SU980014A1 - Способ измерени фазы сигнала и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Description

Изобретение относится к радиоизмеритепьной технике и может быть использовано для измерения фазы сигнала на фоне шума.

Известен способ измерения разности фаз сигналов, обеспечивающий оптималь- ⁵ ное измерение фазы сигнала при наличии некоррелированных помех, основанный на корреляционных методах обработки с помощью перемножителей, фазовращателя на 90°, интеграторов, определителя отношений и преобразователя QrctgflJ .

Недостаток - невысокая точность изза невозможности выполнения в аналоговом виде указанных элементов со строго заданными характеристиками, а также нестабильность во времени и под воздействием изменений среды.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения разности ₂₀ фаз, гармонических сигналов, основанный на сопоставлении полярностей двух сигналов, суммирования интервалов несовпадения с весом Ί, интервалов совпадения положительных полярностей с весом *2* если на ближайшем предшествующем интервале несовпадения полярностей пер вый сигнал был отрицательным, и с весом О, если он был положительным, и интервалов совпадения отрицательных полярностей, взятых с весом '2', если на ближайшем предшествующем интервале несовпадения полярностей первый сигнал был положительным, и с весом О', если он был отрицательным £2j .

Йедостаток этого способа — низкая точность при наличии некоррелированных помех.

Известно устройство, обеспечивающее оптимальное измерение фазы сигнала, состоящее из полосового фильтра, преобразователя напряжения в код, генератора дискретных аргументов, тригонометрических преобразователей, линий задержки, генератора дискретных амплитуд и блока определения отношения. Благодаря цифровому выполнению, параметры этого устрой ства могут быть выдержаны с любой ТОЧНОСТЬЮ [3]..

Однако повышение точности связано с серьезным усложнением аппаратуры, а именно, с созданием многоразрядного аналого-цифрового преобразователя и элементов спецвычислителя большой разрядности. Другим его недостатком является наличие погрешностей специфичных для устройств цифровой фильтрации, а именно погрешностями дискретизации и квантования, погрешностью вносимой полосовым фильтром и др.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, реализующее способ определения разности фаз гармонических сигналов, и содержащее два формирова980014 4 рого сумматора соединены с выходами третьего элемента совпадения и первого инвертора, входы преобразователя кодфаза соединены с выходами первого и ₅ второго сумматоров, выход формирователя подключен также к первым входам третьего и четвертого элементов совпадения, выход первого элемента совпадения через второй инвертор соединен с первым входом первого сумматора, выход второго элемента совпадения соединен с вторым входом первого сумматора, а выход четвертого элемента совпадения соединен с входом первого инвертора.

Сумматоры выполнены в виде двух элементов совпадения, к входам которых подключен генератор импульсов счета, теля, два инвертора, четыре элемента совпадения, триггер, суммирующий и усредняющий блок £2 J . ₂₀

Недостаток его - низкая точность при наличии некоррелированных помех.

Цель изобретения - повышение точности измерения фазы сигнала при наличии некоррелированных помех. ₂₅

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения фазы сигнала, по которому сопоставляют полярности сигнала с полярностью опорного колебания и формируют первую нормированную к периоду сигйала сумму интервалов совпадения и несовпадения полярностей, полярность сигнала дополнительно сопоставляют с полярностью сдвинутого на 90° опорного колебания и формируют вторую нормированную сумму совпадения и несов-³⁵ падения полярностей, причем суммы формируют, беря интервалы совпадения со знаком плюс, интервалы несовпадения со знаком минус, а опенку фазы получают прибавлением 7С/2 к взятому с обратным ⁴⁰ знаком значению первой суммы, если вторая сумма отрицательна, или прибавлением 3/4717 к значению первой суммы, если вторая сумма положительная,В устройство для осуществления спо- ⁴⁵ соба измерения фазы сигнала, содержащее четыре элемента совпадения, формирователь, соединенный с первыми входами первого и второго элементов совпадения, ' два инвертора и сумматор, введены два 50 генератора опорного сигнала, второй сумматор и преобразователь код-фаза, причем выход первого генератора опорного сигнала соединен с вторыми входами первого и второго элементов совпадения, 55 выход второго генератора опорного сигнала - с вторыми входами третьего и четвертого элементов совпадения, входы вто а выходы соединены с входами реверсивного счетчика, выходы которого соединены с выходами сумматора, а входами сумматора соединены с входами двух элементов совпадения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, реализующего способ измерения фазы сигнала,' на фиг. 2 графики, поясняющие работу устройства для осуществления способа измерения фа,зы сигнала,’ на фиг. 3 - графики зависимости сформированных сумм от разности фаз между входным сигналом и опорными колебаниями (3d и (У) и зависимость полученной оценки фазы от фазы входного сигнала (Зв).

