RU2339958C1 - Method of measuring frequency of sinusoidal signals and device for implementing method - Google Patents
Method of measuring frequency of sinusoidal signals and device for implementing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2339958C1 RU2339958C1 RU2007115750/28A RU2007115750A RU2339958C1 RU 2339958 C1 RU2339958 C1 RU 2339958C1 RU 2007115750/28 A RU2007115750/28 A RU 2007115750/28A RU 2007115750 A RU2007115750 A RU 2007115750A RU 2339958 C1 RU2339958 C1 RU 2339958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- phase
- frequency
- samples
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике связи и может использоваться для измерения частоты синусоидальных сигналов в информационно-измерительных устройствах.The invention relates to communication technology and can be used to measure the frequency of sinusoidal signals in information-measuring devices.
Задача измерения частоты синусоидальных сигналов постоянно привлекает внимание исследователей в связи с ее фундаментальной значимостью при оценке параметров периодических сигналов, смешанных с шумом, для извлечения информации о доплеровском сдвиге в задачах связи, навигации и радиолокации [1-3].The task of measuring the frequency of sinusoidal signals constantly attracts the attention of researchers in connection with its fundamental significance in evaluating the parameters of periodic signals mixed with noise to extract information about the Doppler shift in communication, navigation and radar problems [1-3].
Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [4-7], однако они не являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9].A number of known methods for measuring the frequency of sinusoidal signals [4-7], however, they are not statistically optimal from the point of view of measuring the frequency of sinusoidal signals against a background of noise [8, 9].
Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [8, 10, 11], основанных на использовании преобразования Фурье, при которых за оценку частоты синусоидального сигнала принимается аргумент максимума спектральной плотности мощности (СПМ) смеси сигнала с шумом. Указанные способы измерения частоты являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9]. Однако данные способы требуют больших вычислительных затрат, связанных с осуществлением одного или нескольких преобразований Фурье, что не позволяет получать оценку частоты в масштабе времени, близком к реальному.There are a number of methods for measuring the frequency of sinusoidal signals [8, 10, 11], based on the use of the Fourier transform, in which the maximum power spectral density (PSD) argument of the signal-to-noise mixture is taken as an estimate of the frequency of the sinusoidal signal. The indicated methods of measuring the frequency are statistically optimal from the point of view of measuring the frequency of sinusoidal signals against a background of noise [8, 9]. However, these methods require large computational costs associated with the implementation of one or more Fourier transforms, which does not allow to obtain an estimate of the frequency on a time scale close to real.
Известен способ измерения частоты синусоидальных сигналов [12-14] основанный на использовании разностно-фазовой статистики сигнала, который также является статистически оптимальным с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [12, 13], достигающий при больших объемах выборки данных нижней границы Крамера-Рао. Способ [14] является существенно более вычислительно эффективным, чем способы [8, 10, 11], так как не требует осуществления преобразований Фурье, наиболее близок к предлагаемому и поэтому принят за прототип.A known method of measuring the frequency of sinusoidal signals [12-14] based on the use of differential-phase statistics of the signal, which is also statistically optimal from the point of view of measuring the frequency of sinusoidal signals against the background of noise [12, 13], which reaches the Cramer lower boundary for large sample sizes -Rao. The method [14] is significantly more computationally efficient than the methods [8, 10, 11], since it does not require the implementation of Fourier transforms, is closest to the proposed one and therefore adopted as a prototype.
Согласно этому способу:According to this method:
1) получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;1) receive the current phase of the signal as an argument of a complex number, in-phase samples are used as the real part, and quadrature samples, converted to digital form, of the filtered components of the quadrature decomposition of the signal are used as the imaginary part;
2) получают разности ψk смежных текущих фаз сигнал;2) receive the difference ψ k adjacent current phases of the signal;
3) формируют двухкомпонентный вектор состояния a(k)=[a1(k),a2(k)]T, компоненты которого задают рекуррентными выражениями3) form a two-component state vector a (k) = [a 1 (k), a 2 (k)] T , whose components are given by recurrence expressions
4) определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой:4) determine the estimate of the signal frequency according to the formula:
где fs - частота выборки отсчетов сигнала.where f s is the sampling frequency of the signal samples.
Устройство-прототип [14] содержит подключенные к его входу, через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен с входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), между выходами и вторыми входами которых включены соответственно второй и третий элементы памяти, третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, при этом первое АУ функционирует в соответствии с выражениемThe prototype device [14] contains connected to its input, through two parallel chains of series-connected multiplier, low-pass filter (low-pass filter) and analog-to-digital converter (ADC), the corresponding inputs of read-only memory (ROM), while the second inputs of the multipliers are connected with a common source of a sinusoidal signal, directly at the first multiplier, and through the phase shifter at the second multiplier, the ROM output is connected to the input of the subtraction device, between which the subtractive input and the output The ROM contains a memory element, and the clock inputs of both ADCs are connected to a common clock generator (TG), the first and second arithmetic devices (AU) are connected to the output of the subtraction device, between the outputs and second inputs of which are included the second and third memory elements, third inputs both ACs are connected via a counter to a clock generator, between the outputs of the first and second ACs a second subtraction device is turned on, the output signal of which is proportional to the measured signal frequency, while the first AC operates in Compliant with the expression
а второе АУ - в соответствии с другим выражениемand the second AU - in accordance with another expression
где ψk - разность смежных текущих фаз сигнала с выхода ПЗУ, а1(k) и a1(k-1) - текущее и предшествующее значения, соответственно, первой компоненты вектора состояния с выхода первого АУ, a2(k) и a2(k-1) - текущее и предшествующее значения второй компоненты вектора состояния с выхода второго АУ, k - индексная переменная k=1, 2, ..., формируемая счетчиком по тактам тактового генератора, означающая порядковый номер текущей разности фаз ψk.where ψ k is the difference of adjacent current phases of the signal from the ROM output, and 1 (k) and a 1 (k-1) are the current and previous values of the first component of the state vector from the output of the first AU, a 2 (k) and a 2 (k-1) is the current and previous values of the second component of the state vector from the output of the second control unit, k is the index variable k = 1, 2, ..., formed by the counter according to clock cycles, indicating the sequence number of the current phase difference ψ k .
