Устройство для измерения фазовых сдвигов Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

со 1

о

СП

со 1

Изобретение относится к фазоиз- мерительной технике и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов наложенных радиоимпульсных сигналов,

Цель изобретения - повышение точности измерений фазовых сдвигов наложенных сигналов при значениях их частот, близких к когерентным.

На фиг. 1 приведена схема устройства; на фиг. 2, 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит вычитатели 1-1, 1-2, 1-3, сумматоры 2-1, 2-2, фазовращатели 3-1, 3-2, делители 44-2, первый и второй каналы, в которые входят соответственно первый 5и второй 5-2 амплитудные детекторы, первый 6-1 и второй 6-2 элементы выделения квадратов огибающих, первый 7-1 и второй 7-2 фильтры верхних частот, дифференциатор 8, преобразователь 9 полярности импульсов, формирователь 10 управляющих сигналов, блоки 11-1, 11-2 выборки-хранения, блоки 12-1, 12-2 вычисления арктангенса.

Входы вычитателя 1-1 и сумматора 2-1 объединены и являются входными шина:ми устройства. К первой входной шине устройства присоединены также входы линейного амплитудного деттора 5-1 и дифференциатора 8. Выход сумматора 2-1 связан с входом фазовращателя 3-1, а выход фазовращателя 3-1 соединен с одним из входов делителя 4-1, другой вход которого соединен с выходом вычитателя 1-1, Выход делителя 4-1 связан с информа

ционным входом блока 11-1 выборки- хранения, управляющий вход которого подключен к прямому выходу формирователя Ю управляющих сигналов. Вход формирователя 10 управляющих сигналов через преобразователь 9 полярности импульсов соединен с выходом дифференциатора 8. Выходы линейньпс амплитудных детекторов 5-1 и 5-2 связаны с входами элементов 6-1 и 6-2 выделения квадратов огибающих соответственно, лричем вход линейного амплитудного детектора 5-2 подключен к второй входной щине устройства. Выходы элементов 6-1 и 6-2 вьщеления квадратов огибающих соответственно через фильтры 7-1 и 7-2 верхних частот соединены с входами вычитателя 1-2 и сумматора 2-2. Выход сумматора 2-2 через фазовращатель 3-2 связан с одним из входов делителя 4-2. Выход последнего подключен к информационному входу блока 11-2 выборки- хранения, управляющий вход которого связан с инверсным выходом формирователя 10 импульсов. Выходы блоков 11-1 и 11-2 выборки-хранения через блоки 12-1 и 12-2 вычисления арктангенса соответственно подключены к входам вычитателя 1-3. Выход блока 12-1 вычисления арктангенса подключен к первой выходной шине устройства, а выход вычитателя 1-3 - к второй выходной щине устройства.

Устройство работает следующим образом.

Пусть на входы поступают два наложенных радиоимпульсных сигнала с неизвестными частотами и прямоугольными огибающими U(t) и U(t) (фиг.2)

0

5

0

5

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых сдвигов наложенных радиоимпульсных сигналов. Устройство содержит вычислитель 1-1, сумматор 2-1, делитель 4-1, фазовращатель 3-1, два канала, включающие амплитудные детекторы 5-1 и 5-2, элемент 6-1 выделения квадратов огибающих, блок 11-1 выборки-хранения и блок 12-1 вычисления арктангенса. Введение вычислителей 1-2 и 1-3, сумматора 2-2, фазовращателя 3-2, делителя 4-2, а в каналы - элемента 6-2 вьщеления квадратов огибающих, фильтров 7-1 и 7-2 верхних частот, дифференциатора 8, преобразователя 9 полярности импульсов, формирователя 10 управляющих сигналов, блока 11-2 выборки-хранения, блока 12-2 вычисления арктангенса и образование новых функциональных связей повышают точность измерения фазовых сдвигов наложенных сигналов при значениях их частот, близких к когерентным . 4 ил. i (Л

и, (t)A,sin(w,t+ а,+ 4,„)1 (t-t, )-1 (t-tJ +A2sin(w,t+t/ + i,,,) 1 (t-t)-l ( ; I и, (t)A,sin(u,t+,-V,,J 1 (t-t J-l(t-t ,)+A,sin(a),t+t/j-.P l (t-t, )-l (t-t ) , (i )

A , Ы,, t/ - амплитуда, частота и начальная фаза первого радиоимпульса; - фазовый сдвиг между

