RU2654945C1 - Digital method of measuring phase of harmonic signal - Google Patents

Digital method of measuring phase of harmonic signal Download PDF

Info

Publication number
RU2654945C1
RU2654945C1 RU2017119316A RU2017119316A RU2654945C1 RU 2654945 C1 RU2654945 C1 RU 2654945C1 RU 2017119316 A RU2017119316 A RU 2017119316A RU 2017119316 A RU2017119316 A RU 2017119316A RU 2654945 C1 RU2654945 C1 RU 2654945C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase
signal
result
value
res
Prior art date
Application number
RU2017119316A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Семенович Тутыгин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Priority to RU2017119316A priority Critical patent/RU2654945C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2654945C1 publication Critical patent/RU2654945C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R25/00Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Phase Differences (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology; physics.
SUBSTANCE: digital method for measuring phase of harmonic signal makes it possible to simplify the realization of determination of phase of a harmonic signal and to improve the accuracy of the phase determination when the original signal is noisy. Method is based on receiving the primary signal x(t) followed by analog-to-digital conversion using two analog-to-digital converters (ADCs) at two different frequencies. As a result, we get two number arrays y1[i], i=1…K and y2[i], i=1…K-d, where K and K-d are the number of samples of the first and second ADCs, respectively, in measurement interval T, d>1. We select for further processing one of these arrays, which will represent the secondary signal obtained as a result of sampling the primary signal with a frequency below the Nyquist frequency. We calculate with a fast Fourier transform the approximate integer value of the number of periods kp0 of the secondary signal. Create M*N reference signals in range of the number of periods kp2(p)=kp0-1+p*2/N, N – number of steps to search for the number of periods of the secondary signal and phase ϕ2(j)=-π/2+j*27π/M, M is the number of steps to search for the phase value of the secondary signal. We calculate the sums of squared deviations of the secondary source and reference signals for each value of p: ssd(j), j=1…M. We find the minimum values ssd(j); j=1:M, and the value of jmin corresponding to the condition ssd(jmin)=min(ssd(j)), j=1:M each value of p, calculate the current values of the phase function ϕ_result(p)=-π/2+jmin*2π/M, p=1…N. Find the values min(ϕ_result(p)), p=1:N, and the value of pmin corresponding to the condition ϕ_result (pmin)=min(ϕ_result(p)), p=1:M, calculate the total phase value ϕ_res=ϕ_result(pmin), calculate the resulting phase value ϕ_out=ϕ_res or ϕ_out=π-ϕ_res, if abs(ϕ_res)>π/2.
EFFECT: technical result in the realization of claimed method is simplification of the method implementation and an increase in the accuracy of the phase detection with noisy initial signal.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в радиолокации для определения фазы гармонического сигнала при фазовом пеленговании объекта, а также в навигационных системах, в радио- и гидролокации, в космических технологиях, в интерферометрах, в геодезии.The invention relates to the field of measurement technology and can be used in radar to determine the phase of a harmonic signal during phase direction finding of an object, as well as in navigation systems, in radio and sonar, in space technologies, in interferometers, in geodesy.

Известен «Цифровой способ и устройство определения мгновенной фазы принятой реализации гармонического или квазигармонического сигнала». [RU патент №2463701]. Принцип определения фазы сигнала основан на обработке зарегистрированного фрагмента сигналаThe well-known "Digital method and device for determining the instantaneous phase of the adopted implementation of a harmonic or quasi-harmonic signal." [RU patent No. 2463701]. The principle of determining the phase of the signal is based on the processing of the registered signal fragment

Uпр=Asin(ωt+ϕ) и сформированной квадратурной составляющейU ave = Asin (ωt + φ) and the quadrature component generated

Uкв=Asin(ωt+ϕ+π/2)=Acos(ωt+ϕ)U q = Asin (ωt + ϕ + π / 2) = Acos (ωt + ϕ)

