RU2775857C1 - Apparatus and method for accurate measurement of the phase difference between signals using quadrature components (variants) - Google Patents
Apparatus and method for accurate measurement of the phase difference between signals using quadrature components (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775857C1 RU2775857C1 RU2021116646A RU2021116646A RU2775857C1 RU 2775857 C1 RU2775857 C1 RU 2775857C1 RU 2021116646 A RU2021116646 A RU 2021116646A RU 2021116646 A RU2021116646 A RU 2021116646A RU 2775857 C1 RU2775857 C1 RU 2775857C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- phase
- signal
- phase difference
- digital
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title abstract 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
[0001] Настоящее техническое решение относится к системам точного измерения сдвига фаз между сигналами, использующее выделение квадратурных составляющих для одного из сравниваемых сигналов и может использоваться для высокоточного фазового детектирования, в том числе в аналоговых системах при использовании компаратора для дополнительного преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. [0001] This technical solution relates to systems for accurately measuring the phase shift between signals, using the selection of quadrature components for one of the compared signals and can be used for high-precision phase detection, including in analog systems when using a comparator for additional conversion of an analog signal into a digital signal .
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Известно устройство и метод (US 2018/0224524, A1, G01S 7/02 (2006.01), G01S 7/28 (2006.01), Aug. 09, 2018) оценки разности фаз между сигналами, которое содержит управляемую линию задержки, устройство выборки, блок подавления шумов, блок корреляции, управляющий и вычислительный контроллер. Принцип работы устройства основан на перестройке управляемой линии задержки, на вход которой подается сигнал опорной частоты, а выход управляет устройством выборки измеряемого сигнала. В процессе измерения используются только цифровые сигналы, при необходимости измерить разность фаз аналоговых сигналов они должны быть преобразованы в цифровую форму. Для уменьшения воздействия шумов и помех на устройство измерения разности фаз предусмотрено использование блока подавления шумов, который использует выборки сигналов на нескольких тактовых интервалах.[0002] A known device and method (US 2018/0224524, A1, G01S 7/02 (2006.01), G01S 7/28 (2006.01), Aug. 09, 2018) for estimating the phase difference between signals, which contains a controlled delay line, the device sampling, noise suppression block, correlation block, control and computing controller. The principle of operation of the device is based on the restructuring of the controlled delay line, the input of which is a reference frequency signal, and the output controls the device for sampling the measured signal. In the measurement process, only digital signals are used; if it is necessary to measure the phase difference of analog signals, they must be converted to digital form. To reduce the impact of noise and interference on the device for measuring the phase difference, a noise suppression block is used, which uses signal samples at several clock intervals.
[0003] Недостатком метода является ограничение точности измерения разности фаз, определяемое минимальным шагом перестройки управляемой линии задержки, а также чувствительностью характеристик линии задержки к воздействию внешних возбуждающих факторов (температура, напряжение питания и т.д.).[0003] The disadvantage of the method is the limitation of the accuracy of measuring the phase difference, which is determined by the minimum tuning step of the controlled delay line, as well as the sensitivity of the characteristics of the delay line to the effects of external excitation factors (temperature, supply voltage, etc.).
[0004] Известен способ (RU 2645440, C1, G01R/00 (2006.01), 21.02.2018) измерения разности фаз двух квазигармонических сигналов путем измерения амплитуд трех сигналов: двух исходных сигналов, фазовый сдвига которых измеряется, и третьего сигнала, формируемого как сумма двух исходных сигналов. Расчет не искаженных шумом значений амплитуд трех анализируемых сигналов осуществляется методом анализа райсовских данных. Амплитуды трех анализируемых сигналов, "очищенные" от неизбежного влияния гауссовского шума, формируют треугольник, что позволяет рассчитать искомую разность фаз исходя из простых геометрических соображений.[0004] There is a method (RU 2645440, C1, G01R/00 (2006.01), 21.02.2018) for measuring the phase difference of two quasi-harmonic signals by measuring the amplitudes of three signals: two original signals, the phase shift of which is measured, and the third signal, generated as a sum two original signals. The calculation of the amplitude values of the three analyzed signals not distorted by noise is carried out by the analysis of rice data. The amplitudes of the three analyzed signals, "cleared" from the inevitable influence of Gaussian noise, form a triangle, which makes it possible to calculate the desired phase difference based on simple geometric considerations.
Разность фаз определяется следующим соотношением:The phase difference is determined by the following relationship:
где: А1, А2 - амплитуды исходных сигналов, а А3 - амплитуда суммарного сигнала.where: A 1 , A 2 - the amplitude of the original signals, and A 3 - the amplitude of the total signal.
[0005] Недостатком предлагаемого способа является необходимость использования аналоговых сигналов для оценки амплитуд, сложность процедуры статистического оценивания амплитуд сигналов, невозможность использования метода для оценки разности фаз цифровых сигналов.[0005] The disadvantage of the proposed method is the need to use analog signals to estimate the amplitudes, the complexity of the procedure for statistical estimation of signal amplitudes, the impossibility of using the method to estimate the phase difference of digital signals.
