ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ СИГНАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано при измерении фазы радиосигнала с изменяющимся значением.

Известны измерители фазы сигналов, содержащие подключенные к входу устройства: последовательно соединенные перемножитель, интегратор, вход которого является входом устройства, второй вход перемножителя подключен к выходу генератора копии сигнала.

Однако такие измерители не обеспечивают измерение фазы радиосигнала с быстро изменяющейся амплитудой.

Наиболее близким по технической сущности является измеритель фазы сигналов, содержащий подключенные к входу измерителя последовательно соединенные первый перемножитель, первый интегратор, первый вычислитель отношения, а между входом измерителя и вторым входом вычислителя отношений включены последовательно соединенные второй перемножитель и второй интегратор, вторые входы первого и второго перемножителей подсоединены соответственно к первому и второму выходам генератора копии сигналов, вторые входы первого и второго интеграторов подключены к входу синхронизации устройства, а также содержащий вычислитель arctg, выход которого является выходом измерителя, причем, первый вход делителя соединен со входом вычислителя отношения, второй вход - с выходом блока управления, а выход делителя подключен ко входу вычислителя arctg, первый и второй входы блока управления соединены с третьим и четвертым выходами генератора копии сигналов, третий вход блока управления соединен с выходами синхронизации.

Подобное устройство обеспечивает высокую точность оценки фазы радиоимпульсного сигнала с изменяющейся огибающей амплитуды. Однако, недостатком такого измерителя фазы является увеличение погрешности оценки фазы радиоимпульсного сигнала с изменяющимся средним значением. Так, для сигнала вида
U(t) = S(t)[1 + cos(ω t - ϕ)], (1) где S(t) - огибающая амплитуды радиосигнала,
ω - частота сигнала,
ϕ - фаза радиосигнала; оценка фазы сигнала определяется как
ϕ^*= arctg K , (2) где
α_s = S(t) [1+cos(ωt-ϕ)]sinωtdt =
= S(t)sinωtdt + S(t)dt + S(t)sin2ωtdt +
+ S(t)cos2ωtdt . (3)
α_c = S(t)cosωtdt + S(t)dt - S(t) ×
× cos2ωtdt + S(t)sin2ωtdt . (4)
K = [∫ S²(t)(1-cos2ωt)dt]/[∫ S²(t)(1+cos2ωt)dt] , (5) таким образом,
α_s = sin ϕ (A + C) + D + Bcos ϕ; (6)
α _c = cos ϕ (A - C) + E + Bsin ϕ, (7) где
B = S(t)sin2ωtdt ; A = S(t)dt ; (8)
C = S(t)cos2ωtdt ; (9)
D = S(t)sinωtdt ; (10)
E = S(t)cosωtdt , (11) тогда
ϕ^* = arctg / K . (12)
Решим интегралы (7), (8), (9), (10), (11) и вычислим А, В, С, D, Е.

Видно, что В и D равны "0", тогда подынтегральные функции нечетные при четной S(t).

Вычислим А, например, при S(t) = cosj ωt.

A = S(t)dt = cosjωtdt = =
= = = 0,45 ;
C = cosjωtcos2ωtdt = [cos(jωt+2ωt)+cos(jωt-2ωt)]dt =
= + =
+ = + =
E = cosjωtcosωtdt = [cos(jωt+ωt)+cos(jωt-ωt)]dt =
= - + = 0,06 ;
K = =
= =
=
А = 0,45
С = -0,014
Е = 0,06
К = 0,86, где ϕ - оценка фазы.

При S(t) = cosj ωt; j ωT = ; j = оценка фазы для различных значений ϕ приведена в таблице.