Однако так же, как и у аналогов [8, 10-13], у статистически оптимального, с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [12, 13], способа-прототипа [14] при измерении частоты коротких пакетов синусоидальных сигналов точность измерений ограничена нижней границей Крамера-Рао [12, 13]However, as with analogs [8, 10-13], the statistically optimal, from the point of view of measuring the frequency of sinusoidal signals against noise [12, 13], prototype method [14] when measuring the frequency of short packets of sinusoidal signals measurement is limited to the lower boundary of the Cramer-Rao [12, 13]
где var( 0) - дисперсия (или квадрат среднеквадратической ошибки) измеряемой частоты, fs - частота выборки сигнала, SNR - входное отношение сигнал/шум, N - количество отсчетов, используемых при измерении частоты, для сигнала длительностью Т, равной целой части Т·fs.where var ( 0 ) is the variance (or squared root mean square error) of the measured frequency, f s is the sampling frequency of the signal, SNR is the input signal-to-noise ratio, N is the number of samples used in measuring the frequency for a signal of duration T equal to the integer part T · f s .
Кроме того, ряд систем работают с когерентными пакетами синусоидального сигнала, когда в паузах между пакетами сигнал отсутствует либо присутствуют излучения других источников. Такие режимы работы имеют место в когерентных РЛС [15, 23, 24] и в пакетных системах связи, например в системе сотовой связи GSM [25]. В этих случаях оценка частоты сигнала способом-прототипом производится только по одному отдельному пакету сигнала и при этом не используется когерентность пакетов сигнала. Проблема с применением способа-прототипа может также возникнуть в других системах беспроводной связи в условиях замирания сигнала.In addition, a number of systems work with coherent packets of a sinusoidal signal when there is no signal in the pauses between packets or radiation from other sources is present. Such operating modes occur in coherent radars [15, 23, 24] and in packet communication systems, for example, in a GSM cellular communication system [25]. In these cases, the signal frequency is estimated by the prototype method using only one separate signal packet and the coherence of the signal packets is not used. A problem with the application of the prototype method may also occur in other wireless communication systems in conditions of signal fading.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов за счет синтеза статистически оптимального, вычислительно эффективного оценивания для когерентных на интервале измерения пакетов синусоидальных сигналов.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the frequency of sinusoidal signals against a background of noise due to the synthesis of a statistically optimal, computationally effective estimation for coherent packets of sinusoidal signals on the measurement interval.
Технический результат достигают тем, что в способе измерения частоты синусоидальных сигналов, включающем получение текущей фазы сигнала, как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, получение разностей ψi смежных текущих фаз сигнала, где i=1, 2, ... - индексная переменная, означающая порядковый номер текущей разности фаз ψi, согласно изобретению накапливают блоки данных синфазных и квадратурных отсчетов сигнала длиной N, пропускают L отсчетов, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, накапливают вторые блоки данных синфазных и квадратурных отсчетов сигнала длиной N, последовательно объединяют накопленные блоки данных синфазных отсчетов в один блок данных длиной 2N, а накопленные блоки данных квадратурных отсчетов - в другой блок данных длиной 2N, для объединенных блоков синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, каждый длиной 2N, по каждой паре синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, соответствующих одному моменту времени, получают текущие фазы сигнала, из которых формируют (2N-1) разность ψi смежных текущих фаз объединенного сигнала, для последовательных текущих разностей фазы сигнала ψi, i=1, 2, ..., (2N-V), полученных по выборке из объединенных 2N синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражениемThe technical result is achieved in that in a method for measuring the frequency of sinusoidal signals, including obtaining the current phase of the signal, as an argument to a complex number, the real part of which is used in-phase samples, and as the imaginary part is quadrature samples converted to digital form, the filtered components of the quadrature decomposition signal, obtaining differences ψ i the phase related current signal, where i = 1, 2, ... - index variable, meaning the sequence number of the current phase difference ψ i, in accordance to fig The data blocks of in-phase and quadrature samples of a signal of length N are accumulated, L samples of the filtered components of the quadrature decomposition of a signal are passed through, second blocks of data of in-phase and quadrature samples of a signal of length N are accumulated, the accumulated data blocks of in-phase samples are combined into a single data block of 2N length, and the accumulated data blocks of quadrature samples - to another data block of 2N length, for combined blocks of in-phase and quadrature samples of the signal, each 2N long, for each pair of in-phase x and quadrature signal samples corresponding to a single point in time, the current phase of the signal is obtained, which is formed from (2N-1) difference ψ i adjacent current phases combined signal for successive current-difference signal phase ψ i, i = 1, 2, .. ., (2N-V) obtained from a sample of the combined 2N in-phase and quadrature samples of the signal form a weight function in accordance with the following expression
а оценку частоты сигнала определяют в соответствии с формулойand the estimate of the signal frequency is determined in accordance with the formula
где fs - частота выборки отсчетов сигнала.where f s is the sampling frequency of the signal samples.
