Способ измерения коэффициента преобразования частотно-преобразующих устройств со встроенным неуправляемым гетеродином с использованием векторного анализатора цепей и автоматической подстройкой частоты Российский патент 2025 года по МПК G01R23/14 G01R27/28 

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники сверхвысоких частот, а именно к области векторных анализаторов цепей (ВАЦ), и предназначено для измерения скалярного и комплексного коэффициента преобразования частотно-преобразующих устройств со встроенным неуправляемым гетеродином (конверторов частоты).

Уровень техники

Измерение коэффициента преобразования частотно-преобразующих устройств со встроенным неуправляемым гетеродином (далее - ИУ) требует настройки приемников ВАЦ на частоту выходного сигнала ИУ, которая заранее точно не известна и может в некоторых пределах изменяться со временем по неизвестному закону. В связи с этим необходима периодическая подстройка частоты приемников ВАЦ и частоты генератора, подающего сигнал гетеродина на опорный смеситель (при его использовании в схеме измерения параметров ИУ). Точность подстройки оказывает особенно сильное влияние на измеренные значения фазы и группового времени задержки ИУ.

Известен способ автоматической подстройки частоты (Анализаторы цепей векторные. Руководство по эксплуатации. Часть 2. Программное обеспечение. - ООО Планар, 2023, 2214 с.), заключающийся в том, что при фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода ВАЦ задают значение оценки частоты, на которой запланирован прием сигнала с выхода ИУ, затем осуществляют этап подстройки частоты, на котором по результатам сканирования по частоте измерительного приемника ВАЦ в окрестности ранее заданной оценки частоты приема сигнала определяют частоту, соответствующую максимуму амплитуды измеряемого сигнала. Точность данного способа, как заявлено в описании, зависит от ширины фильтра промежуточной частоты (далее - ПЧ) ВАЦ, что является существенным недостатком данного способа, так как при широких фильтрах ПЧ точность подстройки может оказаться недостаточной, особенно для измерения фазы и группового времени задержки ИУ, а при узких фильтрах ПЧ (десятки и единицы Герц) время подстройки и измерения возрастает на порядки.

Наиболее близким решением по технической сущности, выбранной за прототип, является способ подстройки, основанный на слежении за сигналом и механизме программного захвата фазы (Дансмор Дж. П. Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2019. - 736 с.), который обеспечивает точность подстройки частоты приемников, определяемую частотным разрешением аппаратного обеспечения ВАЦ и не зависящую от ширины фильтра ПЧ.

Недостатком известного решения является зависимость результатов на этапе «точной» подстройки от точности вычисления угла наклона зависимости фазы принятого сигнала от времени развертки, который определяется по крайним точкам данной зависимости. Это приводит к тому, что шумовые составляющие сигнала в крайних точках, а также нелинейность измеренной зависимости развернутой фазы от времени непосредственно влияют на получаемую оценку угла наклона данной зависимости.

Раскрытие изобретения

Основной технической задачей в заявляемом способе является снижение влияния шумовых составляющих и нелинейности на оценку наклона зависимости фазы принятого сигнала от времени φ(t) в процессе его осуществления на этапе «точной» подстройки.

Технический результат заключается в повышении точности при осуществлении автоматической подстройки частоты измерительного приемника ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя.

Технический результат достигают за счет того, что в способе измерения коэффициента преобразования частотно-преобразующих устройств со встроенным неуправляемым гетеродином (далее - измеряемое устройство (ИУ)) с использованием ВАЦ и автоматической подстройкой частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя, заключающемся в том, что сначала осуществляют подстройку частоты, для этого при фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода ВАЦ задают значение оценки частоты, на которой запланирован прием сигнала с выхода ИУ, затем осуществляют этап «грубой» подстройки частоты, на котором по результатам сканирования по частоте измерительного приемника ВАЦ в окрестности ранее заданной оценки частоты приема сигнала определяют частоту, соответствующую максимуму амплитуды измеряемого сигнала, после чего выполняют подстройку частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя на величину «грубой» поправки, определяемой как разница оценки частоты приема сигнала и ее найденного значения, затем осуществляют этап «точной» подстройки частоты, выполняемый за несколько итераций, на котором при фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя выполняют некоторое количество измерений на фиксированной частоте измерительного приемника ВАЦ, значение которой было определено на этапе «грубой» подстройки, что соответствует результатам измерения фазы сигнала на входе измерительного приемника ВАЦ в режиме временной развертки, при этом измерения фазы сигнала выполняют последовательно без задержек между ними и далее по углу наклона зависимости фазы от времени определяют величину поправки частоты, и этап «точной» подстройки частоты повторяют до тех пор, пока найденная величина поправки частоты не станет меньше некоторого заранее заданного пользователем порогового значения либо не будет достигнуто некоторое заданное пользователем максимальное количество итераций, причем итоговое значение поправки частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя рассчитывают как сумму величины «грубой» поправки и поправок, найденных на итерациях этапа «точной» подстройки частоты, согласно предложенному решению, в процессе «точной» подстройки частоты формируют линейную аппроксимирующую зависимость измеренных значений фазы сигнала, принятого измерительным приемником ВАЦ, от времени, развернутой за пределы ±180 градусов, и по углу наклона полученной линейной аппроксимирующей зависимости развернутой фазы от времени определяют необходимую величину поправки частоты приемника ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя как отношение угла наклона линейной аппроксимирующей зависимости развернутой фазы сигнала измерительного приемника от времени ко времени развертки.

