Широкополосный измеритель частоты радиосигналов Российский патент 2019 года по МПК G01R23/00 

Известно устройство широкополосного измерителя частоты радиосигналов [1]. Широкополосный измеритель частоты сигналов состоит из 3 плат цифровой обработки сигналов (ЦОС). Каждая плата ЦОС состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), статического оперативного запоминающего устройства (СОЗУ), программируемой логической интегральной микросхемы (ПЛИС), распределителя тактовых сигналов.

Недостатком данного устройства является высокая аппаратная и вычислительная избыточность, необходимая для устранения неоднозначности измерения частоты. Аппаратная избыточность проявляется в необходимости применения 3х АЦП, ПЛИС, ОЗУ. Вычислительная избыточность связана с необходимостью вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) на каждой плате ЦОС (на 3х разных частотах), а также необходимостью передискретизации для отображения результатов БПФ на одной частотной оси для устранения неоднозначности измерения частоты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство широкополосного измерителя частоты радиосигналов [2]. Широкополосный измеритель частоты сигналов состоит из 4х АЦП, 2х устройств вычисления комплексного БПФ, 2х устройств поиска максимума, решающего устройства.

Недостатком данного устройства является высокая аппаратная и вычислительная избыточность, необходимая для устранения неоднозначности измерения частоты. Аппаратная избыточность проявляется в необходимости применения 4х АЦП, 2х устройств вычисления комплексного ВПФ, 2х устройств поиска максимума. Вычислительная избыточность связана с необходимостью вычисления 2х комплексных БПФ, и передискретизации результатов БПФ в одну сетку частот.

Техническим результатом изобретения является уменьшение аппаратной и вычислительной избыточности.

Целью изобретения является снижение аппаратной и вычислительной избыточности, уменьшение габаритных размеров за счет изменения алгоритма функционирования устройства.

Заявленный результат достигается тем., что в устройство, состоящее из двух АЦП, работающих на частотах Fs₁ и Fs₂ соответственно, входы которых соединены вместе, и решающего устройства, дополнительно введены первые цифровые фильтры верхних и нижних частот, работающие на частоте тактирования Fs₁, вторые цифровые фильтры верхних и нижних частот работающие на частоте тактирования Fs₂, четыре устройства вычисления модуля, четыре накапливающих сумматора на N слагаемых, четыре устройства деления на N, два делителя, причем выходы первого АЦП соединены с входами первых цифровых фильтров низкой и высокой частоты, выходы второго АЦП соединены с входами вторых цифровых фильтров низкой и высокой частоты, выходы первых цифровых фильтров высокой и низкой частоты соединены с входами первого и второго устройств вычисления модуля соответственно, выходы вторых цифровых фильтров высокой и низкой частоты соединены с входами третьего и четвертого устройств вычисления модуля соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого устройств вычисления модуля соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого устройств деления на N, выходы первого и второго устройств деления на N соединены с входами первого делителя, выходы третьего и четвертого устройств деления на N соединены с входами второго делителя, выходы первого и второго делителей соединены с входами решающего устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема широкополосного измерителя частоты радиосигналов. На фиг. 2 представлена дискриминационная характеристика широкополосного измерителя частоты радиосигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежом на фигуре 1. Широкополосный измеритель частоты сигналов содержит: АЦП 1 и 3, устройство 2 синхронизации, цифровые фильтры 4 и 6 низкой частоты, цифровые фильтры 5 и 7 высокой частоты, сумматоры 8, 9, 10, 11 на N слагаемых, устройства 12, 13, 14, 15 вычисления модуля, делители 16, 17, 18, 19 на N, устройства 20 и 21 деления, решающее устройство 22.

Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты радиосигналов, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Широкополосный измеритель частоты радиосигналов работает следующим образом. Входной сигнал оцифровывается в АЦП 1 и 3, работающих на частотах тактирования F_s1 и F_s2 соответственно. Сигналы тактовой частоты F_s1 и F_s2 генерируются в устройстве 2 синхронизации. Далее, цифровые отсчеты сигнала АЦП 1 подаются на цифровые фильтры 4 и 5 высокой и низкой частоты, работающие на тактовой частоте F_s1. Цифровые отсчеты сигнала АЦП 2 подаются на цифровые фильтры 6 и 7 высокой и низкой частоты, работающие на тактовой частоте F_s2. Для обеспечения пологой передаточной характеристики фильтров 4, 5, 6, 7 их порядок выбирается невысоким. Далее, цифровые отсчеты с фильтров 4, 5, 6, 7 подаются на устройства вычисления модуля 8, 9, 10, 11 соответственно. Модули цифровых отсчетов с выходов устройств 8, 9, 10, 11 вычисления модуля поступают соответственно в накапливающие сумматоры 12, 13, 14, 15 на N слагаемых. В момент накопления N отсчетов сигнала в сумматорах 12, 13, 14, 15 срабатывают устройства деления 16, 17, 18, 19 на N. Таким образом, на выходах устройств деления 16, 17, 18, 19 будут получены модули средних значений за N отсчетов. Усреднение сигнала введено для ослабления случайных флуктуаций сигнала. Полученные средние значения за N отсчетов от устройств 16, 17 деления поступают на делитель 20, а от устройств 18, 19 деления на делитель 21. Получаемое на делителях 20, 21 отношение амплитуд сигналов однозначно связано с частотой входного сигнала в диапазоне частот 0… 0,5F_s1, 0… 0,5F_s2 соответственно. В случае, когда частота входного сигнала превышает наибольшую из указанных частот, возникает неоднозначность измерения частоты. Неоднозначность измерения частоты возникает из-за явления наложения спектров при суб-дискретизации в АЦП 1 и 2. Для разрешения неоднозначности используется два АЦП, работающих на различающихся частотах. При этом каналы 1 и 2 формируют неоднозначные периодические дискриминационные характеристики, вид которых показан на фиг. 2. Однозначное определение частоты по одной характеристике невозможно. Однако каждая пара значений дискриминационных характеристик каналов 1 и 2 однозначно связана с частотой входного сигнала, что позволяет разрешить неоднозначность и измерить частоту входного сигнала, частота которого превышает критерий Котельникова, то есть превышает наибольшее из F_s1/2, F_s2/2.

Список использованных источников

1. Кренев, А.Н., Ботов В.А., Горюнцов, И.С., Погребной, Д.С., Топорков В.К. Способ расширения полосы частот оценки спектров сигналов. Патент РФ на изобретение №2516763.

2. Николаев, А.Н., Белугина, А.А. Алгоритмы измерения несущей частоты в цифровых приемниках при субдискретизации радиосигналов / А.Н. Николаев, А.А. Белугина // Евразийский Союз Ученых. - 2015. - №4(13). - с. 160-163.

3. Sanderson, R.B., Tsui, J.B.Y. Digital frequency measurement receiver with bandwidth improvement through multiple sampling of real signals. Патент США на изобретение №5099194.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения частоты непрерывных радиосигналов в широком диапазоне частот. Устройство состоит из двух АЦП, работающих на частотах Fs₁ и Fs₂ соответственно, входы которых соединены вместе, и решающего устройства. Также устройство содержит первые цифровые фильтры верхних (ЦФВЧ) и нижних частот (ЦФНЧ), работающие на частоте тактирования Fs₁, вторые ЦФВЧ и ЦФНЧ, работающие на частоте тактирования Fs₂, четыре устройства вычисления модуля, четыре накапливающих сумматора на N слагаемых, четыре устройства деления на N, два делителя, причем выходы первого АЦП соединены с входами первых ЦФНЧ и ЦФВЧ, выходы второго АЦП соединены с входами вторых ЦФНЧ и ЦФВЧ, выходы первых ЦФВЧ и ЦФНЧ соединены с входами первого и второго устройств вычисления модуля соответственно, выходы вторых ЦФВЧ и ЦФНЧ соединены с входами третьего и четвертого устройств вычисления модуля соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого устройств вычисления модуля соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого устройств деления на N, выходы первого и второго устройств деления на N соединены с входами первого делителя, выходы второго и третьего устройств деления на N соединены с входами второго делителя, выходы первого и второго делителей соединены с входами решающего устройства. 2 ил.

Широкополосный измеритель частоты сигналов, состоящий из двух АЦП, работающих на частотах Fs₁ и Fs₂ соответственно, входы которых соединены вместе, и решающего устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первые цифровые фильтры верхних и нижних частот, работающие на частоте тактирования Fs₁, вторые цифровые фильтры верхних и нижних частот, работающие на частоте тактирования Fs₂, четыре устройства вычисления модуля, четыре накапливающих сумматора на N слагаемых, четыре устройства деления на N, два делителя, причем выходы первого АЦП соединены с входами первых цифровых фильтров низкой и высокой частоты, выходы второго АЦП соединены с входами вторых цифровых фильтров низкой и высокой частоты, выходы первых цифровых фильтров высокой и низкой частоты соединены с входами первого и второго устройств вычисления модуля соответственно, выходы вторых цифровых фильтров высокой и низкой частоты соединены с входами третьего и четвертого устройств вычисления модуля соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого устройств вычисления модуля соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого устройств деления на N, выходы первого и второго устройств деления на N соединены с входами первого делителя, выходы второго и третьего устройств деления на N соединены с входами второго делителя, выходы первого и второго делителей соединены с входами решающего устройства.