RU2758342C1 - Спектральный способ измерения девиации частоты - Google Patents
Спектральный способ измерения девиации частоты Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758342C1 RU2758342C1 RU2020139953A RU2020139953A RU2758342C1 RU 2758342 C1 RU2758342 C1 RU 2758342C1 RU 2020139953 A RU2020139953 A RU 2020139953A RU 2020139953 A RU2020139953 A RU 2020139953A RU 2758342 C1 RU2758342 C1 RU 2758342C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- square
- frequency deviation
- weighted average
- spectrum
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
- G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis
- G01R23/18—Spectrum analysis; Fourier analysis with provision for recording frequency spectrum
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/06—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерения параметров радиосигналов и может быть использовано в системах радиоконтроля за использованием радиочастотного спектра. Спектральный способ измерения девиации частоты основан на преобразовании частотно-модулированного сигнала в спектр мощности. Спектр мощности фильтруют, исключая спектральные составляющие по уровню менее заданного порога, затем оценивают средневзвешенное пропорционально составляющим отфильтрованного спектра значение их частоты и квадрата частоты, а девиацию частоты определяют как корень квадратный из удвоенной разности средневзвешенного значения квадрата частоты и квадрата средневзвешенного значения частоты. Техническим результатом при реализации заявленного способа является измерение произвольных значений девиации частоты, повышение скорости и снижение трудоёмкости измерений. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области измерения параметров радиосигналов и может быть использовано в системах радиоконтроля за использованием радиочастотного спектра.
Известен способ измерения девиации частоты методом детектирования, в соответствии с которым частотно-модулированное колебание преобразуют с несущей на промежуточную частоту, детектируют и измеряют пиковое значение (амплитуду) продетектированного сигнала, прямо пропорциональное девиации частоты. [1. Измерения в технике связи/ Под ред. М.А. Ракк. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». 2008, с.492-495].
Данному способу присущи ошибки измерений, обусловленные нелинейностью частотных детекторов. Погрешности увеличиваются пропорционально индексу модуляции и девиации частоты.
Известен способ измерения девиации частоты с помощью электронно-счётного частотомера, который заключается в преобразовании частотно-модулированного сигнала в сигнал промежуточной частоты, значение которой выбирается близким к нулю. Преобразованный сигнал подаётся на электронно-счётный частотомер, где определяют число случаев прохождения текущей фазы преобразованного сигнала через значение , которое прямо пропорционально девиации частоты. [2. Измерения в электронике: Справочник/Под. Ред. В.А.Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987, с.475].
Для преобразования в промежуточную частоту необходима информация о несущей частоте. В её отсутствии её измеряют одним из известных способов [2, с.254-257], в частности электронно-счётным способом путём измерения числа периодов измеряемой частоты за заданный интервал времени [2, с.258].
Область применения данного способа ограничена классом сигналов с большим индексом модуляции, более 5, что обусловлено дискретным характером преобразований, выполняемых частотомером.
Из известных наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спектральный способ измерения девиации частоты методом исчезающей несущей (нулей функции Бесселя). [1. Измерения в технике связи/ Под ред. М.А. Ракк. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». 2008, с.490-491]. Данный способ включает генерирование частотно-модулированного сигнала и преобразование этого сигнала в спектр. Генерирование сигнала выполняют при постоянной частоте модуляции и плавном увеличении модулирующего напряжения до тех пор, пока не исчезнет спектральная составляющая несущей частоты. Девиацию частоты рассчитывают по формуле , где – частота модуляции, m=2,4; 5,52; 8,65; 11,79; ... – индекс модуляции, при котором исчезает спектральная составляющая.
Наряду со спектральным преобразованием можно использовать настроенный на несущую частоту узкополосный приёмник с амплитудным детектором.
Необходимое при расчёте значение частоты модуляции известно или измеряют путём частотного детектирования анализируемого сигнала и измерения частоты продетектированного сигнала ранее указанным электронно-счётным способом [2, с.258].
Данный способ не позволяет измерять произвольные значения девиации частоты, другими недостатками являются инерционность по причине необходимости плавного изменения модулирующего напряжения, трудоёмкость и сложность реализации связанная с процессом дистанционного управления передатчиком (генератором), сложности регистрации момента исчезновения спектральной составляющей несущей частоты, а также необходимости дополнительных измерений несущей частоты сигнала и частоты модуляции.
Технической задачей данного изобретения является обеспечение измерений произвольных значений девиации частоты, повышение скорости и уменьшение трудоёмкости измерений.