Другим техническим результатом изобретения является повышение точности измерения приращения фазы синусоидальных сигналов, для когерентных на интервале измерения пакетов синусоидальных сигналов.Another technical result of the invention is to increase the accuracy of measuring the phase increment of the sinusoidal signals, for coherent packets of sinusoidal signals on the measurement interval.
Технический результат достигают тем, что в способе измерения частоты синусоидальных сигналов согласно изобретению дополнительно определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражениемThe technical result is achieved in that in the method for measuring the frequency of sinusoidal signals according to the invention, an additional function is determined for the increment of the phase of the signal in accordance with the following expression
Другим техническим результатом изобретения является устройство для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, повышающее точность измерения частоты за счет использования статистически оптимального, вычислительно эффективного оценивания для когерентных на интервале измерения пакетов синусоидальных сигналов.Another technical result of the invention is a device for implementing a method for measuring the frequency of sinusoidal signals, which increases the accuracy of frequency measurement by using a statistically optimal, computationally efficient estimation for packets of sinusoidal signals that are coherent in the measurement interval.
Технический результат достигают тем, что в устройстве для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, к входу которого подключены две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), формирующего текущую фазу сигнала, соединен с входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), соединенному также со счетчиком, формирующим на выходе индексную переменную i=1, 2, ..., к выходу устройства вычитания подключено арифметическое устройство (АУ), при этом на выходе устройства вычитания формируют последовательные текущие разности ψi, i=1, 2, ... фазы сигнала по выборке из квадратурных отсчетов, согласно изобретению второй вход АУ подключен к выходу второго ПЗУ, третий вход АУ соединен с устройством управления, к выходам первого и второго АЦП, соответственно, подключены первый и второй входы первого ПЗУ через соответствующие последовательно соединенные коммутатор и буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ), каждое из которых содержит 2N элементов памяти и связано так же, как и АУ с устройством управления, управляющие входы коммутаторов соединены со счетчиком через устройство управления, вход сброса счетчика связан с ТГ через другой управляющий выход устройства управления, при этом АУ, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, функционирует в соответствии с выражениемThe technical result is achieved in that in a device for implementing a method for measuring the frequency of sinusoidal signals, to the input of which are connected two parallel chains of series-connected multipliers, a low-pass filter (low-pass filter) and an analog-to-digital converter (ADC), while the second inputs of the multipliers are connected to a common the source of the sinusoidal signal, the first multiplier - directly, and the second multiplier - through the phase shifter, the output of a permanent storage device (ROM), forming the current The signal base is connected to the input of the subtraction device, between the subtracting input of which and the output of the ROM a memory element is connected, and the clock inputs of both ADCs are connected to a common clock generator (TG), also connected to a counter that generates an index variable i = 1, 2, ..., an arithmetic device (AU) is connected to the output of the subtraction device, while at the output of the subtraction device, successive current differences ψ i , i = 1, 2, ... of the phase of the signal are selected from a quadrature sample, according to the invention, the second input of the AU by it is connected to the output of the second ROM, the third input of the AU is connected to the control device, to the outputs of the first and second ADCs, respectively, the first and second inputs of the first ROM are connected through the corresponding series-connected switch and buffer random access memory (BOS), each of which contains 2N elements memory and is connected in the same way as the control unit with the control device, the control inputs of the switches are connected to the counter via the control device, the counter reset input is connected to the TG through another control output of the device control, while the AU, the output signal of which is proportional to the measured frequency of the signal, operates in accordance with the expression
где fs - частота ТГ, а второе ПЗУ формирует весовую функцию из (2N-1) коэффициента согласно следующей формулеwhere f s is the TG frequency, and the second ROM generates a weight function from the (2N-1) coefficient according to the following formula
Другим техническим результатом изобретения является устройство для реализации способа, повышающее точность измерения приращения фазы синусоидальных сигналов, для когерентных на интервале измерения пакетов синусоидальных сигналов.Another technical result of the invention is a device for implementing the method, increasing the accuracy of measuring the phase increment of the sinusoidal signals, for packets of sinusoidal signals that are coherent in the measurement interval.
Технический результат достигают тем, что в устройстве для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов согласно изобретению к выходу АУ дополнительно подключено второе АУ, вторым входом связанное со счетчиком, через дополнительный выход устройства управления, при этом выходной сигнал второго АУ пропорционален функции приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражениемThe technical result is achieved in that in a device for implementing a method for measuring the frequency of sinusoidal signals according to the invention, a second AU is additionally connected to the output of the AU, the second input connected to the counter via an additional output of the control device, while the output of the second AU is proportional to the phase increment function of the signal with the following expression
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов.Figure 1 presents the structural diagram of a device in which the proposed method for measuring the frequency of sinusoidal signals is implemented.
