Устройство для определения фазы сигналов Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

4iit Nd СО 00

Изобретение относится к фаэоизме- рительнон технике, может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов с нестационарным средним значением и является усовершенствованием устройства по основному авт. св. № ПАЗП г.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона исследуемых сигналов с нестационарным средним значением.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - входной сигнал и его составляющие; на фиг.3 - выходной сигн блока привязки уровня.

Устройство содержит генератор 1 копии сигнала, фазовращатель 2 на 90 перемножитель 3, интегратор 4,блок 5 привязки уровня, формирователь 6 импульсов, перемножитель 7, интегратор 8, вычислитель 9 отношения,блок 10 вычитания, интеграторы 11 и 12, блок 13 выборки и хранения, сумматор 14, блок 15 выборки и хранения, сумматор 16 и блок 17 выборки и хранения.

Генератор 1 копии бигнала через фазовращатель 2 на 90 , перемножитель 3 и интегратор 4 соединены с вычислителем 9 отношения, выход которого является выходом устройства, а также к выходу генератора 1 копии сигнала подключены последовательно соединенные перемножитель 7 и интегратор 8 первый вход блока 5 привязки уровня подключен к входу устройства, второй вход блока 5 соединен с объединенными вторыми входами интеграторов 4 и 8 и с первым выходом формирователя 6 импульсов, а выход блока 5 привязки уровня соединен с объединенными вторыми входами перемножителей 3 и 7, выход генератора 1 копии сигнала соединен также с входом формирователя 6 импульсов, входом блока 13 выборки и хранения, выход которого через сумматор 14, блок 15 выборки и хранения и сумматор 16, второй вход которого соединен с выходом интегратора 8, соединен с вторым входом вычислителя 9 от ,ношения, второй выход формирователя 6 импульсов и выход перемножитепя 7 подключены к соответствующим входам интегратора 11, выход которого подключен к второму входу суйматора 14, причем второй выход формирователя 6

импульсов подключен также к второму входу блока 13 выборки и хранения, первый выход формирователя 6 импульсов соединен с первыми входами интегратора 12 и блока 17 выборки и хранения, а выход блока 5 привязки уровня соединен с первым входом блока 10 вычитания, с вторыми входами

интегратора 12 и блока 13 выборки и хранения, а выход интегратора 12 соединен с вторым входом блока 10 вычитания, выход которого соединен с третьим входом блока 5 привязки уровня и с вторым входом блока 17 выборки и хранения, вькод которого соединен с третьим входом сумматора 14.

На фиг.2 представлены графики: « - смесь сигнала с помехой; 6- полезный сигнал) в - среднее значение принятой смеси; v- помеха с нестационарным средним значением.

В известном устройстве привязка последующего измерения осуществля. ется к мгновенному значению нестационарного сигнала с шумом и диапазон изменения нестационарного сигнала с шумом, в зависимости от начальной фазы полезного сигнала составляет

30

от

- А

до + ,+Ас+ЯТ,

5

0

где АС АШамплитуда сигнала; амплитуда щума; k - крутизна изменения сред

него значения сигнала Т - период полезного сигнала. В описанном устройстве начало последующего измерения смещается на величину среднего за период значе- НИН сигнала относительно мгновенного значения сигнала. Величина смещения после первого периода полезного сигнала равна

5

)

UcM,-iStAeC08() +

+x(t) +

kt

zf

kT

|-с,-и„т+ + с

(1)

1

где Uo -AeCos I/- начальное смещение, обусловленное начальной фазой сигнала Vt

С,-| 5x(t) olt

) оценка среднего значения шума за период полезного сигнала , . шум.

Величина сме1(ения после второго и последующих периодов полезного сигнала равна

гг

UC/M-Z т

kt -UeMjdt UoT + 2x2T 1,1-ил- с,

гг

kT + С,

где С С 4- - 5 x(t)cJt,

(2)

10

Ц

cwb

kT

где С , С

iia управляюи1ие входа; блока 5 привязки уровня, блоков 13 и 17 выборрси и хранения, установочные входы йнте.г- раторов 4, 8 и 12. В результате на

- ) AcCos(uit-tf)+Uo +kt+x(t)- выходе интегратора )2, обнуляемого

по заднему фронту этих импульсов в моменты времени t пТ+ (, получают напряжения (1), (2), (3), где п 1, 2, 3..., значение длительности импульсов с у«Т, поэтому в расчетах ею пренебрегают и пользуются ею только для наглядности при описании принципа работы устройства. Сигнал с вы- 7г AcCos(u)t-i/)+UQ+kt+x(t) 15 ода интегратора 12 поступает на вход

блока 10, где он отличается от мгно- kt

венного значения сигнала с выхода

блока 5 привязки уровня. В результате по переднему фронту импульсов,поступающих с первого выхода формирователя 6 импульсов в моменты времени t пТ, сигнал на выходе блока 5

4т

гт

-UcMi-UcMa t UoT+

IT

-UoT - kT + С,, kT + C,,

(3)

1-T

T )

c/t.