В частном случае, в заявляемом способе перед началом автоматической подстройки частоты значение оценки частоты, на которой должен происходить прием сигнала с выхода ИУ, задают исходя из диапазона частот зондирования, оценки частоты неуправляемого гетеродина и множителей частот зондирования и неуправляемого гетеродина.

В частном случае, в заявляемом способе помимо подстройки частоты приемников ВАЦ осуществляют подстройку частоты генератора, подающего частоту гетеродина на опорный смеситель в схеме измерения с последовательным включением опорного смесителя и измеряемого частотно-преобразующего устройства, в которой между портами ВАЦ включают цепь «опорный смеситель - фильтр промежуточной частоты - ИУ».

В частном случае, в заявляемом способе помимо подстройки частоты приемников ВАЦ осуществляют подстройку частоты генератора, подающего частоту гетеродина на опорный смеситель, включенный в опорный канал ВАЦ, при этом в схеме измерения цепь «опорный смеситель - фильтр промежуточной частоты» включают в цепь опорного канала ВАЦ, а ИУ включают между портами ВАЦ.

Осуществление изобретения

Заявляемый способ поясняется рисунками, где представлены: на фиг. 1 - последовательность действий при автоподстройке частоты приемников ВАЦ и генератора сигнала гетеродина опорного смесителя (при его наличии); на фиг. 2 - функциональная схема подключений устройств при измерении скалярного коэффициента преобразования ИУ; на фиг. 3 - функциональная схема подключений устройств при измерении комплексного коэффициента преобразования ИУ при последовательном включении опорного смесителя и ИУ; на фиг. 4 - функциональная схема подключений устройств при измерении комплексного коэффициента преобразования ИУ при включении опорного смесителя в опорном канале ВАЦ, где обозначены:

1 - ВАЦ;

2 - ИУ, включающее частотно-преобразующее устройство и встроенный гетеродин;

3 - внешний управляемый генератор частоты, синхронизированный с ВАЦ;

4 - цепь «опорный смеситель - фильтр ПЧ», влияние которой математически исключается из результата измерений;

5 - опорный смеситель;

6 - фильтр ПЧ;

7 - вход и выход опорного канала ВАЦ;

8 - выход зондирующего порта ВАЦ;

9 - вход приемного порта ВАЦ.

Алгоритмы автоматической подстройки частоты в заявляемом способе реализуют при помощи программного обеспечения ВАЦ. Результатом применения способа являются значения поправок частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина, вычисляемые в процессе автоподстройки частоты и затем передаваемые в ВАЦ и генератор сигнала гетеродина (при его наличии).

Применение способа может быть осуществлено в трех различных схемах измерения (частных случаях) для измерения скалярных и комплексных параметров ИУ.

В частном случае измерения скалярного коэффициента преобразования ИУ 2 (фиг. 2) согласно заявляемому способу осуществляют подстройку частоты измерительных приемников ВАЦ 1.

В частном случае измерения комплексного коэффициента преобразования ИУ с последовательным включением опорного смесителя 5 и ИУ 2 (фиг. 3), согласно заявляемому способу, осуществляют подстройку частоты внешнего управляемого генератора частоты 3, синхронизированного с ВАЦ 1 и подающего сигнал гетеродина на опорный смеситель 5, так, чтобы частота сигнала с выхода внешнего управляемого генератора частоты 3 оказалась равной частоте встроенного гетеродина ИУ 2. Частоту измерительных приемников ВАЦ 1 не подстраивают.

В частном случае измерения комплексного коэффициента преобразования ИУ 2 с включением опорного смесителя 5 в цепь опорного канала 7 ВАЦ 1 (фиг. 4), согласно заявляемому способу, осуществляют подстройку частоты внешнего управляемого генератора частоты 3, синхронизированного с ВАЦ 1 и подающего сигнал гетеродина на опорный смеситель 5, так, чтобы частота сигнала с выхода внешнего управляемого генератора частоты 3 оказалась равной частоте встроенного гетеродина ИУ 2. Частоту приемников ВАЦ 1 подстраивают таким образом, чтобы она стала равной частоте сигнала с выхода ИУ 2.

