Способ определения сдвига фаз в фазоманипулированном сигнале Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение откосится к области радиоизмерений, а именно к фазометрии, и может быть использовано в технике связи и радиолокации, где широко применяются фазоманипулированные (ФМ) сигналы.

Известен способ определения сдвига фаз в ФМ сигнале спектральным методом 1 Молебный В В Некоторые вопросы измерения быстрых изменений фазы. - В кн.: Автоматический контроль и методы электрических измерений (труды 5 конференции). - Новосибирск, Изд-во Наука СО АН СССР, 1965 г., с. 87-93, основанный на использовании спектральною анализа периодического ФМ-сигнала, состоящего из двух субимпульсов одинаковой длительности, при котором с помощью анализатора спектра измеряют величину (амплитуду) несущего колебания Ц . нормирует ее к величине несущего колебания чеманипулированного

сигнала Uo и определяют величину фазового сдвига по формуле;

Ав 2агссоз{иууи0).

0)

Зависимость величины несущего колебания от величины сдвига фаз представлена в 1 с. 91 рис. 51. При Д0 180° несущее колебание в спектре ФМ-сигнала исчезает, при Д0 0° его величина максимальна и равна Do.

Недостатком указанного способа является большое время измерения, обусловленное его двухступенчатостью (после измерения величины иц,0требуется произвести переключения для снятия манипуляции и только после этого измеряется величина Do). Кроме того, способ характеризуется низкой точностью, что связано с использованием амплитудных измерений.

ч

3

vj

О

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения сдвига фаз в ФМ-сигнале Вяселев М.Р., Гимадееэа Л.А. Пейсахов Л.А. Пичугин А.Ю.. Раскин В.К. Способ определения сдвига фаз в фазома- нипулироеанном сигнале. Положительное решение от 25.11.88 г. по заявке № 4442128/24-21, основанный на использовании спектрального анализа исследуемого периодического ФМ-сигнаяа с заранее известной несущей частотой Fo, состоящего из двух субимпульсов одинаковой длитеяь ности т . В процессе анализа фиксируют положение частоты Fmin, соответствующей ближайшему к несущей частоте минимум огибающей спектра на экране анализатора. Затем анализируют спектр гармонического сигнала, частота которого равна несущей частоте ФМ-сигнала F0, измеряют интервал частот между зафиксированной частотой Fmin и частотой FO и по измеренной разности частот определяют величину фазового сдвига по формуле:

ДЭ -2r(Fmmi-Fo), (2)

где FO - несущая частота.

г - длительность субимпульса, Недостатком указанного способа является большое время измерения, обусловленное его двухступенчатостью (после фиксации положения частоты Fmin требуется произвести переключение для снятия манипуляции и установление режима непрерывной генерации гармонического сигнала и только после этого измеряется величина (Fmin-F0). Как видно из Приложения 1, в способе определения сдвига фаз, принятом за прототип, операции №№ 3....4 (связанные с переключениями рода работ) удваивают общее количественное операций при измерении. Это увеличивает время измерения в 2,5 - 3 раза.

Целью изобретения является сокращение времени определения сдвига фаз. Поставленная цель достигается тем, что 8 известном способе определения сдвига фаз в ФМ-сигнале, основанном на использовании спектрального анализа периодического ФМ-сигнала U(t), состоящего из двух субимпульсов одинаковой длительности t , при котором в процессе анализа фиксируют значение частоты Fmin , соответствующее ближайшему к несущей частоте минимуму огибающей спектра, дополнительно фиксируют значение частоты Fmin , соответствующее следующему от несущей частоты минимуму огибающей спектра, измеряют

интервал частот от Fmin до Fmin и по измеренной разности частот определяют величину сдвига фаз по формуле:

Д0 2ЯГ(Р tnlna - F mm 1 ) - TTSgn ( F min2 F mini )

(3)

Данное выражение получено следующим образом. В материалах заявки №

4442128/24-21 от 12.05.88 г., принятой за прототип, получено аналитическое выражение доя огибающей спектра (S(w)/ периодического фазоманипулированного сигнала U{t) с несущей частотой F0, состоящего из двух субимпульсов одинаковой длительности г со сдвигом фаз Д© . Считая форму сигнала близкой к идеальной, т.е. практически отсутствуют переходные процессы ( Е - 1 ) и паразитная амплитудная моду- ляция (т 1);

A,tl5in(W-W0U/2 M

Ј Sint(Vf-W0 /S

laotcoeHw-w.if+ieJ

(i)

25

Первый сомножитель

А 1 т

задает мас

ел ь

штаб огибающей спектра.