Устройство для осуществления способа измерения фазы сигнала содержит формирователь 1, генераторы 2 и 3 опорных сигналов, элементы 4-9 совпадения, сумматоры 10 и 11, инверторы 12 и 13, генератор 14 импульсов счета, реверсивный счетчик 15 и преобразователь 16 код-фаза.

Устройство работает следующим об разом.

Входной сигнал (фиг. 2а) поступает

U(-t)’V(t)cos

Ot+4₀W(-t)J на вход формирователя 1. На выходе формирователя 1, обладающего характеристикой идеального ограничителя, образуется сигнал COS twlt4(-t)l-Vo)]^T'^e· сигнал, у которого разI рушена информация об амплитуде сигнала, представляющий собой меандровое колебание с единичной амплитудой (фиг. 2J), поступающий на входы элементов 4-7 совпадения.

Генераторы 2 и 3 опорных сигналов формируют сдвинутые между собой на 90° меандровые колебания '^ и (J₀₂ (фиг. 2$ и?) с периодом Т . Колебание накопления 7/. Зависимость чисел N, и

Мдот фазы входного сигнала показана на фиг. 3q и ί, при этом фаза сигнала определяется относительно фазы опорного колебания ^04 ·

Модуль и знак числа N4 и знак числа поступают на преобразователь 16 кодфаза, который формирует оценку фазы сигнала как

U._Of поступает на вторые входы первого и второго элементов 4 и 5 совпадения, а колебание U₀₂ на вторые входы третьего и четвертого элементов 6 и 7 совпадения. Элементы совпадения формируют на сво- ¹ 5 их выходах логическую '1' при совпадении полярностей и логический О при несовпадении полярностей, поступающих на их входы сигналов. Инверторы 12 и 13 преобразуют 1 в О, и наоборот 10 О в 1.

На выходах инвертора 12 (фиг. 2ж) и второго элемента 5 совпадения ( фиг. 2¾) образуются стробы единичной амплитуды, длительность.которых равна соответственно времени несовпадения и времени совпадения полярностей сигналов Щ и (Jq^· На выходах инЬертора 13 (фиг. 2 ) и третьего элемента 6 совпадения (фиг.2к) образуются стробы единичной амплитуды, ²⁰ длительность которых равна соответственно времени несовпадения и времени совпадения полярностей сигналов Щ и

На фиг. 2d и 2 е показаны результаты сопоставления полярностей сигналов ²⁵ U₄cU _О(и с Несоответственно. При этом интервалам совпадения полярностей придан знак плюс, а интервалам несовпадения полярностей - знак минус.

Можно видеть, что указанное сопостав-30 ление сигнала и опорных колебаний, адекватно их перемножению.

Сумматор 10 работает следующим образом.

На входы входящих в него элементов 35 8 и 9 совпадения поступают временные стробы. На вторые их входы поступают импульсы счета от генератора импульсов 14, и производится заполнение стробов импульсами счета. Полученные пачки 40 импульсов счета на выходе элемента 9 совпадения соответствуют интервалам совпадения полярностей входного и опорного сигналов и поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 15. Пач-₄₅ ки импупьсов с выхода элемента 8 совпадения соответствуют интервалам несовпадения полярностей входного и опорноного сигналов и подаются на вычитающий вход реверсивного счетчика 15. Как видно из фиг. 2, сумма сигналов (фиг. 2 ж .

с учетом того, что сигнал (фиг. 2ж) суммируется со знаком минус, равна произведению сигналов (J< и (J _ои (фиг. 2д).

Аналогично работает сумматор 11.

Сумматоры 10 и 11 образуют на своих выходах соответственно алгебраические суммы и количество импупьсов счета, поступающих на их входы за время . _Λ (90°-φβ

4ι>0, где

90N<.,jo¹ Ηη,ακ ’ ^{г N}max ¹

N max -T£ot

- частота колебаний генератора импульсов счета.