На фиг.2 представлена структурная схема другого варианта устройства, в котором реализуется предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов.Figure 2 presents the structural diagram of another embodiment of the device, which implements the proposed method for measuring the frequency of sinusoidal signals.
При совместной обработке когерентных пакетов синусоидальных сигналов необходимо исключать из обработки сигналы других источников, присутствующих в паузах между пакетами. Для этого требуется пропускать отсчеты данных в период паузы в излучении источника, частота которого измеряется.When co-processing coherent packets of sinusoidal signals, it is necessary to exclude from processing the signals of other sources present in the pauses between packets. This requires skipping data samples during a pause in the radiation of a source whose frequency is measured.
Согласно предлагаемому способу измерения частоты синусоидальных сигналов:According to the proposed method for measuring the frequency of sinusoidal signals:
1) накапливают блоки данных синфазных и квадратурных отсчетов сигнала длиной N преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;1) accumulate data blocks of in-phase and quadrature samples of a signal of length N digitized, filtered components of the quadrature decomposition of the signal;
2) пропускают L отсчетов, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;2) miss L samples filtered components of the quadrature decomposition of the signal;
3) накапливают вторые блоки данных синфазных и квадратурных отсчетов сигнала длиной N;3) accumulate the second data blocks in-phase and quadrature samples of a signal of length N;
4) последовательно объединяют накопленные блоки данных синфазных отсчетов в один блок данных длиной 2N, а накопленные блоки данных квадратурных отсчетов - в другой блок данных длиной 2N;4) sequentially combine the accumulated data blocks of the in-phase samples into one data block 2N long, and the accumulated data blocks of the quadrature samples into another data block 2N long;
5) для объединенных блоков синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, каждый длиной 2N, по каждой паре синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, соответствующих одному моменту времени, получают текущие фазы сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют соответствующие синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;5) for the combined blocks of in-phase and quadrature samples of the signal, each 2N long, for each pair of in-phase and quadrature samples of the signal corresponding to one moment of time, the current phases of the signal are obtained as an argument of a complex number, the corresponding part of which is used as the real part, and as imaginary - the corresponding quadrature samples, converted to digital form, of the filtered components of the quadrature decomposition of the signal;
6) из полученных текущих фаз сигнала формируют (2N-1) разность ψi смежных текущих фаз объединенного сигнала, для последовательных текущих разностей фазы сигнала ψi, i=1, 2, ..., (2N-1), полученных по выборке из объединенных 2N синфазных и квадратурных отсчетов сигнала;6) from the obtained current signal phases form (2N-1) the difference ψ i of adjacent current phases of the combined signal, for successive current phase differences of the signal ψ i , i = 1, 2, ..., (2N-1) obtained from the sample from the combined 2N in-phase and quadrature samples of the signal;
7) формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражением7) form a weight function in accordance with the following expression
8) определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой8) determine the estimate of the frequency of the signal in accordance with the formula
где fs - частота выборки отсчетов сигнала.where f s is the sampling frequency of the signal samples.
Полученная, таким образом, оценка частоты сигнала является наилучшей в среднеквадратическом смысле оценкой для когерентных на интервале измерения пакетов синусоидальных сигналов.The estimate of the signal frequency obtained in this way is the best in the mean-square sense for coherent packets of sinusoidal signals that are coherent in the measurement interval.
Покажем это.Show it.
Рассмотрим прием когерентных пакетов синусоидального сигнала, когда в паузе между пакетами источник не излучает, как это, например, имеет место при приеме сигналов когерентных импульсных радаров [15, 23, 24] и в системах связи с временным доступом [3, 25].Consider the reception of coherent packets of a sinusoidal signal when the source does not emit in a pause between packets, as, for example, is the case with the reception of signals of coherent pulsed radars [15, 23, 24] and in communication systems with temporary access [3, 25].
При этом исходными данными служит выборка сигнала, включающего два пакета комплексной синусоиды, модель которой имеет видIn this case, the source data is a sample of a signal including two packets of a complex sinusoid, the model of which has the form
где zt=ζRt+j·ζIt - выборка из белой гауссовой последовательности с нулевым средним и дисперсией σ2 Z. Как видно из (1), выборка сигнала состоит из двух пакетов сигнала, включающих по N точек каждый, разделенных пропуском из L точек. Исходные данные можно понимать как произведение отрезка комплексной синусоиды, продолжительностью t=0,1, ..., 2N+L-1 с временным окном, в котором пропущено L точек сигнала.where z t = ζ Rt + j · ζ It is the sample from the white Gaussian sequence with zero mean and variance σ 2 Z. As can be seen from (1), the signal sampling consists of two signal packets, including N points each, separated by a gap of L points. The initial data can be understood as the product of a segment of a complex sinusoid, of duration t = 0.1, ..., 2N + L-1 with a time window in which L points of the signal are missing.
