RU2591742C1 - Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor - Google Patents
Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2591742C1 RU2591742C1 RU2015116825/28A RU2015116825A RU2591742C1 RU 2591742 C1 RU2591742 C1 RU 2591742C1 RU 2015116825/28 A RU2015116825/28 A RU 2015116825/28A RU 2015116825 A RU2015116825 A RU 2015116825A RU 2591742 C1 RU2591742 C1 RU 2591742C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- frequency
- digital
- output
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Abstract
Description
Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться в информационно-измерительных устройствах для измерения частоты гармонических (синусоидальных) сигналов прецизионных кварцевых и квантовых стандартов частоты.The claimed group of inventions relates to measuring technique and can be used in information-measuring devices for measuring the frequency of harmonic (sinusoidal) signals of precision quartz and quantum frequency standards.
Вопросы оценок частотно-временных параметров сигналов чрезвычайно важны для достижения предельно допустимых технических характеристик различных радиосистем по точности и помехоустойчивости и постоянно привлекает внимание исследователей, см., например, работы: [1] Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. / Статистическая теория измерительных радиосистем // М., Радио и связь, 1981, с. 117-121; [2] Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П. Горшкова // М., Сов. радио, 1971. с. 7-15.The issues of estimating the time-frequency parameters of signals are extremely important for achieving the maximum permissible technical characteristics of various radio systems for accuracy and noise immunity and constantly attracts the attention of researchers, see, for example, [1] Falkovich S.E., Khomyakov E.N. / Statistical theory of measuring radio systems // M., Radio and Communications, 1981, p. 117-121; [2] Equipment for frequency and time measurements / Ed. A.P. Gorshkova // M., Sov. Radio, 1971. p. 7-15.
Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов, представленных в патентах: [3] RU №2530445, G01R 23/00, 10.10.2014; [4] US 4144489, G01R 23/02, 13.03.1979; [5] RU 2503019, G01R 23/00, 27.12.2013; [6] RU 2478213, G01R 23/00, 27.03.2013, однако они не являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты на фоне шумов и принципиально не позволяют достигать точность, близкую к границам, определяемым неравенством Рао-Крамера.A number of known methods for measuring the frequency of sinusoidal signals are presented in the patents: [3] RU No. 2530445, G01R 23/00, 10/10/2014; [4] US 4,144,489, G01R 23/02, 03/13/1979; [5] RU 2503019, G01R 23/00, 12/27/2013; [6] RU 2478213, G01R 23/00, 03/27/2013, however, they are not statistically optimal from the point of view of measuring the frequency against the background of noise and fundamentally do not allow to achieve accuracy close to the boundaries determined by the Rao-Cramer inequality.
Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов, представленных в патентах: [7] RU 1352390, G01R 23/00, 15.11.1987; [8] RU 2363004, G01R 23/00, 27.07.2009; [9] RU 2183839, G01R 23/00, 20.06.2002, основанных на использовании преобразования Фурье, где за оценку частоты принимается аргумент максимума спектральной плотности мощности смеси сигнала с шумом. Данные способы измерения частоты являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов. Однако они требуют больших вычислительных затрат, связанных с осуществлением одного или нескольких преобразований Фурье, что не позволяет получать оценку частоты в масштабе времени, близком к реальному. Кроме того, при цифровой реализации эти способы приобретают дополнительную погрешность оценки частоты из-за квантования измеряемого параметра с частотой временной дискретизации сигнала.A number of known methods for measuring the frequency of sinusoidal signals are presented in the patents: [7] RU 1352390, G01R 23/00, 11/15/1987; [8] RU 2363004, G01R 23/00, 07.27.2009; [9] RU 2183839, G01R 23/00, 06/20/2002, based on the use of the Fourier transform, where the frequency estimate is taken as the argument of the maximum spectral power density of the signal mixture with noise. These methods of frequency measurement are statistically optimal from the point of view of measuring the frequency of sinusoidal signals against a background of noise. However, they 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. In addition, when digitally implemented, these methods acquire an additional error in the estimation of the frequency due to quantization of the measured parameter with the frequency of the temporal sampling of the signal.
Известны способы измерения частоты синусоидальных сигналов, представленные в патентах: [10] RU 2041469, G01R 23/00, 09.08.1995; [11] RU 2363004, G01R 23/00, 10.04.2008, основанные на получении значений текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа с последующим использованием разностно-фазовой статистики сигнала. Эти способы также являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов, достигающих при больших объемах выборки нижней границы Крамера-Рао.Known methods for measuring the frequency of sinusoidal signals presented in the patents: [10] RU 2041469, G01R 23/00, 08/09/1995; [11] RU 2363004, G01R 23/00, 04/10/2008, based on obtaining the values of the current phase of the signal as an argument of a complex number, followed by the use of phase difference statistics of the signal. These methods are also statistically optimal from the point of view of measuring the frequency of sinusoidal signals against the background of noise, reaching for the large Cramer-Rao boundary with large sample sizes.
