ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Советский патент 1995 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в комплексных радиолокационных измерителях скорости и высоты полета различных летательных аппаратов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем совместного измерения частоты и временной задержки радиосигнала.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема измерителя; на фиг. 2 - структурная электрическая схема блоков вычисления случайной частоты, случайной фазы, постоянной частоты и временной задержки; на фиг.3 представлены временные диаграммы выходных сигналов дешифратора.

Устройство содержит (фиг.1) генератор 1 тактовых импульсов, счетчик 2 импульсов, дешифратор 30, счетчик 4 адреса, преобразователь 5 направление-код, умножитель 6 входного сигнала, преобразователь 7 полной фазы, сумматор 8 полной фазы, умножитель 9 сигнала модуляции, регистр 10 индекса модуляции, блок 11 вычисления случайной частоты, блок 12 вычисления случайной фазы, блок 13 вычисления постоянной частоты, блок 14 вычисления временной задержки, регистр 15 постоянной частоты, регистр 16 временной задержки, умножитель 17 случайной частоты, регистр 18 случайной частоты, умножитель 19 случайной фазы, регистр 20 случайной фазы, сумматор 21 случайной фазы, сумматор 22 фазы, сумматор 23 неслучайной фазы, регистр 24 текущей фазы, сумматор 25 постоянной частоты, регистр 26 частоты, умножитель 27 временной задержки, регистр 28 частоты модуляции, сумматор 29 сдвинутой фазы модуляции регистр 30 фазы модуляции, сумматор 32 фаз модуляции, регистр 33 текущей фазы модуляции. Каждый из блоков 11-14 имеют одинаковую структуру и содержат (фиг.2) запоминающий блок 34, умножитель 35, сумматор 36.

Измеритель работает следующим образом.

На вход измерителя - первый вход преобразователя 5 напряжение-код поступает переменное напряжение у(t) =S(t) + ζ (t), где S(t) - полезный радиосигнал, параметры которого - частота и временная задержка - подлежат измерению; ζ(t) - помеха; t - текущее время наблюдения сигнала. Полезный сигнал S(t) имеет следующую структуру:
S(t) = A sin{θ (t) + η (t)} (1) где А - амплитуда сигнала;
θ (t) - полная фаза немодулированного сигнала, причем
θ (t) = ( ω_o- Ω) t + Ψ(t), (2)
ω_o - известная несущая частота сигнала,
Ω- неизвестное постоянное смещение частоты, подлежащее измерению.

Ψ(t) = (γ,t)dt - случайная фаза сигнала,
ω(γ ,t) - случайное смещение частоты, зависящее от ширины спектра сигнала S(t);
η(t) - фаза модулированного сигнала, определяемая выражением
η(t) = m sinμ (t), (3) где m - индекс частотной модуляции;
μ (t) = ν(t - δ) - сдвинутая фаза модуляции;
ν - частота модуляции;
τ - временная задержка сигнала, подлежащая измерению.

Сигнал, описываемый соотношениями (1) и (3), является типичным отраженным сигналом при зондировании поверхности типа земной непрерывной частотно-модулированным колебанием.

Преобразователь 5 напряжение-код преобразует случайное напряжение (1) в дискретные моменты времени t_к = kT, k = 0,1,2... (Т - период дискретизации) в цифровой код у_к. Моменты преобразования t_к определяются импульсами, подаваемыми в преобразователь 5 напряжение-код с четвертого выхода дешифратора 3. Цифровая последовательность отсчетов сигнала у_киспользуется для выделения информации о величинах частоты Ω и временной задержки τ.

Изменение частоты Ω и временной задержки τ в предлагаемом измерителе производится на основе реализации алгоритма, определяемого следующими рекуррентными выражениями:
= + y_kP_Ωkcos(+), (4)
= + y_kP_τkcos(+), (5)
= (ω_o-)t_k+T+, (6)
= m sin, (7)
= νt_k-ντ_k-1, (8)
= (1-γT)+y_kP_ωkcos(+), (9)
= T++y_kP_Ψkcos(+), (10) где , - оценка на k-м шаге измерения соответственно частоте Ω и временной задержки τ сигнала; , , , , - оценки на k-м шаге измерения соответственно полной фазы немодулированного сигнала θ, случайной фазы Ψ , случайной частоты ω , фазы модулированного сигнала η, сдвинутой фазы модуляции μ ; Р_Ωк, Р_τк, P_ωк, К _Ψк - переменные коэффициенты, зависящие от номера шага k. Алгоритм, описываемый выражениями (4)-(10), является квазиоптимальным при измерении частоты Ω и временной задержки τ и неизвестных сопутствующих параметров сигнала Ψ, ω на фоне помехи.