Таким образом, прототип обеспечивает точность погрешности оценки фазы ϕ*, равной 6,7^о.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения фазы радиосигнала с изменяющимся средним значением.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель фазы, содержащий подключенные к сигнальному входу первые входы первого и второго перемножителей, вторые входы которых соединены с генератором копии сигналов, выходы перемножителей соединены с первыми входами первого и второго интеграторов, вторые входы которых соединены с входом синхронизации устройства, а также вычислитель отношений и вычислитель арктангенса, выход которого является выходом всего устройства, дополнительно введены третий и четвертый интеграторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки масштабирования, первый и второй сумматоры, первый и второй вычитатели, формирователь задержки, формирователь строба, причем к входу синхронизации устройства подключен входом формирователь задержки, выход которого через формирователь строба подключен к вторым входам третьего и четвертого интеграторов, первые входы которых соединены с выходами перемножителей соответственно, а выходы третьего и четвертого интеграторов через первый и второй блоки масштабирования соединены с одним из входов соответственно первого и второго сумматоров, другие входы которых подключены к выходам первого и второго интеграторов, первый выход первого сумматора через третий блок масштабирования соединен с первым входом первого вычитателя,второй выход первого сумматора через четвертый блок масштабирования соединен с первым входом второго вычитателя, первый выход второго сумматора через шестой блок масштабирования соединен с вторым входом второго вычитателя, а второй выход второго сумматора через пятый блок масштабирования соединен с вторым входом первого вычитателя, а выходы вычитателей соединены с входами вычислителя отношений, а выход вычислителя арктангенса подключен к входу вычислителя отношений.

Вновь введенные узлы (два интегратора, шесть блоков масштабирования, два сумматора, два вычитателя, формирователь задержки, формирователь строба) выполняют присущие им функции, что в совокупности с другими заявляемыми признаками позволяют исключить влияние изменения среднего значения радиосигнала на результат определения фазы радиосигнала, тем самым повысить точность измерения фазы радиосигнала.

Достижение такого положительного эффекта не вытекает из известных авторам технических решений, поэтому считаем заявляемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - структурная схема генератора копии сигнала.

Устройство содержит перемножитель 1, интегратор 2, сумматор 3, блок 4 масштабирования, вычитатель 5, генератор 6 копии сигналов, интегратор 7, блоки 8, 9 масштабирования, перемножитель 10, интеграторы 11, 12, блок 13 масштабирования, сумматор 14, блок 15 масштабирования, вычитатель 16, вычислитель 17 отношения, вычислитель 18 арктангенса, блок 19 масштабирования, формирователь 20 задержки, формирователь 21 строба. Генератор 6 копии сигнала может быть выполнен по схеме, содержащей генератор 22 модулируемого сигнала, генератор 23 модулирующего сигнала и модуляторов 24, 25.

Устройство содержит подключенные к входу устройства последовательно соединенные перемножитель 1, интегратор 2, а также подключенный к входу устройства перемножитель 10 и интегратор 11, кроме того последовательно соединенные вычислитель 17 отношения и вычислитель 18 арктангенса, выход которого является выходом устройства, а также генератор 6 копии сигналов, выходы которого присоединены соответственно к вторым входам перемножителей 1, 10, кроме того вторые входы интеграторов 2, 11 подключены к входу синхронизации устройства, а также последовательно соединенные формирователь 20 задержки и формирователь 21 строба так, что первый вход интегратора 7 подключен к выходу перемножителя 1, второй вход интегратора 7 подключен к выходу формирователя 21 строба, а выход подключен к входу блока 8 масштабирования, выходом подключенного к первому входу сумматора 3, второй вход которого соединен с выходом интегратора 2, а выход сумматора 3 соединен с входом блока 4 масштабирования, выходом подключенного к первому входу вычитателя 5, второй вход которого соединен с выходом блока 15 масштабирования, входом подключенного к выходу сумматора 14, причем первый вход сумматора 14 подключен к выходу блока 13 масштабирования, входом соединенного с выходом интегратора 12, первый вход которого подключен к выходу перемножителя 10, а второй вход - к выходу формирователя 21 строба, входом подключенного к выходу формирователя 20 задержки, вход которого соединен с входом синхронизации устройства, причем выход вычитателя 5 подключен к первому входу вычитателя 17 отношения, второй вход которого соединен с выходом вычитателя 16, первый вход которого подключен к выходу блока масштабирования 9, входом подключенного к выходу сумматора 3, а второй вход соединен с выходом блока 19 масштабирования, выходом подключенного к выходу сумматора 14, второй вход которого соединен с выходом интегратора 11.