[0006] Наиболее близким по технической сущности к предложенному является система измерения фазы, основанная на устройстве синхронизации, цифровом фазовом детекторе, корреляторе, устройстве определения полярности, вычислительном модуле (J. Mitra, Т. Nayak. An FPGA-Based Phase Measurement System //IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. October, 2017, PP. 1-10. 10.1109/TVLSI.2017.2758807). Определение разности фаз двух цифровых сигналов с одинаковыми частотами основано на их выборке с помощью опорного цифрового сигнала с частотой, кратной частоте сигналов, с последующим цифровым фазовым детектированием на элементе XOR и накоплением результата детектирования в корреляторе на протяжении времени измерения. Учитывая, что детекторная характеристика фазового детектора на элементе XOR имеет линейный вид, разность фаз двух цифровых сигналов с одинаковыми частотами определяется линейной зависимостью от результата измерения в соответствии со следующими формулами:[0006] The closest in technical essence to the proposed one is a phase measurement system based on a synchronization device, a digital phase detector, a correlator, a polarity determination device, a computing module (J. Mitra, T. Nayak. An FPGA-Based Phase Measurement System // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, October, 2017, PP.1-10.10.1109/TVLSI.2017.2758807). The determination of the phase difference of two digital signals with the same frequencies is based on their sampling using a reference digital signal with a frequency that is a multiple of the frequency of the signals, followed by digital phase detection on the XOR element and accumulation of the detection result in the correlator over the measurement time. Considering that the detector characteristic of the phase detector on the XOR element has a linear form, the phase difference of two digital signals with the same frequencies is determined by a linear dependence on the measurement result in accordance with the following formulas:
у[t]=x[t] ⊗ x[t+ΔϕT/360°],y[t]=x[t] ⊗ x[t+ΔϕT/360°],
Δϕ=90° × R,Δϕ=90° × R,
где: x[t] - исходный первый цифровой сигнал, x[t+ΔϕТ/360°] - исходный второй цифровой сигнал, сдвинутый по фазе на измеряемую величину относительно первого цифрового сигнала, Т - период измеряемых цифровых сигналов, y[t] - сигнал на выходе фазового детектора на элементе XOR, Ts=T/D - период опорного цифрового сигнала, используемого для оцифровки, частота которого имеет кратность D к частотам исходных сигналов, R - отношение сигналов на выходе корреляторов.where: x[t] is the original first digital signal, x[t+ΔϕT/360°] is the original second digital signal, phase-shifted by the measured value relative to the first digital signal, T is the period of the measured digital signals, y[t] is the signal at the output of the phase detector on the XOR element, Ts=T/D is the period of the reference digital signal used for digitization, the frequency of which has a multiplicity of D to the frequencies of the original signals, R is the ratio of the signals at the output of the correlators.
[0007] Недостатком наиболее близкого технического решения является статическая ошибка измерения разности фаз, вызванная конечной кратностью частоты дискретизации опорного сигнала и частоты измеряемых сигналов, необходимость точного измерения полярности одного измеряемых сигналов для исключения неопределенности измерения разности фаз во всем диапазоне возможных значений (0,360] градусов. Наличие даже небольшой ошибки в определении сигнала полярности приводит к существенным ошибкам измерения фазы.[0007] The disadvantage of the closest technical solution is the static error in measuring the phase difference, caused by the finite multiplicity of the sampling frequency of the reference signal and the frequency of the measured signals, the need to accurately measure the polarity of one of the measured signals to eliminate the uncertainty in measuring the phase difference in the entire range of possible values (0.360] degrees. The presence of even a small error in determining the polarity signal leads to significant phase measurement errors.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
[0008] Заявленное изобретение позволяет решить существующую техническую проблему, охарактеризованную недостатками известных из уровня техники решений, за счет реализации нового способа измерения разности фаз между двумя цифровыми сигналами.[0008] The claimed invention solves the existing technical problem, characterized by the shortcomings of the prior art solutions, by implementing a new method for measuring the phase difference between two digital signals.
[0009] Технический результат заключается в увеличении точности измерения разности фаз между двумя сигналами, при малой сложности устройства измерения.[0009] The technical result consists in increasing the accuracy of measuring the phase difference between two signals, with a low complexity of the measuring device.
[0010] Заявленный технический результат достигается с помощью устройства для измерения разности фаз между входными сигналами, которое содержит[0010] The claimed technical result is achieved using a device for measuring the phase difference between the input signals, which contains
первое устройство дискретизации, выполненное с возможностью получения из первого входного сигнала x1(t) цифрового сигнала x1[t] и передачу его в цифровую систему фазовой автоподстройки частоты (ЦСФАПЧ);a first sampling device configured to obtain from the first input signal x 1 (t) a digital signal x 1 [t] and transmit it to a digital phase-locked loop (DPLL);
второе устройство дискретизации, выполненное с возможностью получения из второго входного сигнала x2(t) цифрового сигнала x2[k] и передачу его в фазовые детекторы;a second sampling device configured to receive from the second input signal x 2 (t) a digital signal x 2 [k] and transmit it to the phase detectors;
ЦСФАПЧ, выполненную с возможностью формирования опорного сигнала на основании первого цифрового сигнала x1[k], причем опорный сигнал состоит из двух квадратурных цифровых сигналов и разность фаз между которыми равна 90°, и передачи квадратурных сигналов в фазовые детекторы;DPLFC configured to generate a reference signal based on the first digital signal x 1 [k], wherein the reference signal consists of two quadrature digital signals and the phase difference between which is equal to 90°, and the transmission of quadrature signals to the phase detectors;
фазовые детекторы, выполненные с возможностью формирования сигналов I и Q, пропорциональных разности фаз между квадратурными цифровыми сигналами и и вторым цифровым сигналом х2[k], получаемых на входы фазовых детекторов;phase detectors capable of generating I and Q signals proportional to the phase difference between quadrature digital signals and and the second digital signal x 2 [k] received at the inputs of the phase detectors;
сумматоры-накопители Σ, выполненные с возможностью выделения постоянной составляющей сигналов I и Q на выходах фазовых детекторов;adders-accumulators Σ, configured to extract the constant component of the signals I and Q at the outputs of the phase detectors;
счетчик N состояний, выполненный с возможностью счета тактовых импульсов измерения фаз сигналов и сброса через N тактов времени из его состояния в нулевое значение и выдачи импульса окончания измерения;a counter of N states, configured to count the clock pulses for measuring the phases of the signals and reset after N clock cycles from its state to zero and issue a pulse to end the measurement;
вычислительное устройство, выполненное с возможностью оценки разности фаз по полученным значениям сигналов I и Q, обработанных фазовыми детекторами.a computing device configured to estimate the phase difference from the received values of the I and Q signals processed by the phase detectors.
