СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК G01R23/12 

Описание патента на изобретение RU2183839C1

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для измерения частоты синусоидальных сигналов в информационно-измерительных устройствах, а также для быстрого захвата сигнала в устройствах восстановления несущей частоты фазовых демодуляторов.

Задача измерения частоты синусоидальных сигналов постоянно привлекает внимание исследователей в связи с ее фундаментальной значимостью при оценке параметров периодических сигналов, смешанных с шумом, для извлечения информации о доплеровском сдвиге в задачах связи, навигации и радиолокации [1-3].

Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [4-7], однако они не являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9].

Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [8, 10, 11], основанных на использовании преобразования Фурье, при которых за оценку частоты синусоидального сигнала принимается аргумент максимума спектральной плотности мощности (СПМ) смеси сигнала с шумом. Указанные способы измерения частоты являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9]. Однако данные способы требуют больших вычислительных затрат, связанных с осуществлением одного или нескольких преобразований Фурье, которое к тому же может быть осуществлено только после накопления блока данных из N отчетов сигнала, что не позволяет получать оценку частоты в масштабе времени, близком к реальному. Так при частоте выборки fs временные затраты в основном складываются из времени накопления блока данных, пропорционального N/fs, и времени вычисления СПМ, пропорционального N•log2 N, кроме того необходимо хранение выборки данных и ее СПМ.

Известен способ измерения частоты синусоидальных сигналов [12, 13], основанный на использовании разностно-фазовой статистики сигнала, который также является статистически оптимальным с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [12, 13], достигающий при больших объемах выборки N нижней границы Крамера-Рао. Способ, предложенный Кэем [12, 13], является существенно более вычислительно эффективным, чем способы [8, 10, 11] , так как не требует осуществления преобразований Фурье, наиболее близок к предлагаемому и поэтому принят за прототип.

Согласно этому способу:
1. Получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала.

2. Получают разности ψk смежных текущих фаз сигнала.

3. Накапливают блок данных длиной K=N-1 из последовательных текущих разностей фазы сигнала ψk, k=1, 2,..., К.

4. Формируют оценку частоты сигнала в соответствии со следующим выражением:

где fs - частота выборки отсчетов сигнала, вектор Ψ = [ψ1,...,ψk,...,ψK]T, а весовые коэффициенты wk вектора w определяют в соответствии со следующим выражением:

Устройство-прототип, реализующее операции способа-прототипа, которое следует из способа-прототипа, содержит подключенные к его входу, через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен с входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), к выходу устройства вычитания подключен последовательный по входу и параллельный по выходу N-каскадный буферный регистр, накапливающий блок данных длиной N, к N выходам буферного регистра подключены входы N перемножителей, вторые входы которых связаны с выходами другого N-каскадного буферного регистра, содержащего константы, соответствующие выражению (2) способа-прототипа, выходы N перемножителей связаны с N-входовым сумматором, выходной сигнал которого пропорционален искомой оценке частоты. ПЗУ в устройстве-прототипе обеспечивает табличное получение текущей фазы сигнала, как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала. При этом на один вход ПЗУ подают синфазный отсчет сигнала, а на другой вход ПЗУ - квадратурный отсчет сигнала, на выходе ПЗУ получают текущую фазу сигнала.

Недостатком способа-прототипа и устройства-прототипа является невозможность получения текущей оценки частоты сигнала в реальном масштабе времени. Так, например, для N=1048576 (такие объемы данных могут потребоваться при получении прецизионных оценок частоты) при частоте выборки, равной 1 МГц, только сбор данных займет более 1 с. Другим недостатком устройства-прототипа является сложность его реализации для больших объемов выборки N, требуемых при получении прецизионных оценок частоты.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность получения текущей оценки частоты сигнала в реальном масштабе времени за счет исключения операции накопления блока данных длиной N посредством синтеза рекуррентной оценки частоты сигнала , алгебраически эквивалентной выражениям (1) и (2) способа-прототипа, предполагающей осуществление ряда других операций над сигналом.

