Статистический анализатор конечной разности фазы Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

Фиг

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статистических характеристик случайной фазы сигна- ла.

Цель изобретения - расширение диапазона частот исследуемого сигнала.

На фиг. 1 приведена структурная схема статистического анализатора ко- вечной разности фазы сигнала; йа фиг. 2 - структурная схема аналогового запоминающего блока; на фиг. 3 - структурная схемй формирователя .стро- биругощих импульсов; на фиг. 4 и 5 - таблицы коммутации входов и выходов соответственно первого и второго коммутаторов; на фиг. 6 - временные диаграммы работы статистического анализатора.

Статистический анализатор содержит аналоговьй запоминаюгций блок (АЗБ)

Iл формирователь 2 опорного колебания первьй 3 и второй 4 блоки выборки и хранения, первьй 5 и второй 6 анало- го-цифровые преобразователи (АЦП), первьй 7 и второй 8 .накапливающие сумматоры, первьй 9 и второй 10 от- счетные блоки, управляемый генератор

IIтактовых импульсов и формирователь 12 стробирующих импульсов.

Входом статистического анализатора служат объединенные входы АЗБ 1 и Формирователя 2 опорного колебания выход первого из которых подключен к объединенным входам первого и второго каналов преобразований, каждьм из которых содержит последовательно соединенные соответственно первый 3 и второй 4 блоки выборки и хранения, первый 5 и второй 6 АЦП, первый 7 и второй 8 .накапливающие сумматоры, первый 9 и второй 10 отсчетные блоки. Управляющим входом статистического анализатора служат объединен- ные вход управляемого генератора 1 1 тактовых импульсов и первый вход фор мирователя 12 стробирующих импульсов Первый выход управляемого генератора

11 тактовых импульсов подключен к

объединенным тактовому входу формирователя 2 опорного колебания и первому тактовому входу АЗБ 1, второй тактовый вход которого соединен с вторым выходом управляемого ген ератора 11 тактовых импульсов. Первый и второй выходы формирователя 12 стробирующих импульсов соединены с входами стробирования соответственно пер,

ю 5 0

25

30

5 40 5

0

г

вого 3 и второго 4 блоков выборки и хранения, а вход - с выходом формирователя 2 опорного колебания. Кроме этого, входы синхронизации АЦП 5 и 6 соединены соответртвенно с первым и вторым выходами формирователя 12 стро- бирушщих импульсов, выходы конца преобразования - с входами синхронизации соответственно первого и второго накапливающих сумматоров 7 и 8, входы стробирования которых об едине- ны и подключены к входу Время измерения статистического анализатора конечной разности фазы сигнала.

АЗБ 1 служит для изменения вещественного параметра характеристической функции путем умножения фазы исследуемого сигнала, что достигается запоминанием дискретных значений входного напряжения за период исследуемого сигнала и считыванием их с частотой импульсов считывания в К раз больше частоты импульсов дискретизации.

АЗБ 1 содержит первую 13 и вторую 14 линии задержки, объединенные входы которых соединены с входом АЗБ 1, триггер 15, первый 16 и второй 17 коммутаторы, управляющие входы которых подключены к выходу триггера 15, первый 18 и второй 19 счетчики импульсов, первьй 20 и второй 21 ключи, выходы которых подключены соответственно к тактовым входам первой 13 и второй 14 линий задержки и соответственно к входам первого 18 и второго 19 счетчиков . импульсов, выходы которых подключены соответственно к вторым управляющим входам первого 20 и второго 21 ключей, первый 22 и второй 23 формирователи, вход первого из которых под- кшочен к входам линии 13 и 14 задержки, а вход второго - к выходу коммутатора 17 и соединен с выходом АЗБ 1, и делитель 24 частоты. Вход последнего подключен к выходу формирователя 22, а выход - к входу триггера 15, к управляющему входу второго формирователя 23 и к первым управляющим входам первого 20 и второго 21 ключей, входа которых подключены соответственно к .первому и второму выходам комь|ута- тора 16, первьй вход которого является первым тактовым входом 1 , а второй - вторым тактовым входом , АЗБ 1. Выходь линий 13 и 14 задержки подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора 17,вто31

рой управляющий вход которого подключен к выходу формирователя 23.