Основным недостатком этого типа способов является присущая им погрешность измерения, возникающая из-за различия амплитуд сигналов в квадратурных каналах, которые не могут быть реализованы идеально идентичными. Для уменьшения этой погрешности при измерении частоты используют методы, основанные на формировании оценок частоты как функции отношения цифровых выборок сигнала, полученных в одном канале, см., например, патенты: [12] RU 2256928, G01R 23/00, 20.07.2005; [13] RU 2111496, G01R 23/00, 20.05.1998.The main disadvantage of this type of method is the inherent measurement error arising from the difference in the amplitudes of the signals in the quadrature channels, which cannot be realized perfectly identical. To reduce this error in frequency measurement, methods are used that are based on the formation of frequency estimates as a function of the ratio of digital signal samples obtained in one channel, see, for example, patents: [12] RU 2256928, G01R 23/00, 07.20.2005; [13] RU 2111496, G01R 23/00, 05.20.1998.
В частности, способ измерения частоты гармонического сигнала, представленный в патенте [13], включает операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в S следующих одна за другой триадах моментов времени, при этом частоту определяют в соответствии с выражением:In particular, the method for measuring the frequency of a harmonic signal, presented in the patent [13], includes the operations of analog-to-digital conversion of the signal, storing its values in S following one after another triad of time points, the frequency being determined in accordance with the expression:
Существенным недостатком этого способа является присущая ему большая погрешность оценки из-за разрывности производной функции arccos(A/B).A significant drawback of this method is its inherent large estimation error due to the discontinuity of the derivative of the arccos (A / B) function.
Для демонстрации этого утверждения оценим погрешность оценки частоты из-за ошибки ΔА в вычислении числителя дроби в аргументе функции arccos. Для этого найдем дифференциал:To demonstrate this statement, we estimate the error of the frequency estimate due to the error ΔА in the calculation of the fraction numerator in the argument of the arccos function. To do this, find the differential:
Переходя к конечным приращениям из выражения (2), найдем:Passing to finite increments from expression (2), we find:
Из выражения (3) следует, что при близких значениях числителя А и знаменателя В ошибка Δω может быть аномально большой. Кроме этого данный способ требует проверки условия , что нарушает непрерывность процесса измерения.It follows from expression (3) that for close values of the numerator A and the denominator B, the error Δω can be anomalously large. In addition, this method requires a condition check , which violates the continuity of the measurement process.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым способу и устройству являются способ и устройство для измерения частоты гармонического сигнала, представленные в работе [14] - Shang-Shian Chen, Chia-Shu Liao / Using DSP Technique to Average ADC Samples for Improving the Frequency Measurement Resolution // 19th European Frequency and Time Forum, Besancon, France, 2005 (p.p. 545-549), принятые в качестве прототипов.The closest in technical essence to the claimed method and device are the method and device for measuring the harmonic signal frequency, presented in [14] - Shang-Shian Chen, Chia-Shu Liao / Using DSP Technique to Average ADC Samples for Improving the Frequency Measurement Resolution // 19th European Frequency and Time Forum, Besancon, France, 2005 (pp 545-549), adopted as prototypes.
Способ измерения частоты гармонического сигнала, принятый в качестве прототипа, основан на статистически оптимальном алгоритме оценки фазы сигнала. При этом компоненты комплексного сигнала формируются путем последовательных во времени цифровых выборок измеряемого сигнала, что исключает погрешность измерения из-за различия амплитуд квадратурных составляющих комплексного сигнала.A method for measuring the frequency of a harmonic signal, adopted as a prototype, is based on a statistically optimal algorithm for estimating the phase of the signal. In this case, the components of the complex signal are formed by successive digital samples of the measured signal, which eliminates the measurement error due to the difference in the amplitudes of the quadrature components of the complex signal.
Способ-прототип заключается в следующем. Осуществляют аналого-цифровое преобразование измеряемого сигнала с интервалом временной дискретизации, определяемым частотой fs сигнала дискретизации, формируемого из опорного сигнала с частотой f0 в соответствии с выражением fs=4·f0, запоминают полученные в результате аналого-цифрового преобразования цифровые выборки в S следующих одна за другой тетрадах моментов времени U0(k), U1(k), U2(k), U3(k), где k=0, 1, 2, 3 … S, осуществляют преобразование этих цифровых выборок тетрад в значения фазы ϕ(k) измеряемого сигнала в соответствии с выражениемThe prototype method is as follows. An analog-to-digital conversion of the measured signal is performed with a time sampling interval determined by the frequency f s of the sampling signal generated from the reference signal with a frequency f 0 in accordance with the expression f s = 4 · f 0 , the digital samples obtained as a result of the analog-to-digital conversion are stored in S following one after another notebooks of time instants U 0 (k), U 1 (k), U 2 (k), U 3 (k), where k = 0, 1, 2, 3 ... S, these digital samples are converted tetrad in the phase value ϕ (k) of the measured signal in accordance with the expression
после чего осуществляют преобразование выборок ϕ(k) фазы в значения искомой разности частот y(k) опорного и измеряемого сигналов в соответствии с выражениемafter which the samples ϕ (k) of the phase are converted into the values of the desired frequency difference y (k) of the reference and measured signals in accordance with the expression
где N=Tm·fs,where N = T m · f s ,
Tm - время измерения, равное N периодам сигнала дискретизации.T m is the measurement time equal to N periods of the sampling signal.