Фаза сигнала определяется для момента времени Т0. Для этого измеряют значения сигнала и квадратурной составляющей в моменты времени Т0, T0-t и T0+t, t<T0. Далее определяют параметры Uпр-, Uпр+, вычисляют Sпр=Uпр-+Uпр+, Rпрпр--Uпр+, где Snp и Rnp - сумма и разность равноотстоящих от Т0 мгновенных значений сигнала соответственно, определяют Uкв-, Uкв+, вычисляют Sкв=Uкв-+Uкв+, Rкв=Uкв-Uкв, где Sкв и Rкв - - сумма и разность равноотстоящих от Т0 квадратурных составляющих сигнала соответственно, вычисляют отношения Sпр/Sкв и Rкв/Rпр и получают значение фазы сигнала в точке Т0:The phase of the signal is determined for time T 0 . To do this, measure the signal value and the quadrature component at times T 0 , T0-t and T 0 + t, t <T 0 . Next, determine the parameters U pr- , U pr + , calculate S pr = U pr- + U pr + , R pr = G pr- -U pr + , where Snp and Rnp are the sum and difference of the instantaneous signal values equally spaced from T 0 , respectively determine U sq- , U sq + , calculate S sq = U sq- + U sq + , R sq = U sq -U sq , where Sq and Rq - are the sum and difference of the quadrature components of the signal equally spaced from T 0 , respectively, calculate relations Spr / Sqr and Rkv / Rpr and get the phase value of the signal at point T 0 :

ωT0+ϕ=arctg(Sпр/Sкв);ωT 0 + ϕ = arctan (S pr / S q );

ωT0+ϕ=-arctg(Rкв/Rпр).ωT 0 + ϕ = -arctg (R q / R pr ).

Недостатком данного способа является то, что даже при незначительной зашумленности сигнала определение точного значения фазы невозможно.The disadvantage of this method is that even with a slight noise of the signal, the determination of the exact phase value is impossible.

При зашумленности сигнала, что характерно для систем фазового пеленгования объектов, максимальная ошибка определения фазы может достигать 100 град., т.е. фактически определение фазы (или разности фаз) этим способом невозможно.If the signal is noisy, which is typical for phase direction finding systems of objects, the maximum error in determining the phase can reach 100 deg., I.e. in fact, determining the phase (or phase difference) in this way is impossible.

Известен «Способ совместного измерения частоты, амплитуды и начальной фазы гармонического сигнала», выбранный за прототип [RU патент №2486529]. Способ включает в себя дискретизацию аналогового сигнала, представление его фрагмента тремя цифровыми значениями S1, S2, S3, сформированными в моменты времени t1, t2, t3, соответствующие трем последовательным отсчетам, и вычисление частоты, амплитуды, фазы в момент времени t2 и начальной фазы по формулам:The well-known "Method for joint measurement of frequency, amplitude and initial phase of a harmonic signal", selected for the prototype [RU patent No. 2486529]. The method includes the analog signal sampling, Introduction fragment thereof three digital values S 1, S 2, S 3, formed at the times t 1, t 2, t 3, corresponding to three successive samples, and computing the frequency, amplitude, phase, at time time t 2 and the initial phase according to the formulas:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Для реализации данного способа необходимо, чтобы упомянутые три отсчета принадлежали одному периоду сигнала. Системы же фазового пеленгования должны работать с сигналами на частотах до 40 ГГц, поэтому при использовании известного способа требуется использовать аналого-цифровой преобразователь с частотой отсчетов выше 80 ГГц, что технически очень сложно [Кольцов Ю.В. Промышленные сверхскоростные преобразователи сигналов: АЦП и ЦАП // Успехи современной радиоэлектроники. - 2016. - №1. - С. 64-77].To implement this method, it is necessary that the above three samples belong to the same signal period. Phase direction finding systems should work with signals at frequencies up to 40 GHz, therefore, when using the known method, it is required to use an analog-to-digital converter with a sampling frequency above 80 GHz, which is technically very difficult [Koltsov Yu.V. Industrial ultra-high-speed signal converters: ADC and DAC // Advances in modern radio electronics. - 2016. - No. 1. - S. 64-77].

Недостатком способа является то, что частота отсчетов сигнала при измерении должна превышать частоту Найквиста, т.е. более чем вдвое превышать частоту исходного сигнала, что приводит к сложности технической реализации способа. При зашумленности сигнала, что характерно для систем фазового пеленгования объектов, максимальная ошибка определения фазы может достигать 100 град, т.е. фактически определение фазы в системах фазового пеленгования с приемлемой точностью этим способом невозможно.The disadvantage of this method is that the sampling frequency of the signal during measurement must exceed the Nyquist frequency, i.e. more than double the frequency of the original signal, which leads to the complexity of the technical implementation of the method. If the signal is noisy, which is typical for phase direction finding systems of objects, the maximum error in determining the phase can reach 100 deg, i.e. in fact, phase determination in phase direction finding systems with acceptable accuracy by this method is impossible.

Технической проблемой является упрощение реализации способа определения фазы гармонического сигнала и повышение точности определения фазы при зашумленности исходного сигнала.The technical problem is to simplify the implementation of the method for determining the phase of a harmonic signal and to increase the accuracy of determining the phase with noisy source signal.