Следующие определения аналогичные приведенным в [12], относятся к каждому отдельному моменту t и переносятся автоматически (независимо от особенностей пакетной структуры), для исходного сигнала имеемThe following definitions similar to those given in [12] apply to each individual moment t and are transferred automatically (regardless of the peculiarities of the packet structure); for the initial signal, we have
где введена комплексная случайная последовательностьwhere the complex random sequence is introduced
имеющая среднее и дисперсию Е{ξt}=0, var{ξt}=σ2 z/A2, соответственно. Тогда (2) можно тождественно переписать в видеhaving a mean and variance E {ξ t } = 0, var {ξ t } = σ 2 z / A 2 , respectively. Then (2) can be rewritten identically in the form
Как показано в [12], текущую фазу сигнала (4) можно представить какAs shown in [12], the current phase of signal (4) can be represented as
Если определить разностно-фазовую измерения для данных (1), то получим следующую последовательностьIf we determine the difference-phase measurements for the data (1), then we obtain the following sequence
Пусть неопределенность в искомой частоте достаточно мала по сравнению с продолжительностью пропуска между пакетамиLet the uncertainty in the desired frequency be small enough in comparison with the duration of the skip between packets
Данное предположение оправдано в большинстве практических случаев (локаторы с синтезированной апертурой, когерентные доплеровские РЛС и др. [3, 15-16, 18]), тем более при двухэтапной обработке, когда на первом этапе оценивается частота по одиночным пакетам, исходный сигнал переносится на полученную оценку, а на втором этапе уточняется лишь малая (в пределах погрешности начальной оценки) поправка ω0, для которой условие (7) менее ограничительно.This assumption is justified in most practical cases (synthesized aperture locators, coherent Doppler radars, etc. [3, 15-16, 18]), especially during two-stage processing, when the frequency is estimated at the first stage for single packets, the initial signal is transferred to the obtained estimate, and at the second stage only the small correction ω 0 (within the error of the initial estimate) is specified, for which condition (7) is less restrictive.
С учетом определения (5) модель измерений можно записать в векторном видеTaking into account definition (5), the measurement model can be written in vector form
где вектор измерений ψ∈=R2N-1, а его компоненты определены левыми частями (6), 1 - вектор из N-1 единицы, η∈R2N-1 - случайный вектор, компоненты которого заданы в правых частях (6) в скобках [•]. Для компонент η, учитывая (5), можно показатьwhere the measurement vector ψ∈ = R 2N-1 , and its components are defined by the left - hand sides of (6), 1 is the vector of N-1 units, η∈R 2N-1 is a random vector whose components are given on the right-hand sides of (6) in brackets [•]. For the components η, taking into account (5), we can show
Таким образом, несмотря на пакетную структуру исходного сигнала, вид ковариационной матрицы С=E{ηηT} сохраняется аналогичным тому, который приведен в [12], и позволяет произвести обращение матрицы в явном виде. Учитывая, что порядок С равен 2N-1, для элементов обратной матрицы С-1 имеемThus, despite the packet structure of the initial signal, the form of the covariance matrix C = E {ηη T } remains the same as that given in [12] and allows the matrix to be inverted explicitly. Given that the order of C is 2N-1, for the elements of the inverse matrix C -1 we have
где Where
Оптимальная (в смысле минимума дисперсии) несмещенная оценка для модели (8) при условиях (9) имеет вид [9]The optimal (in the sense of minimum dispersion) unbiased estimate for model (8) under conditions (9) has the form [9]
где В - матрица с элементами Вmn, нормированная на постоянный коэффициент обратная ковариационная матрица. Выражение (13) определяет искомую оценку частоты, однако специальный вид входящих в нее матриц позволяет получить в явном виде тождественное соотношениеwhere B is a matrix with elements of B mn normalized to a constant coefficient, the inverse covariance matrix. Expression (13) determines the desired frequency estimate; however, the special form of the matrices included in it makes it possible to explicitly obtain the identity relation
где vT(N,L) - ненормированная весовая функция, a V(N,L) - нормирующий сомножитель, и обе величины однозначно определяются параметрами структуры исходного сигнала (N,L).where v T (N, L) is the unnormalized weight function, and V (N, L) is the normalizing factor, and both quantities are uniquely determined by the structure parameters of the initial signal (N, L).
Если обозначить как Вn n-й столбец матрицы В, то n-я компонента (1≤n≤2N-1) ненормированной весовой функции может быть определена какIf we denote by B n the nth column of the matrix B, then the nth component (1≤n≤2N-1) of the unnormalized weight function can be defined as
Нормирующий множитель из (11,12) определим какThe normalizing factor from (11.12) is defined as
Последнее слагаемое в (16) равноThe last term in (16) is equal to
тогда из (16) для нормирующего сомножителя в (14) окончательно имеемthen from (16) for the normalizing factor in (14) we finally have
Поскольку значение оценки (12) тождественно совпадает с оценкой (11), то с использованием соотношений (13, 15) можно показать, что дисперсия искомой оценки частоты (11) для выборки сигнала, включающего два пакета комплексной синусоиды, равнаSince the value of estimate (12) identically coincides with estimate (11), using relations (13, 15), it can be shown that the variance of the desired frequency estimate (11) for a signal sample including two packets of a complex sinusoid is
дисперсия искомой оценки частоты равна (для частоты выборки равной единице)the variance of the desired frequency estimate is equal to (for the sampling frequency equal to unity)
Дисперсия оценки частоты для способа-прототипа, где при измерении используется только один пакет сигнала, для частоты выборки, равной единице, как показано в [12-14], равнаThe variance of the frequency estimate for the prototype method, where only one signal packet is used in the measurement, for a sampling frequency equal to unity, as shown in [12-14], is
Отношение K дисперсий оценки частоты (17) и (18) для предложенного способа и способа-прототипа показываетThe ratio K of the variance of the frequency estimate (17) and (18) for the proposed method and the prototype method shows
что точность измерения частоты синусоидальных сигналов предложенным способом более чем в раз лучше точности измерений способа-прототипа.that the accuracy of measuring the frequency of sinusoidal signals by the proposed method is more than times better than the accuracy of the measurements of the prototype method.
