Цифровой корреляционный фазометр Советский патент 1983 года по МПК G01R25/08 

Изобретение относится к радиоизмерению и предназначено для измерений разности фаз в фазовом поле радионавигационных и радиогеодезических систем, Известен цифровой фазометр соде151жа«ий усилители-ограничители/ соединенные по выходам через последовательно соединенные формирователи, триггер, ключ с измерительным счетчиком, генератор счетных импуль сов, подключенный к формирователю импульсных последовательностей, выходы которого подключены соответственно к вторым входам формирователе и ключа, реверсивный счетчик полных углов, коммутатор, измерительный реверсивный счетчик, блок сравнения весов кода, линию задержки, второй ключ и второй триггер, причем импульсные выходаг блока сравнения весов кодов через коммутатор, подключенный к соответствующим информационным выходам измерительного реверсивного счетчика, подключены к импульсным входам указанного счетчика выходы которого подключены .к входам реверсивного счетчика полных углов, выход второго ключа, соединенный чёрез линию задержки с одним из входо второго Триггера,и выходы измерительного счет.чика подключены к соответст вующим входам блока сравнения весОв кода, выход которого соединен также с коммутатором, другой вход второго триггера соединен с одним из входов измерительного счетчика, а выход это го триггера подключен к одному из входов второго ключа Y . Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения разности фа, так как результат конечного измерения может быть смещен относительно истинного значения вследствие высокого уровня помех. Вторым существенным недостатком является отсутствие контроля за качеством фазовых измерений, вследстви чего в обработку могут поступить некорректные измерения разности фаз, что в общем случае снижает надежност проведенных измерений. Известен цифровой фазометр, содер жащий/ усилители-ограничители, формирователи импульсов, первый и вто-. I рой триггеры, первый и второй ключи, счетчик импульсов, формирователь, импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90. между ними, блок .сравнения весов кода; два последовательно соединенных реверсивных счетчика, линию задержки, генератор счетных импульсов, подключенный к входу формирователя импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90 между ними, выходы которого соединены с входом первого ключа и первыми входами формирователей импульсов, вторые входы которых подключены к выходам усилитедей-ограничителей, а выход одного из формирователей импульсов подключен к обнуляющему входу счетчика импульсов и установленному входу второго триггера, выход второго формирователя подсоединен к первому входу второго ключа, при этом оба формирователя импульсов соединены с входом -первого триггера, выход которого через первый ключ подключен, к счетному входу счетчика импульсов, а информационные выходы счетчика импульсов и первого реверсивного счетчика поразрядно подключены к блоку сравнения весов кода, импульсные выходы которого через коммутатор, соединенный с информационными выходами первого реверсивного счетчика и счетчика импульсов, соединены с соответствующими импульсными входами первого реверсивного счетчика, а выход второго триггера подключен к второму входу второго ключа, выход которого через линию задержки подключен к установленному входу второго триггера, третий триггер, и третий ключ, причем первый вход третьего триггера соединен с выходом второго ключа, второй вход его - с выходом линии равенства блока сравнения весов кода, а третий - с выходом первого формирователя импульсов, при этом выход третьего триггера подключен к первому входу третьего ключа,, второй вход которого подключен к формирователю импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и 90° между ними, а выход - к импульсному входу блока сравнения весов кода. Последовательно соединенные генератор и формирователь импульсных последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180 и между ними представляют из себя синтезатор частоты. Известный цифровой фазометр отличается быстродействием и следящим режимом измерений pfj . Однако этот фазометр используется при- радиоизмерениях, не сопровождающихся высоким уровнем помех. Кроме того, отсутствие контроля за качеством фазовых измерений существенно ухудшает надежность проведенных измерений. О фазовом сдвиге судят по положению лишь двух точек во времени, не используя того объема информации, который несут все остальные точки. Этим объясняется малая точность и помехозащищенность измерений фазового сдвига и большая зависимость результата измерений от искажения входных сигналов. Целью Изобретения является повышение точности измерения разности фаз за счет использования информации о временном положении всех точек измеряемого сигнала. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой корреляционный фазометр, содержащий два формирователя, синтезатор частоты, один выход которого соединен с входом элемента совпадения, элемент задержки, введены два смесителя, выходами соединенные со входами соответствующих формирователей, блок анализа и измерения временного сдвига и блок анализа максимума взаимно корреляционной функции, причем его первый вход соединен с выходом элемента совпадения, второй вход - с входом элемента задержки и с вторым выходом синтезатора частоты, третий вход - с вторым входом блока анализа и изме рений временного сдвига, четвертый с выходом элемента задержки, соединенным с первым входом блока анализа и измерения временного сдвига, третий вход KOTOpoiTo соединен с выходом блока анализа максимума взаимно корреляционной функции, четвертый вход - с третьим выходом синтезатора частоты и с первым входом первого смесителя, второй вход которого :оединен с первым входом устройства, второй вход устройства соединен с вторым входом второго смесителя, первый вход которого соединен с выхо дом блока анализа и измерения времен ного сдвига, пятый вход которого сое динен с первым выходом синтезатора частоты, выходы формирователей соединены с соответствующими входами элемента совпадения. Кроме того, блок анализа максимума взаимно корреляционной функций содержит последовательно соединенные счетчик, блок сравнения весов кода, регистр, второй вход которого соединен с выходом ключа, первый вход которого соединен.с выходом счетчика, второй вход - с выходом блока сравне ния весов кода и с третьим входом блока анализа максимума взаимно корреляционной функции, второй вход которого соединен с блоком сравнения весов кода, первый вход - с первым входом счетчика, четвертый - с вторы входом счетчика, а выход - с выходом блока сравнения весов кода. Причем блок анализа и измерения временного сдвига содержит последова тельно соединенные счетчике, первый ключ реверсивный счетчик и последовательно соединенные второй ключ ре гистр памяти, блок индикации, вход второго ключа соединен с первым выходом счетчика, второй вход регистра памяти соединен с вторым выходом сче чика, третий вход регистра памяти соединен с третьим входом блока анализа и измерения временного сдвига, второй вход которого соединен с вторь М входом второго ключа, первый вход - с входом счетчика, четвертый - с вторым входом первого ключа, пятый - с вторым входом ре версивного счетчика, выход которого соединен с выходом блока анализа и измерения временного сдвига. На фиг, 1 изображена схема цифрового корреляционного фазометра; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство содержит синтезатор 1 частоты, смесители 2 и 3 частоты, формирователи 4 и 5 прямоугольного сигнала, каждый из которых содержит избирательный фильтр и усилитель-ограничитель, элемент 6 совпадения, блок 7 анализа максимума взаимно корреляционной функции, содержащий в себе счетчик 8, блок 9 сравнения весов кода, регистр 10, ключ 11, блок 12 анализа и измерения временного сдвига, содержащий в себе реверсивный счетчик 13, первый ключ 14, счетчик 15, второй ключ 16, регистр 17 памят1€, блок 18 индикации и элемент 19 задержки. Цифровой корреляционный фазометр работает следующим образом. При наличии входных, подлежащих измерению сигналов на смесители 2 и 3.поступают сигналы вида (W,t-tf м (w,l . . f -.t . На вторые входа смесителей 2 и S поступают электрические сигналы с частотой Wc , формируемые синтезатором 1 частоты, причем на вход смеси теля 2 указанная частота поступает непосредственно, а на вход смесителя 3 - через реверсивный счетчик. 