Для решения поставленной задачи предложен цифровой способ измерения фазы гармонического сигнала, который включает прием первичного сигнала x(t) с последующим аналого-цифровым преобразованием с помощью двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) на двух отличающихся частотах, которые могут быть меньше частоты Найквиста. Получение в результате этого двух числовых массивов y1[i], i=1…K и y2[i], i=1…K-d, где K и K-d - количество отсчетов первого и второго АЦП соответственно на интервале измерения Т, d>1. Выбираем для дальнейшей обработки один из этих массивов: y1[i], если max(y1) - min(y1)>max(y2) -min(y2), или y2[i], если max(y1) - min(y1)<max(y2) - min(y2), в результате чего будет сформирован числовой массив y[i], представляющий вторичный сигнал, полученный в результате дискретизации первичного сигнала с частотой ниже частоты Найквиста. Вычисляем с помощью быстрого преобразования Фурье приближенное целое значение количества периодов kp0 вторичного сигнала y[i]. Создаем M*N эталонных сигналов в области количества периодов kp2(р)=kp0-1+p*2/N, N - количество шагов поиска количества периодов вторичного сигнала и фазы ϕ2(j)=-π/2+j*2π/M, М - количество шагов поиска значения фазы вторичного сигнала. Вычисляем суммы квадратов отклонений ssd(j), j=1…M вторичного исходного и эталонных сигналов для каждого значения р.To solve this problem, a digital method for measuring the phase of a harmonic signal is proposed, which includes receiving the primary signal x (t) followed by analog-to-digital conversion using two analog-to-digital converters (ADCs) at two different frequencies, which can be less than the Nyquist frequency. Obtaining two numerical arrays y1 [i], i = 1 ... K and y2 [i], i = 1 ... K-d, where K and K-d are the number of samples of the first and second ADCs, respectively, on the measurement interval T, d> 1. We select one of these arrays for further processing: y1 [i] if max (y1) - min (y1)> max (y2) -min (y2), or y2 [i] if max (y1) - min (y1 ) <max (y2) - min (y2), as a result of which a numerical array y [i] will be generated, representing the secondary signal obtained by sampling the primary signal with a frequency below the Nyquist frequency. Using the fast Fourier transform, we calculate the approximate integer value of the number of periods kp0 of the secondary signal y [i]. We create M * N reference signals in the region of the number of periods kp2 (p) = kp0-1 + p * 2 / N, N is the number of search steps for the number of periods of the secondary signal and phase ϕ2 (j) = - π / 2 + j * 2π / M, M - the number of steps to search for the phase value of the secondary signal. We calculate the sum of the squared deviations ssd (j), j = 1 ... M of the secondary source and reference signals for each value of p.

Находим минимальные значения квадратов отклонений ssd(j); j=1:M, и значения jmin, соответствующего условию ssd(jmin)=min(ssd(j)), j=1:M для каждого значения р и для каждого р вычисляем текущие значения функции фазы ϕ_result(p)=-π/2+jmin*2π/M, p=1…N. Находим значения minϕ_result(p)), p=1:N, и значение pmin, соответствующее условию ϕ_result (pmin)=min(ϕ_result(p)), р=1:М. Вычисляем полное значение фазы ϕ_res=ϕ_result(pmin), и результирующее значение фазы ϕ_out=ϕ_res или ϕ_out=π-ϕ_res, если abs(ϕ_res)>π/2.We find the minimum values of the squared deviations ssd (j); j = 1: M, and the values of jmin corresponding to the condition ssd (jmin) = min (ssd (j)), j = 1: M for each value of p and for each p we calculate the current values of the phase function ϕ _ result (p) = -π / 2 + jmin * 2π / M, p = 1 ... N. We find the values minϕ_result (p)), p = 1: N, and the value pmin corresponding to the condition ϕ_result (pmin) = min (ϕ_result (p)), p = 1: M. We calculate the total value of the phase ϕ_res = ϕ_result (pmin), and the resulting value of the phase ϕ_out = ϕ_res or ϕ_out = π-ϕ_res, if abs (ϕ_res)> π / 2.

Отличительными существенными признаками предлагаемого цифрового способа является дискретизация исходного сигнала с помощью двух аналого-цифровых преобразователей на двух отличающихся частотах и цифровая обработка этих сигналов, в результате чего фаза сигнала может определяться с заданной точностью при частоте отсчетов, сделанных на частоте ниже частоты Найквиста и при зашумленности сигнала.Distinctive essential features of the proposed digital method is the sampling of the original signal using two analog-to-digital converters at two different frequencies and the digital processing of these signals, as a result of which the phase of the signal can be determined with a given accuracy at a frequency of samples made at a frequency below the Nyquist frequency and with noise signal.