[0011] В одном из частных примеров реализации устройства дискретизации построены на цепочке D-триггеров.[0011] In one of the particular examples of the implementation of the sampling device built on a chain of D-flip-flops.
[0012] В другом частном примере реализации вычислительное устройство определяет оценку разности фаз на основании результатов предварительной калибровки устройства, компенсации ошибки формирования квадратур сигналов, и компенсации влияния скважности импульсов сигналов x1(t) и х2(t) на результат измерения.[0012] In another particular implementation example, the computing device determines an estimate of the phase difference based on the results of the preliminary calibration of the device, compensation for the error in the formation of signal quadratures, and compensation for the influence of the duty cycle of the signal pulses x 1 (t) and x 2 (t) on the measurement result.
[0013] В другом частном примере реализации вычисление разности фаз сигналов осуществляется с учетом отклонения детекторной характеристики фазовых детекторов от линейного вида в областях разности фаз 0°, 90°, 180°, 270°.[0013] In another particular implementation example, the calculation of the phase difference of the signals is carried out taking into account the deviation of the detector characteristics of the phase detectors from the linear form in the areas of
[0014] В другом частном примере реализации фазовые детекторы представляют собой элементы исключающее ИЛИ.[0014] In another particular implementation, the phase detectors are XOR elements.
[0015] Заявленный технический результат также достигается с помощью устройства для измерения разности фаз между входными сигналами, которое содержит[0015] The claimed technical result is also achieved using a device for measuring the phase difference between the input signals, which contains
аналоговую систему фазовой автоподстройки частоты (АСФАПЧ), выполненную с возможностью подачи на вход первого входного сигнала x1(t) и формирования на его основании синфазного и квадратурного сигналов и разность фаз между которыми равна 90°, передаваемых на вход первому и второму устройству дискретизации;an analog phase-locked loop (ASPLL) configured to supply the first input signal x 1 (t) to the input and form in-phase and quadrature signals based on it and the phase difference between which is equal to 90°, transmitted to the input of the first and second sampling device;
первое устройство дискретизации, выполненное с возможностью получения из синфазного сигнала цифрового сигнала и его передачи в фазовый детектор;first sampler capable of deriving from an in-phase signal digital signal and its transfer to the phase detector;
второе устройство дискретизации, выполненное с возможностью получения из квадратурного сигнала цифрового сигнала и его передачи в фазовый детектор;a second sampler configured to derive from the quadrature signal digital signal and its transfer to the phase detector;
третье устройство дискретизации, выполненное с возможностью получения из второго входного сигнала x2(t) цифрового сигнала x2[k] и его передачи в фазовые детекторы;a third sampling device configured to receive from the second input signal x 2 (t) a digital signal x 2 [k] and transmit it to the phase detectors;
фазовые детекторы, выполненные с возможностью формирования сигналов I и Q, пропорциональных разности фаз между квадратурными цифровыми сигналами и и вторым цифровым сигналом х2[k], получаемых на входы фазовых детекторов;phase detectors capable of generating I and Q signals proportional to the phase difference between quadrature digital signals and and the second digital signal x 2 [k] received at the inputs of the phase detectors;
сумматоры-накопители Σ, выполненные с возможностью выделения постоянной составляющей сигналов I и Q на выходах фазовых детекторов;adders-accumulators Σ, configured to extract the constant component of the signals I and Q at the outputs of the phase detectors;
счетчик N состояний, выполненный с возможностью счета тактовых импульсов измерения фаз сигналов и сброса через N тактов времени из его состояния в нулевое значение и выдачи импульса окончания измерения;a counter of N states, configured to count the clock pulses for measuring the phases of the signals and reset after N clock cycles from its state to zero and issue a pulse to end the measurement;
вычислительное устройство, выполненное с возможностью оценки разности фаз по полученным значениям сигналов I и Q, обработанных фазовыми детекторами.a computing device configured to estimate the phase difference from the received values of the I and Q signals processed by the phase detectors.
[0016] В одном из частных примеров реализации устройства дискретизации построены на цепочке D-триггеров.[0016] In one of the particular examples of the implementation of the sampling devices are built on a chain of D-flip-flops.
[0017] В другом частном примере реализации вычислительное устройство определяет оценку разности фаз на основании результатов предварительной калибровки устройства, компенсации ошибки формирования квадратур сигналов, и компенсации влияния скважности импульсов сигналов x1(t) и х2(t) на результат измерения.[0017] In another particular implementation example, the computing device determines the phase difference estimate based on the results of device pre-calibration, signal quadrature generation error compensation, and compensation for the influence of the duty cycle of the x 1 (t) and x 2 (t) signal pulses on the measurement result.
[0018] В другом частном примере реализации вычисление разности фаз сигналов осуществляется с учетом отклонения детекторной характеристики фазовых детекторов от линейного вида в областях разности фаз 0°, 90°, 180°, 270°.[0018] In another particular implementation example, the calculation of the phase difference of the signals is carried out taking into account the deviation of the detector characteristics of the phase detectors from the linear form in the phase difference regions of 0°, 90°, 180°, 270°.