Во всех схемах измерения, приведенных на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, используемых для реализации заявляемого способа, в процессе автоподстройки частоты зондирующий сигнал подают с выхода зондирующего порта 8 ВАЦ 1, а измеряемый сигнал поступает с выхода ИУ 2 на вход приемного порта 9 ВАЦ 1.

В заявляемом способе автоматическая подстройка осуществляется относительно заранее заданной оценки частоты встроенного гетеродина ИУ и включает в себя режимы «грубой» и «точной» подстройки. На этапе «грубой» подстройки при фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода 8 ВАЦ 1 (частоте ВЧ) выполняют сканирование по частоте приемника в окрестности некоторой заданной начальной частоты F₀. Эта частота должна быть заранее задана пользователем, как и ширина диапазона подстройки.

Предполагают, что искомый сигнал с выхода ИУ 2 находится внутри данного диапазона. По результатам сканирования определяют частоту F₁, соответствующую максимуму амплитуды сигнала, измеряемого приемником ВАЦ 1. Соответственно, определяют величину «грубой» поправки частоты ΔF_гр:

(1)

Этап «точной» подстройки выполняют за несколько итераций. На первой итерации значение частоты измерительного приемника ВАЦ 1 корректируют на величину ΔF_гр. На фиксированных частотах зондирующего сигнала и приемника выполняют некоторое количество измерений, что фактически соответствует развертке по времени. При этом при помощи измерительного приемника ВАЦ 1 выполняют измерения строго последовательно, без задержек между ними. Далее по результатам развертки анализируют зависимость развернутой за пределы ±180 градусов фазы принятого сигнала от времени φ_измер(t), которая должна представлять собой линию с постоянным наклоном.

Однако на практике измеренная зависимость фазы от времени имеет шумовую составляющую, которая оказывает влияние на оценку наклона зависимости фазы принятого сигнала от времени φ_измер(t). Кроме того, характер измеренной зависимости фазы от времени может отличаться от линейного. Указанные эффекты наиболее сильно влияют на оценку наклона зависимости φ_измер(t) при малых отстройках частоты приемника ВАЦ от частоты сигнала по выходу ИУ, имеющих величину порядка единиц герц и меньше, то есть на завершающих итерациях этапа «точной» подстройки, когда угол наклона зависимости φ_измер(t) становится малым.

Для снижения влияния отмеченных выше эффектов на точность подстройки частоты, которая напрямую определяется точностью оценки наклона зависимости φ_измер(t), предложено следующее. На основе измеренных значений зависимости развернутой за пределы ±180 градусов фазы принятого сигнала от времени φ_измер(t) (см. фиг. 5) выполняют построение линейной аппроксимирующей зависимости φ_approx(t), которая по определению имеет постоянный наклон (см. фиг. 5). Кроме того, зависимость φ_approx(t) не имеет шумовой составляющей. Для сравнения на фиг. 5 приведена зависимость φ_proto(t), построенная по крайним точкам измеренного сигнала, как в решении-прототипе. Как видно из фиг. 5, наклон данной зависимости существенно отличается от наклона φ_approx(t). При этом наклон зависимости φ_proto(t), построенной по крайним точкам, может существенно изменяться от измерения к измерению под влиянием шума, в то время как наклон φ_approx(t) гораздо более стабилен, поскольку он определяется на основе всей выборки измеренных значений φ_измер(t).

Таким образом, существенно снижают влияние указанных эффектов (а именно, нелинейности измеренной зависимости фазы от времени и шумовой составляющей данной зависимости) на получаемую оценку наклона зависимости фазы от времени, что является отличительной особенностью заявляемого способа и существенным усовершенствованием подхода, предложенного в решении-прототипе. Имея аппроксимирующую зависимость φ_approx(t), оценку отстройки частоты приемника от частоты измеряемого сигнала вычисляют следующим образом:

(2)

где i - номер итерации алгоритма точной подстройки; t₀ и t₁ - начальный и конечный моменты времени измерения; φ_approx(t₀) и φ_approx(t₁) - значения аппроксимирующей линейной зависимости фазы сигнала от времени, вычисленные для данных моментов времени.

Далее значение частоты приемника корректируют на величину суммарной поправки частоты ΔF_∑

(3)

и вновь производят развертку по времени. Итерации «точной» подстройки выполняют до тех пор, пока значение не станет меньше некоторого заранее заданного порогового значения либо не будет достигнуто некоторое максимальное количество итераций. Оценку поправки частоты, получаемую при помощи алгоритма «точной» подстройки, считают сходящейся тогда, когда искомый сигнал попадает в полосу фильтра ПЧ ВАЦ, следовательно, до начала «точной» подстройки разность между начальной оценкой искомой частоты и ее истинным значением не должна превышать половину ширины фильтра ПЧ ВАЦ.