Идея предлагаемого цифрового способа измерения фазы сигнала заключается в том, что фаза вторичного сигнала, полученного из исходного при дискретизации с частотой меньшей частоты Найквиста, точно равна фазе исходного сигнала или сдвинута на π, несмотря на то что частота вторичного сигнала меньше частоты исходного, что приводит к упрощению реализации способа определения фазы гармонического сигнала. При выборе области поиска значения фазы исходим из того, что в системах фазового пеленгования значение фазы находится в диапазоне [-π/2+π/2]. Благодаря предлагаемому алгоритму определение фазы производится по первому вторичному сигналу, а в случае, если количество отсчетов окажется кратным количеству периодов исходного сигнала и вторичный сигнал теряет колебательный характер и вырождается в прямую линию, что исключает возможность определения фазы, производится автоматический переход к обработке второго вторичного сигнала. Кроме того, поиск фазы вторичного сигнала производится в области [-0.5π 1.5π], чем обеспечивается получение значения фазы как в случае, когда смещения фазы на π нет, так и в случае, когда смещение есть, для учета возможного смещения фазы вторичного сигнала относительно фазы первичного сигнала истинное значение фазы сигнала вычисляется как ϕ_res=π-ϕ_res, если abs(ϕ_res)>π/2, где ϕ_res - полученное значение фазы без учета возможного смещения фазы вторичного сигнала. Погрешность определения фазы зависит от количества отсчетов сигнала kt, уровня зашумленности сигнала и от размерности М*N области поиска количества периодов вторичного сигнала и фазы и может быть сделана сколь угодно малой, что обеспечит повышение точности определения фазы предлагаемым способом при зашумленности сигнала. Таким образом, совокупность отличительных признаков необходима и достаточна для решения поставленной проблемы.The idea of the proposed digital method for measuring the phase of the signal is that the phase of the secondary signal obtained from sampling at a frequency lower than the Nyquist frequency is exactly equal to the phase of the original signal or is shifted by π, despite the fact that the frequency of the secondary signal is less than the frequency of the original, which leads to simplify the implementation of the method for determining the phase of the harmonic signal. When choosing the search area for the phase value, we proceed from the fact that in phase direction finding systems the phase value is in the range [-π / 2 + π / 2]. Thanks to the proposed algorithm, the phase is determined by the first secondary signal, and if the number of samples turns out to be a multiple of the number of periods of the original signal and the secondary signal loses its oscillatory character and degenerates into a straight line, which excludes the possibility of determining the phase, an automatic transition to processing the second secondary signal . In addition, the search for the phase of the secondary signal is performed in the region [-0.5π 1.5π], which ensures obtaining the phase value both in the case when there is no phase shift by π, and in the case when there is a bias, to take into account the possible phase shift of the secondary signal relative to the phase of the primary signal, the true value of the phase of the signal is calculated as ϕ_res = π-ϕ_res if abs (ϕ_res)> π / 2, where ϕ_res is the obtained phase value without taking into account the possible phase shift of the secondary signal. The error in determining the phase depends on the number of samples of the signal kt, the noise level of the signal, and on the dimension M * N of the search region for the number of periods of the secondary signal and phase and can be made arbitrarily small, which will provide an increase in the accuracy of determining the phase of the proposed method when the signal is noisy. Thus, a set of distinctive features is necessary and sufficient to solve the problem.

Фиг. 1 и фиг. 2 иллюстрируют эффект, возникающий при дискретизации с частотой, меньшей частоты Найквиста: исходный сигнал представлен на фиг. 1, вторичный сигнал более низкой частоты, получаемый в результате дискретизации с частотой, меньшей частоты Найквиста, приведен на фиг. 2.FIG. 1 and FIG. 2 illustrate the effect of sampling at a frequency lower than the Nyquist frequency: the original signal is shown in FIG. 1, a secondary signal of a lower frequency, obtained as a result of sampling with a frequency lower than the Nyquist frequency, is shown in FIG. 2.