Работа блоков и элементов измерителя тактируется выходными сигналами дешифратора 3. Генератор 1 тактовых импульсов вырабатывает равномерную последовательность импульсов со стабильным периодом повторения. Эти импульсы поступают на счетный в ход четырехразрядного счетчика 2 импульсов. Разрядные выходы счетчика 2 импульсов связаны с входами дешифратора 3, который вырабатывает управляющие тактирующие сигналы (фиг.3, a,b,c,d) по соответствующим выходам. Тактирующие сигналы сдвинуты по фазе один относительно другого и используются для синхронизации работы измерителя.

С выхода преобразователя 5 напряжение-код цифровая последовательность выходного сигнала у_к поступает на первый вход умножителя 6 входного сигнала, на второй вход которого с преобразователя 7 полной фазы подается код cos(+). На выходе умножителя 6 входного сигнала образуется произведение y_kcos(+), которое подается на первые входы блоков 11-14 вычисления случайной частоты, случайной фазы, постоянной частоты, временной задержки и используется для образования на выходах блоков 11-14 оценок , , , в соответствии с выражениями (4)-(10). При этом из ячеек запоминающего блока 34 блоков 11-14 считываются соответствующие коэффициенты Р_k, определяющие коэффициент усиления в каналах измерения в зависимости от номера К шага измерения. Величина коэффициентов Р_k максимальная в начальный переходный период измерения и уменьшается до постоянного значения при больших значениях k. Величины Р_kвлияют на точность измерения соответствующих параметров ω, Ψ, Ω, τ . Адрес ячеек запоминающих блоков 34 блоков 11-14, из которых считывается цифровая информация о Р_k, поступает со счетчика 4 адреса, работающего при непрерывном счете импульсов с первого выхода дешифратора 3 (в начальном состоянии счетчик 4 адреса обнулен по второму входу R импульсным сигналом измерителя). Величина Р_k умножается в умножителе 35 на значение y_kcos(+), сформированное умножителем 6 входного сигнала. Числовое значение с выхода умножителя 35 блоков 11-16 подается на вход сумматора 36.

На второй вход сумматора 36 и блока 13 вычисления постоянной частоты (второй вход блока 13) подается с выхода регистра 15 постоянной частоты оценка частоты , вычисленная на предыдущем шаге k-1. В результате на выходе блока 13 формируется оценка постоянной частоты Ω_k, соответствующая выражению (4), которая записывается по фазе α тактирующего сигнала в регистр 15 постоянной частоты. Значение является выходной величиной измерителя.

В блоке 14 вычисления временной задержки на второй вход сумматора 36 (второй вход блока 14) подается оценка с выхода регистра 16 временной задержки. После суммирования в сумматоре 36 на выходе блока 14 формируется оценка , соответствующая выражению (5), которая записывается по фазе в регистр 16. Это значение является выходной величиной измерителя.

На второй вход сумматора 36 блока 11 вычисления случайной частоты (второй вход блока 11) подается числовое значение (1-γT),, полученное в умножителе 17 случайной частоты в результате умножения коэффициента (1 -γ Т), хранящегося в регистре 18 случайной частоты, на оценку случайной частоты , снимаемую с выхода блока 11. В результате суммирования в сумматоре 36 на выходе блока 11 образуется оценка , соответствующая выражению (9).

Оценка с выхода блока 11 поступает на второй вход умножителя 19 случайной фазы, на первый вход которого подается постоянная величина Т с выхода регистра 20 случайной фазы. Результат перемножения чисел подается на первый вход сумматора 21 случайной фазы, на второй вход которого поступает значение случайной фазы с выхода блока 12 вычисления случайной фазы. На выходе сумматора 21 случайной фазы образуется значение T+, которое и подается на второй вход блока 12. В результате суммирования в сумматоре 36 на выходе блока 12 образуется оценка случайной фазы в соответствии с выражением (10).