13, который совместно с ключом 14 и счетчиком 15 выполняет функцию цифрового фазовращателя. Таким образом, электрический сигнал, поступаемый на смеситель 3 от синтезатора .1, задержан по фазе относительно сигнала, поступаемого на смеситель 2 от синтезатора 1 частоты на величину qi, , соответствующую числу, записанному в счетчике 15. На выходе формирователей 4 и 5 прямоугольного Сигнала, состоящих из избирательного фильтра, настроенного на частоту (W,-We, А/о и усилителя-ограничителя, формируютг ся cигнaлыV „cos(,)t Ч,-с(1сЛ и Vcos RW,- A/cnt-(Ч,- срс, - соответственно или Vf,,cos(Myot- /, сЛ (Wot-q2- 4 ca 4K), Сл-const - фаза электрического сигнала синтезатора. Разность фаз сигналов, подлежащих измерению, будет соответствовать значению Cf 2-4, t| к Таким образом, если электрически сигнал, формируемый синтезатором 1 поступающий на вход смесителя 3,. задержан на величину Cf, относительн фазы электрического сигнала, поступаемого на аналогичный вход смесите ля 2, то на выходе формирователей 4 и 5 прямоугольных сигналов буду присутствовать сигналы, фазы которых равны, следовательно, задача уравнивания фаз сводится к подбору необходимой величины фазовой задержки Cf 14 по определенному критерию. В данном случае используется критерий максимума корреляционной функции, для чего введен блок 7 ана лиза максимума взаимно корреляционной функции, Работа блока 7 анализа максимума , взаимно корреляционной функции поясняется временной .диаграммой, приведёйяой на фиг, 2,а иб- сигналы, поступающие с выхода формировате лей 4 и 5 прямоугольных сигналов соответственно на входы элемента б совпадения. На выходе элемента 6 совпадения (фиг, 2,Ь) фомируются импульсные пооледовательности длительность которых соответствует совпадающим частям положительных и отрицательных полуволн сигналов, Частота заполнения импульсных последовательностей счетными импульсами Wc f фор мируемая синтезатором 1, выбирается из условия Wc-j - Wg N (где N - основание системы единиц измерения, при измерении разности фаз в гргшусах , при измерении разности фаз в сантициклах ), Счетные импульсы с выхода элемен та б совпадения Поступают на счетчик 8, где подсчитываются в течение времени анализа (фиг, 2,5), На фиг 2,В и 2 рассмотрены три случая накопления информации в течение вре мени Ьд, В первом случае фазовая задержка между сигналами выходе формирова телей 4 и 5 прямоугольных импульсов в течение времени ta соответствует cjg (фиг, 2,0 и fl) .; в течение времени t, счетчик 8 им пульсов подсчитает количество счетных импульсов, равное А (фиг, 2,2), По окончании времени1д - , задавае мого синтезатором 1 частоты, на импульсный вход блока 9 сравнения весов кода поступает импульс, опраши.вакщий информационные выходы счетчика 8 и регистра 10, Если веса кода, а следовательно, и число импульсов, подсчитанное счетчиком 8, больше чг ла, записанного в регистре 10, то на выходе блока 9 сравнения весов кода формируется импульс,, который в свою очередь открывает ключ 11 перезаписыванияЕсли число импульсов, посчитанное счетчиком 8 за время tg / меньше числа, записанного ранее в регистр 10, то перезапись содержимого счетчика 8 в регистр 10 не производится, так кач в этом случае на импульсном выходе- блока 9 сравнения весов кода импульс не формируется. По окончании времени анализа ta импульс, задержанный элементом 19 задержки, обнуляет счетчик 8, после чего в течение следующего промежутка времени анализа ta операция подсчета импульсов счетчиком 8 сравнения с Кодом, записанным ранее в регистре 10, и перезапись числа со счет 1ика 8 в регистр 10 повторяются (в случае, если число записанное в счетчике 8 по окончании времени анализа больше числа, записанного .ранее в регистре 10), Элемент 19 задержки используется для обеспечения возможности первоначально провести сравнение весов кода счетчика 8 и регистра 10, а затем обнуление счетчика 8, Таким образом, блок 7 анализа максимума взаимно корреляционной функции позволяет в течение N интервалов времени анализа i(j определить максимум взаимно корреляционной функции, соответствующей максимальному числу импульсов в одном из интервалов анализа tq , которое было подсчитано счетчиком 8 и перезаписано в регистр 10 за время анализа, равное N- ta На фиг, 2,4 показаны трислучая для различных разностей фаз входных сигналов. Как видно из временной диаграммы, наибольшее количество импульсов В, подсчитанное счетчиком 8 и потому перезаписанное в регистр 10, будет соответствовать условию, при котором разности фаз входных сигналов равны нулю, В течение следующего времени анализа N- to содержимое регистра 10 не изменится, так как в нем записано максимальное число из всех подсчитанных счетчиком 8, Таким образом, максимум взаимно орреляционной функции найден. Анаиз числа, записанного в регистре 10 соответствующего максимуму взаимо корреляционной функции, однозначо показывает, с какими сигналами роизводятся фазовые измерения (скрыыми в шумах, высоким отношением сигал/шум, отсутствием одного из сигнаов, отсутствием обоих сигналов), исло, записанное в регистре 10, по