Линии 13 и 14 задержки могут быть реализованы с использованием микро- схем дискретных линяй задержки на приборах с зарядовой связью. При зто число п запоминающих ячеек каждой из линий 13 и 14, равное емкости счетчиков 18 и 19, выбирается исходя из требования, чтобы п, умноженное на период следования импульсов с второго выхода управляемого генератора 11 тактовых импульсов, быпо больше одного, но Меньше двух периодов вход- кого сигнала.

Коммутатор 16 предназначен дпя подключения первого и второго тактовых входов АЗБ 1 к входам первого 20 или второго 21 ключей. Таблица ком- мутации входов и выходов коммутатора

16в зависимости от состояния триггера 15 приведена На фиг. 4. Например, если , первьй вход коммутатора соединен с вторым выходом, а второй вход - с первым выходом, следовательно, первьй тактовый вход

АЗБ 1 - с входом второго ключа 21, а второй тактовый вход АЗБ I ,- с входом первого ключа 20.

. Коммутатор 17 служит для подключения выхода первой 13 или второй 14 линий задержки к выходу АЗБ 1. Таблица коммутации входов коммутатора

17в зависимости от состояния триггера 15 приведена на фиг. 5. Коммутатор 17 имеет также второй управляющий вход, при появлении на котором сигнала, соответствующего уровню логической единицы, происходит отклю- чёние входов коммутатора 17 от его выхода.

Формирователь 2 опорного колебания представляет собой аналоговую линию задержки : с временем задержки Т. Бре- .мя задержки Т здесь должно соответствовать параметру С конечной разности фазы сигнала:

f(t)4y(t)y(t)-v(t-T),

статистический анализ которой вьшол- няется.

Формирователь 12 стробирующих импульсов обеспечивает формирование импульсов, управляющих работой блоков 3 и 4 выборки и хранения , длительность которых равна половине периода сигнала, действующего на входе блоков 3 и 4, и сдвинутых один, относительно

, Q 5

0

5

0

JQ

с

.

5

82

другого на четверть периода. Формирователь 12 содержит (фиг. 3) фазовый детектор 25, фильтр 26 нижних частот, преобразователь 27 напряжения, первый 28 и второй 29 триггеры, логический элемент ИСКПЮЧАЮПТЕЕ ИЛИ 30, управляемый делитель 31 частоты. Формирователь 12 стробирующих импульсов представляет собой умножитель частоты с коэффициентом 4К, где К - цифровой код, действующий на первом входе формирователя 12, работа его основана на принципе умножения частоты в системе ФАП. Коэффициент умножения 4К здесь опреД еляется коэффициентом деления частоты цепи, содержащей последовательно соединенные триггеры 28 и 29 и управляемый делитель 31 частоты. Числовой эквивалент кода К выбирается равным вещественному параметру характеристической функции V.

Блоки 3 и 4 выборки и хранения интегрирующего типа предназначены дпя интегрирования сигнала, действующего на первом входе, за время действия импульса на втором входе. Сброс интеграторов осуществляется по переднему фронту стробирующих импульсов.

Управляемый генератор II тактовых импульсов предназначен дпя формирования последовательности тактовых импульсов с частотами f,, на своем первом выходе и КГл на втором выходе..

Каждый из накапливающих сумматоров 7 и 8 содержит сумматор, регистр памяти, запись в которьй производится при действии импульса на входе Синхронизации накапливающего сумматора при наличии сигнала с уровнем логической единицы на входе стробиро- вания, и одновибратор, обеспечивающий сброс содержимого регистра памяти при появлении переднего фронта импульса на входе стробировання.

Отсчетные блоки S и 10 обеспечивают цифровую индикацию отсчетов характеристической функции A( и B(Vf) и содержат депифратор и цифровой индикатор.

Статистический анализатор работает следующим образом.

Измерение оценок характеристичес- , кой функции производится при выбранном значении вещественного параметра V. При этом (в общем случае) на управляющий вход статистического анализатора подается код числа К,равный . выбранному значению вещественного па514221

раметра V. Измерение оценок характеристической функции при (У„,2) следующее.(в скобках приводятся соотношения для конкретного значения ,. вещественного параметра .