Схема устройства для возможной реализации предлагаемого цифрового способа измерения фазы сигнала [фиг. 3]. Устройство включает: 1 - генератор синхронизирующих импульсов СИ1, СИ2 и СИ3, 2 - источник сигнала, 3 и 4 - аналого-цифровые преобразователи, 5 и 6 - счетчики адреса оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), 7 и 8 - ОЗУ, 9 - вычислитель. На фиг. 4 приведена временная диаграмма синхронизирующих импульсов СИ1, СИ2 и СИ3. На фиг.5 приведен типичный график функции суммы квадратов отклонений вторичного исходного и эталонных сигналов ssd(j,p), j=1:M, p=1…N.A diagram of a device for the possible implementation of the proposed digital method of measuring the phase of the signal [Fig. 3]. The device includes: 1 - a clock generator SI1, SI2 and SI3, 2 - a signal source, 3 and 4 - analog-to-digital converters, 5 and 6 - address counters of random access memory (RAM), 7 and 8 - RAM, 9 - calculator . In FIG. 4 shows the timing diagram of the clock pulses SI1, SI2 and SI3. Figure 5 shows a typical graph of the function of the sum of the squares of the deviations of the secondary source and reference signals ssd (j, p), j = 1: M, p = 1 ... N.

Пример реализации предлагаемого цифрового способа в устройстве приведен на фиг. 3.An example implementation of the proposed digital method in the device is shown in FIG. 3.

Генератор синхронизирующих импульсов 1 вырабатывает синхронизирующий импульс СИ1, который производит сброс счетчиков 5 и 6 адреса записи в ОЗУ1 и ОЗУ2. С момента формирования синхронизирующего импульса СИ1 начинается формирование синхроимпульсов СИ2 и СИ3 генератором 1, аналого-цифровое преобразование первичного гармонического входного сигнала x(t), имеющего, например, частоту 5000 МГц, при количестве периодов 1000, амплитуду, равную единице, среднюю квадратическую величину шума 0.05 и начальную фазу 0.8 радиана, с помощью аналого-цифровых преобразователей 3 и 4, при частоте дискретизации сигнала, например, 1000 МГц, количестве дискретизированных значений сигнала 200 у преобразователя 3 и частоте дискретизации сигнала 940 МГц и количестве дискретизированных значений сигнала 188 у преобразователя 4, запись результатов преобразования в оперативные запоминающие устройства 7 и 8 по адресам, задаваемым адресными счетчиками 5 и 6. При этом в ОЗУ 7 будет зафиксировано 200 дискретных отсчетов сигнала, а в ОЗУ 8-200-2=188 дискретных отсчетов сигнала. Далее вычислитель 6 производит чтение и обработку зарегистрированных и хранящихся в оперативных запоминающих устройствах 7 и 8 дискретизированных сигналов в соответствии с алгоритмом, описанным ниже. Действия обработки выполняются в следующем порядке:The clock generator 1 generates a clock pulse SI1, which resets the counters 5 and 6 of the write address in RAM1 and RAM2. From the moment the SI1 clock pulse is generated, the generation of SI2 and SI3 clock pulses by the generator 1 begins, analog-to-digital conversion of the primary harmonic input signal x (t), having, for example, a frequency of 5000 MHz, with a number of periods of 1000, an amplitude equal to unity, the mean square noise value 0.05 and an initial phase of 0.8 radians, using analog-to-digital converters 3 and 4, at a sampling frequency of the signal, for example, 1000 MHz, the number of sampled values of the signal 200 at converter 3 and the dis signal retrieval at 940 MHz and the number of sampled values of signal 188 at converter 4, recording the results of conversion to random access memory 7 and 8 at the addresses specified by address counters 5 and 6. At the same time, 200 discrete samples of the signal will be recorded in RAM 7, and in RAM 8 -200-2 = 188 discrete samples of the signal. Next, the calculator 6 reads and processes the sampled signals recorded and stored in the random access memory 7 and 8 in accordance with the algorithm described below. Processing actions are performed in the following order:

1. Производят чтение зарегистрированного в оперативных запоминающих устройствах 7 и 8 входного первичного сигнала, представленного в виде двух числовых массивов: y1[i], i=1…K, K=200 и y2[i], i=1…K-d, K=200, d=2 соответственно.1. Read the input primary signal recorded in random access memory 7 and 8, presented in the form of two numerical arrays: y1 [i], i = 1 ... K, K = 200 and y2 [i], i = 1 ... Kd, K = 200, d = 2, respectively.