Устройство для измерения частоты гармонического сигнала, принятое в качестве прототипа, реализующее способ-прототип, содержит последовательно соединенные генератор измеряемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и процессор цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной вычислительной машиной. Вход синхронизации аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом синтезатора частоты сигнала квантования, вход которого соединен с выходом генератора опорного сигнала.A device for measuring the frequency of a harmonic signal, adopted as a prototype, which implements the prototype method, comprises serially connected a measured signal generator, an analog-to-digital converter, random access memory and a digital signal processing processor connected to a data exchange bus with a personal computer. The synchronization input of the analog-to-digital converter is connected to the output of the frequency synthesizer of the quantization signal, the input of which is connected to the output of the reference signal generator.
В процессе осуществления способа-прототипа генератор измеряемого сигнала формирует на своем выходе гармонический (синусоидальный) сигнал, который поступает на сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя. На вход синхронизации аналого-цифрового преобразователя поступает сигнал дискретизации (квантующие импульсы).In the process of implementing the prototype method, the measured signal generator generates a harmonic (sinusoidal) signal at its output, which is fed to the signal input of an analog-to-digital converter. The synchronization input of the analog-to-digital converter receives a sampling signal (quantizing pulses).
Квантующие импульсы формируются с помощью синтезатора частоты сигнала квантования, который осуществляет операцию умножения «на четыре» частоты f0 опорного сигнала, поступающего с выхода генератора опорного сигнала на сигнальный вход синтезатора частоты сигнала квантования.Quantizing pulses are generated using the frequency synthesizer of the quantization signal, which performs the operation of multiplying by four the frequency f 0 of the reference signal from the output of the reference signal generator to the signal input of the frequency synthesizer of the quantization signal.
Аналого-цифровой преобразователь осуществляет аналого-цифровое преобразование измеряемого сигнала с интервалом временной дискретизации, определяемой сигналом дискретизации, то есть . Этим обеспечивается фазовый сдвиг между смежными выборками измеряемого сигнала, равный .An analog-to-digital converter performs analog-to-digital conversion of the measured signal with a time sampling interval determined by the sampling signal, i.e. . This ensures a phase shift between adjacent samples of the measured signal, equal to .
Цифровые выборки измеряемого сигнала, формируемые с помощью аналого-цифрового преобразователя с интервалом временной дискретизации ts, запоминаются в оперативном запоминающем устройстве в S следующих одна за другой тетрадах моментов времени U0(k), U1(k), U2(k), U3(k), где k=0, 1, 2, 3 … S.Digital samples of the measured signal generated using an analog-to-digital converter with a time interval t s are stored in random-access memory in S following one after another tetrads of time instants U 0 (k), U 1 (k), U 2 (k) , U 3 (k), where k = 0, 1, 2, 3 ... S.
Процессор цифровой обработки сигналов осуществляет считывание цифровых кодов из оперативного запоминающего устройства, вычисляет значения фазы ϕ(k) и отстройки y(k+1) частоты измеряемого сигнала в соответствии с выражениями (4) и (5) соответственно и выдает значения ϕ(k) и y(k+1) в персональную вычислительную машину для индикации результатов и статистической обработки единичных измерений.The digital signal processing processor reads digital codes from the random access memory, calculates the phase ϕ (k) and the offset y (k + 1) of the frequency of the measured signal in accordance with expressions (4) and (5), respectively, and outputs the values of ϕ (k) and y (k + 1) to a personal computer for displaying the results and statistical processing of individual measurements.
Недостатками способа-прототипа и устройства-прототипа являются относительно низкая точность и существенно ограниченный диапазон частот сличаемых сигналов из-за наличия операции умножения частоты «на четыре» при формировании сигнала временной дискретизации измеряемого сигнала.The disadvantages of the prototype method and the prototype device are the relatively low accuracy and significantly limited frequency range of the compared signals due to the presence of the operation of multiplying the frequency by “four” when generating a signal of temporary sampling of the measured signal.
Сказанное можно проиллюстрировать следующим образом. Запишем выражение сигнала, отклонение частоты у которого необходимо измерить, в виде:The foregoing can be illustrated as follows. We write the expression of the signal, the frequency deviation of which must be measured, in the form:
где А и φ0 - амплитуда и начальная фаза, которая без нарушения общности может быть принята равной 0, то есть φ0=0.where A and φ 0 are the amplitude and the initial phase, which, without loss of generality, can be taken equal to 0, that is, φ 0 = 0.
Согласно способу-прототипу выборки измеряемого сигнала формируются в моменты времени:According to the prototype method, samples of the measured signal are formed at time instants:
где n=0, 1, 3, ….where n = 0, 1, 3, ....
В измерительном процессе участвуют тетрады (четверки) выборок, разделенные интервалами T=N·ts (см. фиг. 1). Выражение для k-ой тетрады выборок, где k=0, 1, 2, 3 …, запишется в виде:The measurement process involves tetrads (fours) of the samples, separated by the intervals T = N · t s (see Fig. 1). The expression for the k-th notebook of samples, where k = 0, 1, 2, 3 ..., is written in the form:
где i - номер выборки в тетраде, принимающий значения i=0, 1, 2 и 3 (см. фиг. 1).where i is the sample number in the notebook taking the values i = 0, 1, 2, and 3 (see Fig. 1).