Генератор 6 копии сигналов может быть выполнен по структурной схеме (фиг. 2), где генератор 22 модулируемого сигнала, генератор 23 модулирующего сигнала, модуляторы 24 и 25 выполнены по известным схемам. Выходами генератора 6 копии сигналов являются выходы модуляторов 24, 25, приведенных на фиг. 2.

Формирователи задержки и формирователь строба могут быть реализованы на микросхеме К155АГ3.

Перемножители 1 и 10, интеграторы 2, 7, 11, 12, вычислитель 18 arctg, сумматоры 3 и 14, вычитатели 5 и 16, блоки масштабирования 4, 8, 9, 13, 15, 19, вычислитель отношения 17 могут быть выполнены по известным схемам.

Устройство работает следующим образом. На сигнальный вход устройства поступает сигнал вида (1), фазу ϕ которого надо определитель. С приходом сигнала (начало измерения) на входе синхронизации устройства производится обнуление интеграторов 2, 7, 11, 12.

Под "входом синхронизации" устройства понимается вход, на который поступают синхроимпульсы с внешнего устройства, определяющие момент начала и длительность работы интеграторов Т = 2 π n/ ω, n = 1, 2, 3 (интервал анализа принимаемого сигнала).

На первые входы перемножителей 1, 10 поступают радиосигнал (1). До прихода синхроимпульса интеграторы обнулены и не интегрируют, после поступления синхроимпульса на интеграторах идет накопление информации за время Т на интеграторах 2, 11, и за время Т₁ на интеграторах 7, 12. В известных измерителях фазы сигналов не показан явно вход синхронизации, но нормальное функционирование устройства предполагает, что интегрирование информации, поступающей на интеграторы, производится за интервалы времени Т и Т₁, определяемый временем наблюдения принимаемого радиосигнала. Так как подобные устройства работают с сигналами, ограниченными во времени, то для синхронизации работы узлов с внешнего устройства поступает сигнал синхронизации "Начало измерения".

На гетеродинные входы перемножителей 1 и 10 с выходов генератора 6 копии сигналов поступают ортогональные составляющие копии сигнала соответственно вида
U_вх1 = S(t)sinω t,
U_вх10 = S(t)cos ωt.

После перемножения и интегрирования сигналы поступают на входы сумматоров 3 и 14, на выходах которых формируются напряжения вида соответственно
α_s³ = α_s + k₁ α_s1 = [(A + C) +
+ k₁(A₁ + C₁)]sin ϕ + D + k₁D₁ + (13)
+ (B + k₁B₁)cos ϕ ,
α_c¹⁴ = α_c + k₂ α_c1 = [(A - C) +
+ k₂(A₁ + C₁)]cos ϕ + E + (14)
+ k₂E₄ + (B₁ + k₂B₁)sin ϕ , где k₁ и k₂ - соответственно, коэффициенты блоков масштабирования 8 и 13.

Коэффициенты k₁ и k₂ выбираются таким образом, чтобы удовлетворить следующим отношениям
k₁= - ; (15)
k₂= - . (16)
Причем коэффициенты k₁ и k₂ - величины постоянные для конкретного вида огибающей сигнала S(t) на интервалах времени Т и Т₁ и характеризует отношение синус-(косинус-) Фурье-преобразований огибающей S(t) на этих интервалах времени. Эти коэффициенты во время обработки сигнала с определенной огибающей S(t) не изменяются, но при изменении вида огибающей эти коэффициенты принимают другое значение. Выбор этих коэффициентов основан на априорном знании огибающей сигнала S(t), они вычисляются и устанавливаются перед измерениями и в устройстве в процессе измерений не контролируются.

