СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДУЛЯЦИИ В ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОМ СИГНАЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для исследования формы модулирующего сигнала с измерением величины девиации фазы, длительности фронтов, периода модулирующего сигнала при контроле устройств, содержащих генераторы фазоманипулированных сигналов.

Известны способы демодуляции фазы, требующие наличия когерентного опорного колебания либо восстановления несущей из исходного сигнала, например, путем удвоения частоты (при манипуляции углом π/4), обработки узкополосным фильтром и последующего сравнения фазы исходного колебания с фазой, выделенной несущей на известных типах фазочувствительных устройств. Задача выделения несущей существенно усложняется, если ожидаемые углы фазовой манипуляции произвольны.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения сдвига фаз в фазоманипулированном сигнале, основанный на формировании массива выборок значений текущей длительности n периодов сигнала при условии, что длительность выборки больше ожидаемой длительности фронта модулирующего напряжения, но меньше половины длительности периода модулирующего напряжения. Каждая выборка формируется путем отсчета заранее выбранного одинакового количества периодов частоты исследуемого сигнала. Путем статистического анализа длительности выборок выделяются массивы, содержащие выборки, имеющие положительные либо отрицательные приращения, т.е. совпавшие с моментом скачка фазы. Путем сравнения их длительности с длительностью аналогичной выборки, соответствующей среднему значению периода, определяется величина фазового набега в среднем по массивам для положительных и отрицательных перепадов модулирующего напряжения.

Известное устройство, реализующее указанный способ, содержит счетчик-периодомер, выполняющий выборки-отсчеты длительности n периодов сигнала, причем временное положение выборок асинхронно с частотой модулирующего напряжения. За время наблюдения должно быть выполнено достаточно большое количество отсчетов, значения которых поступают в ЭВМ, где производится анализ массива выборок по длительности с разделением групп выборок, совпавших с моментами положительных и отрицательных фронтов модуляции от выборок, соответствующих несущей без модуляции, выполнение математических операций по расчету приращения фазы, соответствующего приращению длительности по каждой группе выборок.

В ряде случаев, кроме величины девиации фазы, необходимо измерять длительности фронта и спада модулирующего напряжения, симметрию положительных и отрицательных фазовых скачков и другие детали поведения огибающей модулирующего напряжения. Однако выполнение перечисленных измерений при использовании рассматриваемых способа и устройства невозможно.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет измерения временных и амплитудных параметров модулирующего напряжения фазоманипулированного сигнала без задержки во времени.

Для этого сначала измеряют величину Т_ср среднее значение длительности одного периода сигнала несущей частоты путем усреднения длительности n периодов сигнала в отсутствии модуляции. Далее, задаваясь достаточным для анализа огибающей количеством периодов манипулирующего сигнала, измеряют текущее значение длительностей каждого очередного периода манипулированной несущей и вычисляют величину и знак разностей между Т_ср и текущими значениями длительности очередных периодов несущей. В отсутствии манипуляции или в промежутках между скачками фазы указанные разности в связи с наличием фазовых шумов будут переменными по знаку и близки к нулю по величине. В моменты положительных либо отрицательных фазовых скачков указанные разности приобретают определенные значения и знак в зависимости от скорости и направления изменения огибающей модулирующего напряжения. Далее, суммируя потактно в каждом периоде значения полученных разностей, формируют текущий код временного сдвига каждого периода несущей частоты относительно значения, соответствующего неманипулированной несущей. Числовое значение кода в каждый момент времени определяет величину относительного фазового сдвига исследуемого сигнала.

Сущность предлагаемого способа поясняется фиг.1-4. Среднюю длительность периода немодулированной несущей можно выразить числом
K (1) где Т_i длительность текущих периодов несущей без модуляции;
n число периодов, выбранное для усреднения;
Т_g длительность периода дискретизирующего сигнала.

Длительности текущих периодов при наличии модуляции можно выразить числом
M_j (2) где Т_j длительность периодов несущей во время изменения модулирующего напряжения.

Если в течение времени изменения модулирующего напряжения проходит S периодов несущей, накопленное значение временного (фазового) сдвига S-го периода выразится числом
F_s(K-M_j) (T_ср-T_j)
(3) где Т_ст общее накопившееся смещение на оси времени j-го периода по отношению к его положению при отсутствии модуляции.

При этом величина
(4) является относительным фазовым сдвигом несущей к моменту окончания фронта модулирующего сигнала. При выборе количества периодов n для определения Т_ср достаточно большим, точность измерения текущей фазы будет зависеть прежде всего от величины Т_g. Серийно выпускаемые в настоящее время м/сх серии 100 позволяют снизить значение Т_g до величины 5 Нс и менее. При этом предлагаемый способ можно использовать без существенных погрешностей при частоте несущей 50-100 кГц.

Второй источник погрешности связан с фазовыми шумами колебания несущей частоты. Их наличие приводит к появлению дополнительных временных сдвигов ±Т_ш, отмеченных на фиг.1. Величина Т_ш в принципе может быть как больше, так и меньше значения Т_g. Однако за счет ее случайного характера в процессе суммирования разностей Т_ср-Т_j величина Т_ш, имея различный знак и нулевое среднее, не приводит к накоплению ошибки.