Операция умножения частоты вносит паразитные флуктуации фазы сигнала дискретизации (джиттер), спектральная плотность мощности которых пропорциональна квадрату коэффициента умножения, то есть шестнадцати. Поэтому интервал дискретизации измеряемого сигнала будет равен , где Δi(k) - ошибка временной дискретизации.The frequency multiplication operation introduces parasitic fluctuations in the phase of the sampling signal (jitter), the power spectral density of which is proportional to the square of the multiplication coefficient, that is, sixteen. Therefore, the sampling interval of the measured signal will be equal to where Δ i (k) is the time sampling error.
Следовательно, выражение (8) перепишется в виде:Therefore, expression (8) can be rewritten in the form:
Выражение (9) с учетом можно переписать:Expression (9) taking into account can be rewritten:
В последнем выражении первое слагаемое под знаком sin может быть опущено, так как N·k кратно четырем. Третье слагаемое с учетом N·k≥≥i можно переписать как . При сличении высокоточных прецизионных сигналов справедливо f0≥≥y и время корреляции флуктуации Δi(k) превышает 4ts. С учетом сказанного можно записать:In the last expression, the first term under the sign of sin can be omitted, since N · k is a multiple of four. The third term, taking into account N · k≥≥i, can be rewritten as . When comparing high-precision precision signals, f 0 ≥≥y is valid and the fluctuation correlation time Δ i (k) exceeds 4t s . With that said, you can write:
или, обозначив 2π·f0·Nk·Δ(k)=φ(k):or, denoting 2π · f 0 · Nk · Δ (k) = φ (k):
Из выражения (10) можно получить выражения для разностей:From expression (10), we can obtain expressions for the differences:
Теперь из выражения (4) можно получить значение фазы как аргумента комплексного сигнала:Now, from the expression (4), we can obtain the phase value as an argument of the complex signal:
На основе выражения (11) получим разность смежных фаз:Based on the expression (11) we obtain the difference of adjacent phases:
Из выражения (12) получим выражение для измеряемого параметра y:From expression (12) we obtain the expression for the measured parameter y:
где Where
ошибка оценки разности частот сличаемых сигналов из-за флуктуаций фазы, вносимых операцией умножения частоты.error in estimating the frequency difference of the compared signals due to phase fluctuations introduced by the frequency multiplication operation.
Наличие этой ошибки ограничивает точность способа-прототипа и реализующего его устройства-прототипа и делает невозможной сличение сигналов одинаковой стабильности частоты.The presence of this error limits the accuracy of the prototype method and the prototype device that implements it and makes it impossible to compare signals with the same frequency stability.
Другим недостатком способа-прототипа и устройства-прототипа является существенное ограничение диапазона частот сличаемых сигналов. Действительно, пусть fmax - максимальная рабочая частота операций аналого-цифрового преобразования и запоминания цифровых выборок. Тогда диапазон частот сличаемых сигналов ограничен сверху следующим соотношением:Another disadvantage of the prototype method and the prototype device is a significant limitation of the frequency range of the compared signals. Indeed, let f max be the maximum operating frequency of the operations of analog-to-digital conversion and storing of digital samples. Then the frequency range of the compared signals is limited from above by the following relation:
Техническим результатом, на достижение которого направлены заявляемые изобретения, является повышение точности измерения частоты гармонических (синусоидальных) сигналов за счет компенсации фазовой ошибки, вносимой операцией синтеза сигнала дискретизации, при расширении диапазона частот сличаемых сигналов.The technical result to which the claimed inventions are aimed is to increase the accuracy of measuring the frequency of harmonic (sinusoidal) signals by compensating for the phase error introduced by the synthesis operation of the sampling signal while expanding the frequency range of the compared signals.
Сущность заявляемого способа измерения частоты гармонического сигнала заключается в следующем. Осуществляют аналого-цифровое преобразование измеряемого сигнала с интервалом временной дискретизации, определяемой частотой fs сигнала дискретизации, формируемого из опорного сигнала с частотой f0, запоминают полученные в результате этого аналого-цифрового преобразования цифровые выборки в S следующих одна за другой тетрадах моментов времени U0(k), U1(k), U2(k), U3(k), где k=0, 1, 2, 3 … S, осуществляют преобразование этих цифровых выборок тетрад в значения фазы ϕ(k) измеряемого сигнала в соответствии с выражением и определяют искомую разность частот y(k) опорного и измеряемого сигналов. В отличие от прототипа, дополнительно осуществляют аналого-цифровое преобразование опорного сигнала с интервалом временной дискретизации, определяемой указанной частотой fs сигнала дискретизации, формируемой в соответствии с выражением , где в зависимости от диапазона частот сличаемых сигналов, запоминают полученные в результате этого аналого-цифрового преобразования цифровые выборки в S следующих одна за другой тетрадах моментов времени , где k=0, 1, 2, … S, преобразуют эти цифровые выборки тетрад в значения фазы ϕ0(k) опорного сигнала в соответствии с выражением , а искомую разность частот y(k) опорного и измеряемого сигналов определяют в соответствии с выражением , где N=Tm·fs; Tm - временной интервал между смежными тетрадами выборок измеряемого и опорного сигналов.The essence of the proposed method for measuring the frequency of a harmonic signal is as follows. An analog-to-digital conversion of the measured signal is carried out with a time sampling interval determined by the frequency f s of the sampling signal generated from the reference signal with a frequency f 0 , and the digital samples obtained as a result of this analog-to-digital conversion are recorded in S times one after the other tetrads of time U 0 (k), U 1 (k), U 2 (k), U 3 (k), where k = 0, 1, 2, 3 ... S, convert these digital samples of notebooks into phase values ϕ (k) of the measured signal according to the expression and determine the desired frequency difference y (k) of the reference and measured signals. In contrast to the prototype, additionally carry out analog-to-digital conversion of the reference signal with an interval of time sampling, determined by the specified frequency f s of the sampling signal generated in accordance with the expression where depending on the frequency range of the signals being compared, they memorize the digital samples obtained as a result of this analog-to-digital conversion in S subsequent one after another tetrads of time instants , where k = 0, 1, 2, ... S, convert these digital samples of tetrads into phase values ϕ 0 (k) of the reference signal in accordance with the expression , and the desired frequency difference y (k) of the reference and measured signals is determined in accordance with the expression where N = T m · f s ; T m - the time interval between adjacent tetrads of samples of the measured and reference signals.