2. Формируют массив y[i] по правилу: y[i]=y1[i], если max(y1)-min(y1)>max(у2)-min(y2), или y[i]=y2[i], если max(y1)-min(y1)<max(у2)-min(y2). В данном случае величина max(y1) - min(y1) будет близка к нулю, в связи с тем, что количество дискретных отсчетов 200 кратно количеству периодов 1000, а величина max(у2)-min(y2) будет приблизительно равна размаху исходного сигнала x(t). Поэтому в качестве массива вторичного сигнала y[i] будет взят y2[i]. (Если бы количество дискретных отсчетов преобразователей 3 и 4 не было кратно количеству периодов 1000, то в качестве массива вторичного сигнала мог быть взят как y1[i], так и y2[i]).2. Form the array y [i] according to the rule: y [i] = y1 [i] if max (y1) -min (y1)> max (у2) -min (y2), or y [i] = y2 [ i] if max (y1) -min (y1) <max (y2) -min (y2). In this case, the value max (y1) - min (y1) will be close to zero, due to the fact that the number of discrete samples 200 is a multiple of the number of periods 1000, and the value max (у2) -min (y2) will be approximately equal to the amplitude of the original signal x (t). Therefore, y2 [i] will be taken as an array of the secondary signal y [i]. (If the number of discrete samples of converters 3 and 4 were not a multiple of the number of periods 1000, then y1 [i] and y2 [i] could be taken as an array of the secondary signal).

3. Производят быстрое преобразование Фурье числового массива y [i] вторичного сигнала, в результате чего формируют массив частотного спектра вторичного сигнала в виде набора из K или K-d чисел (в данном случае - набора из K-d, т.е. 188).3. Fast Fourier transform of the numerical array y [i] of the secondary signal is performed, as a result of which an array of the frequency spectrum of the secondary signal is formed in the form of a set of K or K-d numbers (in this case, a set of K-d, ie 188).

4. Определяют номер элемента kp0 массива частотного спектра, которому соответствует максимальное значение. Этот номер kp0 является грубой оценкой количества периодов вторичного сигнала (в данном случае kp0=10).4. Determine the element number kp0 of the array of the frequency spectrum, which corresponds to the maximum value. This number kp0 is a rough estimate of the number of periods of the secondary signal (in this case, kp0 = 10).

5. Создают M*N эталонных гармонических сигналов с количеством периодов kp2(p)=kp0-1+p*2/N и фазой ϕ2(j)=-π/2+j*2π/M, например, М=200, N=200.5. Create M * N reference harmonic signals with the number of periods kp2 (p) = kp0-1 + p * 2 / N and phase ϕ2 (j) = - π / 2 + j * 2π / M, for example, M = 200, N = 200.

6. Вычисляют суммы квадратов отклонений ssd(j), j=1…M вторичного исходного и эталонных сигналов для каждого значения р.6. Calculate the sum of the squared deviations ssd (j), j = 1 ... M of the secondary source and reference signals for each value of p.

7. Находят минимальное значение ssd(j), j=1:M и значения jmin, соответствующего условию ssd(jmin)=min(ssd(j)), j=1:M для каждого значения р.7. Find the minimum value ssd (j), j = 1: M and the value jmin corresponding to the condition ssd (jmin) = min (ssd (j)), j = 1: M for each value of p.

8. Вычисляют текущие значения функции фазы для каждого значенияр: ϕ_result(p)=-π/2+jmin*2π/M, p=1…N.8. The current values of the phase function for each value of p are calculated: ϕ_result (p) = - π / 2 + jmin * 2π / M, p = 1 ... N.

9. Находят значения min(ϕ_result(p)), p=1:N и значения pmin, соответствующего условию ϕ_result (pmin)=min(ϕ_result (р)), p=1:N.9. Find the values min (ϕ_result (p)), p = 1: N and pmin values corresponding to the condition ϕ_result (pmin) = min (ϕ_result (p)), p = 1: N.

10. Вычисляют полное значение фазы ϕ_res=ϕ_result(pmin). В данном случае ϕ_res=0.7992. Полученные таким образом jmin и pmin соответствуют абсолютному минимуму функции ssd(j,p), график которой приведен на фиг. 5.10. The total phase value ϕ_res = ϕ_result (pmin) is calculated. In this case, ϕ_res = 0.7992. The jmin and pmin thus obtained correspond to the absolute minimum of the function ssd (j, p), the graph of which is shown in FIG. 5.

11. Вычисляют результирующее значения фазы ϕ_out=ϕ_res, если abs(ϕ_res)<π//2 или ϕ_res=π-ϕ_res, если abs(ϕ_res)>π//2. В данном случае abs(ϕ_res)<π//2, поэтому ϕ_out=ϕ_res=0.7992. Типичная погрешность определения фазы в радианах составит 0.8 - 0.7992=0.0018 рад., в градусах - 0.0456 град.11. The resulting phase value ϕ_out = ϕ_res is calculated if abs (ϕ_res) <π // 2 or ϕ_res = π-ϕ_res if abs (ϕ_res)> π // 2. In this case, abs (ϕ_res) <π // 2; therefore, ϕ_out = ϕ_res = 0.7992. A typical error in determining the phase in radians will be 0.8 - 0.7992 = 0.0018 rad., In degrees - 0.0456 degrees.