График зависимости оценки фазы от фазы входного сигнала показан на фиг.З^, откуда видно, что оценка фазы с точностью до флюктуационной погрешности повторяет фазу входного сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ в отличие от известного свободен от погрешностей нелинейного характера и обеспечивает оптимальное измерение фазы сигнала.

Как оптимальный измеритель фазы предлагаемое устройство, осуществляющее способ измерения фазы, сочетает в себе достоиства аналоговых и цифрового устройств измерения фазы, а именно, оно просто в исполнении, так как реализовано полностью на цифровых интегральных схемах, его характеристики стабильны и легко поддаются перестройке в широком диапазоне. Оно свободно от' неточности, нестабильности и трудности перестройки аналоговых устройств, а также от недостатков устройств, основанных на цифровой фильтрации, заключающихся в нестабильности фазового сдвига в полосовом фильтре, погрешностях дискретизации и квантования, аппаратурной сложности.

Claims (3)

1. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относитс  к радаоизме р(итепьной технике и может быть использовано дл  измерени  фазы сигнала на фоне шума. Известен способ измерени  разности фаз сигналов, обеспечивакшшй оптимальное измерение фазы сигнала при наличии некоррелированных помех, основанный на коррел5П1Ионных методах обработки с помощью перемножителей, фазовращател  на ЭО, интеграторов, опредетггел  отнсшений и преобразовател arctd lj Недостаток - невысока  точность изза невозможности вьшолнени  в аналоговом виде указанных элементов со строго заданными характеристиками, а также нестабильность во времени и под воздействием изменений среды. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  епособ опрёдбйбми  рйёИОЬТИ фаз, гармонических сигналов, основанный на сопоставлении пол рностей двух сигналов , суммировани  интервалов несовпадени  с весом I, интервалов совпадени положтельных пол рностей с весом 2 если на ближайшем предшествующем интервале несовпадени  пол рностей пер вый сигнал был отрицательным, и с весом О, если он был полойсительным, и интервалов совпадени  отрицательных пол рностей, вз тых с весом 2, если на ближайшем предшествующем интервале несовпадени  пол рностей первый сигнал был положительным, н с весом О, ecjiH он был отрицательным 2 , Недостаток этого способа - низка  точность при наличии некоррелированных помех.. Известно устройство, обеспечивающее оптимальное измерение фазы сигнала, состо щее из полосового фильтра, преобразовател  напр жени  в код, генератора дискретных аргументов, тригонометрических преобразователей, линий задержки, генератора дискретньгх амплитуд и блока определени  отношени . Благодар  цифровому выполнению, параметры этого устройства могут быть выдержаны с любой точностью С ЗЗ Однако повышение точности св зано с серьезным усложнением аппаратуры, а именно, с созданием многоразр дного аналого-пифрового преобразовател  и эле ментов спецвычислитал  большой разр дности . Другим его недостатком  вл етс  наличие пoгpeшнocteй специфичных дл  устройств цифровой фильтрации, а именно погрешност ми дискретизации и квантова ни , погрешностью вносимой полосовым фильтром и др. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство, реализующее способ определени  разности фаз гармонических сигналов, и содержашее два формирова тел , два инвертора, четыре элемента совпадени , триггер, суммирующий и усредн юший блок 21 . Недостаток его - низка  точность при наличии некоррелированных помех. Цель изобретени  - повышение точнос ти Измерени  фазы сигнала при наличии некоррелированных помех. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени  фазы сигнала, по которому сопоставл ют пол рности си нала с пол рностью опорного колебани  И формируют первую нормированную к периоду сигйала сумму интервалов совпадени  и несовпадени  пол рностей, пол рность сигнала дополнительно сопостав л ют с пол рностью сдвинутого на ЭО опорного колебани  и формируют вторую нормированную сумму совпадени  и несов падени  пол рностей, причем суммы формируют , бер  интервалы совпадени  со знаком плюс, интервалы несовпадени  со знаком минус, а оценку фазы получают прибавлением ТС/2 к вз тому с обратны знаком значению первой суммы, если втора  сумма отрицательна, или прибавлением 3/4Tt к значению