Сущность заявляемого устройства для измерения частоты гармонического сигнала заключается в следующем. Устройство содержит последовательно соединенные генератор измеряемого сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь, первое оперативное запоминающее устройство и процессор цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной вычислительной машиной, при этом вход синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом синтезатора частоты сигнала квантования, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора опорного сигнала. В отличие от прототипа, устройство содержит второе оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с вторым входом процессора цифровой обработки, и второй аналого-цифровой преобразователь, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора опорного сигнала, вход синхронизации соединен с выходом синтезатора частоты сигнала квантования, а выход соединен с входом второго оперативного запоминающего устройства, при этом управляющий выход процессора цифровой обработки сигналов соединен с входом управления синтезатора частоты сигнала квантования.The essence of the claimed device for measuring the frequency of the harmonic signal is as follows. The device contains a series-connected generator of the measured signal, the first analog-to-digital converter, the first random access memory and a digital signal processor connected to the data bus with a personal computer, while the synchronization input of the first analog-to-digital converter is connected to the output of the frequency synthesizer of the quantization signal, the signal input of which is connected to the output of the reference signal generator. Unlike the prototype, the device contains a second random access memory, the output of which is connected to the second input of the digital processing processor, and a second analog-to-digital converter, the signal input of which is connected to the output of the reference signal generator, the synchronization input is connected to the output of the synthesizer of the quantization signal frequency, and the output is connected to the input of the second random access memory, while the control output of the digital signal processor is connected to the control input of the synthesizer simplicity quantization signal.
Сущность заявляемых способа и устройства поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1 и 2, где:The essence of the claimed method and device is illustrated by the illustrative materials presented in FIG. 1 and 2, where:
на фиг. 1 представлено в схематическом виде положение квантующих импульсов относительно измеряемого гармонического сигнала;in FIG. 1 shows in schematic form the position of the quantizing pulses relative to the measured harmonic signal;
на фиг. 2 - структурная схема устройства для измерения частоты гармонического сигнала, с помощью которого осуществляется заявляемый способ измерения частоты гармонического сигнала.in FIG. 2 is a structural diagram of a device for measuring the frequency of a harmonic signal, with the help of which the inventive method for measuring the frequency of a harmonic signal is carried out.
Заявляемое устройство для измерения частоты гармонического сигнала, реализующее заявляемый способ измерения частоты гармонического сигнала, содержит, см. фиг. 2, последовательно соединенные генератор 1 измеряемого сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь 2, первое оперативное запоминающее устройство 3 и процессор 4 цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной вычислительной машиной 5. Вход синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя 2 соединен с выходом синтезатора 6 частоты сигнала квантования, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора 7 опорного сигнала. Устройство также содержит второе оперативное запоминающее устройство 8, выход которого соединен с вторым входом процессора 4 цифровой обработки, и второй аналого-цифровой преобразователь 9, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора 7 опорного сигнала, вход синхронизации соединен с выходом синтезатора 6 частоты сигнала квантования, а выход соединен с входом второго оперативного запоминающего устройства 8, при этом управляющий выход процессора 4 цифровой обработки сигналов соединен с входом управления синтезатора 6 частоты сигнала квантования.The inventive device for measuring the frequency of a harmonic signal that implements the inventive method for measuring the frequency of a harmonic signal contains, see FIG. 2, the measured
Работа заявляемого устройства для измерения частоты гармонического сигнала, иллюстрирующая осуществимость заявляемого способа измерения частоты гармонического сигнала, происходит следующим образом.The operation of the claimed device for measuring the frequency of a harmonic signal, illustrating the feasibility of the proposed method for measuring the frequency of a harmonic signal, is as follows.
Генератор 1 измеряемого сигнала формирует на своем выходе гармонический сигнал, который поступает на сигнальный вход первого аналого-цифрового преобразователя 2.The
Генератор 7 опорного сигнала формирует на своем выходе гармонический сигнал с частотой f0, который поступает на сигнальный вход второго аналого-цифрового преобразователя 9, а также на сигнальный вход синтезатора 6 частоты сигнала дискретизации, на вход управления которого поступает сигнал с управляющего выхода процессора 4 цифровой обработки сигналов.The
Синтезатор 6 частоты сигнала дискретизации формирует сигнал дискретизации, представляющий собой квантующие импульсы, следующие с частотой fs:
где в зависимости от диапазона частот сличаемых сигналов.Where depending on the frequency range of the compared signals.