[0019] В другом частном примере реализации фазовые детекторы представляют собой элементы исключающее ИЛИ.[0019] In another particular implementation, the phase detectors are XOR elements.
[0020] Заявленный технический результат также достигается за счет выполнения способа измерения разности фаз между входными сигналами с помощью устройства по первому варианту реализации, и содержит этапы, на которых:[0020] The claimed technical result is also achieved by performing a method for measuring the phase difference between input signals using the device according to the first embodiment, and contains the steps at which:
получают из первого входного сигнала x1(t) первый цифровой сигнал x1[t];receive from the first input signal x 1 (t) the first digital signal x 1 [t];
получают из второго входного сигнала x2(t) второй цифровой сигнал х2[k];receive from the second input signal x 2 (t) the second digital signal x 2 [k];
формируют опорный сигнала на основании первого цифрового сигнала x1[k], причем опорный сигнал состоит из двух квадратурных цифровых сигналов и разность фаз между которыми близка к 90°;form a reference signal based on the first digital signal x 1 [k], and the reference signal consists of two quadrature digital signals and the phase difference between which is close to 90°;
формируют сигналы I и Q, пропорциональные разности фаз между квадратурными цифровыми сигналами и и вторым цифровым сигналом x2[k];generate I and Q signals proportional to the phase difference between quadrature digital signals and and the second digital signal x 2 [k];
выделяют постоянную составляющую сигналов I и Q;allocate the constant component of the signals I and Q;
оценивают разность фаз по полученным значениям сигналов I и Q.the phase difference is estimated from the obtained values of the I and Q signals.
[0021] Заявленный технический результат также достигается за счет выполнения способа измерения разности фаз между входными сигналами с помощью устройства по второму варианту реализации, и содержит этапы, на которых:[0021] The claimed technical result is also achieved by performing a method for measuring the phase difference between input signals using a device according to the second embodiment, and contains the steps at which:
получают первый входной сигнал x1(t) и формируют на его основании синфазный и квадратурный сигналы и разность фаз между которыми близка к 90°;receive the first input signal x 1 (t) and form on its basis in-phase and quadrature signals and the phase difference between which is close to 90°;
получают из синфазного сигнала цифровой сигнал obtained from common mode signal digital signal
получают из квадратурного сигнала цифровой сигнал obtained from quadrature signal digital signal
получают второй входной сигнал x2(t) и формируют на его основании цифровой сигнал х2[k];receive the second input signal x 2 (t) and form on its basis a digital signal x 2 [k];
формируют сигналы I и Q, пропорциональные разности фаз между квадратурными цифровыми сигналами и и цифровым сигналом х2[k];generate I and Q signals proportional to the phase difference between quadrature digital signals and and digital signal x 2 [k];
выделяют постоянную составляющую сигналов I и Q;allocate the constant component of the signals I and Q;
оценивают разность фаз по полученным значениям сигналов I и Q.the phase difference is estimated from the obtained values of the I and Q signals.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0022] Фиг. 1. Структурная схема устройства точного измерения разности фаз с использованием цифровой системы фазовой автоподстройки частоты.[0022] FIG. 1. Structural diagram of a device for accurate measurement of the phase difference using a digital phase-locked loop system.
[0023] Фиг. 2. Диаграмма сигналов на входах и выходах системы дискретизации.[0023] FIG. 2. Diagram of signals at the inputs and outputs of the sampling system.
[0024] Фиг. 3. Диаграмма квадратурных сигналов на выходе цифровой системы фазовой автоподстройки частоты.[0024] FIG. 3. Diagram of quadrature signals at the output of a digital phase locked loop system.
[0025] Фиг. 4. Структурная схема устройства точного измерения разности фаз с использованием аналоговой системы фазовой автоподстройки частоты.[0025] FIG. Fig. 4. Structural diagram of the device for accurate measurement of the phase difference using an analog phase-locked loop system.
[0026] Фиг. 5. Результаты предварительной калибровки измерителя разности фаз.[0026] FIG. 5. Results of preliminary calibration of the phase difference meter.
[0027] Фиг. 6. Зонирование детекторной характеристики измерителя разности фаз в алгоритме вычисления.[0027] FIG. 6. Zoning of the detector characteristic of the phase difference meter in the calculation algorithm.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
[0028] Настоящее техническое решение предлагает способ, реализуемый с помощью соответствующих схем и устройств, по нахождению значения разности фаз между входными сигналами х1(t) и x2(t). Необходимыми условиями являются периодичность сигналов с одинаковым периодом, наличие только по одному возрастающему и убывающему фронтам сигнала внутри одного периода сигналов: переход неотрицательный сигнал - отрицательный сигнал, отрицательный сигнал - неотрицательный сигнал. Скважности сигналов х1(t) и x2(t) могут быть любые и не обязательно совпадающие. Осуществление настоящего решения подразумевает два способа реализации. В обоих способах реализации используется вспомогательный периодический тактовый сигнал с частотой ƒS, кратной частоте измеряемых сигналов ƒ:[0028] The present technical solution proposes a method, implemented using appropriate circuits and devices, to find the value of the phase difference between the input signals x 1 (t) and x 2 (t). The necessary conditions are the periodicity of signals with the same period, the presence of only one rising and falling edge of the signal within one period of the signals: transition non-negative signal - negative signal, negative signal - non-negative signal. The duty cycle of the signals x 1 (t) and x 2 (t) can be any and not necessarily the same. Implementation of the present solution involves two ways of implementation. In both implementations, an auxiliary periodic clock signal is used with a frequency ƒ S , a multiple of the frequency of the measured signals ƒ:
m<n, m<n,
где m и n взаимно простые числа, причем наиболее предпочтительны тактовые частоты с минимальным n.where m and n are coprime numbers, with clock rates with the smallest n being most preferred.