Напряжения на выходе интеграторов 7 и 12 к концу интервала интегрирования Т₁ имеет вид
U= α_s1= sinϕ(A₁+C₁)+D₁+B₁cosϕ ;
U= α_c1= cosϕ(A₁-C₁)+E₁+B₁sinϕ , где
A₁= S(t)dt ; (17)
B₁= S(t)sin2ωtdt ; (18)
C₁= S(t)cos2ωtdt ; (19)
D₁= S(t)sinωtdt ; (20)
E₁= S(t)cosωtdt (21)
С учетом (13), (14), (15), (16) можно записать:
М = (A + C) + k₁(A₁ + C₁); (22)
N = B + k₁B₁; (23)
P = (A - C) + k₁(A₁ - C₁); (24)
Q = B + k₂B₁; (25) тогда
α_s³ = α_s + k₁ α_s1 =
= Msin ϕ + D + k₁D₁ + Ncos ϕ, (26)
α_c¹⁴ = α_c + k₂ α_c1 =
= Pcos ϕ+ E + k₂E₁ + Qsin ϕ, (27) где коэффициенты М, N, P, Q являются коэффициентами передачи блоков масштабирования, соответственно, 19, 15, 4, 9.

При выполнении соотношений (15), (16) (с учетом (20), (21)) выражения (26), (27) могут быть записаны
α_s³ = Msin ϕ + Ncos ϕ, (28)
α_c¹⁴ = Pcos ϕ + Qsin ϕ. (29)
Практически величина интервала времени Т₁ внутри интервала обработки Т выбирается следующим образом. На первом этапе выбирается интервал времени Т₁, меньший интервала обработки на один период высокочастотного заполнения радиосигнала, т. е. Т₁ = Т - 2 π / ω. Затем вычисляют коэффициенты (20), (21) для этого интервала и сравнивают знаки этих коэффициентов со знаками коэффициентов (10), (11). Выбор интервала Т₁ заканчивается, если противоположны знаки коэффициентов (10) и (20), а также (11) и (21). Если же какой либо из знаков коэффициентов D₁ и Е₁оказывается не противоположным знакам коэффициентов, соответственно D и Е, изменяют интервал времени Т₁ и второе значение интервала Т₁ получают уменьшением интервала обработки Т на два периода высокочастотного заполнения радиосигнала. Затем повторяют вычисление коэффициентов (20), (21) и, если их знаки противоположны знакам коэффициентов (10), (11), выбор интервала Т₁ заканчивают. В противном случае для получения интервала Т₁ уменьшают интервал обработки еще на один период высокочастотного заполнения и повторяют вычисления соответствующих коэффициентов, и т.д.

Выбор и установка интервала Т₁, а также коэффициентов k₁ (15) и k₂(16) осуществляется перед измерением по известным априори характеристикам принимаемого сигнала, в частности, формы огибающей S(t), частоты заполнения ω . Таким образом, обеспечивается обработка сигнала, близкая к оптимальной, и в конечном итоге обеспечивается возможность перехода от соотношений (26), (27) к соотношениям соответственно (28), (29).

Учитывая, что коэффициент передачи блока 4 масштабирования равен Р, блока 15 равен N, блока 19 равен М, блока 9 равен Q, поэтому на выходе вычитателя 5 формируется сигнал
U₅ = U₃P - U₁₄N = α_s³P - α_c¹⁴N, (30) а на выходе вычитателя 16 формируется сигнал
U₁₆ = U₁₄M - U₃Q = α_c¹⁴M - α_s³Q. (31)
Следовательно, на выходе вычислителя 17 отношения формируется сигнал
U₁₇= = . (32)
С учетом выражений (28) и (29) соотношение (32) преобразуется к виду
U₁₇= =
= = tgϕ . (33)
При этом на выходе вычислителя 18 arctg будет сформирована несмещенная оценка фазы
ϕ^* = arctg(tg ϕ). (34)
Следовательно, введение двух интеграторов, шести блоков масштабирования, двух сумматоров, двух вычитателей, формирователя задержки, формирователя строба позволяет полностью исключить составляющую погрешность оценки фазы, обусловленную наличием изменяющегося среднего значения радиосигнала.