Значение выбранного индекса j через персональную вычислительную машину 5 вводится в процессор 4 цифровой обработки сигналов, который управляет коэффициентом синтеза синтезатора 6 частоты сигнала дискретизации в соответствии с выражением (16).The value of the selected index j is input through a
С выхода синтезатора 6 частоты сигнала дискретизации квантующие импульсы поступают на входы синхронизации первого 2 и второго 9 аналого-цифровых преобразователей, обеспечивая одновременность формирование цифровых выборок измеряемого и опорного сигналов с частотой дискретизации fs.From the output of the
Цифровые выборки измеряемого сигнала, формируемые с помощью первого аналого-цифрового преобразователя 2 с интервалом временной дискретизации ts, запоминаются в первом оперативном запоминающем устройстве 3 в S следующих одна за другой тетрадах моментов времени U0(k), U1(k), U2(k), U3(k), где k=0, 1, 2, 3 … S.Digital samples of the measured signal generated using the first analog-to-
Цифровые выборки опорного сигнала, формируемые с помощью второго аналого-цифрового преобразователя 9 с тем же интервалом временной дискретизации ts, запоминаются во втором оперативном запоминающем устройстве 8 в S следующих одна за другой тетрадах моментов времени , где k=0, 1, 2, … S.Digital samples of the reference signal generated using the second analog-to-
При этом синтез частоты дискретизации в соответствии с выражением (16) обеспечивает ортогональность смежных цифровых выборок измеряемого и опорного сигналов, запоминаемых в первом оперативном запоминающем устройстве 3 и втором оперативном запоминающем устройстве 8 соответственно.Moreover, the synthesis of the sampling frequency in accordance with expression (16) ensures the orthogonality of adjacent digital samples of the measured and reference signals stored in the first
С выходов оперативных запоминающих устройств 3 и 8 цифровые выборки измеряемого и опорного сигналов поступают на соответствующие входы процессора 4 цифровой обработки сигналов.From the outputs of random
Процессор 4 цифровой обработки сигналов считывает цифровые коды выборок измеряемого и опорного сигналов из первого оперативного запоминающего устройства 3 и второго оперативного запоминающего устройства 8 соответственно, осуществляет разбиение их на тетрады U0(k), U1(k), U2(k), U3(k) и , вычисляет фазы ϕ(k), ϕ0(k) и отклонение частоты y(k) измеряемого сигнала в соответствии с выражениями:The digital
где N=Tm·fs,where N = T m · f s ,
Tm - временной интервал между смежными тетрадами выборок измеряемого и опорного сигналов.T m - the time interval between adjacent tetrads of samples of the measured and reference signals.
Вычисленные значения фаз ϕ(k), ϕ0(k) и отклонения частоты y(k) измеряемого сигнала выдаются в персональную вычислительную машину 5 для индикации результатов и статистической обработки единичных измерений.The calculated phase values φ (k), φ 0 (k) and the frequency deviation y (k) of the measured signal are issued in a
При этом в отличие от прототипа повышается точность измерения частоты гармонического сигнала за счет компенсации фазовой ошибки, вносимой операцией синтеза сигнала дискретизации, а также обеспечивается расширение диапазона частот сличаемых сигналов.At the same time, in contrast to the prototype, the accuracy of measuring the frequency of the harmonic signal is improved by compensating for the phase error introduced by the synthesis operation of the sampling signal, and it also provides an extension of the frequency range of the compared signals.
Для иллюстрации достижения указанного технического результата запишем выражения для k-ых тетрад выборок U0(k), U1(k), U2(k), U3(k) измеряемого и опорного сигналов:To illustrate the achievement of the indicated technical result, we write the expressions for the kth tetrads of samples U 0 (k), U 1 (k), U 2 (k), U 3 (k) of the measured and reference signals:
где i - номер выборки в тетраде, принимающий значения i=0, 1, 2 и 3 (Фиг. 1);where i is the sample number in the notebook, taking values i = 0, 1, 2, and 3 (Fig. 1);
Δi(k) - ошибка временной дискретизации;Δ i (k) is the time sampling error;
y - отклонение частоты, которое необходимо измерить.y is the frequency deviation to be measured.
Согласно предлагаемому способу имеем:According to the proposed method, we have:
где .Where .
Такой выбор интервала временной дискретизации обеспечивает ортогональность смежных выборок (фазовый сдвиг между соседними выборками равный ), то есть формирование квадратурных выборок комплексного сигнала последовательно во времени, что, в отличие от формирования параллельных квадратурных каналов, позволяет исключить ошибку из-за неидентичности амплитуд квадратурных сигналов.Such a choice of the time sampling interval ensures the orthogonality of adjacent samples (the phase shift between adjacent samples is equal to ), that is, the formation of quadrature samples of the complex signal sequentially in time, which, in contrast to the formation of parallel quadrature channels, eliminates the error due to the non-identical amplitudes of the quadrature signals.
В самом деле, подставляя выражение (19) в выражения (17) и (18), получим:In fact, substituting expression (19) into expressions (17) and (18), we obtain:
В выражениях (20) и (21), как и в случае прототипа, опущены слагаемые под знаком sin, равные целому числу 2π, и учтено, что f0≥≥y, N·k≥≥i.In expressions (20) and (21), as in the case of the prototype, the terms under the sign of sin, equal to the integer 2π, are omitted, and it is taken into account that f 0 ≥≥y, N · k≥≥i.