20

гг

привязки уровня периодически при- разности мгновенного и

и т.д.

Таким образом, после второго и последующих периодов полезного сигнала начало каждого последующего измерения смещается на величину,равную kT, относительно мгновенног о значения сигнала в моменты времени t (п+1)Т, где п 1, 2, 3,... .

В результате суммарный динамический диапазон равен

kT3kT

kT +

(от - i3 до +Л, фиг.З)

Генератор 1 копии сигнала формирует гармоническое напряжение с частотой входного сигнала , которое поступает на вход формирователя 6 импульсов и перемножителя 7 непосредственно, а на вход перемножителя 3 - через фазовращатель 2 на 90°. В результате на перемножители 3 и 7 поступают сигналы, соответственно

и COSU) t;(4)

и sin u)t.

(5)

На первом выходе формирователя 6 импульсов -вырабатываются короткие импульсы в моменты нуль-переходов с положительной производной сигнала генератора 1, на втором выходе формирователя последовательность импульсов в моменты нуль-переходов с отрицательной производной сигнала генератора 1. Короткие импульсы с первого выхода формирователя 6 импульсов поступают

с,

x(t)(2)

10

t) 15

(3)

20

привязки уровня периодически при- разности мгновенного и

вязьюается

25 среднего за период сигнала значений сигнала, получаемого на выходе блока 10 вычитания. Используя выражения (1), (2) и (3), можно описать сигнал на выходе блока 5 привязки уровня. В интервале времени О t Т

30

и j(t)A,cos(a;t-V)+Uo+kt+x(t) , (6) интервале времени Т t 2Т

U5(t)U,r(t)-Uc kT

kt+x(t) -

см1 (ajt-v) + -С,,

(7)

40

в интервале времени 2Т t ЗТ

иу(с)и5(с)-исл.(1оГ-1/) +

+ kt+x(t) -J kT --7

(8)

45

в интервале времени ЗТ t 4Т

и (t)U5(t)-Ue,v,(ut-i/) -f

+ kt+x(t) -у kT (9)

50

55

и т.д.

Из выраженшч (6)-(9) следует,что сигнал на выходе блока 5 привязки уровня в интервале времени О t описывается выражением (6), в интервалах времени

ПТ t i; (П+1)Т

выражением

if)+kt+x(t) -

(10)

где

(ПМ)Г

С, x(t)dt-i-C., ,

hT

n 1, 2, 3... .

Величина C, A, поэтому в дальнейших расчетах ею пренебрегаем.

Сигнал с выхода блока 5 привязки уровня поступает также на перемножители 3 и 7, на вторые входы котор 1Х поступают сигналы, соответственно (4) и (5). После перемножения сигналов (4) и (5) с сигналом (6) или (10) выходное напряжение перемножителя 3 поступает на интегратор 4, а перемножителя.7 на интеграторы 8 и 11. Интеграторы 4 и 8, обнуляемые по заднему фронту импульсов с первого выхода формирователя 6 импульсов в моменты времени t пТ + l, накапливают информацию в интервалах времени (п-1) Т -it tiT, а интегратор 11, обнуляемый по заднему фронту импульсов с второго выхода формирователя 6 импульсов в моменты времени f

- в интервалах времени

(2п-И)Т

К

(2п-1)Т

t

Подставляя в выражения (11) и (12) значение выражения (7), получают:

2т

U4(2T) lCAcCOs(wt-4)+kt+x(t)kX 1

sС, J COSU)tc/t л

Ассозч

(13)

10

гт Uj(2T) (ut-t/)(t)kT

- J sinwtjt

Acsiny kT X... - (14)

напряжение (13) поступает на один из входов вычислителя 9 отношения, а напряжение (14) на один из входов сумматора 16. При этом второе слагаемое в правой части выражения (14) характеризует погрешности определения квадратурной составляющей исследуемого сигнала.

Для исключения этой погрешности сигнал (14) суммируется в сумматоре 16 с сигналом, формируемые интегратором 11, сумматором v14, блоками 13, 15 и 17.

Напряжение на выходе интегратора

0

11

к моменту времени t э

Т равно

1Т

(| Т)

7

Y 5 Uj(t)sinutdt. (15)

т

7

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов с нестационарным средним значением. Для расширения суммарного динамического диапазона исследуемых сигналов почти в два раза в устройстве после второго и последующих периодов полезного сигнала начало каждого последующего измерения смещается на величину, равную kT, относительно мгновенного значения сигнала в моменты времени t (п+1)Т, где k - крутизна изменения среднего значения сигнала; Т - период полезного сигнала п 1, 2, 3... . 3 ил. с 3

где n 1, 2, 3...