окончании измерения, т.е. через время N-tq, фиксируется посредством блока 18 индикации.

Анализ числа, соответствующего максимуму взаимно корреляционной функции, имеет большое значение для оценки надежности фазовых измерений.

Вторая задача состоит в том, чтобы определить, на каком порядковом номере, изменяющемся от О до N времени анализа ia определен максимум взаимно корреляционной функции. Число, соответствующее порядковому номеру времени анализа 1д , на котором определен максимум взаимно корреляционной функции, определяет величину фазовой задержки (f , , при которой разности фаз сигналов на выходе формирователей 4 и 5 прямоугольных сигналов равны нулю. Для определения порядкового номера времени анализа t(j, соответствующего максимуму взаимно корреляционной функции, введен блок 12 анализа и измерения временного сдвига, который работает следующим образом: по окончании каждого интервала времени анализа tg счетчик 15 добавляет к числу, ранее в нем записанному, одну единицу. Ключ 14 открывается передним франтом импульсной последовательности, следуемой .с частотой We, и фазой tpct формируемой синтезатором 1 частоты, перезаписывая информацию со счетчика 15 в реверсивный счетчик 13 на время, соответствующее фазе Cfc, сигнала с частотой We , формируемой синтезатором 1 частоты. Далее на вычитающий вход реверсивного счетчика 13 поступает импульсная последовательность с частотой, равной We,. N , формируемой синтеза тором 1 частоты. Реверсивный счетчик 13, работающий на вычитание,считывает количество счетных импульсов К, равное числу К, записанному а счетчике 15, после чего при переходе через нуль формируется импульсная последовательность с частотой Wcj, поступающая на вход смеситег ля 3. Передний фронт импульсной последовательности, сформированной на выходе реверсивного счетчика 13 задержан на фазе относительно переднего фронта импульсной последовательности, следуемой с частотойW y и фазой с« формируемой синтезато ром 1 частоты на величину cf (, , соответствующую значению К в счетчике 15 Условие разности фаз входных сигналoв(),-() соответствует максимуму взаимно корреляционнсхй функции. Условие с{1 -tf 1 Ml it ® соответствует максимуму взаимно корреляционноЙ функции. Следовательно, на участке от О до W интервалов времени анализа ta будет только один временной интервал, соответствующий максимуму взаимно корреляционной функции. На фиг. 2, показано поступление импульсов по окончании времени tq на счетчик 15. На фиг. 2,е показано накопление счетных импульсов счетчиком 15 на протяжении времени . Блок 9 сравнения весов кода при условии, что число, подсчитанное счетчиком 8 за время анализа ta , больше числа в регистре 10, формируют на выходе импульс (фиг. 2,), открывгиощий ключ 16, перезаписывая, таким образом,, в регистр 17 памяти (фиг. 2,) содержимое счетчика 15. Число, записанное в счетчике 15, в этом случае соответствует порядковым номерам интервала времени анализа q при которых определены высокие значения взаимно корреляционной функции. Максимальное значение взаимно корреляционной функции будет одно на интервале времени Т N-1 . При подсчете Я импульсов на выходе счетника 15 формируется импульс переполнения (фиг. 2,0), который разрешает передачу информации с регистра 17 памяти на блок 18 индикации. Блок 18 Инди1са 1ии регистрирует, таким образом, порядковый номер временного интервала анализа t (фиг. 2,k), соответствую;щий максимальному значению взаимно корреляционной функции, и число, записанное в регистре 10 и сботвепзтвующее максимуму взаимно корреляционной функции.

Определенному таким образом по- . рядковому номеру временного интервала анализа ta соответствует максимальное значение взаимно корреляционной ФУНКЦИИ и величина фазовой задержки ч , при которой выполняется условие Ср2 - cf (р . Величина фазоЗзой задержки ( , измеренная с помощью предлагаемого устройства, определяется с высокой, точностью при любом уровне помех, так как здесь используется информация о всех точках сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерений при любом уровне помех и анализа полученной инфорг ации за счет особогопостроения бло.ка анализа максимума взаимно корреляционной функции блока анализа и измерения BpeMBHHOto сдвига.

ГЛ

..-&

б б

ГП

/

ft

е

7 Лтд

Фид.