Обозначим 2π·f0·Nk·Δi(k)=φi(k)≈φ(k) и заметим, что первые слагаемые под знаками sin π·i·j в выражениях (20) и (21) могут быть опущены. В самом деле, при четном произведении i*j - π·i·j равно целому числу 2π, а нечетное i*j меняет знак Ui(k) или , но, поскольку при формировании фазовых выборок используются отношения разностей этих величин, сдвинутых по фазе на π, а интервал времени Tm кратен целому числу периодов измеряемого сигнала (Фиг. 1), знак не имеет значения. Таким образом, окончательно имеем:We denote 2π · f 0 · Nk · Δ i (k) = φ i (k) ≈φ (k) and note that the first terms under the signs sin π · i · j in expressions (20) and (21) can be omitted . In fact, in the even product i * j - π · i · j is equal to the integer 2π, and the odd i * j changes the sign of U i (k) or but, since when forming phase samples, the relations of the differences of these quantities are used, shifted in phase by π, and the time interval T m is a multiple of an integer number of periods of the measured signal (Fig. 1), the sign does not matter. Thus, we finally have:
В соответствии с предлагаемым способом выборки фаз измеряемого и опорного сигналов формируются соответственно:In accordance with the proposed method, the phases of the measured and reference signals are sampled accordingly:
Найдем смежные разности фаз измеряемого сигнала в виде:Find the adjacent phase differences of the measured signal in the form:
откуда получим выражение измеряемой разности частотwhere we get the expression of the measured frequency difference
Сравнение выражений (26) и (13) показывает, что аналого-цифровое преобразование и запоминание выборок опорного сигнала в совпадающие моменты времени с аналого-цифровым преобразованием и запоминанием выборок измеряемого сигнала позволяет компенсировать погрешность измерения из-за флуктуаций фазы операции синтеза сигнала дискретизации, то есть повысить точность измерения и снизить требования к синтезатору частоты дискретизации.A comparison of expressions (26) and (13) shows that the analog-to-digital conversion and storing of the samples of the reference signal at coinciding times with the analog-to-digital conversion and storing of the samples of the measured signal makes it possible to compensate for the measurement error due to fluctuations in the phase of the sampling signal synthesis operation, then there is to increase the measurement accuracy and reduce the requirements for a sampling frequency synthesizer.
Достижение эффекта расширения диапазона частот сличаемых сигналов рассмотрим на примере.Achieving the effect of expanding the frequency range of the compared signals will be considered as an example.
Пусть максимальная рабочая частота аппаратных средств, реализующих способ-прототип и заявляемый способ, равна 20 МГц. При сличении сигналов с номинальной частотой 5 МГц, как это сделано в примере реализации способа-прототипа, частота сигнала дискретизации fs=20 МГц. Точно такая же частота сигнала дискретизации может быть выбрана для заявляемого способа при .Let the maximum operating frequency of hardware that implements the prototype method and the inventive method is equal to 20 MHz. When comparing signals with a nominal frequency of 5 MHz, as is done in the example implementation of the prototype method, the frequency of the sampling signal f s = 20 MHz. Exactly the same frequency of the sampling signal can be selected for the proposed method with .
Пусть требуется провести измерения разности частот с номинальными значениями 100 МГц. Для способа-прототипа fs=400 МГц ≥≥ 20 МГц, что делает прототип неработоспособным при заданных реализующих аппаратных средствах. Заявляемый же способ остается работоспособным для измерения частот с таким номиналом, так как, приняв j=2, получим fs=16 МГц ≤ 20 МГц.Suppose you want to measure the frequency difference with a nominal value of 100 MHz. For the prototype method f s = 400 MHz ≥≥ 20 MHz, which makes the prototype inoperative for given implements hardware. The inventive method remains operable for measuring frequencies with such a nominal value, since, having taken j = 2, we obtain f s = 16 MHz ≤ 20 MHz.
Рассмотренное показывает, что заявляемая группа изобретений осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении точности измерения частоты гармонического сигнала при расширении диапазона частот сличаемых сигналов.The above shows that the claimed group of inventions is feasible and ensures the achievement of the technical result, which consists in increasing the accuracy of measuring the frequency of the harmonic signal while expanding the frequency range of the compared signals.
Источники информацииInformation sources
1. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. / Статистическая теория измерительных радиосистем // М., Радио и связь, 1981.1. Falkovich S.E., Khomyakov E.N. / Statistical theory of measuring radio systems // M., Radio and communications, 1981.
2. Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П. Горшкова // М., Сов. радио, 1971.2. Equipment for frequency and time measurements / Ed. A.P. Gorshkova // M., Sov. Radio, 1971.