При проведении измерений найденное значение суммарной поправки частоты ΔF_∑ применяют ко всем частотам приемника в развертке по частоте, а также к частоте внешнего управляемого источника сигнала гетеродина опорного смесителя (при его наличии в схеме измерений). Предложенный способ автоматической подстройки частоты позволяет существенно повысить точность измерения комплексного коэффициента преобразования частотно-преобразующих устройств со встроенным неуправляемым гетеродином, а в особенности - точность измерения величины группового времени задержки таких устройств.

Изобретение относится к области измерительной техники сверхвысоких частот, а именно к области векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Способ заключается в том, что автоматическую подстройку осуществляют в «грубом» и «точном» режимах, в первом из которых используют результаты измерения в режиме сканирования по частоте измерительного приемника для определения положения максимума амплитуды измеряемого сигнала. В процессе «точной» подстройки частоты формируют линейную аппроксимирующую зависимость измеренных значений фазы сигнала, принятого измерительным приемником ВАЦ, от времени, развернутой за пределы ±180 градусов, и по углу наклона полученной линейной аппроксимирующей зависимости развернутой фазы от времени определяют необходимую величину поправки частоты приемника ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя как отношение угла наклона линейной аппроксимирующей зависимости развернутой фазы сигнала измерительного приемника от времени ко времени развертки. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности при осуществлении автоматической подстройки частоты измерительного приемника ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения коэффициента преобразования частотно-преобразующих устройств со встроенным неуправляемым гетеродином (далее - измеряемое устройство (ИУ)) с использованием векторного анализатора цепей (далее - ВАЦ) и автоматической подстройкой частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя, заключающийся в том, что сначала осуществляют подстройку частоты, для этого при фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода ВАЦ задают значение оценки частоты, на которой запланирован прием сигнала с выхода ИУ, затем осуществляют этап «грубой» подстройки частоты, на котором по результатам сканирования по частоте измерительного приемника ВАЦ в окрестности ранее заданной оценки частоты приема сигнала определяют частоту, соответствующую максимуму амплитуды измеряемого сигнала, после чего выполняют подстройку частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя на величину «грубой» поправки, определяемой как разница оценки частоты приема сигнала и ее найденного значения, затем осуществляют этап «точной» подстройки частоты, выполняемый за несколько итераций, на котором при фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя выполняют некоторое количество измерений на фиксированной частоте измерительного приемника ВАЦ, значение которой было определено на этапе «грубой» подстройки, что соответствует результатам измерения фазы сигнала на входе измерительного приемника ВАЦ в режиме временной развертки, при этом измерения фазы сигнала выполняют последовательно без задержек между ними и далее по углу наклона зависимости фазы от времени определяют величину поправки частоты, и этап «точной» подстройки частоты повторяют до тех пор, пока найденная величина поправки частоты не станет меньше некоторого заранее заданного пользователем порогового значения либо не будет достигнуто некоторое заданное пользователем максимальное количество итераций, причем итоговое значение поправки частоты приемников ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя рассчитывают как сумму величины «грубой» поправки и поправок, найденных на итерациях этапа «точной» подстройки частоты, отличающийся тем, что в процессе «точной» подстройки частоты формируют линейную аппроксимирующую зависимость измеренных значений фазы сигнала, принятого измерительным приемником ВАЦ, от времени, развернутой за пределы ±180 градусов, и по углу наклона полученной линейной аппроксимирующей зависимости развернутой фазы от времени определяют необходимую величину поправки частоты приемника ВАЦ и/или генератора сигнала гетеродина опорного смесителя как отношение угла наклона линейной аппроксимирующей зависимости развернутой фазы сигнала измерительного приемника от времени ко времени развертки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед началом автоматической подстройки частоты значение оценки частоты, на которой должен происходить прием сигнала с выхода ИУ, задают исходя из диапазона частот зондирования, оценки частоты неуправляемого гетеродина и множителей частот зондирования и неуправляемого гетеродина.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что помимо подстройки частоты приемников ВАЦ осуществляют подстройку частоты генератора, подающего частоту гетеродина на опорный смеситель в схеме измерения с последовательным включением опорного смесителя и измеряемого частотно-преобразующего устройства, в которой между портами ВАЦ включают цепь «опорный смеситель - фильтр промежуточной частоты - ИУ».

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что помимо подстройки частоты приемников ВАЦ осуществляют подстройку частоты генератора, подающего частоту гетеродина на опорный смеситель, включенный в опорный канал ВАЦ, при этом в схеме измерения цепь «опорный смеситель - фильтр промежуточной частоты» включают в цепь опорного канала ВАЦ, а ИУ включают между портами ВАЦ.