первой суммы если втора  сумма положительна . В устройство дл  осуществлени  способа измерени  фазы сигнала, содержашее четыре элемента совпадаш , формирователь , соединенный с первыми входами первого и второго элементов совпадени  два инвертора и сумматор, введены два генератора опорного сигнала, второй сумматор и преобразователь код-фаза, пртгчем выход первого генератора опорно го сигнала соединен с вторыми входами первого и второго элементов совпадени  выход второго генератора опорного сигна ла - с вторыми входами третьего и четвертого элементов совпадени , входы вто 9 4 рого сумматора соединены с выходами третьего элемента совпадени  и первого инвертора, входы преобразовател  кодфаза соединены с выходами первого и второго сумматоров, выход формировател  подключен также к первым входам третьего и четвертого элементов совпадени , выход первого элемента совпадени  через второй инвертор соединен с первым входом первого сумматора, выход второг . элемента совпадени  соединен с вторым входом первого сумматора, а выход четвертого элемента совпадени  соединен с входом первого инвертора. Сумматоры выполнены в виде двух элементов совпадени , к входам которых подключен генератор импульсов счета, а выходы соединены с входами реверсивного счетчика, выходы которого соединены с выходами сумматора, а входами сумматора соединены с входами двух элементов совпадени . На фиг. 1 Изображена функциональна  схема устройства, реализующего способ измерени  фазы сигнала, на фиг. 2 графики , по сн ющие работу устройства дл  осуществлени  способа измерени  фа- .зы сигнала, на фиг, 3 - графики зависимости сформированных сумм от разности фаз между входным сигналом и опорными колебани ми (ЗО и о) и зависимость полученной оценки фазы от фазы входного сигнала (Зв). Устройство дл  осуществлени  способа измерени  фазы сигнала содержит формирователь 1, генераторы 2 и 3 опорных сигналов, элементы 4-9 совпадени , сумматоры 10 и 11, инверторы 12 и 13, генератор 14 импульсов счета, реверсивный счетчик 15 и преобразователь 16 код-фаза. Устройство работает следующим .Ua)7V(t)COS Входной сигнал UJi+4of ЧН} {фиг. 2а) поступает на вход формировател  1. На выходе формировател  1, обладающего характеристикой идеального ограничител , образуетс  сигнал O.-SiOH COS u;tt4(-fe)Yo)Te. сигнал, у которого разрушена информаци  об амплитуде сигнала, представл ющий собой меандровое колебание с единичной амплитудой (фиг. ), поступаЮ1дий на входьт элементов 4-7 совпадени . Генераторы 2 и 3 опорных сигналов формируют сдвинутые между собой на 90 меандровые колебани П и ( (фиг. 2 и7) с периодом Т . Колебание 5Эв ,р поступает на вторые входы первого и второго элементов 4 и 5 совпадени , а колебайие UQ на вторые входы третьего и четвертого элементов 6 и 7 совпадени  Элементы совпадени  формируют на своих выходах логическую при совпадении пол рностей и логический О при несовпадении пол рностей, поступающих на их входы сигналов. Инверторы 12 и 13 преобразуют 1 в О, и наоборот О в 1. На выходах инвертора 12 (фиг. 2ж) и второго элемента 5 совпадени  ( фиг. 2 образуютс  стробы единичной амплитуды, длительность.которых равна соответственно времени несовпадени  и времени совпа дени  пол рностей сигналов U и UQ/IНа выходах ипЬертора 13 (фиг. 2 ) и третьего элемента 6 совпадени  (фтп.2к) образуютс  стробы единичной амплитуды, длительность которых равна соответственно времени несовпадени  и времени совпадени  пол рностей сигналов Щ и OQ. На фиг. 2д и 26 noKaaaitbi результаты сопоставлени  пол рнос1ей сигналов , и с Уо соответственно. При этом интервалам совпадени  пол рностей придан знак плюс, а интервалам несовпадени  пол рностей - знак минус. Можно видеть, что указанное сопостав ление сигнала и опорных колебаний, адекватно их перемножению. Сумматор 10 работает следующим образом . На входы вход щих в него элементов 8 и 9 совпадени  поступают временные стробы. На вторые их входы поступают импульсы счета от генератора импульсов 14, и производитс  заполнение стробов импульсами счета. Полученные пачки импульсов счета на выходе элемента 9 совпадени  соответствуют интервалам совпадени  пол рностей входного и опорного сигналов и поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 15. Пачки импупьсов с выхода элемента 8 совпадени  соответствуют интервалам несовпадени  