Третий источник погрешности дрейф частоты несущей не существенен, поскольку при величине у стандартных генераторов ±1˙10^-8-1˙10^-9 в минуту изменение Т_ср за время проведения измерения существенно меньше Т_g и может быть учтено периодическим повторным обновлением замера Т_ср.

На фиг. 1-4 в совмещенных осях времени последовательно представлены временные диаграммы модулирующего напряжения (а), изменения периода несущей исследуемого сигнала при осуществлении фазовой модуляции этим напряжением (б), изменения разностей между средним значением периода и текущим значением его при модуляции (в). Поведение суммы разностей в момент действия модулирующего фронта фактически является копией модулирующего воздействия показанного в последнем случае пунктиром (г).

Очевидно, что в случае изменения направления и угла наклона модулирующего напряжения (а), сумма разностей (г) повторит его поведение, отразив в конечном своем значении в любой точке величину набега фазы к данному моменту времени. Несмотря на дискретный характер этого параметра, определение длительности фронта τ_s и периода модулирующего напряжения не вызывает затруднений. Максимальная величина индицируемого набега зависит от разрядности сумматора и может существенно превышать ±2 π. Минимальная величина будет зависеть от степени зашумленности сигнала и в идеальном случае при отсутст-
вии шумов составит величину 2
Предлагаемый способ измерения параметров фазовой модуляции фазоманипулированного сигнала может быть реализован с использованием устройства, один их вариантов которого показан на фиг.2, а временные диаграммы к нему на фиг.3.

Устройство содержит пороговый формирователь 1, первый счетчик, образованный счетчиками 2,3, генератор 4, первый триггер 5, второй и третий счетчики 6, 7, арифметическое устройство 8, блок вычитания 9, коммутатор 10, регистр 11, сумматор 12, первый и второй одновибраторы 13, 14 и схему ИЛИ 15.

Анализируемый сигнал с помощью порогового формирователя 1 преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов, поступающих на счетчик 2 числа импульсов N, выбранных для усреднения. Формируемый счетчиком 2 сигнал поступает на счетчик 3 для определения его длительности путем подсчета тактовых импульсов от высокостабильного генератора 4. С выхода формирователя 1 снимается сигнал для переключения триггера 5. При этом на прямом и инверсном выходе триггера 5 поочередно формируются сигналы, разрешающие счет К-разрядным счетчикам длительности отдельных периодов 6 и 7. Счетные сигналы для счетчиков 6 и 7 формирует генератор 4. Выходной код счетчика 3 по окончании работы счетчика 2 поступает в арифметическое устройство 8, которое осуществляет вычисление среднего значения периода путем деления на n числа, полученного от счетчика 3. По окончании вычисления синхронно с сигналом с выхода формирователя 1 арифметическое устройство 8 осуществляет передачу К-значного кода средней длительности периода в качестве уменьшаемого на вычитающее устройство 9. Одновременно устройство 3 разрешает работу коммутатора 10 и фиксирующего регистра 11. Коммутатор 10 под управлением триггера 5 обеспечивает поочередное прохождение К-значного кода длительности отдельных периодов со счетчиков 6, 7 в качестве вычитаемого на устройство 9. Разность с выхода устройства 9 поступает на сумматор 12 в качестве слагаемого, где складывается с выходным кодом регистра 11. Результат сложения с выхода сумматора 12 поступает на вход регистра 11, запись в который осуществляется по задним фронтам сигналов одновибраторов 13 и 14, поступающих через элемент ИЛИ 15. Одновибраторы 13 и 14, запускаемые сигналами с выходов триггера 5, поочередно формируют импульсы, задними фронтами которых проводится сброс в нулевое состояние счетчиков 6 и 7 и запись в регистр 11. Задержка записи в регистр 11 относительно момента окончания счетчика счетчиков 6 и 7 на время импульса одновибраторов необходима для учета времени распространения сигналов в сумматорах 9, 12. Задержка распространения результатов обнуления счетчиков 6 и 7 в элементах 6 (7), 10, 9, 12 в сравнении с задержкой в элементе 15 гарантирует устойчивую запись результата сумматора 12 в регистр 11. Код в регистре 11 в каждом такте работы триггера 5 характеризует фазовый сдвиг текущего периода по отношению к моменту окончания счета N периодов в счетчике 2. Причем он легко может быть представлен в градусах или радианах, путем сравнения с кодом на выходе устройства 8, эквивалентным 360 град. Дальнейшее использование кода регистра 11 определяется конкретными потребностями анализа. Например, подключение к регистру 11 преобразователя код-аналог позволяет наблюдать с помощью осциллографа текущее поведение фазы анализируемого сигнала. Повторный цикл наблюдения и обновления кода среднего значения периода для исключения накопления упомянутой выше ошибки интегрирования может быть осуществлен обнулением счетчиков 2, 3. Цепи обнуления на фиг.2 не показаны.