Сравнение предлагаемого устройства с известными показывает, что в предлагаемом устройстве полностью исключена погрешность оценки фазы ϕ*, обусловленная наличием среднего значения радиосигнала.

В то же время аналоги обеспечивают точность не лучше ϕ - ϕ* = 6,7^о.

Использование: в фазоизмерительной технике при измерении фазы радиосигнала с изменяющимся средним значением. Применение такого измерителя фазы сигналов наиболее эффективно для оценки фазы высокочастотного колебания сложной формы с малым количеством периодов высокочастотного колебания в импульсе. Сущность: повышение точности измерения фазы радиосигнала обеспечивается путем исключения влияния изменения среднего значения радиосигнала на результат определения фазы радиосигнала. Между выходом первого перемножителя 1 и первым входом вычислителя 17 отношений введены последовательно соединенные третий интегратор 7, первый блок 8 масштабирования, первый сумматор 3, третий блок 4 масштабирования и первый вычитатель 5, а между выходом второго перемножителя 10 и вторым входом вычислителя 17 отношений введены последовательно соединенные четвертый интегратор 12, второй блок 13 масштабирования, второй сумматор 14 , шестой блок 19 масштабирования и второй вычитатель 16, второй выход первого сумматора через четвертый блок 9 масштабирования соединен с другим входом второго вычитателя 16, а второй выход второго сумматора 14 через пятый блок 15 масштабирования подключен к другому входу первого вычитателя 3, при этом к входу синхронизации устройства через последовательно соединенные формирователь 20 задержки и формирователь 21 строба подключены вторые входы третьего 7 и четвертого 12 интеграторов, а выход вычислителя 17 отношений подключен к входу вычислителя 18 арктангенса. 2 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ СИГНАЛОВ, содержащий подключенные к входу измерителя последовательно соединенные первый перемножитель и первый интегратор, а также подключенные к входу измерителя второй перемножитель и второй интегратор и, кроме того, вычислитель отношения и вычислитель арктангенса, выход которого является выходом измерителя фазы, а также генератор копии сигналов, выходы которого присоединены соответственно к вторым входам первого и второго перемножителей, вторые входы первого и второго интеграторов подключены к входу синхронизации измерителя фазы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения фазы радиосигнала с изменяющимся средним значением, введены третий и четвертый интеграторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой блоки масштабирования, первый и второй сумматоры, первый и второй вычитатели, а также подключенные к входу синхронизации измерителя фазы последовательно соединенные формирователь задержки и формирователь строба, причем первый вход третьего интегратора подключен к выходу первого перемножителя, второй вход третьего интегратора подключен к выходу формирователя строба, а выход третьего интегратора подключен к входу первого блока масштабирования, выходом подключенного к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, а выход первого сумматора соединен с входом третьего блока масштабирования, выходом подключенного к первому входу первого вычитателя, второй вход которого соединен с выходом пятого блока масштабирования, входом подключенного к выходу второго сумматора, причем первый вход второго сумматора подключен к выходу второго блока масштабирования, входом соединенного с выходом четвертого интегратора, первый вход которого подключен к выходу второго перемножителя, а второй вход - к выходу формирователя строба, причем выход первого вычитателя подключен к первому входу вычислителя отношений, второй вход которого соединен с выходом второго вычитателя, первый вход которого подключен к выходу четвертого блока масштабирования, входом подключенного к выходу первого сумматора, а второй вход второго вычитателя соединен с выходом шестого блока масштабирования, входом подключенного к выходу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а вычислитель арктангенса подключен к выходу вычислителя отношений.