пол рностей входного и опорноного сигналов и подаютс  на вычитающий вход реверсивного счетчика 15. Как видно из фиг. 2, сумма сигналов (фиг. 2 ж и) с учетом того, что сигнал (фиг. 2ж) суммируетс  со знаком минус, равна произведению сигналов и и ои (фиг. 2д). Аналогично работает сумматор 11. Сукл1аторы 1О и 11 образуют на своих выкодак соответственно алгебраические суммы W и Wj количество импульсов счета , поступающих на их входы за врем  46 накоплени  Т. Зависимость чисел N и фазы входного сигнбша показана на фиг, Зо и ff, при этом фаза сигнала определ етс  относительно фазы опорного колебани  УО Модуль и знак числа N и знак числа М/2 поступают на преобразователь 16 кодфаза , который формирует оценку фазы сигнала как . л (90°-Г, , o|l70°f f -H/7U, , ..о 90N- , 90М. ы -Tf 1 ы л./ а wajc - так fg - частота колебаний генератора импульсов счета. График зависимости оценки фазы от фазы входного сигнала показан на ф(П.3, откуда видно, что оценка фазы с точностью до флюктуационной погрешности повтор ет фазу входного сигнала. TaKTiM образом, предлагаемый способ в отличие от известного свободен от погрешностей нелинейного характера и обеспечивает оптимальное измерение фазы сигнала. Как оптимальный измеритель фазы предлагаемое устройство, осушествл юшее способ измерени  фазы, сочетает в себе достоиства аналоговых и цифрового устройств измерени  фазы, а именно, оно прюсто в исполне1щи, так как реализовано полностью на цифровых интегральных схемах , его характеристики стабильны и легко поддаютс  перестройке в штфоком диапазоне. Оно свободно от неточности, нестабильности и трудности перестройки аналоговых устройств, а также от недостатков устройств, основанных на 1шфровой фильтрации, заключающихс  в нестабильности фазового сдвига в полосовом фильтре , погрешност х дискретизации и квантовани , аппаратурной сложности. Формула изобретени  1. Способ Измерени  фазы сигнала, по которому сопоставл ют его пол рности с пол рностью опорного колебани  и формируют первую норкгарованную к периоду сигнала сумму интервалов совпадени  и несовпадени  пол рностей, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , пол рность сигнала дополнительно сопоставл ют с пол рностью сдвинутого на 90 опорного колебани  и формируют вторую нормированную сумму совпадени  и несовпадени  со знаком плюс, интервалы несовпа дени  со знаком минус, а оценку фазы получают прибавлением W2 к вз тому с обратным знаком значению первой суммы , если втора  сумма отрицательна, ига прибавлением зиачению перво суммы, если втора  сумма положительна. 2, Устройство дл  осуществлени  способа измерени  фазы сигнала, содержаще четыре элемента совпадени , формирователь , соединенный с первыми входами первого и второго элементов совпадени , два инвертора и сумматор, отличаю щеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени , в него введены два генератора опорного сигнала, второй сум матор и преобразователь код-фаза, приче выход первого генератора опорного сигнала соединен с вторыми входами первого и второго элементов совпадени , выход второго генератора опорного сигна ла - с вторыми входами третьего и четвертого элементов совпадени , входы вто рого сумматора соединены с выходами .третьего элемента совпадени  и первого инвертора, входы преобразовател  кодфаза соединены с выходами первого и второго сумматоров, выход формировател  подключен также к первым входам третьего и четвертого элементов совпадени , выход первого элемента совпадени  через второй инвертор соединен с первым входом первого сумматора, выход второго элемента совпадени  соединен с вторым входом первого сумматора, а выход четвертого элемента совпадени  соединен с входом первого инвертора. 3. Устройство по п. 2, о т л И ч а ю -J щ е е с   тем, что сумматоры выполнены в виде двух элементов совпадени , к входам которых подключен генератор импульсов счета, а выходы соединены с входами реверюцрного счетчика, выходы которого соединены с выходами сумматора, входы сумматорй соединень с входами двух элементов совпадени . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 174711, кл. GOlR 25/ОО, 1964.
2. 2.Авторское свидетельство СССР МЬ 226723, кл. GOIR 25/00, 1967.
3. 3.Авторское свидетельство СССР № 412565, кл. GOlp 25/00, 1972.

   . /

   90

   4

   -H,

   r

   360

   г70

   т

   г