Следящий измеритель частоты Советский патент 1993 года по МПК H03L7/00 

Изобретение относится к радиосвязи и может использоваться в аппаратуре, предназначенной для приема и анализа дискретной информации, передаваемой по каналам связи с помощью частотной и амплитудной манипуляций,

Цель изобретения - повышение точности измерений частоты без априорных сведений о виде модуляции входного сигнала.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема частотных дискриминаторов; на фиг.З и 4 - диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит смеситель 1, фильтр 2 промежуточной частоты; первый и второй частотные дискриминаторы 3 и 4; первый и второй фильтры верхних частот 5 и 6; первый, второй, третий, четвертый и пятый перемножители 7,9,12,14 и 11; первый, второй и третий фильтры нижних частотб, 10, 13; интегратор 15 и перестраиваемый гетеродин 16.

В следящем измерителе частоты соединены последовательно смеситель 1 и фильтр 2 промежуточной частоты, выход промежуточной частоты которого соединен с входами первого частотного дискриминатора 3 и второго частотного дискриминатора 4, выход дискриминатора 3 через первый фильтр 5 верхних частот соединен с первым входом первого перемножителя 7, а выход второго дискриминатора 4 через второй фильтр 6 верхних частот соединен с вторым входом перемножителя 7, выход которого через первый фильтр 8 нижних частот соединен с первым входом второго перемножителя 9, второй вход которого соединен с выходом первого частотного дискриминатора 3, выход второго перемножителя 9 через второй фильтр 10 нижних частот соединен с первым входом пятого перемножителя 11, последовательно соединенный третий перемножитель 12, первый вход которого соединен с выходом первого частотного дискриминатора 3, а второй вход соединен с выходом второго частотного дискриминатора 4, третий фильтр 13 нижних частот и четвертый перемножитель 14, второй вход которого соединен с выходом фильтра 8 нижних частот, а выход перемножителя 14 соединен с вторым входом пятого перемножителя 11, выИ

00

о

§

СП

ход которого соединен с входом интегратора 15, выход последнего - с входом перестраиваемого гетеродина 16, выход которого соединен с вторым входом смесителя 1.

На фиг.2 представлена структурная схема частотных дискриминаторов 3 и 4, которые могут быть выполнены, например, в следующем виде.

Частотные дискриминаторы 3 и4содер- жат фазовращатель 17, линию 18 задержки с временем задержки с временем задержки т, перемножители 19 и 20, фильтры нижних частот 21 и 22.

Входы фазовращателя 17, линии 18 за- держки и второго перемножителя 19 соединены и являются входом частотных дискриминаторов 3 и 4; выход фазовращателя 17 соединен с первым входом перемножителя 19, второй вход которого соединен с выходом линии 18 задержки, а выход - с входом фильтра 21 нижних частот, выход которого является выходом частотного дискриминатора 3; второй вход перемножителя 20 соединен с выходом линии 18 задержки, а выход - с входом фильтра 22 нижних частот, выход которого является выходом частотного дискриминатора 4.

Устройство работает следующим образом.

На вход смесителя 1 (вход устройства) поступает частотно-манипулированный (ЧМн) сигнал, который при модуляции с разрывом фазы несущей можно представить в виде:

U(t) UmCOS (Wept + AW b(t) t + фа) UmCOS p- (t),

где Um амплитуда ЧМн сигнала;

0)Cp

Ы1 +0)2

средняя частота сигнала;

, ал - несущие частоты информацией- ных символов;

А иц - (Oi

Ао) - девиация частоты;

р0 начальная фаза;

b(t) - модулирующая фиксация;

b(t) 2 bKrect(tK),

ri,,(K+i)T

rect(tK) 4

0,,(K+1)T, .

где К 1, 2, 3,...; Т - длительность элементарного символа.

Величина Ьк 1 или (-1). Набор {Ьк} образует двоичный код, в соответствии с

которым частота сигнала принимает два значения; ОУ «ср - АО) с вероятностью Р1 и 0)2 + Aw с вероятностью Р2 Вероятности Р1 и Р2 появления символов с несущими частотами и о& за время наблюдения неизвестны.

На другой вход смесителя 1 поступает сигнал с выхода перестраиваемого гетеродина 16:

Ur(t) Umr COS (ftJrt + рг Umr COS pi

(t),

Ю

15 0 5

0

5

0

5

где Umr - амплитуда;

O)r - несущая частота;

начальная фаза.

На выходе фильтра 2 промежуточной частоты при условии Umr Umc напряжение имеет вид:

иф(т) Um cos (t) - 2(t).

Напряжение с выхода фильтра 2 поступает на вход частотного дискриминатора 3 и частотного дискриминатора 4.

Дискриминационные характеристики частотных дискриминаторов 3 и 4 и форма напряжений на их выходах приведены на фиг. 3 а - 3 и.