Формирование полной фазы немодулированного сигнала θ_k-1, описываемой выражением (6), производится с помощью блоков 21-26 измерителя. В регистре 26 частоты хранится числовое значение ω_o. Это значение подается на вход сумматора 25 постоянной частоты, на вычитающий вход которого поступает оценка постоянной частоты . На выходе сумматора 25 постоянной частоты образуется разность ω_o-, которая поступает на второй вход сумматора 23 неслучайной фазы, на первый вход которого подается значение суммы с регистра 24 текущей фазы, вычисленное на предыдущем шаге. После суммирования на выходе сумматора 23 неслучайной фазы формируется значение (ω_o-)t_k, которое суммируется в сумматоре 22 фазы с величиной, снимаемой с выхода сумматора 21 случайной фазы. Таким образом, на выходе сумматора 22 фазы образуется числовая оценка полной фазы немодулированного сигнала . Оценка меняется в пределах от 0 до 2π . Ограничение величины максимальным значением 2π осуществляется за счет ограниченной разрядной сетки сумматоров 28 и 22.

Образование сдвинутой фазы в соответствии с выражением (8) производится блоками 27-30, 32, 33 измерителя. На первый вход умножителя 27 временной задержки поступает числовое значение частоты модуляции ν с регистра 28 частоты модуляции, а на второй вход подается оценка временной задержки с выхода блока 14 вычисления временной задержки. На выходе умножителя 27 временной задержки образуется произведение , которое подается на вычитающий вход сумматора 29 сдвинутой фазы модуляции. По суммирующему входу сумматора 29 поступает значение текущей фазы модуляции ν t_k, сформированной сумматором фазы модуляции 32 в результате последовательного циклического суммирования величины νТ, хранящейся в регистре 30 фазы модуляции, с величиной ν (k-1)T, хранимой в регистре 33 текущей фазы модуляции. Числовое значение на выходе сумматора 29 сдвинутой фазы модуляции представляет собой оценку сдвинутой фазы модуляции .

Текущее значение поступает на адресный вход преобразователя 31 фазы модуляции и задает адрес ячейки памяти преобразователя 321, в которой находится информация, соответствующая синусу угла . Информация sin считывается с выхода преобразователя 31 и передается на второй вход умножителя 9 сигнала модуляции, на первый вход которого поступает величина, пропорциональная индексу модуляции m с регистра 10 индекса модуляции. После перемножения на выходе умножителя 9 сигнала модуляции формируется оценка фазы модулированного сигнала , которая соответствует выражению (7). Сумматор 8 полной фазы производит суммирование оценки полной фазы немодулированного сигнала , принятой с выхода сумматора 22 фазы, и оценки фазы модулированного сигнала с выхода умножителя 9 сигнала модуляции. Образованная сумма подается на адресный вход преобразователя 7 полной фазы, с выхода которого считывается числовое значение cos(+).

Формируемый сигнал cos(+) ортогонален входному полезному сигналу S(t). Если изменится один из параметров Ω, τ, ω, Ψ сигнала, то на выходе умножителя 6 входного сигнала появится рассогласование, увеличивается среднее значение произведения y_kcos(+), которое приведет к изменению соответствующих оценок параметров. Таким образом, предлагаемый измеритель постоянно осуществляет слежение (измерение) постоянной частоты Ω и временной задержки τ . Попутно производится измерение случайной частоты ω , случайной фазыΨ , полной фазы немодулированного сигнала Θ и фазы модулированного сигнала η.