Необходимо отметить, что условие отсутствия модуляции в моменты подсчета длительности n периодов для нахождения среднего не является обязательным. Поскольку приращения фазы в фазоманипулированном сигнале в среднем за период манипуляции равны нулю, а разность в числе положительных и отрицательных скачков фазы за время усреднения не может отличаться больше чем на единицу, при большом n ошибка в определении Тср не велика и для малых интервалов наблюдения не ведет к накоплению ошибки. При необходимости учитывать эту поправку можно прерывать счет при условии равенства числа положительных отрицательных сигналов и накопления числа усредняемых периодов не менее n. Тогда накопленное число nс2 в счетчике 2 в момент прерывания должно поступать на вычислитель 8 в качестве делителя в каждом цикле наблюдения. Структурная схема такого варианта устройства приведена на фиг.4. Здесь функции блоков 1,2,3,8 соответствуют функциям блоков на фиг.2. Блоком 21 условно показаны остальные блоки, относящиеся к варианту на фиг.2. Различие заключается в том, что входной сигнал, кроме формирователя 1, поступает на частотный детектор 16, выделяющий скачки частоты в момент фронтов манипуляции. Полученный двухполярный импульсный сигнал через двухполупериодный выпрямитель 17 поступает на счетный триггер 18, обеспечивающий на выходе наличие единичного уровня после четного количества входных импульсов и нулевого после нечетного. Наличие единичного уровня подтверждает прохождение одинакового числа положительных и отрицательных скачков фазы. При достижении значения кода в счетчике 2, равного заданному числу периодов n, срабатывает устройство сравнения кодов 19 и через схему И 20, при четном числе перепадов фазы прерывает счет. Число nс 2, записанное в счетчике 2, поступает в вычислитель 8 для нахождения
T_ср

Использование: радиоизмерение, исследование формы модулирующего сигнала с измерением величины девиации фазы, длительности фронтов, периода модулирующего сигнала при контроле устройств, содержащих генераторы фазоманипулированных сигналов. Сущность изобретения: измеряют длительности текущих периодов сигнала в присутствии модуляции, вычитают потактно значения длительностей текущих периодов из среднего значения длительности T_cp суммируют значения разностей на протяжении интервала наблюдения, при этом фазовый сдвиг сигнала по отношению к фазе немодулированной несущей однозначно соответствует текущему значению полученной суммы, величину T_cp определяют по выражению, приведенному в формуле изобретения. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения параметров модуляции в фазоманипулированном сигнале, включающий измерение средней длительности периодов немодулированной несущей на интервале усреднения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения временных и амплитудных параметров модулирующего сигнала, измеряют длительности текущих периодов сигнала в присутствии модуляции, вычитают потактно значения длительностей текущих периодов из среднего значения длительности T_ср, суммируют значения разностей на протяжении интервала наблюдения, при этом фазовый сдвиг сигнала по отношению к фазе немодулированной несущей однозначно соответствует текущему значению полученной суммы, величину T_ср определяют по формуле

где n количество периодов немодулированной несущей;
T_i значение длительности i-го периода немодулированной несущей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения, выбирают число n периодов в интервале усреднения из условия n 2^m, где m целое число. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при работе с сигналами, не содержащими участка немодулированной несущей, определяют на интервале усреднения наличие положительных и отрицательных сигналов фазы, формирование интервала усреднения прекращают при равенстве количества положительных и отрицательных скачков фазы. 4. Устройство для измерения параметров модуляции фазоманипулированного сигнала, содержащее последовательно соединенные пороговый формирователь и первый счетчик, выходы которого подключены к арифметическому устройству, генератор, выход которого соединен с вторым входом первого счетчика, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены триггер, второй и третий счетчики, схема ИЛИ, коммутатор, блок вычитания, первый и второй одновибраторы, блок суммирования и регистр, при этом первые и вторые входы блока вычитания соединены соответственно с выходами арифметического устройства и выходами коммутатора, первые и вторые входы блока суммирования соединены соответственно с выходами блока вычитания и выходами регистра, информационные входы которого соединены с выходами блока суммирования, а тактовый и управляющий входы регистра соединены соответственно с выходом схемы ИЛИ и управляющим выходом арифметического устройства, первые и вторые входы коммутатора подключены соответственно к выходам второго и третьего счетчиков, а первый, второй и третий управляющие входы коммутатора соединены соответственно с управляющим выходом арифметического устройства, первым и вторым выходами треггера, первый и второй входы схемы ИЛИ подключены соответственно через первый и второй одновибраторы к первому и второму выходам триггера, выход порогового формирователя подключен к управляющему входу арифметического устройства и входу триггера, тактовые входы второго и третьего счетчиков соединены с выходом генератора, входы сброса второго и третьего счетчиков соединены соответственно с выходами первого и второго одновибраторов, а входы разрешения счета соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены частотный детектор, двухполупериодный выпрямитель, второй триггер, схема сравнения кодов и схема И, первый, второй входы и выход которой соединены соответственно с выходом триггера, выходом сравнения кодов и входом первого счетчика, выходы которого соединены с входами схемы сравнения кодов, а выход порогового формирователя через последовательно соединенные частотный детектор и выпрямитель соединен с входом второго триггера.