Технический результат достигнут тем, что в способе измерения частоты синусоидальных сигналов, включающем получение текущей фазы сигнала, как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, получение разностей ψk смежных текущих фаз сигнала, согласно изобретению, по полученной текущей разности ψk фаз формируют двухкомпонентный вектор состояния a(k)=[а1(k),а2(k)]Т, компоненты которого задают рекуррентными выражениями


а оценку частоты сигнала на каждом шаге измерения определяют в соответствии с формулой:

где fs - частота выборки отсчетов сигнала.

Способ реализуется устройством измерения частоты синусоидальных сигналов, к входу которого через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключены соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен с входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), согласно изобретению, к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), между выходами и вторыми входами которых включены соответственно второй и третий элементы памяти, третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, при этом первое АУ функционирует в соответствии с выражением

a второе АУ - в соответствии с другим выражением

Другое отличие состоит в том, что к выходу второго устройства вычитания подключено устройство нормировки, домножающее выходной сигнал второго устройства вычитания на величину fs/2π.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ.

На фиг. 2 приведена структурная схема другого варианта устройства, в котором реализуется предложенный способ.

Согласно предлагаемому способу:
1. Получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала.

2. Получают разности ψk смежных текущих фаз сигнала.

3. Формируют двухкомпонентный вектор состояния a(k)=[а1(k), а2(k)]T, компоненты которого задают рекуррентными выражениями


4. Определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой:

где fs - частота выборки отсчетов сигнала,
Покажем алгебраическую эквивалентность измерения частоты в предлагаемом способе и в прототипе.

Выражение (1) оценки прототипа с учетом весов (2), для выборки накопленных данных объемом К, можно тождественно переписать в виде

где

Прямой подстановкой в (4) можно проверить, что для К=1, как в выражениях (4), так и в предложенных в формуле изобретения рекуррентных соотношениях, имеем a1(1) = 2ψ1, a2(1) = ψ1. Для остальных К покажем эквивалентность по индукции. Из первого рекуррентного соотношения и по определению а1(К) имеем

где тождественность очевидна, аналогичное справедливо и для а2(К)

что и требовалось доказать. Из алгебраической эквивалентности измерения частоты в предлагаемом способе и в прототипе следует, что предложенный способ так же статистически оптимален как и прототип.

Устройство, реализующее предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов (см. фиг.1), содержит подключенные к его входу две параллельные цепочки из последовательно соединенных перемножителя 1, ФНЧ 2, АЦП 3 и, соответственно, из перемножителя 4, ФНЧ 5, АЦП 6. К выходам АЦП 3, 6 подключены соответствующие входы ПЗУ 7, при этом вторые входы перемножителей 1, 4 связаны с общим источником синусоидального сигнала 8, у перемножителя 1 - непосредственно, а у перемножителя 4 - через фазовращатель 9. Выход ПЗУ 7 соединен с входом устройства вычитания 10, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ 7 включен элемент памяти 11, а тактирующие входы обоих АЦП 3, 6 подключены к общему ТГ 12. Согласно изобретению к выходу устройства вычитания подключены первое и второе АУ 13, 14. Между выходами и вторыми входами АУ 13, 14 включены соответственно второй и третий элементы памяти 15, 16. Третьи входы обоих АУ 13, 14 через счетчик 17 соединены с ТГ 12, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания 18. Первое АУ 13 функционирует в соответствии с выражением