Изобретение относится к радиолокации. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерителя путем совместного измерения частоты и временной задержки радиосигнала. Измеритель частоты и временной задержки сигнала содержит генератор 1 тактовых импульсов, счетчик 2 импульсов, дешифратор 3, счетчик 4 адреса, преобразователь 5 напряжение-код, умножитель 6 входного сигнала, преобразователь 7 полной фазы, сумматор 8 полной фазы, умножитель 9 сигнала модуляции, регистр 10 индекса модуляции, блок 11 вычисления случайной частоты, блок 12 вычисления случайной фазы, блок 13 вычисления постоянной частоты, блок 14 вычисления временной задержки, регистр 15 постоянной частоты, регистр 16 временной задержки, умножитель 17 случайной частоты, регистр 18 случайной частоты, умножитель 19 случайной фазы, регистр 20 случайной фазы, сумматор 21 случайной фазы, сумматор 22 фазы, сумматор 23 неслучайной фазы, регистр 24 текущей фазы, сумматор 25 постоянной частоты, регистр 26 частоты, умножитель 27 временной задержки, регистр 28 частоты модуляции, сумматор 29 сдвинутой фазы модуляции, регистр 30 фазы модуляции, преобразователь 31 фазы модуляя, сумматор 32 фазы модуляции, регистр 33 текущей фазы модуляции. Поставленная цель достигается за счет реализации оптимального алгоритма обработки сигнала, позволяющего произвести помехоустойчивое измерение постоянной частоты и временной задержки, а также неизвестных сопутствующих параметров. Измеритель постоянно отслеживает изменение параметров радиосигнала и имеет минимальную ошибку измерения. 3 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий преобразователь напряжение - код, первый вход которого является входом измерителя, умножитель входного сигнала, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение - код, преобразователь полной фазы, выход которого соединен со вторым входом умножителя входного сигнала, блоки вычисления случайной частоты, случайной фазы и постоянной частоты, первые входы которых соединены с выходом умножителя входного сигнала, регистр постоянной частоты, вход которого соединен с выходом блока вычисления постоянной частоты, выход регистра постоянной частоты является выходом оценки частоты измерителя и соединен с вторым входом блока вычисления постоянной частоты, регистр случайной частоты, умножитель случайной частоты, первый вход которого соединен с выходом регистра случайной частоты, а второй вход соединен с выходом блока вычисления случайной частоты, выход умножителя случайной частоты соединен с вторым входом блока вычисления случайной частоты, регистр случайной фазы, умножитель случайной фазы, первый вход которого соединен с выходом регистра случайной фазы, а второй вход соединен с выходом блока вычисления случайной частоты, сумматор случайной фазы, первый вход которого соединен с выходом умножителя случайной фазы, а второй вход соединен с выходом блока вычисления случайной фазы, выход сумматора случайной фазы соединен с вторым входом блока вычисления случайной фазы, сумматор неслучайной фазы, регистр текущей фазы, выход которого соединен с первым входом сумматора неслучайной фазы, сумматор фазы, первый вход которого соединен с выходом сумматора неслучайной фазы и входом регистра текущей фазы, а второй вход соедиен с выходом сумматора случайной фазы, регистр частоты, сумматор постоянной частоты, первый вход которого соединен с выходом регистра частоты, а второй вход соединен с выходом регистра постоянной частоты, выход сумматора постоянной частоты соединен с вторым входом сумматора неслучайной фазы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем совместного измерения частоты и временной задержки радиосигнала, введены блок вычисления временной задержки, первый вход которого соединен с выходом умножителя входного сигнала, регистр временной задержки, вход которого соединен с выходом блока вычисления временной задержки, а выход соединен с вторым входом блока вычисления временной задержки и является выходом оценки временной задержки измерителя, регистр частоты модуляции, умножитель временной задержки, первый вход которого соединен с выходом регистра частоты модуляции, а второй вход соединен с выходом регистра временной задержки, регистр фазы модуляции, сумматор фазы модуляции, первый вход которого соединен с выходом регистра фазы модуляции, регистр текущей фазы модуляции, вход которого соединен с выходом сумматора фазы модуляции, а выход соединен с вторым входом сумматора фазы модуляции, сумматор сдвинутой фазы модуляции, первый вход которого соединен с выходом умножителя временной задержки, а второй вход соединен с выходом сумматора фазы модуляции, преобразователь фазы модуляции, вход которого соединен с выходом сумматора сдвинутой фазы модуляции, регистр индекса модуляции, умножитель сигнала модуляции, первый вход которого соединен с выходом регистра индекса модуляции, а второй вход соединен с выходом преобразователя фазы модуляции, сумматор полной фазы, первый вход которого соединен с выходом сумматора фазы, второй вход соединен с выходом умножителя сигнала модуляции, а выход сумматора полной фазы соединен с входом преобразователя полной фазы, счетчик адреса с входом обнуления, выход которого соединен с третьими входами блоков вычисления случайной частоты, случайной фазы, постоянной частоты и временной задержки, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, дешифратор, причем первый выход дешифратора соединен со счетным входом счетчика адреса, синхронизирующими входами умножителя входного сигнала, умножителя случайной фазы, сумматора постоянной частоты, умножителя временной задержки и сумматора фазы модуляции, второй выход дешифратора соединен с четвертыми входами блоков вычисления случайной частоты, случайной фазы, постоянной частоты, временной задержки и с синхронизирующими входами умножителя случайной частоты, сумматора случайной фазы, сумматора неслучайной фазы, сумматора сдвинутой фазы модуляции, регистра текущей фазы модуляции, третий выход дешифратора соединен с пятыми входами блоков вычисления случайной частоты, случайной фазы, постоянной частоты, временной задержки и с синхронизирующими входами умножителя сигнала модуляции, сумматора фазы, регистра текущей фазы, четвертый выход дешифратора соединен с синхронизирующими входами преобразователя напряжение - код, сумматора полной фазы, регистра постоянной частоты и регистра временной задержки.