[0029] На Фиг. 1 представлена схема первого варианта устройства (10) для измерения разности фаз между входными сигналами и реализуемый с помощью него способ. При выполнении способа с помощью устройства (10) в его составе применяется цифровая система фазовой автоподстройки частоты (ЦСФАПЧ).[0029] In FIG. 1 shows a diagram of the first version of the device (10) for measuring the phase difference between the input signals and the method implemented using it. When performing the method using the device (10), it uses a digital phase-locked loop (DPLL).
[0030] Входные сигналы x1(t) и x2(t), представляющие собой периодическую последовательность импульсов, имеют одинаковую частоту, но неизвестный постоянный сдвиг фаз, который требуется определить. На скважность последовательности импульсов жестких ограничений не накладывается. Измеряемые сигналы подвергаются дискретизации с частотой ƒS, кратной частотам повторения измеряемых сигналов.[0030] The input signals x 1 (t) and x 2 (t), representing a periodic train of pulses, have the same frequency, but an unknown constant phase shift that you want to determine. No rigid restrictions are imposed on the duty cycle of the pulse train. The measured signals are sampled at a frequency ƒ S that is a multiple of the repetition rates of the measured signals.
[0031] Сигналы х1(t) и x2(t) подаются на первое и второе устройства дискретизации (101, 102), построенные на основе цепочки D-триггеров. Сигнал дискретизации частоты ƒS может быть получен, например, путем умножения частоты одного из измеряемых сигналов во внешней аналоговой системе фазовой автоподстройки или из системы формирования сигналов x1(t) и x2(t), если она располагается в непосредственной близости от измерителя. ЦСФАПЧ (103) может быть реализована с использованием различных схем, например приведенных в [1]. На выходные сигналы ЦСФАПЧ (103) не накладывается условие точной ортогональности. Неортогональность выходных сигналов приводит к введению поправочного коэффициента в калибровочную процедуру в программе вычислительного устройства (109).[0031] The signals x 1 (t) and x 2 (t) are applied to the first and second sampling devices (101, 102) built on the basis of a chain of D-flip-flops. The frequency sampling signal ƒ S can be obtained, for example, by multiplying the frequency of one of the measured signals in an external analog phase-locked loop system or from the signal conditioning system x 1 (t) and x 2 (t), if it is located in close proximity to the meter. DPLL (103) can be implemented using various schemes, such as those given in [1]. The exact orthogonality condition is not imposed on the output signals of the DPLL (103). The non-orthogonality of the output signals leads to the introduction of a correction factor into the calibration procedure in the computer program (109).
[0032] Последовательная цепочка D-триггеров позволяет уменьшить влияние явления метастабильности на результат измерения. Вся последующая обработка сигналов осуществляется в цифровом виде.[0032] A serial chain of D-flip-flops can reduce the influence of the metastability phenomenon on the measurement result. All subsequent signal processing is done digitally.
[0033] Для измерения разности фаз двух цифровых сигналов x1[k], х2[k], формируемых устройствами дискретизации (102, 103) один из них выбирается в качестве опорного. В схеме (10) в качестве опорного сигнала для формирования квадратурных сигналов и на выходе ЦСФАПЧ (103) используется сигнал x1[k]. Тильда над обозначением сигналов означает оценку фазы исходного сигнала x1[k], которая отличается от истинного значения на величину ошибки работы ЦСФАПЧ (103). ЦСФАПЧ (103) формирует на своем выходе два меандра со скважностью 2, фаза первого из которых повторяет фазу входного сигнала, а фаза второго сдвинута на 90° относительно фазы первого. Таким образом, в случае нулевой ошибки подстройки ЦСФАПЧ (103) квадратурные сигналы могут быть определены следующим образом:[0033] To measure the phase difference of two digital signals x 1 [k], x 2 [k], generated by sampling devices (102, 103), one of them is selected as a reference. In circuit (10) as a reference signal for the formation of quadrature signals and at the output of the DSPFL (103) the signal x 1 [k] is used. The tilde above the signal designation means the estimate of the phase of the original signal x 1 [k], which differs from the true value by the amount of the DPLL error (103). The DSLFC (103) generates at its output two meanders with a duty cycle of 2, the phase of the first of which repeats the phase of the input signal, and the phase of the second is shifted by 90° relative to the phase of the first. Thus, in the case of zero adjustment error of the DPLL (103), the quadrature signals can be defined as follows:
На Фиг. 2 представлена диаграмма входных и оцифрованных сигналов.On FIG. 2 shows a diagram of the input and digitized signals.
[0034] Для получения корректного результата измерения разности фаз в предлагаемом устройстве (10) необходимо, чтобы D-триггеры имели большие времена установки и удержания.[0034] To obtain a correct result of measuring the phase difference in the proposed device (10), it is necessary that the D-flip-flops have long setup and hold times.
[0035] Квадратурные сигналы представленные на Фиг. 3, далее подаются параллельно с сигналом x2[k] на вход фазовых детекторов (104, 105), которые выполняются как элементы исключающее ИЛИ (XOR). На выходе фазовых детекторов (104, 105) формируется постоянная составляющая, пропорциональная разности фаз сигналов на входе. Для выделения постоянной составляющей сигналов I и Q на выходах фазовых детекторов (104, 105) используются сумматоры-накопители Σ (106, 107).[0035] Quadrature signals shown in FIG. 3 are then fed in parallel with the signal x 2 [k] to the input of the phase detectors (104, 105), which are performed as XOR elements. At the output of the phase detectors (104, 105), a constant component is formed, which is proportional to the phase difference of the signals at the input. To isolate the constant component of the I and Q signals at the outputs of the phase detectors (104, 105), adders-accumulators Σ (106, 107) are used.