При () управляемый генератор 1I тактовых импульсов формирует ка своем первом выходе последовательность импульсов с частотой следо- Q ваиия 1 , а на втором выходе - с частотой Kfj(2fo). Исследуемый сигнал поступает на входы АЗБ 1 и формирователя 2, pjOTopbM формирует опорньш сигнал.

На второй вход формирователя 12 стробирующих импульсов поступает сигнал с частотой опорного сигнала f, , а на первьй вход подается код числа К (2). Таким образом, на выходе пре 20 образователя 27 напряжения в частоту действует последовательность импульсов с частотой 4Kf(8f(,), а на выходе триггера 29 - с частотой Kf{,(2f)

и длительностью ог;7(г7;-) Чз выходе

2К.1с 41с.

логического элемента ИСКЛОЧАКН11ЕЕ ИЛИ 30 действует последовательность импульсов с частотой Kf(2f(,) и длительностью сдвинутая от- носительно последпсательности иьшульТ Т

сов с выхода триггера 29 на (),

11 то соответствует «(с) части перио- 35

а опорного сигнала. Для V,2 послеовательности стробирующих импульсов с выходов формирователя 12 стробирущих импульсов показаны на фиг. 6д,е.

В исходном состоянии счетчики 18 19 импульсов и триггер 15 обнулены, а на выходе формирователя 23 установен потенциал логического нуля. Цикл измерения отсчетов характеристической функции начинается с появления переднего фронта импульса- на входе Время измерения статистического анализатора. При этом происходит обнуление содержимого накапливающих сумматоров 7 и 8.

Исследуемьм сигнал (фиг, 6в) поступает на входы линий 13 и 14 задержки и на вход формирователя 22, которьм формирует импульсы в моменты пересечения исследуемым сигналом нулевого уровня. Делитель 24 частоты, коэффициент деления которого равен 4, формирует импульсы (фиг, 6б), которые

40

45

50

55

.

г

0

5

0

5

0

5

826

управляют состоянием триггера 15 (фиг, 6в), а также открывают ключи 20 и 21 и устанавливают выход формирователя 23 в нулевое состояние. Допускают, что импульс с выхода делителя 24 частоты устанавливает триггер 15 в единичное состояние, открывает ключи 20 и 2.1 и устанавливает выход формирователя 23 в нулевое состояние. В этом случае в соответствии с таблицей коммутации (фиг. 4) на управляющий вход линии 13 задержки через ключ 20 поступают импульсы с второго входа АЗБ 1 с частотой Kfa(2fg}, а на управляющий вход второй линии 14 задержки- через ключ 21 импульсы с первого входа АЗБ I с частотой fa

В указанном режиме линия 14 задержки запоминает мгновенные значения исследуемого сигнала в моменты появления на ее управляющем входе импульсов с частотой TO Счетчик 19 импульсов производит подсчет этих импульсов. Как только его содержимое достигает п, что соответствует числу ячеек линии задержки, он закрывает ключ 21, тем самым прекращая подачу импульсов на линию 14 задержки.

Следующий импульс с выхода делителя 24 частоты переводит триггер 15 в нулевое состояние, открывает ключи 20 и 21 и устанавливает выход формирователя 23 в нулевое состояние. При этом согласно таблице коммутации входов и выходов коммутатора 16 на управляющий вход линии 13 задержки через ключ 20 проходят импульсы с первого входа АЗБ 1 с частотой fо, а на управляющий вход линии 14 задержки через ключ 21- со второго входа АЗБ 1 с частотой КГо(2Го), Кроме того, в этом случае согласно таблице коммутации коммутатора 17 (фиг. 5, при ) выход второй линии 14 задержки оказывается подключенным к выходу АЗБ 1. Следовательно, при происходит последовательное считывание из линии 14 тех мгновенных значений напряжения, которые были запомнены при . Так как частота тактовых импульсов на управляющем входе линии 14 теперь в К(2) раз больще, запомненный при отрезок входного напряжения считывается за время, в К раз меньшее. Кроме того, как только считываемое напряжение, действующее на выходе коммутатора 17, пересекает уровень, изменя- ясь из отрицательной области в положительную, срабатывает формирователь 23 f на его выходе появляется логическая единица и входы коммутатора 17 отключаются от выхода. Поэтому на вы ходе АЗБ 1 формируется отрезок сигнала, (фиг, 6г) длительность которого равна периоду входного сигнала, уменшенному в КС2) раз.

