meter Ch3-38.
Основным элементом стенда является ПЭВМ типа IBM, выполняющая роль управляющего и обрабатывающего вычислителя. Она обеспечивает дистанционное управление работой синтезаторов частоты, реализацию заявляемого способа измерения, статистический анализ результатов эксперимента и их документирование. The main element of the stand is an IBM-type personal computer, which acts as a control and processing computer. It provides remote control of the frequency synthesizers, the implementation of the proposed measurement method, statistical analysis of the experimental results and their documentation.
Исходным звеном в цепи формирования входных воздействий являются синтезаторы частоты типа Ч3-38, обеспечивающие генерацию непрерывных гармонических сигналов. The starting link in the circuit for generating input actions is frequency synthesizers of the type Ch3-38, which provide the generation of continuous harmonic signals.
Один из них используется в качестве генератора тактовой частоты для аналого-цифрового преобразователя и схем управления БОЗУ. One of them is used as a clock generator for an analog-to-digital converter and BOSU control circuits.
Формирователь тактовых импульсов преобразует непрерывный гармонический сигнал на выходе генератора такта Ч6-31 в импульсную последовательность типа "меандр" ЭСЛ-уровня. The pulse generator converts a continuous harmonic signal at the output of the clock generator Ch6-31 into a pulse sequence of the meander type of the ESL level.
Сумматор обеспечивает сложение гармонического колебания с шумовым сигналом. The adder provides the addition of harmonic oscillations with a noise signal.
Аттенюатор, подключенный к выходу сумматора, позволяет снижать мощность суммарного сигнала до 55 дБ, что необходимо для исключения перегрузки АЦП цифрового приемного модуля. Часть энергии сигнала до аттенюатора отводится на осциллограф для визуального контроля. The attenuator connected to the output of the adder allows you to reduce the power of the total signal to 55 dB, which is necessary to avoid overloading the ADC of the digital receiving module. Part of the signal energy to the attenuator is diverted to an oscilloscope for visual inspection.
Усилитель промежуточной частоты собран на ИС 174 УВ1. The intermediate frequency amplifier is assembled on the IP 174 UV1.
Модуль АЦП выполнен на основе быстродействующей ИС 1107ПВ3А, формирующей 6-разрядный код напряжения сигнала, размер кванта по уровню составляет около 23 mB. The ADC module is based on the high-speed IC 1107PV3A, which generates a 6-bit signal voltage code, the size of the quantum by level is about 23 mB.
Буферное ОЗУ обеспечивает запоминание 2048 отсчетов АЦП и их передачу через специально разработанный 2-байтовый порт ввода в ПЭВМ. Время заполнения буфера при тактовой частоте 12 МГц составляет 170,6 мкс. Buffer RAM provides the storage of 2048 samples of the ADC and their transmission through a specially designed 2-byte input port to the PC. Buffer filling time at a clock frequency of 12 MHz is 170.6 μs.
Помимо аппаратных средств необъемлемой частью экспериментального стенда является его программное обеспечение, разработанное на языках TURBOBASIC 1.0 и TURBOASSEMBLER 1.0. In addition to hardware, an integral part of the experimental stand is its software developed in the languages TURBOBASIC 1.0 and TURBOASSEMBLER 1.0.
В составе программного обеспечения функционально выделяется модуль ввода информации, который обеспечивает управление режимами работы буферного ОЗУ, производит ввод из него информации через 2-байтный порт ввода и осуществляет ее распаковку. В рамках данного программного сегмента предусмотрена возможность графического отображения выходных кодов АЦП на дисплее ПЭВМ и вывода их на печать. As part of the software, an information input module is functionally allocated, which provides control of the operating modes of the buffer RAM, inputs information from it through a 2-byte input port and unpacks it. Within the framework of this program segment, it is possible to graphically display the ADC output codes on a PC display and print them.
Функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, применительно к случаю перекрытия триад отсчетов аналого-цифрового преобразования на 2 отсчета представлена на фиг.2, где цифрами обозначены: 1 - АЦП; 2, 3, 12, 13, 16, 17 - регистры; 4, 11, 15 - сумматоры; 10, 14 - умножители; 5 - триггер; 6, 7 - счетчики с параллельной загрузкой; 9 - элемент "И"; 18 - функциональный преобразователь на ПЗУ. The functional diagram of a device that implements the inventive method, in relation to the case of overlapping triads of samples of analog-to-digital conversion by 2 samples is presented in figure 2, where the numbers denote: 1 - ADC; 2, 3, 12, 13, 16, 17 - registers; 4, 11, 15 - adders; 10, 14 - multipliers; 5 - trigger; 6, 7 - counters with parallel loading; 9 - element "And"; 18 - functional converter on the ROM.
Принцип работы устройства сводится к следующему. По сигналу "Начальн. установка" триггер 5 запускает счетчик 6, который подсчитывает два тактовых импульса АЦП 1 и своим выходным сигналом. "Окончание счета" опрокидывает триггер 5 в исходное состояние. В результате с выхода триггера 5 снимается сигнал длительностью в два периода такта АЦП, обнуляющий регистры 12, 16, и через логический элемент И 9 - регистры 13, 17. Указанная длительность необходима для того, чтобы отсчеты гармонического колебания загрузились в регистры 2, 3. Одновременно этим же сигналом с триггера 5 производится загрузка кода размера накопления "Кол-во триад" в счетчик 7. По окончании сигнала по выходу триггера 5 устройство переходит в режим измерения частоты согласно выражению (2). Счетчик 7 подсчитывает заданное количество триад отсчетов и формирует сигнал "Окончание счета", который через логический элемент И 9 загружает в регистры 13, 17 результаты накоплений, хранящиеся в регистрах 12, 16. Выходной код регистра 13 соответствует сумме а регистра 17 Функциональный преобразователь на ПЗУ реализует операцию деления и вычисления арккосинуса, выдавая по усеченным кодам регистров 13, 17 значение частоты гармонического колебания. Формирователь сигналов управления 8 вырабатывает импульсы такта для АЦП и вычислительных узлов устройства в таком соотношении, чтобы в течение одного периода такта АЦП успевали пройти все операции сложения и умножения.The principle of operation of the device is as follows. On the signal "Initial setup" trigger 5 starts the counter 6, which counts two clock pulses of the ADC 1 and its output signal. "End of account" overturns trigger 5 to its original state. As a result, a signal with a duration of two periods of the ADC cycle, zeroing the
Литература. Literature.
1. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. -М.: Радио и связь, 1992, С. 88-101. 1. Khokhlov B.N. Decoding devices for color televisions. -M .: Radio and communications, 1992, S. 88-101.
2. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. -М.: Радио и связь, 1992 С. 97-101 (прототип). 2. Khokhlov B.N. Decoding devices for color televisions. -M .: Radio and communications, 1992 S. 97-101 (prototype).
Claims (4)
где Т - период дискретизации;
U1 n, U2 n, U3 n - значения кодов по выходу аналого-цифрового преобразователя в n-й триаде отсчетов,
причем выбор частоты дискретизации сигнала, расстановку триад во времени и выбор их количества осуществляют из условия
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования берут без перекрытия, причем для определения частоты используют только триады с ненулевым вторым отсчетом.1. A method of measuring the frequency of harmonic oscillations, including the operation of analog-to-digital conversion of a signal, storing its values in N successive time triads in time, characterized in that the signal frequency ω is determined in accordance with the expression
where T is the sampling period;
U 1 n , U 2 n , U 3 n - the values of the codes for the output of the analog-to-digital Converter in the n-th triad of samples,
moreover, the choice of the sampling frequency of the signal, the arrangement of triads in time and the choice of their number is carried out from the condition
2. The method according to p. 1, characterized in that the neighboring time triads of samples of analog-to-digital conversion are taken without overlapping, and only triads with a nonzero second sample are used to determine the frequency.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5062480 RU2111496C1 (en) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Method measuring frequency of harmonic oscillations |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5062480 RU2111496C1 (en) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Method measuring frequency of harmonic oscillations |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2111496C1 true RU2111496C1 (en) | 1998-05-20 |
Family
ID=21613442
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5062480 RU2111496C1 (en) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Method measuring frequency of harmonic oscillations |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2111496C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486529C2 (en) * | 2011-08-31 | 2013-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Method for joint measurement of frequency, phase and initial phase of harmonic signal |
RU2591742C1 (en) * | 2015-04-30 | 2016-07-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor |
RU2738602C1 (en) * | 2020-03-03 | 2020-12-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for simultaneous measurement of frequency, phase, initial phase and harmonic signal amplitude |
RU2785080C1 (en) * | 2022-02-18 | 2022-12-02 | Акционерное общество "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (АО "НПЦАП") | Method for determining the actual oscillation frequency of a quartz hemispherical resonator of a wave solid state gyroscope |
-
1992
- 1992-09-18 RU SU5062480 patent/RU2111496C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. - М.: Радио и связь, 1987, с.95 - 98. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486529C2 (en) * | 2011-08-31 | 2013-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Method for joint measurement of frequency, phase and initial phase of harmonic signal |
RU2591742C1 (en) * | 2015-04-30 | 2016-07-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor |
RU2738602C1 (en) * | 2020-03-03 | 2020-12-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for simultaneous measurement of frequency, phase, initial phase and harmonic signal amplitude |
RU2785080C1 (en) * | 2022-02-18 | 2022-12-02 | Акционерное общество "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (АО "НПЦАП") | Method for determining the actual oscillation frequency of a quartz hemispherical resonator of a wave solid state gyroscope |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6275020B1 (en) | Frequency analysis method and sweep type spectrum analyzer | |
US6448757B2 (en) | Precise digital frequency detection | |
RU2111496C1 (en) | Method measuring frequency of harmonic oscillations | |
US5936576A (en) | Measurement of amplitudes and phases of signals at a high speed and with high reliability | |
JP2560007B2 (en) | Phase comparison circuit | |
RU2113759C1 (en) | Digital frequency detector | |
RU2225012C2 (en) | Phase-meter | |
RU2239281C2 (en) | Digital harmonic-wave synthesizer | |
Pell et al. | A high speed digital autocorrelation spectrometer for millimetre astronomy | |
RU2751020C1 (en) | Digital phase shift meter for harmonic signals | |
RU2752861C1 (en) | Information reading system of analog-to-information converter (aic) with dynamic integration profile (dip) | |
SU1580276A1 (en) | Digital meter of coefficient of harmonics | |
RU2110145C1 (en) | Linear frequency-modulated signal shaper | |
RU1841072C (en) | Chirp signal recognition device | |
RU2404438C1 (en) | Signal real-time analysis device | |
JP2896401B2 (en) | Broadband power meter | |
RU2099721C1 (en) | Phase shift measurement method and device for its realization | |
SU822075A1 (en) | Digital phase meter | |
SU1795475A1 (en) | Device for digital filtering on the base of discrete fourier transform | |
SU442435A1 (en) | Spectrum analyzer | |
SU599223A2 (en) | Close frequencies comparator | |
SU1078642A1 (en) | Device for measuring frequency responses of four-terminal networks | |
SU822077A1 (en) | Radio signal phase measuring device | |
SU1040347A1 (en) | Light pulse counter | |
RU2160926C1 (en) | Walsh function spectrum analyzer |