а второе АУ - в соответствии с другим выражением

В другом варианте устройства (см. фиг.2) к выходу второго устройства вычитания 18 подключено устройство нормировки 19, домножающее выходной сигнал второго устройства вычитания 18 на величину fs/2π.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Синусоидальный сигнал в смеси с шумом с входа устройства подается на первые входы перемножителей 1, 4. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом генератора 8, частота которого равна центральной частоте диапазона входных частот сигнала, на выходе перемножителя 1 содержится синфазная составляющая входного сигнала. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом генератора 8, развернутым по фазе на 90o фазовращателем 9, на выходе перемножителя 4 содержится квадратурная составляющая входного сигнала. Каждая из указанных составляющих в полосе низких частот, равной полуширине диапазона частот входных сигналов, фильтруется в ФНЧ 2 и 5 соответственно. Далее АЦП 3 преобразует синфазную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в синфазные отсчеты), а АЦП 6 преобразует квадратурную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в квадратурные отсчеты). В ПЗУ 7 получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты. Получают разности смежных текущих фаз сигнала ψk, как результат вычитания текущей фазы с выхода ПЗУ 7 в устройстве вычитания 10 с предыдущим значением фазы, задержанным в элементе памяти 11. В первом АУ 13 на основе разности ψk смежных текущих фаз сигнала, полученной с выхода устройства вычитания 10 и на основе индексной переменной k, поступающей на третий вход АУ 13 из счетчика 17, запускаемого генератором ТГ 12, формируют компоненту вектора состояния с учетом ее предыдущего значения а1 (k-1), поступающего на второй вход АУ 13 с его выхода через второй элемент памяти 15. Во втором АУ 14 на основе разности ψk смежных текущих фаз сигнала, полученной с выхода устройства вычитания 10 и на основе индексной переменной k, поступающей на третий вход АУ 14 из счетчика 17, запускаемого генератором ТГ 12, формируют вторую компоненту вектора состояния с учетом ее предыдущего значения а2 (k-1), поступающего на второй вход АУ 14 с его выхода через третий элемент памяти 16. На выходе второго устройства вычитания 18 получают текущую относительную оценку частоты сигнала в реальном масштабе времени, как разность выходных сигналов АУ 13 и АУ 14.

Такая относительная оценка частоты удобна для использования при поиске частоты несущей в устройствах демодуляции [2, 3].

Для получения абсолютного значения текущей оценки частоты сигнала в реальном масштабе времени в другом варианте предлагаемого устройства (см. фиг.2) выходной сигнал второго устройства вычитания 18 домножают на величину fs/2π в устройстве нормировки 19, подключенном к выходу второго устройства вычитания 18.

Источники информации
1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации М., Радио и связь, 1983, -454 с.

2. Бортовые устройства спутниковой радионавигации, - под ред. B.C. Шебшаевича, М., Транспорт, 1988, -201 с.

3. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М., Связь, 1979, -592 с.

4. Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры. Л., Энергия, 1973, с. 13-17.

5. Авторское свидетельство 541123. Толстых B.C. Способ измерения частоты, М., ЦНИИПИ, 1977, -2 с.

6. Авторское свидетельство 1659893. Золотков К.Л. и др. Способ измерения частоты синусоидального напряжения, М.: ВНИИПИ, 1986, -3 с.

7. Авторское свидетельство 1798717. Минц М.Я. и др. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов, М., ВНИИПИ, 1987, -9 с.

8. Rife D.С., Boorstyn R.R., Single-Tone Parameter Estimation from Discrete Time Observations // IEEE Trans. on Information Theory, Vol. IT-20, No. 5, Sept. 1974.

9. Kay S.M., Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory, NJ, Prentice-Hall, 1993.

10. A. c. 541123. Гольдштейн И.Н. Цифровой способ измерения частоты и фазы гармонического сигнала, М., ЦНИИПИ, 1974, -3 с.

11. Авторское свидетельство 1352390. Кузьменков В.Ю. Способ определения частоты, М., ВНИИПИ, 1987, -4 с.

12. Кау S.М., Statistically/Computationally Efficient Frequency: Estimation // Proceedings of the ICASSP'88,-1988, p. 2292-2295 - прототип.