При достаточно больших N и L=kNFor sufficiently large N and L = kN
То есть даже при k=1 точность измерения частоты синусоидальных сигналов предложенным способом более чем в раз лучше точности измерений, получаемой при использовании способа-прототипа.That is, even with k = 1, the accuracy of measuring the frequency of sinusoidal signals by the proposed method more than in times better than the accuracy of measurements obtained using the prototype method.
Если при использовании способа-прототипа независимо использовать оба пакета сигнала, то за счет усреднения двух оценок частоты дисперсию оценки частоты (18) можно снизить в два раза, при этом на том же объеме данных предложенный способ превзойдет прототип по точности более чем в за счет учета на интервале измерения когерентности обоих пакетов синусоидальных сигналов.If, when using the prototype method, both signal packets are used independently, then by averaging the two frequency estimates, the variance of the frequency estimate (18) can be halved, while the proposed method will surpass the prototype in accuracy by more than due to accounting for the coherence measurement interval of both packets of sinusoidal signals.
Предложенный способ измерений позволяет также посредством прямого интегрирования в дискретном времени получать оценку функции приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражениемThe proposed measurement method also allows, through direct integration in discrete time, to obtain an estimate of the signal phase increment function in accordance with the following expression
что и используется во втором варианте предлагаемого способа.which is used in the second embodiment of the proposed method.
Оценка функции приращения фазы сигнала нужна, в частности, в приложениях, связанных с обработкой речевых сигналов [18, 19], когда необходимо восстановление однозначной функции фазы (в зарубежной литературе для обозначения такой операции над сигналом используется термин «unwrapping»), являющейся в общем случае разрывной 2π-периодической функцией.The estimation of the signal phase increment function is needed, in particular, in applications related to the processing of speech signals [18, 19], when it is necessary to restore a unique phase function (in the foreign literature the term “unwrapping” is used to designate such an operation on a signal), which is generally case of a discontinuous 2π-periodic function.
Известен ряд способов для оценки функции приращения фазы сигнала [20-22], однако они не дают однозначного восстановление функции фазы в условиях дребезга скачка фазы на 2π при умеренных отношениях сигнал/шум [15, 18-22]. Поскольку предложенный способ, синтезированный для работы при умеренных отношениях сигнал/шум, обеспечивает более высокую точность оценивания, он может обеспечить и более точное восстановление однозначной функции фазы посредством прямого интегрирования в дискретном времени величины с использованием выражения (21) с исключением влияния дребезга скачка фазы на 2π.A number of methods are known for estimating the function of the phase increment of a signal [20-22], however, they do not provide an unambiguous restoration of the phase function under conditions of bounce of the phase jump by 2π at moderate signal-to-noise ratios [15, 18-22]. Since the proposed method, synthesized for operation at moderate signal-to-noise ratios, provides higher estimation accuracy, it can provide a more accurate restoration of the unique phase function by directly integrating the values in discrete time using expression (21) with the exception of the effect of bounce of the phase jump by 2π.
Согласно второму варианту предлагаемого способа измерения частоты синусоидальных сигналов:According to the second variant of the proposed method for measuring the frequency of sinusoidal signals:
1) накапливают блоки данных синфазных и квадратурных отсчетов сигнала длиной N преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;1) accumulate data blocks of in-phase and quadrature samples of a signal of length N digitized, filtered components of the quadrature decomposition of the signal;
2) пропускают L отсчетов, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;2) miss L samples filtered components of the quadrature decomposition of the signal;
3) накапливают вторые блоки данных синфазных и квадратурных отсчетов сигнала длиной N;3) accumulate the second data blocks in-phase and quadrature samples of a signal of length N;
4) последовательно объединяют накопленные блоки данных синфазных отсчетов в один блок данных длиной 2N, а накопленные блоки данных квадратурных отсчетов - в другой блок данных длиной 2N;4) sequentially combine the accumulated data blocks of the in-phase samples into one data block 2N long, and the accumulated data blocks of the quadrature samples into another data block 2N long;
5) для объединенных блоков синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, каждый длиной 2N, по каждой паре синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, соответствующих одному моменту времени, получают текущие фазы сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют соответствующие синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - соответствующие квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала;5) for the combined blocks of in-phase and quadrature samples of the signal, each 2N long, for each pair of in-phase and quadrature samples of the signal corresponding to one moment of time, the current phases of the signal are obtained as an argument of a complex number, the corresponding part of which is used as the real part, and as imaginary - the corresponding quadrature samples, converted to digital form, of the filtered components of the quadrature decomposition of the signal;