Второй сомножит |sin(W -W0) fsln(W-Wo) жение независящих от нулей (минимумов) Fmin2i огибающей спектра:

определяет поло2 лг( F min2i F о ) У/2 + i л, откуда 35 F F о + IА,(5)

где( 1 1,2,3.,..)

сомножитель

Т ре т и и-.--....

У 2(1 +cos(W-W0)r + Д0 определяют положение зависящих от нулей (минимумов) F minik огибающей спектра:

2 л: ( F mimk -Ро)г + Д@ л: + (k-0,1,2,3...)(6)

Положение ближайшего к несущей частоте минимума Рт|п{Относительно F0 используется в способе, принятом за прототип, для определения сдвига фаз:

-2r(Fmim -Fo) (7)

В заявляемом способе сдвиг фаз определяется по относительному расположению минимума огибающей спектра Fmini, ближайшего к FO и следующего минимума (положение которого не зависит от ДЭ Fmin2

Рассмотрим отдельно случаи Две 0;л:3и Д0е -тг;0

1. При

F m i щ FO и положение следующего минимума определим из(4) как FminZ - F0 + + 1/ г (при этом Fmin2 -Fo 0)

Откуда Fo Fmin2-1 / г. Подставляя это значение Fo в (7), получим

Д0 Я 1 -2Г(РГО|П1 -Fminj)- (РтШ2 -Fmlnl) Л(8)

2. При -л;0 Fmini Fo и положение следующего минимума определим из (4) как Fmtna 1 Г (при ЭТОМ Fmin2-Fmin1 0)

откуда

F0 Fmln2+1/tr.

Подставляя это значение F0 в (4) получим

(рт.п,-Рт.па)+2 -Wfr(Fm-,na-Fni..2W(Finjflft-FWi

- (Sa)

Используя функцию sgn(x) { см. 6. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике. Для научных работников и инженеров, пер. с анл. под ред, Арамановича И.Г., изд. 2, Наука М., 1970 г., с, 677. Можно объединить формулы (5) и (5а)

Д© 2 ЯГ(Р mln2 F mini ) - ТС sgn ( F т(п2 F mint ) .

Примечание:

-1 если х О sgn (x) J 0х 0

1

х 0

Предлагаемый способ отличается от известных технических решений тем, что использует новую последовательность операций (не требующую переключения рода работы генератора) и поэтому соответствует критерию новизна, а также соответствует и критерию существенные отличия, т.к. предложен новый признак - определение сдвига фаз в ФМ сигнале с использованием зависимости между Д0 и частотным интервалом Fmin2-Fmini в его спектре. Этот признак не только не использован ранее для определения сдвига фаз, но и количественно не описан.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующая предполагаемый способ, а на фиг. 2 - зависимость интервала частот Fmin2-Fmini AF от сдвига фаз Д0.

На фиг. За представлен периодический ФМ-сигнал U(t), а на фиг. 3 б - спектр этого

сигнала вблизи несущей частоты F0.

Устройство состоит из генератора СВЧколебаний 1, подключенного через фазовый манипулятор 2 к входу анализатора спектра 3, а также из последовательно соединенных генератора импульсов 4, блока временной задержки 5 и генератора импульсов 6, причем выход генератора импульсов 4 подключен одновременно к входу внешней импульсной модуляции генератора СВЧ-ко- лебаний 1, а выход генератора импульсов 6 к управляющему входу фазового мэнилулятора 2.

На фиг. 1 не показаны блок и цепи питания. Измерение по предлагаемому способу с помощью устройства осуществляется следующим образом.

Включают осе блоки устройства. В генераторе СВЧ-колебаний 1 с помощью переключателя рода работы устанавливают режим внешний импульсной модуляции. Генератор импульсов 4 формирует периодически повторяющиеся импульсы с периодом Т и длительностью 2 т, которые поступают на вход внешней импульсной модуляции генератора СВЧ колебаний 1, а через блок вре менной задержки 5, с временем задержки

т , на запуск генератора импульсов 6. При этом генератор СВЧ колебаний формирует радиоимпульсы с несущей частотой F0 длительностью 2 т и периодом следования Т. Генератор импульсов 6 при поступлении

на его вход запускающих импульсов формирует видеоимпульсы длительностью г , которые подаются на управляющий вход фазового манипулятора 2, В момент прихода видеоимпульсов на управляющий вход,

фазовый манипулятор 2 скачкообразно изменяет фазу высокочастотного колебания в радиоимпульсе на величину Д0 . Поскольку, благодаря наличию блока временной задержки 5, импульсы на управляющем входе

фазового манипулятора 2 появляются с задержкой на т относительно переднего фронта радиоимпульса, длительность последнего равнд 2 т, то скачкообразное изме- нение фазы происходит в середине

радиоимпульса. Таким образом, на выходе фазового манипулятора 2 формируется периодический фазоманипулированный сигнал U(t) (фиг, За) с несущей частотой Fo, состоящий из двух субимпульсов одинаковой длительности г с фазовым сдвигом Д0,величину которого необходимо измерить.