13. Kay S. M., A Fast and Accurate Single Frequency: Estimator // IEEE Trans. on ASSP, Vol. 37, No. 12, December 1989.

Похожие патенты RU2183839C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2006
  • Заривчацкий Игорь Григорьевич
  • Подчиненко Николай Евгеньевич
  • Скрипкин Алексей Анатольевич
  • Щербачев Владимир Александрович
RU2363004C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2007
  • Заривчацкий Игорь Григорьевич
  • Подчиненко Николай Евгеньевич
  • Скрипкин Алексей Анатольевич
  • Щербачев Владимир Александрович
RU2339958C1
УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ ШЕСТНАДЦАТИПОЗИЦИОННОЙ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ 2002
  • Пархоменко Н.Г.
  • Боташев Б.М.
RU2209525C1
ДЕМОДУЛЯТОР СИГНАЛОВ ШЕСТНАДЦАТИПОЗИЦИОННОЙ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ 2002
  • Пархоменко Н.Г.
  • Боташев Б.М.
  • Колобанов П.М.
RU2205519C1
СПОСОБ ПРИЕМА СИГНАЛА АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИИ 2002
  • Пархоменко Н.Г.
  • Боташев Б.М.
  • Яковлев С.А.
RU2214691C1
СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ СИГНАЛОВ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ 2001
  • Проселков Л.С.
  • Котов В.Н.
RU2216748C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ С АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ 2002
  • Пархоменко Н.Г.
  • Боташев Б.М.
RU2234816C1
ДЕМОДУЛЯТОР СИГНАЛОВ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ 2001
  • Боташев Б.М.
  • Пархоменко Н.Г.
  • Колобанов П.М.
RU2205517C1
ДЕМОДУЛЯТОР СИГНАЛОВ ШЕСТНАДЦАТИПОЗИЦИОННОЙ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ 2001
  • Пархоменко Н.Г.
  • Боташев Б.М.
  • Колобанов П.М.
RU2198470C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ С АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ 2004
  • Пархоменко Николай Григорьевич
  • Боташев Борис Муссаевич
RU2276838C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 183 839 C1

Реферат патента 2002 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в информационно-измерительных устройствах. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов включает получение текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа, получение разностей ψk смежных текущих фаз сигнала, формирование двухкомпонентного вектора состояния а(k), компоненты которого задают рекуррентными выражениями, при этом оценку частоты на каждом шаге измерения определяют в соответствии с формулой. Устройство содержит две цепочки из последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот и аналого-цифрового преобразователя, постоянное запоминающее устройство, фазовращатель, два устройства вычитания, три элемента памяти, счетчик, тактовый генератор и два арифметических устройства. Достигаемый технический результат - возможность получения текущей оценки частоты сигнала в реальном масштабе времени. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 183 839 C1

1. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов, включающий получение текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, получение разностей ψk смежных текущих фаз сигнала, отличающийся тем, что по полученной текущей разности ψk фаз формируют двухкомпонентный вектор состояния а(k)= [a1(k), a2(k)] T, компоненты которого задают рекуррентными выражениями


а оценку частоты сигнала на каждом шаге измерения определяют в соответствии с формулой

где fs - частота выборки отсчетов сигнала,
k= 1,2, . . . - индексная переменная, означающая порядковый номер текущей разности фаз ψk;
символ Т означает операцию транспонирования матрицы.
2. Устройство для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, к входу которого через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подключены соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен со входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), отличающееся тем, что к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), между выходами и вторыми входами которых включены соответственно второй и третий элементы памяти, третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, при этом первое АУ функционирует в соответствии с выражением

а второе АУ - в соответствии с другим выражением

где ψk - разность смежных текущих фаз с выхода ПЗУ;
a1(k) и a1(k-1) - текущее и предшествующее значения соответственно первой компоненты вектора состояния с выхода первого АУ;
a2(k) и a2(k-1) - текущее и предшествующее значения второй компоненты вектора состояния с выхода второго АУ;
k - индексная переменная, k= 1,2, . . . , формируемая счетчиком по тактам тактового генератора, означающая порядковый номер текущей разности фаз ψk.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что к выходу второго устройства вычитания подключено устройство нормировки, доумножающее выходной сигнал второго устройства вычитания на величину fs/2π.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2002 года RU2183839C1

RU 2000578 C, 07.09.1993
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА 1993
  • Келехсаев Борис Георгиевич
RU2090897C1
НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ 0
  • А. С. Черников
SU373802A1
DE 3736124 A1, 03.05.1989
Дорожная спиртовая кухня 1918
  • Кузнецов В.Я.
SU98A1
US 3617900, 02.11.1971
РАЗДАЮЩАЯ КАМЕРА 2013
  • Дельнов Валерий Николаевич
  • Габрианович Борис Николаевич
RU2535462C1

RU 2 183 839 C1

Авторы

Подчиненко Н.Е.

Скрипкин А.А.

Щербачев В.А.

Даты

2002-06-20Публикация

2000-10-30Подача