[0036] Цикл измерения составляет N тактов частоты ƒS. Начало и окончание цикла измерения определяется счетчиком на N состояний (108), который формирует сигнал сброса по достижении максимального счета. Счетчик (108) обеспечивает счет тактовых импульсов измерения фаз сигналов и сброса через N тактов времени из его состояния в нулевое значение и выдачи импульса окончания измерения. Длительность цикла измерений составляет N периодов частоты ƒS. В конце цикла измерении на выходах сумматоров-накопителей (106, 107) формируются сигналы I и Q, значения которых пропорциональны корреляции между сигналом и синфазной и квадратурной составляющими сигнала х1[t].[0036] The measurement cycle is N cycles of frequency ƒ S . The start and end of the measurement cycle is determined by the N-state counter (108), which generates a reset signal when the maximum count is reached. The counter (108) provides for counting the clock pulses for measuring the phases of the signals and resetting after N clock cycles from its state to zero and issuing a pulse for the end of the measurement. The duration of the measurement cycle is N frequency periods ƒ S . At the end of the measurement cycle, the outputs of the accumulator adders (106, 107) generate I and Q signals, the values of which are proportional to the correlation between the signal and the in-phase and quadrature components of the signal x 1 [t].
[0037] На вычислительное устройство (109) (микроконтроллер или микропроцессор) подаются результаты I и Q усреднения сигналов x1[k], х2[k] на выходах фазовых детекторов (104, 105). Вычислительное устройство (109) определяет оценку разности фаз с учетом предварительной калибровки устройства, компенсацию ошибки формирования квадратур (неточный сдвиг фаз 90°), компенсацию влияния скважности импульсов сигналов x1(t) и x1(t) на результат измерения, вычисление разности фаз сигналов с учетом отклонения детекторной характеристики фазовых детекторов (104, 105) от линейного вида в областях разности фаз (0° 90°, 180°, 270°) за счет явления метастабильного состояния.[0037] The computing device (109) (microcontroller or microprocessor) receives the results of I and Q averaging of the signals x 1 [k], x 2 [k] at the outputs of the phase detectors (104, 105). The computing device (109) determines the estimate of the phase difference, taking into account the preliminary calibration of the device, compensation for the error in the formation of quadratures (inaccurate phase shift 90°), compensation for the influence of the duty cycle of the signal pulses x 1 (t) and x 1 (t) on the measurement result, calculation of the phase difference signals taking into account the deviation of the detector characteristics of the phase detectors (104, 105) from the linear form in the regions of phase difference (0° 90°, 180°, 270°) due to the phenomenon of the metastable state.
[0038] На Фиг. 4 представлен второй вариант реализации схемы устройства (20) предполагает использование аналоговой системы ФАПЧ (АСФАПЧ) (201) для формирования квадратурных сигналов. На выходе АСФАПЧ (201) формируются синфазная и квадратурная составляющие выбранного опорного сигнала (в данном случае x1[t]):[0038] In FIG. 4 shows the second implementation of the device circuit (20) involves the use of an analog PLL (ASPLL) (201) for the formation of quadrature signals. At the output of the APLFC (201), the in-phase and quadrature components of the selected reference signal are formed (in this case, x 1 [t]):
[0039] В этом случае требуется выполнить дискретизацию трех сигналов: синфазной и квадратурной составляющей первого сигнала и второго сигнала. Необходимость дискретизации дополнительного сигнала приводит к появлению дополнительных ошибок, связанных различными путями распространения синфазной и квадратурной составляющих. Преимуществом такой реализации является возможность уменьшения влияния шумов на результат измерения, поскольку в АСФАПЧ (201) существуют дополнительные меры увеличения отношения сигнал/шум. Алгоритм работы цифровой части данного способа реализации аналогичен тому, как он описан для предыдущего способа.[0039] In this case, it is required to sample three signals: the in-phase and quadrature components of the first signal and the second signal. The need to sample an additional signal leads to the appearance of additional errors associated with different propagation paths of the in-phase and quadrature components. The advantage of this implementation is the ability to reduce the effect of noise on the measurement result, since in APLL (201) there are additional measures to increase the signal-to-noise ratio. The algorithm of operation of the digital part of this method of implementation is similar to how it is described for the previous method.
[0040] АСФАПЧ (201) обеспечивает возможность подачи на вход первого входного сигнала x1(t) и формирования на его основании синфазного и квадратурного сигналов и разность фаз между которыми равна 90°, которые передаются на вход первому и второму устройству дискретизации (202, 203).[0040] The APLFC (201) provides the ability to supply the first input signal x 1 (t) to the input and form in-phase and quadrature signals based on it and the phase difference between which is equal to 90°, which are transmitted to the input of the first and second sampling devices (202, 203).
[0041] Первое устройство дискретизации (202) обеспечивает получение из синфазного сигнала цифровой сигнал для его последующей передачи в фазовый детектор (205). Второе устройство дискретизации (203) обеспечивает получение из квадратурного сигнала цифровой сигнал и его последующую передачу в фазовый детектор (206). Третье устройство (204) дискретизации обеспечивает получение из второго входного сигнала x2(t) цифрового сигнала х2[k] и его передачу в фазовые детекторы (205, 206).[0041] The first sampler (202) obtains from the in-phase signal digital signal for its subsequent transfer to the phase detector (205). The second sampler (203) obtains from the quadrature signal digital signal and its subsequent transfer to the phase detector (206). The third sampling device (204) provides a digital signal x 2 [k] from the second input signal x 2 (t) and its transmission to the phase detectors (205, 206).