первыми радиоимпульсами по каналам; А, 00, IfJ - амплитуда, частота и

начальная фаза второго радиоимпульса;

из(1)2А, cos(v,,j)sin(bJ,t+i,)l (t-t,)- (t- U Jt)2A,sin(v,,,)cQs(w,t+t/, ) 1 (t-t, )-l (

0

Ф - фазовый сдвиг между

вторыми радиоимпульсами по каналам; t, t - время начала и конца

первого радиоимпульса; t, tj - время начала и конца

второго радиоимпульса. На входах сумматора 2-1 и вычитателя 1-1 формируются сигналы:

tJ)+-2AjCos(ify)sin(w,,t+ )l((t,-t.)J t-t )+2A,sin(v)cos(u),t+ (f )1 (t-1,)-l (t-t.

где U,(t) и l (t) - соответственно

суммарный и разностный сигналы.

Сигнал U(t) с помощью фазовращателя 3-1 сдвигается на угол и посту-.

) 2A,sin( /Ocos(w, t+ u,)t 1 (t-t.

-l(t-t J +2A:sin(4./)cos(w7t+ ) 1 (t-t 0-1 (t-t )J

2А,со8и TcosTcJ,t+ 1/Л 1 (t-t, )-T(t-t4T +2A jCos(4.- coBtbb ,,t+ IfJf l(t-t J-ltt-t jTl

111

где U,(t) - выходной сигнал делителя.

Вместе с этим дифференциатор 8 формирует короткие импульсы

u,.(t) ,

где и,,(t) - сигнал производной огибающей, соответствующий моментам t,, t 4 появления и t, tj наложения радиоимпульсов (фиг. Д). Преобразователь полярности импульсов преобразует импуль ы отрицательной полярности, соответствующие

о1 iJ , (t )

отрицательному значению

cJt

, , s 2A,sin(v,,j)cos(u),) ll(t-t, + C)-l (t-t2)

5ATc55Tv Tc5sru7t+l/7TrTTt-t,+ jT-T Ct-tЛ

m то также соответствует tg Cf ..

Параллельно с работой сумматора -1 и.вычитателя 1-1 линейные амлитудные детекторы 5-1 и 5-2, элеенты 6-1 и 6-2 выделения квадратов гибающих и фильтры 7-1 и 7-2 верхих частот выделяют и преобразуют игналы огибаюрдих, которые перед потуплением на входы сумматора 2-2 ь ычитателя 1-2 имеют следующий вид:

и; (t) 2A,A,cos(flt+j +/5;2); (б) U.;(t) 2A,A,cos(t+-y-;5/2), (7)

де и , (t;,U (t} - выражение переменных составляющих в первом и втором каналах соответственно ;

35

40

50

Я W, - U1,, - частота биений огибающих радиоимпульсов;

Lf, - If. - разность начальных

фаз первого и второго наложенных радиог импульсов;

f Lf - 1 - разность фазовых

сдвигов между перПосле суммиро сумматором 2-2 и сдвига разностно фазовращателем 3 (7) принимают сл

Ug(t) A,A5Co U5(t) A,AjCo

Делитель 4-2 45 делителю 4-1, и руется напряжени

tg,(v где k и V, фа пе на со

Блоки 12-1 и тангенса формиру и (10), соответс

.55

углов и v,, - а вычитатель 1-3 формирует напряж щее углу - V,,,.

1370597

пает на вход делителя 4-1, а на второй вход делителя поступает сигнал 1)4 (t). На выходе делителя формируется напряжение

(3)

импульсы положительной полярности и ,, (t) (фиг. 4). Формирователь уп- равляющих сигналов формирует импульсы U,(t) управления работой блоков выборки-хранения с предварительной задержкой фронта. Так, в момент времени t управляющий импульс

u,jt)i(t-t,+ j)-i(t-t;), (4;

где - время задержки импульса, необходимое для устранения пе- реходных процессов,

поступает на yпpaвляюш й вход блока 11-1 выборки-хранения и обеспечивает выборку из (З) части сигнала, соответствующей открытому участку

(5)

35

40

50

вой и второй парой наложенных радиоимпульсов.

