СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения отклонений мгновенной частоты от номинального значения, для демодуляции ЧМ-сигналов в радиоизмерительных, радиоприемных устройствах, в цифровых телевизионных декодерах СЕКАМ, в радиолокации.

Известно значительное число способов демодуляции дискретного ЧМ-сигнала, измерения частоты гармонических колебаний, подробный обзор которых приведен, например, в [1].

Один из наиболее простых способов заключается в том, что для вычисления значений мгновенной частоты в нем используются три последовательные выборки сигнала, например A₁, A₂ и A₃, на основании которых определяют частоту в соответствии с выражением:

где
T - период дискретизации.

Можно показать, что данный способ оценивания является оптимальным с точки зрения минимума среднеквадратической ошибки измерения. Используемая в нем операция деления на выборку A₂ уменьшает зависимость выходного сигнала от амплитуды несущей, т.е. в определенной степени заменяет амплитудный ограничитель, что особенно важно для демодуляции ЧМ-сигналов.

Вместе с тем наличие операции деления в рассматриваемом способе является его недостатком, поскольку при A₂=0 выполнить ее невозможно.

Развитием данного подхода к измерению частоты является наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению способ [2], включающий, в частности, операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в N следующих друг за другом триадах моментов времени, совместную обработку всех полученных триад отсчетов аналого-цифрового преобразования.

Следует отметить, что суммирование нескольких триад отсчетов сигнала позволило снизить влияние флуктуационных помех. Кроме того, в рассматриваемом способе удалось исключить возможность сбоев, обусловленных делением на ноль, хотя для этого и потребовалось ввести операцию логарифмирования.

Недостатком способа-прототипа является неоптимальность обработки отсчетов напряжений сигнала (используются не сами напряжения, а их модули). Кроме того, в рассматриваемом способе во избежание смещения нулевой точки необходимо выполнять дополнительное взвешивание отсчетов АЦП.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что частоту сигнала ω определяют в соответствии с выражением:

где
T-период дискретизации;
U_1n, U_2n, U_3n - значения кодов по выходу аналого-цифрового преобразователя в n-ой триаде отсчетов, причем выбор частоты дискретизации сигнала, расстановку триад во времени и выбор их количества осуществляют из условия неравенства нулю суммы
Покажем, что предлагаемый способ измерения частоты оптимален в смысле метода наименьших квадратов.

Выражение (1) для одной тройки отсчетов можно переписать в виде
2•A₂•cosωT = A₁+A₃ (3)
С учетом этого, переходя к триадам отсчетов, можно составить функцию невязок:

Введем новую переменную x = cos ωT и, следуя предписанию метода наименьших квадратов, решим уравнение

В результате получим

или

Отсюда несложно прийти к выражению (2), что и требовалось показать.

В зависимости от производительности аппаратных средств, реализующих заявляемый способ, существуют различные частные варианты его выполнения.

Первый вариант сводится к тому, что соседние по времени триады отсчетов АЦП берут без перекрытия (общие элементы в триадах отсутствуют), причем для определения частоты используют только триады с ненулевым вторым отсчетом.

Такой прием исключает возможность обнуления знаменателя и делает излишней операцию логарифмирования, присутствующую в прототипе, устраняя сопутствующие ей проблемы (смещение нуля и т.д.).

Другой вариант выполнения способа заключается в том, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с перекрытием в два отсчета, то есть первый отсчет каждой последующей тройки U_1n+1 совпадает со вторым отсчетом предыдущей U_2n, причем частоту дискретизации напряжений сигнала F_d задают из условия F_d > 4F_сигн, где F_сигн - верхняя частота ожидаемого диапазона частот сигнала.

Подобное ограничение на частоту дискретизации позволяет гарантировать ненулевой результат знаменателя (2) без дополнительного контроля величины суммы Например, при F_d = 4F_сигн для этого достаточно производить замер частоты ω по двум триадам (N=2).

Наконец, еще две разновидности заявляемого способа отличаются тем, то соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с наложением в один отсчет аналого-цифрового преобразования, то есть первый отсчет каждой последующей триады совпадает с третьем отсчетом предыдущей U_3n. При этом, во избежание обнуления знаменателя (2), для определения частоты отбирают только триады с ненулевым вторым отсчетом либо частоту дискретизации напряжений сигнала F_d задают из условия F_d > 4F_сигн, где F_сигн - по прежнему верхняя частота ожидаемого диапазона частот сигнала.

Для подтверждения возможности осуществления заявляемого способа был использован специальный измерительный стенд, позволяющий оцифровывать радиочастотный сигнал (непрерывный либо импульсный), накапливать его дискретные отсчеты в буферном ОЗУ в темпе их поступления и далее через специально разработанный 2-байтный порт ввода загружать для обработки в ПЭВМ.

Функциональная схема экспериментального стенда приведена на фиг.1; где 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 2 - буферное ОЗУ со схемами управления; 4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 6 - сумматор; 7 - ПЭВМ; 8 - синтезатор частоты Ч6-31; 9 - частотомер Ч3-38.

Основным элементом стенда является ПЭВМ типа IBM, выполняющая роль управляющего и обрабатывающего вычислителя. Она обеспечивает дистанционное управление работой синтезаторов частоты, реализацию заявляемого способа измерения, статистический анализ результатов эксперимента и их документирование.

Исходным звеном в цепи формирования входных воздействий являются синтезаторы частоты типа Ч3-38, обеспечивающие генерацию непрерывных гармонических сигналов.

Один из них используется в качестве генератора тактовой частоты для аналого-цифрового преобразователя и схем управления БОЗУ.