На экране анализатора спектра 3 наблюдают изображение спектра ФМ-сигнала, состоящее из совокупности линий (фиг, 36). Огибающая этих линий соответствует огибающей спектра сигнала, а сам спектр будет близок к сплошному. Более подробно процесс получения изображения спектра изложен в 3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. 4-е изд., перераб. и доп. М: Радио и связь, 1986 г., с. 232. Фиксируют положения частоты Fmini, соответствующее ближайшему к несущей частоте минимуму огибающей спектра, и частоты Fmin2, соответствующее следующему от несущей частоты минимуму огибающей спектра. Одним из методов, в зависимости от конкретно типа анализатора спектра например, с помощью встроенного частотомера и цифрового индикатора, измеряют интервал частот между Fmin2 и Fmini и определяют сдвиг фаз по формуле:

A0 (Fmin2 -F mlm ) - Л Sgn ( F mln2 F mini ).

Зависимость представлена на фиг. 2.

Таким образом, в предлагаемом способе определения сдвига фаз в фазоманилу- лированном сигнале по сравнению с прототипом исключается необходимость переключения рода работ генератора операции NN 3...4 табл. П1). Это сокращает время измерения в 2,5-3 раза (см. Приложение 1).

В качестве блока 1 может быть применен, например, генератор высокочастотный Г4-107 4. Радиоизмерительные приборы. 1981 г. Каталог-проспект. Центральный отраслевой орган научно-технической информации ЭКОС. - М.: 1981, с. 234. Блок 2 может быть выполнен, например, по схеме рис. 6. 16 5. Соколинский 8.Г.. Шейнман В.Г. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы. - М.: Радио и связь, 1983. с. 192, ил. В качества анализатора спектра можно использовать серийные приборы, на,пример, С4- 27 и С4 - 74 4. с. 140. Блоки 4. 6 - генераторы импульсов, и а - пример Г5 - 54 4. с. 209. Блок 5 времейной задержки может быть конструктивно совмещен с блоком б, например, как в генераторе Г5-54.

Формула изобретения Способ определения сдвига фаз в фазо- манмпулированном сигнале, основанный на

использовании спектрального анализа периодического фазоманипулированного с из- аестиой несущей частотой сигнала, состоящего из двух субимпульсов одинаковой длительности т , при котором в процессе анализа фиксируют значение частоты Fmin, соответствующее ближайшему к несущей частоте первому минимуму огибающей спектра, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени, необходимого

для определения сдвига фаз, в процессе анализа первый минимум определяют по его расположению между двумя наибольшими максимумами огибающей спектра, а также дополнительно фиксируют значение

частоты Fmin2, соответствующее следующему от несущей частоты второму минимуму огибающей спектра, определяют разность частот между вторыми первым минимумами огибающей спектра и по полученной разносги частот с учетом знака этой разности определяют величину Д© сдвига фаз по формуле:

35

А0 2ггг(Ртт2 -Fmln1 )- - К sgn ( F mjn2 - F mini ),

где г - длительность субимпульсов-,

Fmini - частота первого минимума огибающей спектра;

Fmin2 - частота второго (соседнего) минимума огибающей спектра;

sgn - операция учета знака разности частот.

Ј

3

«

to

p

t

IS W I

Fming

Использование: в области радиоизмерений, а именно в фазометрии, а также в технике связи и радиолокации, где широко применяются фазоманипулированные сигналы Сущность изобретения: способ сокращает время измерения сдвига фаз и реализуется подачей на вход анализатора спектра фазоманипулированного сигнала с известной несущей частотой, состоящего из двух субимпульсов одинаковой длительности г , фиксацией положения частоты Fminj, соответствующей ближайшему к несущей частоте минимуму огибающей спектра, и частоты Рт1п,соответствующей следующему от несущей минимуму огибающей спектра, измерением интервала частот от Fmirn и определением величины фазового сдвига по формуле А0 2ЯГ( -Fminl)- - JlSCj ( F mln - F mini ) . 3 ИЛ. сл С

Fmins -fmini

Фиг. 36