Информация с интегратора

11 за

мени t

а интеграторов 4 и 8

интервал времени О : t у не используется. Так как к моменту времени t Т информация на интеграторе 11, после его обнуления в момент времени

Т

t - накапливается только за полпериода, то и информация с интеграторов 4 и 8 за интервал времени О t Т также не используется. Поэтому можно рассмотреть работу интегратора 11, начиная с момента вре- Т

2т

(2т) 4 U5(t)sintJtdt.

(11) (12)

с момента времени t Т.

В результате, после интегрирования, напряжения на выходе интеграторов 4 и 8 к моменту времени t 2Т соответственно равны

1 U+ (2Т) - Uf(t)cosujtwt;

35

Подставляя в выражение (15) ния (6) и (10), получают

выраже0

5

и,

(| Т) -1 JrAcC08(wt-V)-Uo-Htt+

т J 1с

m tuy(r

+x(t)8inwt«}t+- Accos(u)t-if) JT

kT1 Л

+x(t) --Г- sinwtJts- j AcCos(ut-4)-b

ГЦ

+kt+x(t) siniot+oft I siiKutJt .-r 2 J

SinOtdt

k

ff JO lVbot. -у

kT AC 8 in (f Ug 21Г 2 f

til

Acsint/ kT

Tf

Uj.

1Г

(16)

Ha блоках 13 « 17 выборки и хранения по переднему фронту импульсов с первого выхода формирователя 6 импульсов, в моменты времени t пТ запоминаются, соответственно, напряжения с выходов блока 5 привязки уровня и блока 10 вычитания. В результате в мсмент времени t Т на выходах блоков 13 и 17 выборки и хранения имеются сигналы, соответственно

U,j (Т) 05. (T)AcCos(wT-(f)+Uo+kT+ +x(T)A cost/+U,+kT+x(T); (1

Un (t)U,„ (T)U,,(T)-U,j(T) иДТ)-и,„, AeCos(wT-c)+Uo+kT+x(T)kTWT

-U, - - AcCosir-«- + x(T). (18)

Далее сигнал (17) с весовым коэффициентом, равным 1/Т sinu/t dt

О

I/if, поступает на один из входов сумматора 14, а (18) также с весовым коэффициентом, равным 1/, поступает на вычитающий вход сумматора 14, на третий вход которого с выхода интегратора 11 поступает сигнал (16). В результате выходное напряжение сумматора 14 по переднему фронту импульсов с второго выхода формирователя 6 импульсов запоминается на блоке 15 выборки и хранения

(2п+1)

в моменты времени t

Т:

и.(-т)

4

)

и„ (T)4Un СпТ)- i и,,(пТ) .

/1

(19)

С учетом выражений (16), (17) и

3 (18) к моменту времени t -j Т

U,j(| Т)и„(| Т)и„(| Т)

1и,,(т) -|и

п

(Т)

Acsin

Ь. ч: ;A,cosi/+U« + kT-Hx(X) 1 UT

- eA cosif + + х(Т)

Acsini/ kT

ц.-,,.

Напряжение (20) с выхода блока 15 выборки и хранения поступает на пер- вьм вход сумматора 16 с весовым ко- эффициентом, равным 0,5, где происходит его суммирование с сигналом (14), поступающим на второй вход сумматора 16 с выхода интегратора 8, также с весовым коэффициентом, ран- ным 0,5. В результате на выходе сум7)

)

10

15

20

25

30

40

45

50 55 матора 16 к моменту времени t 2Т напряжений равно

и„ (2Т) 0,5Us(2T)+0,5U,,(| Т) . (21)

Это .напряжение поступает на первый вход вычислителя 9 отношения, на второй вход которого поступает сигнал (13) с выхода интегратора 4. На выходе вычислителя 9 отношения -в момент времени t 2Т формируется сигнал, пропорциональный отношению сигналов, поступающих на его входы:

Ug(2T)U „(2T)/U(2T)tg с/ (22)

Таким образом, на выходе устройства получается несмещенная оценка тангенса фазы исходного колебания

S(t)AeCos (wt- i0+Uo+kt+x(t) .

Сравнение предлагаемого устройства с известным показывает, что при малых значениях k и Ас/Ац 1 динамический диапазон предлагаемого устройства используется более рационально (фиг.З). Следовательно, введение в известное устройство дополнительных узлов позволяет расширить динамический диапазон исследуемьк сигналов почти, в два раза.

Формула изобретения

Устройство для определения фазы сигналов по авт. св. № 1345134, о т- личающее ся тем, что, с целью расширения динамического диапазона исследуемых сигналов с нестационарным средним значением, в него дополнительно введены последовательно соединенные четвертый интегратор, блок вычитания и третий блок выборки и хранения, при этом опорный вход блока привязки уровня соединен с выходом блока вычитания, а выход блока привязки уровня подключен к другому входу блока вычитания и входу четвертого интегратора, установочный вход которого соединен с первым выходом формирователя импульсов и другим входом третьего блока выборки и хранения, выход которого подключен к вычитающему входу первого сумматора.

г;

Zt§V

АШ

и,г.2

«8.J