После суммирования и вычитания сумматором 2-2 и вычитателем 1-2 и сдвига разностного сигнала на li/2 фазовращателем 3-2 выражения (6) и (7) принимают следующий вид (фиг.З):

Ug(t) A,A5Cos(i7t+7) , (8) U5(t) A,AjCos(.Qt+y), (9)

Делитель 4-2 работает аналогично 45 делителю 4-1, и на его выходе формируется напряжение, соответствующее

tg,(v,,,-V,,,), (10) где k и V, фазовые сдвиги между первой и второй парой наложенных радиоимпульсов.

Блоки 12-1 и 12-2 вычисления арктангенса формируют напряжения из (5) и (10), соответствующие значениям

5

углов и v,, - Vj/, соответственно, а вычитатель 1-3 из этих напряжений формирует напряжение, соответствующее углу - V,,,.

51370597

Таким образом, выходные сигналы устройства и и U,, соответствуют фазовым сдвигам М),,, и iv,j соответственно, t определяют из соотношения:

,. ,„ Up(t )(t )Up(t)(t) ,... c,,,2arctg .-..---..--. , (п)

где ( - измеряемые фазовые сдвиги; t , t - моменты времени, при которы

огибающая разностного сиг- нала имеет максимум и минимум соответственно; Up(t), Uj,j(t) - огибающие разиостного и

сдвинутого суммарного сигна лов соответственно; Up(t),

Ucc( t) - разностный и сдвинутый суммарный сигналы соответственно. Допустим, что на вход устройства поступил наложенный радиоимпульс, длительность которого равна половине периода огибающей. Тогда с достаточной точностью (0,95)может быть опре- делен только один из экстремумов огибающей разностного сигнала. Допустим, что экстремум в момент t определен с точностью 0,9 от истинного значения , при этом значение оги баю1цей U(.(t ) также равно 0,9 от истинного значения, которое должно быть в момент этого экстремума. По-- сле обработки сигналов получим

c,,2arctg -106 Cf,2arctg 100

(12)

Если экстремум огибающей разностного сигнала в момент времени определен с точностью 0,8 от истинного значения, то полученные фазовые сдвиги равны i/ -124 ; и по грешность определения составит для f, для I/, 5. Рассмотрен далеко не самый худший случай. Длительность радиоимпульсов может быть в десятки раз меньше периода биений огибающей, который зависит от соотношения частот наложенньпс радиоимпульсных сигналов.

Погрепшости такого порядка могут вызвать и внещние шумы во входном воздействии или внутренние помехи как случайного, так и детерминированного характера.

По сравнению с предлагаемым в базовом объекте фазовые сдвиги if и

5

0 5 0

5

0

5 0

55

Формула изобретения

Устройство для измерения фазовв1х сдвигов, содержащее первый сумматор, первый вычитатель, входы которых объединены и подключены к входным шинам устройства, первый фазовращатель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, последовательно соединенные первый делитель, первый блок выборки-хранения и первый блок вычисления арктангенса причем один вход делителя подключен к выходу первого фазовращателя, а другой - к выходу первого вычитате: я, и два линейных амплитудных детектора, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений фазовых сдвигов наложенных сигналов при значениях их частот, близких к когерентным, в него введены последовательно соединенные дифференциатор, преобразователь полярности импульсов и формирователь управляющих сигналов, первый и второй элементы выделения квадратов огибающих, первый и второй фильтры верхних частот, второй сумматор, второй фазовращатель , второй и третий вьгчита- тели, второй делитель, второй блок выборки-хранения и второй блок вычисления арктангенса, причем вход дифференциатора соединен с одним из входов устройства, входы первого и второго амплитудных детекторов соответственно соединены с входными шинами устройства, а выходы соответственно через первый и вторхзй элементы выделения квадратов огибающих соединены с входами первого и второго фильтров верхних частот соответственно, выходы первого и второго фильтров верхних частот подключены к входам второго сумматора и второго вычи- тателя, выходы которых соединены с входами второго фазовращателя и второго делителя соответственно, причем второй вход второго делителя подключен к выходу второго фазовращателя, а выход соединен с информационным входом второго блока выборки- хранения, при этом выход первого блока вычисления арктангенса подключен к первой выходной шине устройства и к первому входу третьего вы- читателя, второй вход которого через второй блок вычисления арктангенса соединен с выходом второго блока выборки-хранения, управляющие входы

первого и второго блоков выборки-хранения соответственно подключены к прямому и инверсному выходам формирователя управляющих сигналов, второй выходной шиной устройства является выход третьего вычитателя.

tl,

(pus. г