SU1679405A1 - Цифровое устройство дл измерени фазы сигнала - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в технике св зи, радионавигационных системах , физических приборах. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  фазы и упрощение i устройства. Устройство содержит полосовой фильтр 1, преобразователь напр жени  в код 2, сумматор 3, регистры 4 и 5, вычислитель фазы 6, блок 7 управлени . Особенностью изобретени   вл етс  то, что дл  выделени  сигнала из помех использован согласованный цифровой фильтр, два отсчета на выход которого в момент окончани  действи  сигнала используютс  дл  вычислени  фазы сигнала по алгоритму Волдера. При этом удвоение частоты дискретизации относительно минимальной по Найквисту-Котель- никову позвол ет исключить операции умножени . 3 ил.

Description

сл

с

Os

4 VI О Јь О СП

Фиг. /

Изобретение относитс  к радиоизмерени м , может быть использовано в технике св зи, радионавигационных системах, физических приборах.

Цель изобретени  - повышение точности и упрощение устройства при измерении синусоидальных сигналов.

На фиг. 1 приведена структурна  электрическа  схема цифрового устройства дл  измерени  фазы сигнала; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг. 3 - структурна  электрическа  схема блока управлени .

Цифровое устройство дл  измерени  фазы сигнала включает полосовой фильтр 1, преобразователь 2 напр жение - код, сумматор 3, первый 4 и второй 5 регистры, вычислитель 6 фазы, блок 7 управлени . Вход полосового фильтра 1  вл етс  входом устройства , выход полосового фильтра 1 соедин етс  с входом преобразовател  2 напр жение - код, к выходу которого подключен первый вход сумматора 3, выход последнего соединен с последовательно соединенным первым 4 и вторым 5 регистрами , выход второго регистра 5 подключен к второму входу сумматора 3. Выходы регистров 4 и 5 соедин ютс  соответственно с первым и вторым входами вычислител  6 фазы. Первый выход блока 7 управлени  соединен с вторым входом преобразовател  2 напр жение - код, а первый и второй выходы его подключены соответственно к входам регистров 4 и 5, входам вычислител  6 фазы, выход которого  вл етс  выходом устройства.

Оптимальное выделение из помехи гармонического сигнала вида

S(nT) gcsln(WcT+ p);

п 0,1,2N-1,(1)

где (Ос углова  частота сигнала;

р- начальна  фаза;

Т - период дискретизации, обеспечиваетс  цифровой согласованной фильтрацией сигнала, осуществл емой в цифровом фильтре с импульсной характеристикой:

hn (slncocT)1 sin (n + 1)tyc Т; п 0,1 ,...N-1, (2)

соответствующей передаточной функции рекурсивного цифрового фильтра

H(z) (1 + + z 2r1

где b 2cos (UcT - коэффициент.

Алгоритм работы такого фильтра описываетс  рекуррентным выражением

уп хп-Ьуп-1-уп-2; п 0.1N-1, ( 4)

где хп и уп - отсчеты соответственно входного и выходного сигналов, причем уп 0 при п 0.

При цифровом измерении фаз должно выполн тьс  соотношение

10

If Nfc,

(5)

где fc - частота сигнала;

f& - частота дискретизации; I, N - целые и fA 2fc. Коэффициенты импульсной характери- стики (2) имеют нулевое значение при п N-1;hn-i 0.

Это обсто тельство делает идентичными частотные характеристики фильтра в момент времени NT-N и NT-2T

I ) I A2 (ft/T.n) + B2(u/r,n)Ј , (6)

25

где A (wT, n) У hi sin IcuT; В (еыТ, n):

m cos kuT.

о

Отсчеты у, и выходного сигнала, вы- Зо деленные в моменты стационарного режима NT-T и NT-2T,  вл ютс  отсчетами синусоидального колебани  и могут быть использованы дл  вычислени  фазы.

Показано, что p arctg С t2- -D(7), 35УМ-1

где С cos OfcT и D ctg ufcT - посто нные. Процедура измерени  фазы синусоидального сигнала включает в себ  алго-. ритм цифровой фильтрации (4) и алгоритм

40 вычислени  фазы (7). Упрощение этих алгоритмов возможно при частоте дискретизации входного сигнала Тд 4fc. В этом случае ftfcT л/2 , b О, С 1, D 0, а алгоритм измерени  фазы получает вид

45

Уп хп-уп-2; n 0,1,2N-1(8)

arctg t2-,

УМ-1

причем уп 0 при п. 0. 50 Выполнение соотношени  (5) позвол ет иметь в моменты NT-T и NT-2T идентичные частотные характеристики цифрового фильтра (установившийс  режим работы), благодар  чему отсчеты сигнала на выходе ЦФ в 55 эти моменты времени будут  вл тьс  отсче- тами синусоидального колебани . Действительно , при (5) коэффициент импульсной характеристики (2) hn - 0, поэтому

Н ( N -1) Н (е-1 ,N-2),

что следует из (6). Отсчеты сигнала на выходе ЦФ в моменты времени NT-T и NT-2T сдвинуты относительно входного сигнала на-угол, который определ етс  из фазоча- стотной характеристики фильтра

- «-&$$.

При выполнении (5) 9(fiJfcT, N - (, N - 2) 5 ftfcT,

где искомые отсчеты выходного сигнала можно представить в виде

yN-i ac1sln(),

ум-2 ас 1sln(p - тт - ufcT). i

Преобразуем последнее выражение

W 2 (cosft cT)yN -1 - (slncutT) ac cos(p -т), отсюда

VN-2 (cQSUfcT )ум-1 W (SlnftfcT)yN-1

и ()

Цифровое устройство дл  измерени  фазы сигнала работает следующим образом .