Поставленная техническая задача решается за счёт того, что в известном спектральном способе измерения девиации частоты основанном на преобразовании частотно-модулированного сигнала в спектр мощности, новым является то, что, спектр мощности фильтруют, исключая спектральные составляющие по уровню менее заданного порога, затем оценивают средневзвешенное пропорционально составляющим отфильтрованного спектра мощности значение их частоты и квадрата частоты, а девиацию частоты определяют, как корень квадратный из удвоенной разности средневзвешенного значения квадрата частоты и квадрата средневзвешенного значения частоты.
Данное техническое решение основано на следующем теоретическом положении.
«In the frequency modulation case, this result says the rms bandwidth of the modulated wave is 1/2π times the rms frequency deviation» [3. N. Abramson, "Bandwidth and Spectra of Phase-and-Frequency-Modulated Waves," in IEEE Transactions on Communications Systems, vol. 11, no. 4, pp. 407-414, December 1963]. Перевод цитированного текста следующий: «В случае частотной модуляции этот результат говорит, что средняя квадратичная ширина модулированной волны равна 1/2π раз средней квадратичной девиации частоты».
Средняя квадратичная ширина спектра сигнала определяется по формуле
Такое определение дано в работе [4. Фалькович С.Е. Оценка параметров сигналов. М., Советское радио, 1970, с.119, формула (3.52)]. Частота и время при этом являются непрерывными величинами, модуль квадрата есть составляющая теоретического энергетического спектра на частоте .
Указанное теоретическое положение справедливо при бесконечных пределах интегрирования по частоте и времени и в отсутствии шумов (помех). В настоящем изобретении выполнен переход от энергетического спектра к его оценке, спектру мощности. В обеспечение помехозащищённости введена операция пороговой фильтрации этого спектра.
Исходное теоретическое положение относится к шумовой модуляции. В предлагаемом способе реализуется модернизированный вариант в применении к модуляции тоном: девиация частоты равна средней квадратичной (эффективной) ширины спектра мощности сигнала.
Анализ формулы (1) позволяет дать физическую трактовку её составных величин: уменьшаемое есть средневзвешенное значение квадрата частоты, а вычитаемое – квадрат средневзвешенного значения первой степени частоты. Поэтому предлагается девиацию частоты определять, как корень квадратный из удвоенной разности средневзвешенного значения квадрата частоты и квадрата средневзвешенного значения частоты.
Ориентация на определение (1) снимает ограничения способа-прототипа на дискретность значений измеряемой девиации частоты, а повышение скорости измерений и упрощение технической реализации, снижение трудоёмкости обеспечивается исключением операций дистанционного и плавного изменения модулирующего напряжения, регистрации момента обращения в ноль спектральной составляющей на несущей частоте сигнала, предварительных измерений несущей частоты сигнала и частоты модуляции.
Учёт указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: обеспечить измерение произвольных значений девиации частоты, повысить скорость и снизить трудоёмкость измерений.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг.1 показана структурная схема аппаратуры радиоконтроля, реализующая предложенный способ;
на фиг.2 – спектры мощности анализируемых сигналов;
на фиг.3 – зависимость относительной средней квадратичной погрешности измерений от истинного значения девиации частоты.
Аппаратура радиоконтроля фиг.1 содержит последовательно соединённые антенну 1, радиоприёмное устройство 2, анализатор спектра 3, пороговый элемент 4, первый и второй усреднители 5, 6, подключенные к одноимённым входам функционального преобразователя 7. Входы усреднителей 5, 6 подключены к выходу порогового элемента 4. Выходом аппаратуры радиоконтроля является выход функционального преобразователя 7.
Проиллюстрируем предлагаемое решение на примере выполнения способа с представлением анализируемого сигнала с синусоидальной частотной модуляцией в виде дискретных отсчётов
где – номер временного отсчёта при общем количестве , – амплитуда, – несущая (промежуточная) частота, – девиация частоты, – частота модуляции, – фаза модулирующей функции, – шум приёма.
Временные параметры выражены в единицах периода дискретизации , частотные в бинах, единицах разрешающей способности спектрального анализа: .
Преобразование (2) может выполняться с помощью цифрового радиоприёмного устройства [5. Побережский Е.С. Цифровые радиоприёмные устройства. – М.: Радио и связь, 1987, с. 62-73] при этом частота дискретизации устанавливается в соответствии с теоремой Котельникова.
Возможен анализ сигнала радиопередатчика как при приёме его сигнала на антенну 1 (измерение по эфиру), так и при непосредственном подключении выхода радиопередатчика к входу радиоприемного устройства 2 (контактное измерение).
Полоса частот пропускания радиоприёмного устройства 2 и спектрального анализа анализатора спектра 3 должна включать полосу частот, занимаемых сигналом.