3. RU 2530445, G01R 23/00, опубл. 10.10.2014.3. RU 2530445, G01R 23/00, publ. 10/10/2014.
4. US 4144489, G01R 23/02 опубл. 13.03.1979.4. US 4144489, G01R 23/02 publ. 03/13/1979.
5. RU 2503019, G01R 23/00, опубл. 27.12.2013.5. RU 2503019, G01R 23/00, publ. 12/27/2013.
6. RU 2478213, G01R 23/00, опубл. 27.03.2013.6. RU 2478213, G01R 23/00, publ. 03/27/2013.
7. RU 1352390, G01R 23/00, опубл. 15.11.1987.7. RU 1352390, G01R 23/00, publ. 11/15/1987.
8. RU 2363004, G01R 23/00, опубл. 27.07.2009.8. RU 2363004, G01R 23/00, publ. 07/27/2009.
9. RU 2183839, G01R 23/00, опубл. 20.06.2002.9. RU 2183839, G01R 23/00, publ. 06/20/2002.
10. RU 2041469, G01R 23/00, 09.08.1995.10. RU 2041469, G01R 23/00, 09/09/1995.
11. RU 2363004, G01R 23/00, опубл. 10.04.2008.11. RU 2363004, G01R 23/00, publ. 04/10/2008.
12. RU 2256928, G01R 23/00, опубл. 20.07.2005.12. RU 2256928, G01R 23/00, publ. 07/20/2005.
13. RU 2111496, G01R 23/00, опубл. 20.05.1998.13. RU 2111496, G01R 23/00, publ. 05/20/1998.
14. Shang-Shian Chen, Chia-Shu Liao / Using DSP Technique to Average ADC Samples for Improving the Frequency Measurement Resolution // 19th European Frequency and Time Forum, Besancon, France, 2005 (p.p. 545-549).14. Shang-Shian Chen, Chia-Shu Liao / Using DSP Technique to Average ADC Samples for Improving the Frequency Measurement Resolution // 19th European Frequency and Time Forum, Besancon, France, 2005 (p. 545-549).
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015116825/28A RU2591742C1 (en) | 2015-04-30 | 2015-04-30 | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015116825/28A RU2591742C1 (en) | 2015-04-30 | 2015-04-30 | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2591742C1 true RU2591742C1 (en) | 2016-07-20 |
Family
ID=56412670
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015116825/28A RU2591742C1 (en) | 2015-04-30 | 2015-04-30 | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2591742C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4144489A (en) * | 1974-09-23 | 1979-03-13 | Texas Instruments Incorporated | Simplified frequency to digital converter using all digital electronics |
RU2111496C1 (en) * | 1992-09-18 | 1998-05-20 | Дадочкин Сергей Васильевич | Method measuring frequency of harmonic oscillations |
RU2256928C2 (en) * | 2003-07-21 | 2005-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Method for measuring non-stability of frequency and device for realization of said method |
RU2530445C1 (en) * | 2013-03-20 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Method of frequency measurement |
-
2015
- 2015-04-30 RU RU2015116825/28A patent/RU2591742C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4144489A (en) * | 1974-09-23 | 1979-03-13 | Texas Instruments Incorporated | Simplified frequency to digital converter using all digital electronics |
RU2111496C1 (en) * | 1992-09-18 | 1998-05-20 | Дадочкин Сергей Васильевич | Method measuring frequency of harmonic oscillations |
RU2256928C2 (en) * | 2003-07-21 | 2005-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Method for measuring non-stability of frequency and device for realization of said method |
RU2530445C1 (en) * | 2013-03-20 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Method of frequency measurement |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
---|---|---|
Lackey et al. | Effective-one-body waveforms for binary neutron stars using surrogate models | |
CN108710026B (en) | Frequency stability measuring method and system based on high-precision phase frequency analysis | |
CN104251932B (en) | Method and system for measuring sinusoidal voltage signals | |
Belega et al. | A high-performance procedure for effective number of bits estimation in analog-to-digital converters | |
Pjevalica et al. | Further generalization of the low-frequency true-RMS instrument | |
TWI339015B (en) | Undersampling of a repetitive signal for measuring transition times to reconstruct an analog waveform | |
Sudani et al. | A novel robust and accurate spectral testing method for non-coherent sampling | |
CN105182069A (en) | High resolution group quantization phase processing method under pilot frequency architecture | |
Wagdy | Effect of ADC quantization errors on some periodic signal measurements | |
RU2591742C1 (en) | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor | |
CN108918961A (en) | A kind of fast frequency measuring method for frequency time-varying sinusoidal signal | |
Du et al. | High-resolution frequency measurement method with a wide-frequency range based on a quantized phase step law | |
Blair | Selecting test frequencies for sinewave tests of ADCs | |
Belega et al. | Statistical performance of the effective-number-of-bit estimators provided by the sine-fitting algorithms | |
Kobayashi et al. | Fine Time Resolution TDC Architectures-Integral and Delta-Sigma Types | |
Baoqiang et al. | Ultra-resolution phase comparison method combining phase synchronous detection and common frequency source | |
Zaworski et al. | Quantization error in time-to-digital converters | |
Vujičić et al. | Concept of stochastic measurements in the Fourier domain | |
Sienkowski et al. | Simple, fast and accurate four-point estimators of sinusoidal signal frequency | |
JP2003157142A (en) | Phase digitizer | |
Sudani et al. | A 2-FFT method for on-chip spectral testing without requiring coherency | |
Kwiatkowski et al. | Hardware Computational Module for Frequency Ω-Counter | |
Sudani et al. | High resolution ADC spectral test with known impure source and non-coherent sampling | |
RU2703614C1 (en) | Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal | |
Wu et al. | A faster method for accurate spectral testing without requiring coherent sampling |