[0042] Фазовые детекторы (205, 206) формируют на выходах сигналы I и Q, пропорциональные разности фаз между квадратурными цифровыми сигналами и и вторым цифровым сигналом х2[k], получаемых на их входах.[0042] The phase detectors (205, 206) output I and Q signals proportional to the phase difference between quadrature digital signals and and the second digital signal x 2 [k] received at their inputs.
[0043] Сумматоры-накопители Σ (207, 208) работают аналогичным образом, как и в схеме (10), и обеспечивают возможность выделения постоянной составляющей сигналов I и Q на выходах фазовых детекторов (205, 206).[0043] Adders-accumulators Σ (207, 208) operate in the same way as in circuit (10), and provide the ability to extract the DC component of the I and Q signals at the outputs of the phase detectors (205, 206).
[0044] Счетчик N состояний (209) обеспечивает подсчет тактовых импульсов измерения фаз сигналов и сброса через N тактов времени из его состояния в нулевое значение и выдачи импульса окончания измерения.[0044] The counter of N states (209) counts the clock pulses for measuring the phases of the signals and resets after N clock cycles from its state to zero and outputs a measurement termination pulse.
[0045] Вычислительное устройство (210) реализует вычислительный алгоритм для оценки разности фаз по полученным значениям сигналов I и Q, обработанных фазовыми детекторами (205, 206).[0045] The computing device (210) implements a computing algorithm for estimating the phase difference from the received values of the I and Q signals processed by the phase detectors (205, 206).
[0046] Вычислительное устройство (109, 210) в каждой из представленных схем устройств (10, 20) реализует процедуру окончательного вычисления измеряемой разности фаз. Определение разности фаз осуществляется по предварительно полученной калибровочной кривой, учитывающей неидеальность получения синфазной и квадратурной составляющей, задержки сигналов в схеме измерения, переходные характеристики D-триггеров. Пример калибровочной кривой приведен на Фиг. 5.[0046] The computing device (109, 210) in each of the presented device diagrams (10, 20) implements the procedure for the final calculation of the measured phase difference. The determination of the phase difference is carried out according to a previously obtained calibration curve, which takes into account the non-ideality of obtaining the in-phase and quadrature components, signal delays in the measurement circuit, and transient characteristics of D-flip-flops. An example of a calibration curve is shown in Fig. 5.
[0047] Как представлено на Фиг. 6 вычислительное устройство (109, 210) выполняет оценку разности фаз по полученным сигналам I и Q в соответствии с заданным алгоритмом. На Фиг. 6 толстым линиям соответствуют значения I и Q для идеального измерителя разности фаз, тонким линиям соответствуют значения I и Q реального измерителя разности фаз, штрихпунктирными линиями обозначены границы областей I, II, III, IV и V в соответствии с которыми вычислительное устройство выполняет вычисление разности фаз.[0047] As shown in FIG. 6, the computing device (109, 210) evaluates the phase difference from the received I and Q signals in accordance with a predetermined algorithm. On FIG. 6 thick lines correspond to the I and Q values for an ideal phase difference meter, thin lines correspond to the I and Q values of a real phase difference meter, dash-dotted lines indicate the boundaries of regions I, II, III, IV and V, in accordance with which the computing device calculates the phase difference .
[0048] При попадании значений I и Q в область I вычислительное устройство (109, 210) выносит оценку разности фаз как среднее арифметическое оценок разности фаз по значениям I и Q. При попадании значений I и Q в области II, III, IV или V вычислительное устройство (109, 210) определяет оценку разности фаз через аппроксимацию нелинейный части по заранее калиброванным значениям.[0048] When the values of I and Q fall into region I, the computing device (109, 210) makes an estimate of the phase difference as the arithmetic average of the phase difference estimates for the values of I and Q. When the values of I and Q fall into region II, III, IV or V the computing device (109, 210) determines the estimate of the phase difference through the approximation of the non-linear part of the pre-calibrated values.
[0049] За значение разности фаз (угла) принимается значение точки на калибровочной кривой (Ical, Qcal), при котором расстояние между точками (I, Q) и (Ical, Qcal) будет минимальным. Операция вычисления разности фаз по полученным значениям I и Q выполняется в устройстве (109, 210).[0049] The value of the phase difference (angle) is the value of the point on the calibration curve (I cal , Q cal ), at which the distance between the points (I, Q) and (I cal , Q cal ) will be minimal. The operation of calculating the phase difference from the obtained values of I and Q is performed in the device (109, 210).
[0050] Реализация модели приводит к повышению точности измерения разности фаз двух сигналов, в том числе аналоговых гармонических сигналов при использовании компараторов для их оцифровки, при простоте цифровой реализации.[0050] The implementation of the model leads to an increase in the accuracy of measuring the phase difference of two signals, including analog harmonic signals when using comparators for their digitization, with the simplicity of digital implementation.
[0051] Предлагаемый способ за счет применения в схемах устройств (10, 20) двух фазовых детекторов позволяет исключить необходимость определения сигнала полярности, а также усовершенствовать алгоритм вычисления разности фаз с учетом компенсации. Реализация модели приводит повышению точности измерения разности фаз двух сигналов, в том числе аналоговых гармонических сигналов при использовании компараторов для их оцифровки, при простоте цифровой реализации.[0051] The proposed method, due to the use of two phase detectors in the circuits of devices (10, 20), eliminates the need to determine the polarity signal, and also improves the algorithm for calculating the phase difference, taking into account compensation. The implementation of the model leads to an increase in the accuracy of measuring the phase difference of two signals, including analog harmonic signals when using comparators for their digitization, with the simplicity of digital implementation.