Дискретизированный сигнал (2) преобразуют в спектр мощности в анализаторе спектра 3, при этом его умножают на весовое окно, осуществляют дискретное преобразование Фурье и определяют квадраты модулей полученных коэффициентов Фурье [6. Херрис Ф. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье. ТИИР, 1978, т.66 №1, с.60-96]
Весовая обработка выполняется для снижения погрешностей, обусловленных эффектом Гиббса, взаимного просачивания спектральных составляющих непериодических процессов при ограничении времени приёма сигнала. С учётом этого необходимо соблюдать также следующее условие: на интервале наблюдения должно укладываться не менее трёх периодов модуляции, то есть .
Полученный спектр мощности (3) фильтруют, исключая спектральные составляющие по уровню менее заданного порога, с помощью порогового элемента 4:
Порог определяется прямо пропорционально дисперсии шума и обратно пропорционально числу отсчётов, рекомендуемое его значение
Отметим, что без фильтрации происходит смещение измерений девиации частоты, тем большее, чем выше уровень шума.
На фиг.2 для условий измерений указанных ниже показан исходный спектр мощности и пунктиром порог фильтрации, слева для девиации частоты 0,5 кГц, справа для девиации 32 кГц. Значения спектров и порога нормированы на максимальные значения спектров.
Порог выбран в соответствии с формулой (5) и превышает уровень спектрального шума.
Рисунки фиг.2 иллюстрируют также сложность и ненадёжность оценки девиации частоты только по ширине зоны превышения порога.
По отфильтрованному спектру мощности (4) оценивают средневзвешенное значение частоты и квадрата частоты
Эти средние значения определяют в первом 5 и втором 6 усреднителях фиг.1.
В завершение определяют девиацию частоты, как корень квадратный из удвоенной разности средневзвешенного значения квадрата частоты и квадрата средневзвешенного значения частоты
Масштабный коэффициент 2 определён по результатам моделирования.
Переход от значения девиации частоты, выраженного в единицах разрешающей способности спектрального анализа , к системе единиц СИ осуществляют умножением: .
Заключительные преобразования (7) с переходом к системе СИ осуществляют с помощью функционального преобразователя 7, с выдачей результатов измерений потребителю.
Точность измерений предлагаемым способом иллюстрируется фиг.3, где приведена зависимость относительной средней квадратичной погрешности измерений от истинного значения девиации частоты.
Установлены следующие параметры: несущая (промежуточная) частота сигнала 50 кГц, частота модуляции 1 кГц, частота дискретизации 200 кГц, число временных отсчётов 1024, соответственно время наблюдения 5,1 миллисекунды, на интервале наблюдения укладывается 5,1 периода модуляции, разрешающая способность спектрального анализа 195 Гц, отношение амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шума .
Число статистических испытаний в каждой точке выделенной кружком . Фаза модулирующей функции равновероятна в пределах области её определения .
В соответствии с фиг.3 измерение девиации частоты обеспечивается в достаточно широких пределах от 0,5 кГц до 32 кГц, причём по мере её увеличения погрешности измерений снижаются с 5,6% до 0,5%. Увеличение времени наблюдения и отношения сигнал/шум сопровождается уменьшением погрешностей. В частности при времени наблюдения 20,4 миллисекунды относительная погрешность уменьшается до крайних значений (1,67 – 0,24)%.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает измерение произвольных значений девиации частоты, повышает скорость и снижает трудоёмкость измерений.