6) из полученных текущих фаз сигнала формируют (2N-1) разность ψi смежных текущих фаз объединенного сигнала, для последовательных текущих разностей фазы сигнала ψi, i=1, 2, ..., (2N-1), полученных по выборке из объединенных 2N синфазных и квадратурных отсчетов сигнала;6) from the obtained current signal phases form (2N-1) the difference ψ i of adjacent current phases of the combined signal, for successive current phase differences of the signal ψ i , i = 1, 2, ..., (2N-1) obtained from the sample from the combined 2N in-phase and quadrature samples of the signal;
7) формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражением7) form a weight function in accordance with the following expression
8) определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой8) determine the estimate of the frequency of the signal in accordance with the formula
где fs - частота выборки отсчетов сигнала;where f s is the sampling frequency of the signal samples;
9) определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражением9) determine the function of the phase increment of the signal in accordance with the following expression
Устройство, реализующее предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов (см. фиг.1), содержит подключенные к его входу две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя (П) 1, фильтра нижних частот (ФНЧ) 2 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3 и, соответственно, из перемножителя 4, ФНЧ 5, АЦП 6. Вторые входы перемножителей 1 и 4 связаны с общим источником синусоидального сигнала (ОИСС) 7, у перемножителя 1 - непосредственно, а у перемножителя 4 - через фазовращатель (ФВ) 8. Выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 9, формирующего текущую фазу сигнала, соединен с входом устройства вычитания (В) 10. Между вычитающим входом устройства 10 и выходом ПЗУ 9 включен элемент памяти (ЭП) 11. Тактирующие входы обоих АЦП 3 и 6 подключены к общему тактовому генератору (ТГ) 12, соединенному также со счетчиком (СЧ) 13, на выходе которого формируется индексная переменная i=1, 2, .... К выходу устройства вычитания 10 подключено арифметическое устройство (АУ) 14, при этом на выходе устройства 10 формируют последовательные текущие разности ψi, i=1, 2, ... фазы сигнала по выборке из квадратурных отсчетов. Согласно изобретению второй вход АУ 14 подключен к выходу второго ПЗУ 15. Третий вход АУ 14 соединен с устройством управления (УУ) 16. К выходу первого АЦП 3 подключен первый вход ПЗУ 9 через последовательно соединенные коммутатор (К) 17 и буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ) 18. К выходу второго АЦП 6 подключен второй вход ПЗУ 9 через последовательно соединенные коммутатор 19 и БОЗУ 20. Оба БОЗУ 18 и 20 содержат 2N элементов памяти. Оба БОЗУ 18 и 20 связаны так же, как и АУ 14, с УУ 16. Управляющие входы коммутаторов 17 и 19 соединены со счетчиком 13 через УУ 16. Вход сброса счетчика 13 связан с ТГ 12 через другой управляющий выход УУ 16. АУ 14, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, функционирует в соответствии с выражениемA device that implements the proposed method for measuring the frequency of sinusoidal signals (see Fig. 1) contains two parallel chains of a series-connected multiplier (P) 1, a low-pass filter (LPF) 2 and an analog-to-digital converter (ADC) 3 and connected to its input , respectively, from
где fs - частота ТГ 12, а второе ПЗУ формирует весовую функцию из (2N-1) коэффициента согласно следующей формулеwhere f s is the frequency of
В другом варианте описанного выше устройства (см. фиг.2) к выходу АУ 14 дополнительно подключено второе АУ 21. Второй вход АУ 21 связан со счетчиком 13 через дополнительный выход УУ 16, при этом выходной сигнал второго АУ пропорционален функции приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражениемIn another embodiment of the device described above (see FIG. 2), the
Первый вариант предлагаемого устройства (см. фиг.1), реализующего способ измерения частоты синусоидальных сигналов, работает следующим образом.The first variant of the proposed device (see figure 1), which implements a method of measuring the frequency of sinusoidal signals, works as follows.
Сигнал в смеси с шумом с входа устройства подается на первые входы перемножителей 1, 4. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом ОИСС 7, частота которого равна центральной частоте диапазона входных частот сигнала, на выходе перемножителя 1 содержится синфазная составляющая входного сигнала. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом ОИСС 7, развернутым по фазе на 90° фазовращателем 8, на выходе перемножителя 4 содержится квадратурная составляющая входного сигнала. Каждая из указанных составляющих в полосе низких частот, равной полуширине диапазона частот входных сигналов, фильтруется в ФНЧ 2 и 5, соответственно. Далее АЦП 3, тактируемый ТГ 12, преобразует синфазную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в синфазные отсчеты), а АЦП 6, тактируемый ТГ 12, преобразует квадратурную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в квадратурные отсчеты). По сигналам УУ 16 производится сброс (обнуление) счетчика 13 и открытие коммутаторов 17 и 19 для подачи синфазных и квадратурных отсчетов, соответственно, в БОЗУ 18 и 20. После накопления в БОЗУ 18 и 20 N отсчетов сигнала УУ 16 определяет, что в счетчике 13 содержится число N и со следующего такта ТГ 12 закрывает коммутаторы 17 и 19 и приостанавливает подачу данных в БОЗУ 18 и 20. Как только состояние счетчика становится равным N+L, то со следующего такта ТГ 12 УУ 16 вновь открывает коммутаторы 17, 19 и возобновляет подачу синфазных и квадратурных отсчетов, соответственно, в БОЗУ 18 и 20. После накопления в БОЗУ 18 и 20 2N отсчетов сигнала УУ 16 определяет, что состояние счетчика становится равным 2N+L и со следующего такта ТГ 12 закрывает коммутаторы 17 и 19. Накопленные данные с выходов БОЗУ 18 и 20 подаются в ПЗУ 9. В ПЗУ 9 получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты. Далее получают разности смежных текущих фаз сигнала ψi, как результат вычитания текущей фазы с выхода ПЗУ 9 в устройстве вычитания 10 с предыдущим значением фазы, задержанным в элементе памяти 11.The signal in the mixture with noise from the input of the device is supplied to the first inputs of the