В этом же режиме запоминание мгновенных значений входного сигнала производится уже линией 13 задержки, на управляющий вход которой поступают импульсы с частотой fa. Однако считывание этого напряжения с часто- той импульсов .считывания Kfj производится только после того, как триггер 15 снова устанавливается в единичное состояние (фиг. 6в, г). Такой процесс попеременной записи и считыв ния с более высокой частотой из линий 13 и 14 задержки производится в течение всего времени измерения оценок характеристической функции при выбранном значении параметра Уу„.

Таким образом, на выходе АЗБ 1 формируется кусочно-импульсный сигнал с фазой, умноженной на К (в указанном примере удвоенной фазой),ко- тЬрьй подается на блоки 3 и 4 выбор- ки и хранения, на управляющие входы которых подаются стробирующие импуль сы (фиг. 6д и е соответственно).

Блоки 3 и 4 выборки и хранения; интегрируют поступающий на их входы сигнал за время действия стробирую- щих импульсов на их управляющих входах, и на выходах блоков 3 и 4 в общем случае получаются две квадратурные оценки, пропорциональные значе- киям

yr(Vv,,t)cos (t); V/(vr,t)sin 4v,f(t),

где f(t) - случайный процесс (конеч-

нал разность фазы). Для указанного примера ()

V(V.2,t)cos 2if(t); V/(,t)3in 2lP(t).

Напряжения с выходов блоков 3 и 4 поступают на входы. АЦП 5 и 6. При этом запуск последних производится при появлении задних фронтов импульсов на их входах синхронизации, т.е. сразу после окончания действия стро- бирующего импульса на соответствующем выходе формирователя 12 строби- рующих импульсов. После завершения

аналого-цифрового преобразования на выходе Конец преобразования АЦП 5 и 6 формируется импульс, которьй, поступая на вход синхронизации соответствующего накапливающего сумматора 7 или 8, вызывает прибавление кода, сформированного на выходе АЦП 5 или 6, к числу, записанному к настоящему времени в накапливающем сумматоре 7 или 8.

Цикл измерения отсчета характеристической функции заканчивается после заверщения действия импульса на входе Время измерения статистического анализатора. Таким образом, если за время измерения сформировано N импульсов на выходе делителя 24 частоты или уложатся 2N периодов входного сигнала, в накапливающих сумматорах 7 и 8 получают цифровые коды чисел, пропорциональных действительной и мнимой частям характеристической функции:

1

J

л

А(-) Z V;. (V, t);

)|| (4.. . Для указанного примера

А() 1 f V. (,t);

i:C

B()i v; (, t).

L O

Результаты измерения,хранящиеся в накапливающих сумматорах 7 и 8, индицируются в отсчетных блоках 9 и 10, Количество оценок действительной и мнимой частей характеристической функции равно числу значений вещественного параметра характеристической функции. Наличие их при различных значениях вещественного параметра V позволяет в аналитическом виде устанавливать необходимые статистические характеристики конечной разности фазы сигнала.

Таким образом, введение аналогового запоминающего блока и выполнение двух каналов преобразования исследуемого сигнала в виде последовательно соединенных блоков выборки и хранения, АЦП и накапливающего сумма- тора позволяет расширить частотный диапазон, обеспечить высокую точность

измерения по сравнению с известным анализатором.

Частотный диапазон известного анализатора ограничен быстродействием АЦП, стоящего на входе анализатора Так, если время преобразования АЦП, равное интервалу дискретизации вход- Иого сигнала, составляет Ту,:,, а допу- :тимая относительная погрешность f (аналого-цифрового, преобразования сиг- йала / , максимальную частоту входно- t O сигнала f, можно найти из формулы

п.ма.са5Б(--25Гг,)

(ldt откуда следует

f е ci; .

В предлагаемом статистическом анализаторе преобразование в АЦП 5 и 6 производится один раз за период следования стробирующих импульсов, формируемых на вь1ходе формирователи 12 стробирующих импульсов, который равен V, /f , где V, - вещественный параметр характеристической функции. Отсюда следует

fc6 1 .