Claims (1)
- Спектральный способ измерения девиации частоты, основанный на преобразовании частотно-модулированного сигнала в спектр мощности, отличающийся тем, что спектр мощности фильтруют, исключая спектральные составляющие по уровню менее заданного порога, затем оценивают средневзвешенное пропорционально составляющим отфильтрованного спектра значение их частоты и квадрата частоты, а девиацию частоты определяют как корень квадратный из удвоенной разности средневзвешенного значения квадрата частоты и квадрата средневзвешенного значения частоты.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139953A RU2758342C1 (ru) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | Спектральный способ измерения девиации частоты |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139953A RU2758342C1 (ru) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | Спектральный способ измерения девиации частоты |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2758342C1 true RU2758342C1 (ru) | 2021-10-28 |
Family
ID=78466437
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020139953A RU2758342C1 (ru) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | Спектральный способ измерения девиации частоты |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2758342C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1644212A1 (ru) * | 1988-10-03 | 1991-04-23 | Предприятие П/Я Р-6947 | Способ записи-воспроизведени аналоговых сигналов на движущийс носитель и устройство дл его осуществлени |
US6456950B1 (en) * | 1999-05-19 | 2002-09-24 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for estimating and digitizing instantaneous frequency and phase of bandpass signals |
RU2321003C1 (ru) * | 2006-10-30 | 2008-03-27 | Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского | Способ определения частоты и вида модуляции принимаемых сигналов |
RU2374597C2 (ru) * | 2007-12-20 | 2009-11-27 | Виктор Леонидович Семенов | Способ формирования команды на пуск защитного боеприпаса, устройство формирования команды на пуск защитного боеприпаса, способ определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса, рлс определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса, способы обнаружения сигналов узкополосного спектра частот, обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот |
US7812748B2 (en) * | 2006-05-22 | 2010-10-12 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | Apparatus for monitoring non-linear distortions of radio signals and a method therefor |
RU2614191C1 (ru) * | 2015-10-06 | 2017-03-23 | Открытое акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" | Способ измерения нелинейных искажений чм сигнала, сформированного методом прямого цифрового синтеза |
-
2020
- 2020-12-04 RU RU2020139953A patent/RU2758342C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1644212A1 (ru) * | 1988-10-03 | 1991-04-23 | Предприятие П/Я Р-6947 | Способ записи-воспроизведени аналоговых сигналов на движущийс носитель и устройство дл его осуществлени |
US6456950B1 (en) * | 1999-05-19 | 2002-09-24 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for estimating and digitizing instantaneous frequency and phase of bandpass signals |
US7812748B2 (en) * | 2006-05-22 | 2010-10-12 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | Apparatus for monitoring non-linear distortions of radio signals and a method therefor |
RU2321003C1 (ru) * | 2006-10-30 | 2008-03-27 | Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского | Способ определения частоты и вида модуляции принимаемых сигналов |
RU2374597C2 (ru) * | 2007-12-20 | 2009-11-27 | Виктор Леонидович Семенов | Способ формирования команды на пуск защитного боеприпаса, устройство формирования команды на пуск защитного боеприпаса, способ определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса, рлс определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса, способы обнаружения сигналов узкополосного спектра частот, обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот |
RU2614191C1 (ru) * | 2015-10-06 | 2017-03-23 | Открытое акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" | Способ измерения нелинейных искажений чм сигнала, сформированного методом прямого цифрового синтеза |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101045984B1 (ko) | 수신 시각 계측 장치 및 이 수신 시각 계측 장치를 사용한거리 계측 장치 | |
RU2419813C2 (ru) | Устройство измерения расстояния и способ измерения расстояния | |
CN101128988B (zh) | 使用啁啾信号的关于发送机和接收机之间的电磁波多径的信道估计的方法和装置 | |
CN102215746A (zh) | 用于检测心跳和/或呼吸的方法 | |
US10816655B2 (en) | In-phase (I) and quadrature (Q) imbalance estimation in a radar system | |
CN109975771B (zh) | 基于信号三阶相位差分的宽带数字信道化方法 | |
CN110383063B (zh) | 借助于电磁波探测混凝土的结构 | |
CN108333564A (zh) | 用于谐波雷达频谱感知与频率选择的方法 | |
US10345365B2 (en) | Reflectometry method and device for diagnosing cables in use | |
CN105429918B (zh) | 一种用于深空测控信号的快速捕获方法 | |
US7630432B2 (en) | Method for analysing the channel impulse response of a transmission channel | |
RU2758342C1 (ru) | Спектральный способ измерения девиации частоты | |
KR102122758B1 (ko) | 생체신호 측정용 레이더에서 레이더 수집신호의 랜덤노이즈 제거방법 및 그 장치 | |
CN103051401B (zh) | 基于小波的认知无线电频谱感知方法 | |
WO2003046586A1 (en) | Method and apparatus for spectrom analysis | |
RU2760744C1 (ru) | Способ измерения частоты модуляции | |
RU2394371C1 (ru) | Устройство для определения оптимальных рабочих частот ионосферного радиоканала | |
US5519399A (en) | Method for measuring the frequency of continuous wave and wide pulse RF signals | |
US11950885B2 (en) | Biosensor device | |
RU2341808C1 (ru) | Устройство измерения отношения сигнал/шум | |
RU186027U1 (ru) | Устройство определения доплеровского сдвига частоты по информационному фазоманипулированному сигналу путем взвешенной аппроксимации фазового отклонения | |
Nhan et al. | A Mathematical Model for Determining the Type of Signal Modulation in a Digital Receiver with Autocorrelation Processing | |
CN113341219B (zh) | 恒频交流供电系统频率调制幅度测量方法及装置 | |
Song et al. | A novel scheme based on variational mode decomposition and multiple denoising technologies for heartbeat rate estimation | |
RU2548032C2 (ru) | Способ оценивания отношения сигнал/шум при использовании сигналов с фазовой модуляцией |