Формирователь тактовых импульсов преобразует непрерывный гармонический сигнал на выходе генератора такта Ч6-31 в импульсную последовательность типа "меандр" ЭСЛ-уровня.

Сумматор обеспечивает сложение гармонического колебания с шумовым сигналом.

Аттенюатор, подключенный к выходу сумматора, позволяет снижать мощность суммарного сигнала до 55 дБ, что необходимо для исключения перегрузки АЦП цифрового приемного модуля. Часть энергии сигнала до аттенюатора отводится на осциллограф для визуального контроля.

Усилитель промежуточной частоты собран на ИС 174 УВ1.

Модуль АЦП выполнен на основе быстродействующей ИС 1107ПВ3А, формирующей 6-разрядный код напряжения сигнала, размер кванта по уровню составляет около 23 mB.

Буферное ОЗУ обеспечивает запоминание 2048 отсчетов АЦП и их передачу через специально разработанный 2-байтовый порт ввода в ПЭВМ. Время заполнения буфера при тактовой частоте 12 МГц составляет 170,6 мкс.

Помимо аппаратных средств необъемлемой частью экспериментального стенда является его программное обеспечение, разработанное на языках TURBOBASIC 1.0 и TURBOASSEMBLER 1.0.

В составе программного обеспечения функционально выделяется модуль ввода информации, который обеспечивает управление режимами работы буферного ОЗУ, производит ввод из него информации через 2-байтный порт ввода и осуществляет ее распаковку. В рамках данного программного сегмента предусмотрена возможность графического отображения выходных кодов АЦП на дисплее ПЭВМ и вывода их на печать.

Функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, применительно к случаю перекрытия триад отсчетов аналого-цифрового преобразования на 2 отсчета представлена на фиг.2, где цифрами обозначены: 1 - АЦП; 2, 3, 12, 13, 16, 17 - регистры; 4, 11, 15 - сумматоры; 10, 14 - умножители; 5 - триггер; 6, 7 - счетчики с параллельной загрузкой; 9 - элемент "И"; 18 - функциональный преобразователь на ПЗУ.

Принцип работы устройства сводится к следующему. По сигналу "Начальн. установка" триггер 5 запускает счетчик 6, который подсчитывает два тактовых импульса АЦП 1 и своим выходным сигналом. "Окончание счета" опрокидывает триггер 5 в исходное состояние. В результате с выхода триггера 5 снимается сигнал длительностью в два периода такта АЦП, обнуляющий регистры 12, 16, и через логический элемент И 9 - регистры 13, 17. Указанная длительность необходима для того, чтобы отсчеты гармонического колебания загрузились в регистры 2, 3. Одновременно этим же сигналом с триггера 5 производится загрузка кода размера накопления "Кол-во триад" в счетчик 7. По окончании сигнала по выходу триггера 5 устройство переходит в режим измерения частоты согласно выражению (2). Счетчик 7 подсчитывает заданное количество триад отсчетов и формирует сигнал "Окончание счета", который через логический элемент И 9 загружает в регистры 13, 17 результаты накоплений, хранящиеся в регистрах 12, 16. Выходной код регистра 13 соответствует сумме а регистра 17 Функциональный преобразователь на ПЗУ реализует операцию деления и вычисления арккосинуса, выдавая по усеченным кодам регистров 13, 17 значение частоты гармонического колебания. Формирователь сигналов управления 8 вырабатывает импульсы такта для АЦП и вычислительных узлов устройства в таком соотношении, чтобы в течение одного периода такта АЦП успевали пройти все операции сложения и умножения.

Литература.

1. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. -М.: Радио и связь, 1992, С. 88-101.

2. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. -М.: Радио и связь, 1992 С. 97-101 (прототип).

Использование: в радиоизмерительной технике и радиолокации, в частности в способе измерения отклонений мгновенной частоты от номинального значения для модуляции ЧМ-сигналов в радиоизмерительных, радиоприемных устройствах. Сущность изобретения: способ измерения частоты гармонических колебаний состоит в том, что частоту сигнала определяют в соответствии с выражением, приведенным в описании изобретения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения частоты гармонических колебаний, включающий операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в N следующих одна за другой триадах моментов времени, отличающийся тем, что частоту сигнала ω определяют в соответствии с выражением

где Т - период дискретизации;
U_1 n, U_2 n, U_3 n - значения кодов по выходу аналого-цифрового преобразователя в n-й триаде отсчетов,
причем выбор частоты дискретизации сигнала, расстановку триад во времени и выбор их количества осуществляют из условия

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования берут без перекрытия, причем для определения частоты используют только триады с ненулевым вторым отсчетом. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с перекрытием в два отсчета, при котором первый отсчет каждой последующей тройки U_{1 n + 1} совпадает с вторым отсчетом предыдущей U_2 n, причем частоту дискретизации напряжений сигнала F_д задают из условия F_д > 4 • F_{с и гн}, где F_{с и г н} - верхняя частота ожидаемого диапазона частот сигнала. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с наложением в один отсчет аналого-цифрового преобразования, при котором первый отсчет каждой последующей триады совпадает с третьим отсчетом предшествующей триады, при этом для определения частоты отбирают только триады с ненулевым вторым отсчетом. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что соседние по времени триады отсчетов аналого-цифрового преобразования следуют с наложением в один отсчет аналого-цифрового преобразования, при котором первый отсчет каждой последующей триады совпадает с третьим отсчетом предыдущей U_з п, при этом частоту дискретизации напряжений сигнала F_д задают из условия F_д > 4 • F_{с и г н}.