Таким образом, упрощение реализации способа определения фазы гармонического сигнала достигнуто за счет того, что дискретизация сигнала с помощью АЦП произведена с частотой 1 ГГц вместо 10 ГГц которые были бы необходимы в прототипе. Повышение точности определения фазы при зашумленности исходного сигнала подтверждается тем, что по результатам 1000 статистических испытаний максимальная погрешность определения фазы предлагаемым способом составляет 1.76 град, среднеквадратическая - 0.49 град, что значительно меньше, чем в прототипе: 100 град, и 8.5 град, соответственно.Thus, the simplification of the implementation of the method for determining the phase of the harmonic signal was achieved due to the fact that the signal was sampled using the ADC at a frequency of 1 GHz instead of 10 GHz that would be necessary in the prototype. The increase in the accuracy of phase determination with noisy source signal is confirmed by the fact that according to the results of 1000 statistical tests, the maximum error in determining the phase of the proposed method is 1.76 degrees, mean square - 0.49 degrees, which is significantly less than in the prototype: 100 degrees, and 8.5 degrees, respectively.

Claims (1)

Цифровой способ измерения фазы гармонического сигнала, включающий дискретизацию аналогового сигнала и вычисление фазы сигнала по нескольким отсчетам, отличающийся тем, что производят регистрацию сигнала с помощью двух аналого-цифровых преобразователей, работающих на двух отличающихся частотах, получая при этом числовые массивы вторичных сигналов y1[i], i=1...K и y2[i], i=1...K-d, d>1, из которых формируют массив y[i]: y[i]=y1[i], если max(y1) - min(y1) > max(y2) - min(y2), или y[i]=y2[i], если max(y1) - min(y1) < max(y2) - min(y2), производят преобразование Фурье числового массива y[i] вторичного сигнала, после чего формируют массив частотного спектра вторичного сигнала в виде набора из K или K-d чисел, определяют номер элемента kp0 массива частотного спектра, которому соответствует максимальное значение, являющийся грубой оценкой количества периодов вторичного сигнала, создают M*N эталонных гармонических сигналов с количеством периодов kp2(р)=kp0-1+p*2/N и фазой ϕ2(j)=-π/2+j*2π/М, вычисляют суммы квадратов отклонений ssd(j), j=1...M вторичного исходного и эталонного сигнала для каждого значения p, находят значения jmin, соответствующего условию ssd(jmin)=min(ssd(j)), j=1:M, для каждого значения p, вычисляют текущие значения функции фазы ϕ_result(p)=-π/2+jmin*2π/M, p=1..N, находят значения pmin, соответствующего условию ϕ_result(pmin)=min(ϕ_result(p)), p=1:N, и вычисляют полное значение фазы ϕ_res=ϕ_result(pmin), вычисляют результирующее значения фазы ϕ_out=ϕ_res, если abs(ϕ_res)<π//2 или ϕ_res=π-ϕ_res, если abs(ϕ_res)>π//2.A digital method for measuring the phase of a harmonic signal, including sampling the analog signal and calculating the phase of the signal from several samples, characterized in that the signal is recorded using two analog-to-digital converters operating at two different frequencies, while receiving numerical arrays of secondary signals y1 [i ], i = 1 ... K and y2 [i], i = 1 ... Kd, d> 1, from which the array y [i] is formed: y [i] = y1 [i] if max (y1 ) - min (y1)> max (y2) - min (y2), or y [i] = y2 [i], if max (y1) - min (y1) <max (y2) - min (y2), produce Fourier transform of a numerical array y [i] secondary with drove, after which they form an array of the frequency spectrum of the secondary signal in the form of a set of K or Kd numbers, determine the element number kp0 of the array of the frequency spectrum, which corresponds to the maximum value, which is a rough estimate of the number of periods of the secondary signal, create M * N reference harmonic signals with the number of periods kp2 (p) = kp0-1 + p * 2 / N and phase ϕ2 (j) = - π / 2 + j * 2π / M, the sum of the squared deviations ssd (j), j = 1 ... M of the secondary and a reference signal for each p, find the values jmin corresponding to the condition ssd (jmin) = min (ssd (j)), j = 1: M, for each value of p, calculate the current values of the phase function ϕ_result (p) = - π / 2 + jmin * 2π / M, p = 1..N, find the values of pmin corresponding to the condition ϕ_result (pmin) = min (ϕ_result (p)), p = 1: N, and calculate the total value of the phase ϕ_res = ϕ_result (pmin), calculate the resulting value of the phase ϕ_out = ϕ_res if abs (ϕ_res) <π // 2 or ϕ_res = π-ϕ_res if abs (ϕ_res)> π // 2.
RU2017119316A 2017-06-01 2017-06-01 Digital method of measuring phase of harmonic signal RU2654945C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119316A RU2654945C1 (en) 2017-06-01 2017-06-01 Digital method of measuring phase of harmonic signal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119316A RU2654945C1 (en) 2017-06-01 2017-06-01 Digital method of measuring phase of harmonic signal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2654945C1 true RU2654945C1 (en) 2018-05-23