Смесь синусоидального сигнала и помехи через полосовой фильтр 1 полосовой прозрачности Af, определ емой частотой дискретизации 1д входного сигнала x(t) ac.sjn(ufct ), подаетс  на преобразователь 2 напр жение - код, с выхода которого последовательность отсчетов дискретизированного входного сигнала хп - ас sln(ftfcnT + p) в цифровой форме поступает в цифровой согласованный фильтр, состо щий из сумматора 3, регистров 4 и 5 и осуществл ющий оптимальное выделение синусоидального сигнала из помех в течение интервала времени наблюдени  NT. Выход сумматора 3  вл етс  выходом этого фильтра, первый 4 и второй 5 регистры служат дл  запоминани  двух предыдущих отсчетов выходного сигнала, который образуетс  сложением в сумматоре 3 входного сигнала и сигнала с инверсного выхода второго регистра 5. Вычислитель 6 фазы определ ет значение фазы р, использу  отсчеты выходного сигнала цифрового

согласованного фильтра в момент окончани  выделени  синусоидального сигнала. Вычисление фазы производитс  по алгоритму Волдера с помощью простых операций

5 сдвига и сложени .

Блок 7 управлени  генерирует две серии импульсов, обеспечивающих работу измерител  фазы.

Согласно прин тому алгоритму дл  од0 ного измерени  фазы синусоидального сигнала в цифровом фильтре должна быть обработана реализаци  цифрового сигнала, состо ща  из N отсчетов. Частота дискрети- зации/Рд входного сигнала вустройстве при5 нимаетс  равной учетверенной частоте синусоидального колебани  f 4f , поэтому отсчеты оценок фазы (р на выходе устройства при поточной обработке сигнала по вл ютс  с интервалом, равным N/f, т.е.

0 с частотой

тдч, fo/N 4fc/N.

При таком соотношении частот дискре- 5 тизации входного и выходного сигналов обеспечиваетс  некоррелированность результатов измерени  фазы.

В изобретении алгоритм работы цифрового фильтра имеет вид

р

Уп хп-уп-2: п 0,1,2N-1,

где уп у(пТ), хп х(пТ),

и реализуетс  схемой, содержащей сумма5 тор и два регистра. Цифрова  фильтраци  осуществл етс  при подаче серии U1 импульсов дискретизации с частотой Тд одновременно на входы синхронизации ИС регистров 4 и 5, а серии U2 импульсов с

0 частотой тду- на входы сброса этих ИС (временна  диаграмма работы цифрового фильтра показана на фиг. 2). Правильность работы цифрового фильтра обеспечиваетс  заданием длительности Ти

5 импульсов дискретизации, удовлетвор ющим соотношению

/

Трг Ти Трг4 Тем,

где ГрГ игсм - задержки импульса соответ- 0 ственно в регистре и сумматоре. Использование серии U1 и U2 в схеме Волдера аналогично.

Моментом окончани  выделени  синусоидального сигнала при каждом измере- 5 нии фазы можно считать задний фронт (N-1)-ro импульса дискретизации входного сигнала.

Вычислительна  ошибка при М приближени х не превысит величины , т.е. вы-числение фазы при достаточно большом М может быть произведено практически точно. В отсутствие операций умножени  в цифровом фильтре инструментальна  погрешность измерени  фазы св зана с квантованием входного сигнала, при этом практическа  наибольша  ошибка измерени  фазы

$наиб.

гҐгде g - разр дность числовой части отсчета входного сигнала.

Например, при 1 15, g 12, N 60 наибольша  инструментальна  погрешность

равна I- и становитс  по величине

одного пор дка с наибольшей ошибкой, обусловленной входной помехой, лишь при Јнаиб.вх - 2 . Квантование результатов умножени  дает еще большую ошибку

Јнаиб.умн. - 2 Q | Т §наиб.умн.   2 .

Неизбежное при этом квантование коэффициента b приводит к смещению частотной характеристики фильтра, что  вл етс  дополнительным источником погрешности измерени  фазы.

Вычислитель 6 фазы осуществл ет преобразование вида arctg по алгоритму

Вол дера.

Блок 7 управлени  содержит генератор серии импульсов U1 (фиг. 3), следующих с частотой тд. С помощью этой серии генерируетс  и сери  U2, импульсы которой снимаютс  с выхода двоичного счетчика с коэффициентом пересчета, равным N. Сумматор 3, регистры 4 и 5 - параллельного типа, могут быть выполнены так же, как и блоки на ИС серий К155, К133, К555.

Таким образом, исключение операций умножени  при измерении фазы синусоидального сигнала на фоне помех позвол ет не только упростить устройство, но и

повысить инструментальную точность измерени , что позвол ет расширить область применени  такого измерител  фазы. Каскадна  структура устройства позвол ет организовать поточную обработку

сигнала.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Цифровое устройство дл  измерени  фазы сигнала, содержащее цифровой фильтр

   и вычислитель фазы, выход которого  вл етс  выходом устройства, соединенные после- довательно, блок управлени , клемму Вход, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и упрощени 

   устройства при расширении функциональных возможностей, введены полосовой фильтр и преобразователь напр жение - код, соединенные последовательно, цифровой фильтр выполнен в виде сумматора и первого и второго регистров, соединенных последовательно, выход второго регистра соединен с вторым входом сумматора, а выходы первого и второго регистров  вл ютс , соответственно, первым и вторым выходами цифрового фильтра , .причем первый выход блока управлени  соединен с преобразователем напр жение - код, первыми управл ющими входами соответственно первого, второго регистров и вычислител  фазы, второй выход которого соединен с вторыми обнул ющими входами соответственно первого, второго регистров и вычислител  фазы, вход полосового фильтра соединён с клеммой Вход, а выход преобразовател  напр жение - код - с входом цифрового фильтра.

   An. 2.

   Фиг. J