В первом АУ 14 на основе разности ψi смежных текущих фаз сигнала, полученной с выхода устройства вычитания 10, на основе индексной переменной i, поступающей на третий вход АУ 13 от УУ 16, а также на основе коэффициентов весовых функций w(i), получаемых, соответственно, из второго ПЗУ 15 и сформированных согласно выражениюIn the
определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулойdetermine the estimate of the frequency of the signal in accordance with the formula
Накопление суммы в АУ 14 согласно последней формуле осуществляется по мере роста индексной переменной i, и после поступления в АУ 14 2N-1 разности ψi смежных текущих фаз сигнала, оценка частоты сигнала из АУ 14 подается на выход предлагаемого устройства.The accumulation of the amount in
Работа второго варианта предлагаемого устройства (фиг.2) отличается от работы первого тем, что во втором АУ 21 на основе оценки частоты сигнала , полученной из АУ 14, и на основе индексной переменной i, подаваемой на второй вход АУ 21 через УУ 16, определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражениемThe work of the second variant of the proposed device (figure 2) differs from the work of the first in that in the
Полученные результаты могут быть использованы, в частности, для повышения точности измерения частоты и других параметров когерентных на интервале измерения пакетов синусоидальных сигналов (локаторы с синтезированной апертурой, когерентные доплеровские РЛС и др. [3, 15-16, 18]).The results can be used, in particular, to improve the accuracy of measuring the frequency and other parameters of coherent packets of sinusoidal signals (locators with a synthesized aperture, coherent Doppler radars, etc. [3, 15-16, 18]).
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007115750/28A RU2339958C1 (en) | 2007-04-25 | 2007-04-25 | Method of measuring frequency of sinusoidal signals and device for implementing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007115750/28A RU2339958C1 (en) | 2007-04-25 | 2007-04-25 | Method of measuring frequency of sinusoidal signals and device for implementing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2339958C1 true RU2339958C1 (en) | 2008-11-27 |
Family
ID=40193293
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007115750/28A RU2339958C1 (en) | 2007-04-25 | 2007-04-25 | Method of measuring frequency of sinusoidal signals and device for implementing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2339958C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2483319C2 (en) * | 2011-08-17 | 2013-05-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method |
-
2007
- 2007-04-25 RU RU2007115750/28A patent/RU2339958C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2483319C2 (en) * | 2011-08-17 | 2013-05-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7436166B1 (en) | Direct digital synthesizer producing a signal representing an amplitude of a sine wave | |
US8842771B2 (en) | Amplitude flatness and phase linearity calibration for RF sources | |
CN104142425B (en) | Phase matching method for sinusoidal signal frequency estimation | |
CN115494299A (en) | Frequency stability measuring method and system | |
JP2012239192A (en) | Frequency estimation method, wideband frequency discriminator and radiolocation receiver | |
Roscoe et al. | Frequency and fundamental signal measurement algorithms for distributed control and protection applications | |
RU2339958C1 (en) | Method of measuring frequency of sinusoidal signals and device for implementing method | |
RU183781U1 (en) | DEVICE FOR DOPPLER FREQUENCY DEFINITION DETERMINATION DETERMINATION BY THE INFORMATION PHASOMANIPULATED SIGNAL BY APPROXIMATION OF PHASE DEFLECTION | |
US8023534B2 (en) | Signal processor latency measurement | |
RU186027U1 (en) | DEVICE FOR DOPPLER FREQUENCY DEFINITION DETERMINATION BY THE PHASOMANIPULATED SIGNAL INFORMATION BY THE WEIGHTED APPROXIMATION OF PHASE DEFLECTION | |
RU2183839C1 (en) | Procedure measuring frequency of sinusoidal signals and device for its realization | |
RU2363004C2 (en) | Method of measuring sine-wave signals and device to this end | |
RU2687884C1 (en) | Method for determining doppler frequency shift based on an information phase-manipulated signal based on analysis of deviation of phase difference 2 of order | |
RU2472167C1 (en) | Digital metre of signal capacity and noise capacity in radio receiver channel pass band in real time | |
RU2341808C1 (en) | Device for measurement of signal/noise ratio | |
RU2117954C1 (en) | Signal-to-noise ratio meter | |
JP2008151578A (en) | Relative position estimating system | |
RU188128U1 (en) | DEVICE FOR EVALUATING A NOISED HARMONIOUS SIGNAL FREQUENCY | |
RU2550315C1 (en) | Doppler phase meter of passive noise | |
CN117607562B (en) | Power signal noise level estimation method, device and medium based on phase calibration | |
RU2497136C1 (en) | Phase meter with heterodyne conversion of frequency | |
RU2337313C2 (en) | Method of measuring of sea wave average frequency | |
RU2463701C2 (en) | Digital method and device to determine instantaneous phase of received realisation of harmonic or quasiharmonic signal | |
RU2048683C1 (en) | Radio signal frequency and time delay measuring device | |
RU2524843C2 (en) | Method of measuring time of arrival of signal and apparatus for realising said method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20130506 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190426 |