Family

ID=62202564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017119316A RU2654945C1 (en) 2017-06-01 2017-06-01 Digital method of measuring phase of harmonic signal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2654945C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1679405A1 (en) * 1989-06-14 1991-09-23 Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.И.Бонч-Бруевича Signal phase digital meter
RU98117777A (en) * 1998-09-22 2000-06-27 Научно-технический центр "Атлас" PHASE DIFFERENCE METER
US6820017B1 (en) * 1999-07-19 2004-11-16 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining the amplitude and phase angle of a measuring signal corresponding to a current or voltage of an electrical power supply network
RU2388001C1 (en) * 2009-03-18 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ (ТУ)") Device for measuring phase difference of radio signals
RU2419098C2 (en) * 2009-05-19 2011-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный университет Digital method of measuring phase shift of harmonic oscillations
WO2017044011A1 (en) * 2015-09-12 2017-03-16 Андрей Викторович ШПИТАЛЬНЫЙ Harmonic signal processing method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1679405A1 (en) * 1989-06-14 1991-09-23 Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.И.Бонч-Бруевича Signal phase digital meter
RU98117777A (en) * 1998-09-22 2000-06-27 Научно-технический центр "Атлас" PHASE DIFFERENCE METER
US6820017B1 (en) * 1999-07-19 2004-11-16 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining the amplitude and phase angle of a measuring signal corresponding to a current or voltage of an electrical power supply network
RU2388001C1 (en) * 2009-03-18 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ (ТУ)") Device for measuring phase difference of radio signals
RU2419098C2 (en) * 2009-05-19 2011-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный университет Digital method of measuring phase shift of harmonic oscillations
WO2017044011A1 (en) * 2015-09-12 2017-03-16 Андрей Викторович ШПИТАЛЬНЫЙ Harmonic signal processing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7945408B2 (en) Time delay estimation
KR102309359B1 (en) Time-to-digital converter with increased range and sensitivity
RU2628566C1 (en) Method of work of radar station with high doppler characteristics
US4231005A (en) Constant false alarm rate radar system and method of operating the same
AU2015295795B2 (en) Method and apparatus for detecting a speed and a distance of at least one object with respect to a receiver of a reception signal
RU2596018C1 (en) Method for amplitude direction finding of radio signal sources
EP0373802A2 (en) Frequency measurement
RU2654945C1 (en) Digital method of measuring phase of harmonic signal
US4188628A (en) Frequency measuring circuit in a passive radar receiver
US7738598B1 (en) Detection and time-of-arrival estimation using an IFM receiver
JP5581174B2 (en) Obstacle detection device
JPWO2016076419A1 (en) Phase measuring device and equipment to which the phase measuring device is applied
RU2660752C1 (en) Method of detecting and high-speed determination of parameters of marine ice fields and a radar location system for its implementation
CN114184099A (en) Method and device for measuring fuze time delay
RU2313101C1 (en) Analyzer of density of probability of the phase of a signal
RU2152595C1 (en) Contact-free pulse-phase method of measurement of level of separation of heterogeneous liquids and of relative change of level with increased accuracy
Li et al. A robust Chinese remainder theorem with its applications in moving target Doppler estimation
JPH08122465A (en) Device of measuring time
Li et al. Robust Doppler ambiguity resolution using multiple paired pulse repetition frequencies
Kurniawan et al. Implementation of automatic I/Q imbalance correction for FMCW radar system
Emelyanov et al. Features of signals reception and processing at the Kharkiv Incoherent Scatter Radar
RU124818U1 (en) RADAR DEVICE FOR REFLECTED SIGNAL PHASE MEASUREMENT
RU2244268C2 (en) Method of measuring level of material in reservoir
RU2463701C2 (en) Digital method and device to determine instantaneous phase of received realisation of harmonic or quasiharmonic signal
CN112782451B (en) Phase analysis method, device and system based on time domain