Для большинства практических случаев V не превышает 10-20, так как последующие отсчеты характеристической функции близки к нулю. Следова- тельно, в предпагаемом анализаторе частота входного сигнала может быть значительно больше.

Из этого следует, что наилучшим способом расширения частотного диапа зона является реализация блока измерения вещественного параметра в канале исследуемого сигнала в виде аналогового запоминающего блока.

Предлагаемый анализатор в отличие от базового, в качестве которого принят анализатор характеристической функции случайной фазы квазигармони- 4ecKoif o сигнала, позволяет измерить оценки характеристической функции с меньшей погрешностью и реализовать цифровую обработку сигнала, построит устройство на интегральных схемах с высокой степенью интеграции и как результат этого, добиться малых мае- согабаритных параметров.

Технические показатели предлагаемго анализатора по сравнению с базовы отражены в таблице.

Показатель

Значение показателя для анализатора

предлагаемого

Частота входного сигнала, кГц50 120

Число значений вещественного параметра 20 12

Погрешность измерения оценок характеристической функции, % 0,1 4

Формула изобретения

I. Статистический анализатор конечной разности фазы сигнала,содержащий два канала преобразования исследуемого сигнала, первые входы которых объединены, формирователь стро- бируиЕщх ш-тульсов, выходы которого соединены с. вторыми входами каналов преобразования исследуемого сигнала, первый вход объединен с входом управляемого генератора тактовых им- пульсов, а второй вход соединен с выходом формирователя опорного колеба1ГИЯ, отличающийся тем, что,, с целью расширения диапазона частот исследуемого сигнала, в него.введены аналоговьгй запоминающий блок, вход которого соединен с входом формирователя опорного колебания, первьш тактовый вход объединен с тактовым входом формирователя о юрного колебания и соединен с первйм выходом управляемого гекератора тактовых и fflyль coBj второй та.ктовый вход соединен с вторым выходом управляемого генератора тактовых импульсов 5 а выход -- с объединенными входами двух канапов преобразования исследуемого сигнала, каждьй из которых содержит последовательно соединенные блок выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь , накапливаюшда сумматор и от- счетный блок, причем первые вхо,цы . блоков выборки и хранения соединены соответственно с первыми входами каналов преобразования исследуемого

сигнала, вторые входы которых соединены соответственно С вторыми входами блоков выборки и хранения и аналого- цифровых преобразователей, при этом управляющие входы накапливающих сумматоров соединены с клеммой сигнала времени измерения.

2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что аналоговый запоминающий блок содержит две линии задержки, объединенные входы которых соединены с входом аналогового запоминающего блока, триггер, два коммутатора, управляющие входы которых соединены с входом триггера, два счетчика импульсов, два ключа, выходы которых соединены соответственно с тактовыми входами первой и второй линии задержки и с входом соответственно первого и второго счетчиков импульсов, выходы которых соединены соответственно с первыми управляющими входами первого и второго ключей, два

формирователя, вход первого из которых соединен с входами линий задержки, а вход второго - с выходом второго коммутатора и выходом аналогового запомкнаюшего блока, а также делитель частоты, вход которого соединен с выходом первого формирователя, а выход - с входом триггера, управ Q ляющим входом второго формирователя и с вторыми управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами перво5 го коммутатора, первьй вход которого соединен с первым тактовым входом аналогового запоминающего блока, а второй вход - с вторым тактовым входом аналогового запоминающего блока,

0 причем выходы линий задержки соедине ны соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора, второй управляющий вход которого соединен с выходом второго формирователя..

АЗУ1 I

Изобретение может быть использовано в статистических анализаторах фазы. Цель изобретения - расширение частотного диапазона. Анализатор обеспечивает запоминание входной информации аналоговым запоминающим блоком 1. В последнем частота считывания в К раз больше частоты дискретизации входного сигнала. Два канала параллельно определяют мнимую и действительную части характеристической функции. Каждый из каналов содержит блок 3(4) выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь 5(6), накапливающий сумматор 7(8) и отсчет- ньй блок 9(10). Анализатор содержит также формирователь 2 опорного колебания, управляемьй генератор 11 тактовых импульсов и формирователь 12, стробирующих импульсов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил, 1 табл. Ф (/)

Ф1/г.г

ae.J

5 S

T15

.

. ff