[0052] В целях проверки предлагаемого способа высокоточного измерения разности фаз были проведены испытания, результаты которого представлены на Фиг. 5. В качестве примера тестовое устройство было реализовано по структурной схеме, представленной на Фиг. 4. Для множества значений разностей фаз, состоящего из 280 различных значений, было выполнено измерение значений I и Q. Тестовые разности фаз расположены случайным образом на отрезке (0, 360] градусов, величина N=65536. В реальном устройстве наблюдался небольшой сдвиг фазы синфазной и квадратурной составляющих, что выражается в преобразовании прямоугольника в параллелограмм. Испытания показали работоспособность предлагаемого способа определения разности фаз.[0052] In order to verify the proposed method for high-precision measurement of the phase difference, tests were carried out, the results of which are presented in FIG. 5. As an example, the test device was implemented according to the block diagram shown in FIG. 4. For a set of phase differences consisting of 280 different values, I and Q values were measured. and quadrature components, which is expressed in the transformation of a rectangle into a parallelogram.Tests have shown the efficiency of the proposed method for determining the phase difference.
[0053] Использование результатов, приведенных в настоящем описании, позволит повысить точность измерения разности фаз в системах синхронизации, определения местоположения, системах точного времени, высокоточном измерении задержки между сигналами.[0053] The use of the results given in the present description will improve the accuracy of measuring the phase difference in synchronization systems, positioning, precise timing systems, high-precision measurement of the delay between signals.
Источники информации:Sources of information:
1. Roland Е. Best. Phase-Locked Loops: Design, Simulation and Applications. - 6th. - McGraw-Hill Education, 2007.1. Roland E. Best. Phase-Locked Loops: Design, Simulation and Applications. - 6th. - McGraw-Hill Education, 2007.
Claims (40)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775857C1 true RU2775857C1 (en) | 2022-07-11 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1663572A1 (en) * | 1989-06-14 | 1991-07-15 | Предприятие П/Я Г-4056 | Method of determining phase shift |
WO1999018691A1 (en) * | 1997-10-08 | 1999-04-15 | Tropian, Inc. | Digital phase discrimination based on frequency sampling |
US6392494B2 (en) * | 1997-11-26 | 2002-05-21 | Fujitsu Limited | Frequency comparator and clock regenerating device using the same |
US6628276B1 (en) * | 2000-03-24 | 2003-09-30 | Stmicroelectronics, Inc. | System for high precision signal phase difference measurement |
RU2618046C1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") | Method for measuring phase difference and level ratio of two harmonic signals |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1663572A1 (en) * | 1989-06-14 | 1991-07-15 | Предприятие П/Я Г-4056 | Method of determining phase shift |
WO1999018691A1 (en) * | 1997-10-08 | 1999-04-15 | Tropian, Inc. | Digital phase discrimination based on frequency sampling |
US6392494B2 (en) * | 1997-11-26 | 2002-05-21 | Fujitsu Limited | Frequency comparator and clock regenerating device using the same |
US6628276B1 (en) * | 2000-03-24 | 2003-09-30 | Stmicroelectronics, Inc. | System for high precision signal phase difference measurement |
RU2618046C1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") | Method for measuring phase difference and level ratio of two harmonic signals |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7127018B2 (en) | Apparatus for and method of measuring clock skew | |
CN110632387B (en) | Harmonic voltage measuring method based on alternating-current quantum voltage | |
TWI395955B (en) | Probability density function separating apparatus, probability density function separating method, testing apparatus, bit error rate measuring apparatus, electronic device, and program | |
JP3609740B2 (en) | Phase noise waveform quality scale measuring apparatus and measuring method thereof | |
JP3838654B1 (en) | Time interval measuring device and jitter measuring device | |
CN113466670B (en) | Time delay measuring circuit, AC calibration device and IC measuring device | |
CN108318737A (en) | A kind of high accuracy number phase detecting method | |
JP2017040646A (en) | Test and measurement instrument and method of determining s-parameter | |
JP2004501362A (en) | Adjust data over time | |
US6737852B2 (en) | Clock skew measuring apparatus and method | |
RU2775857C1 (en) | Apparatus and method for accurate measurement of the phase difference between signals using quadrature components (variants) | |
US20020136337A1 (en) | Method and apparatus for high-resolution jitter measurement | |
US10534018B1 (en) | Time base correction method for high accuracy sampling scope-based measurements | |
Petrović et al. | Algorithm for Fourier coefficient estimation | |
US8023534B2 (en) | Signal processor latency measurement | |
CN114047683B (en) | Time interval measuring method and device based on orthogonal sampling interpolation | |
CN109521269A (en) | A kind of am signals digitlization frequency measuring method | |
Baud et al. | Analog and digital implementation of an accurate phasemeter for laser range finding | |
Yun et al. | Sub-Nyquist sampling and measurement of MPSK signal based on parameter matching | |
Exel et al. | Direct-digital time-domain oscillator stability measurement | |
RU2225012C2 (en) | Phase-meter | |
RU2591742C1 (en) | Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor | |
CN114184099B (en) | Method and device for measuring fuze time delay | |
US20060176979A1 (en) | Wave detection device, method, program, and recording medium | |
CN114325094B (en) | Phase information measuring device and method |