Тогда для напряжений на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 справедливы следующие соотношения:

ичдз(т) U2m sin ((t) - b(t-r)t + + (Wcp-ед-) r+ Aw r b(t-r)};

иЧД4(г) U2m cos ((t) - b(t-r)t + + (о) cp-Wr) t + Aw г b(t-r)}.

Величина постоянной времени задержки т выбирается из условия т Т. Поэтому искажениями A (t) - b(t-r) можно пренебречь. С учетом этого напряжения на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 примут вид:

ичдз(г) U2m sin {Awrb(t-r)+ + (о)Ср-о)г) т}:

иЧд4(г) U2m cos {Aw г b(t-T)+

+ (Wcp-Wr) Г}.

Как видно из-эпюр, приведенных на фиг.З в и 3 г для случая положительной расстройки О) ср- ою 0, где а)о - опорная частота, напряжения на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 состоят из постоянной составляющей U и переменной составляющей U,

51800615 6

Фильтры верхних частот (ФВЧ) 5 и 6

выделяют только переменную составляю-Напряжение с выхода перемножителя щую U выходного напряжения частотных 7 поступает на вход фильтра 8 нижних ча- дискриминаторовЗ и 4. Размах напряжений стот. На выходе фильтра 8 нижних частот на выходе ФВЧ 5ибможно представить как 5 имеем: сумму двух составляющих:

иф8(т.) P1Un(Ati) + P2Un7(At2)

оо о

AU ALfe(+) + AU(-); -2P1P2U4msin2 Acorsin 2 (wcp -ОД-)т.

10

A U A Ubf+i + A Ubf-iHa Фиг3е представлена эпюра напря (жения на выходе фильтра 8 нижних частот

0 0как функция частоты.

где A Ub«, A Ub(+) - положительные состав-Напряжение с выхода фильтра 8 нижних

ляющие размаха напряжений на выходе15 частот поступает на вход второго перемноФВЧ5 и ФВЧ6;жителя 9, на другой вход которого поступает

о онапряжение с выхода частотного дискримиА Lfe(-), A Us(-) - отрицательные состав-натора 3: ляющие размаха напряжений на выходе

ФВЧ5и ФВЧ6.20 , , . , , . . / , . ор ро||6

С учетом принятых обозначений пол-Un tjsUq V l Uqpe

учим следующие соотношения для состав-хвгп ьоз бтп оЭср-оЭг псо,

ляющих размаха напряжений на выходе., , , . ., / , . ., , , . лп ол,,б

ФВЧ5 и ФВЧ6.U UtftbUM aV eW-uPlPeU

Для временного интервала Ati G(ti-t0) 25Х9 лпгйсо 51п2(с0ср-сог1 2 егпсо,2,. справедливы следующие соотношения:

Напряжение с выхода перемножителя 9

о2 поступает на вход фильтра 10 нижних час- А Lfe(-) (х) - U m sin а) г- тот на выходе которого имеем:

30 -2P2U m sin (Мер - од- )т;

иФ) ((

A Uw U2m cos ал т- (t) 5т2лаС.5;п2 (G3cp-GDr)t(P2s;neo 35-P sincoftJe-2PiP2u si i4uG)

2P2U m Sin AtOTsin ( Wcp - ОД- )r.. n, ,лг .

v p ;1Ј5,n2(cocp-6or 2P2sinuG3 co5(acpДля временного интервала Ata G(t2-ti)( (). справедливы следующие соотношения;

AUb(+) U2m sin («2 т - (г) ,, , 0

v L 4A°WJ На фиг.Зж показана эпюра напряжения

„.. ,2 . л, ч на выходе фильтра 10 нижних частот как 2P1U2m sin Aa;rcos ( -ед )г; фунщия часфтоты

Напряжение с выхода фильтра 10 нижА U(-) (t) - U2m cos a них частот поступает на первый вход перемножителя 11,

-2P1U2m sin Ашг sin (шср -шг )г.Напряжения с выходов частотного дисНапряжения с выходов ФВЧ5 и ФВЧ6криминатора 3 и частотного дискриминатопоступают на входы перемножителя 7, на,п Ра 4 перемножаются в перемножителе 12.

выходе которого для рассматриваемых ин-50 НапРяжение на выходе перемножителя 12

тервалов времени Ati и At2 имеем:можно представить в виде:

Un(Ati) AU(-) AU(+) -4P22U4m .Vu inQ -UiUosco

х sin Aa)T sin (wcp - Wr )тх

xcos(wcp -Wr)r -2P22U4msin2 AWTX55 -§:Un,s;ni(corcon4;

x sin 2 ( -wr)r;Un M-U sinos.

Un(At2) A Uw A Ub(-) Uis ittl (ог-сог. -2P12U m sin2 AftJTsin 2 (шср - Ur )r.

Это напряжение поступает на вход фильтра 13 нижних частот. На выходе фильтра 13 нижних частот имеем

иФ1з(т) P1Uni2(Ati)+ P2Uni2(At2) (P2sin2 ( Mi - № ) T- P1sin2 (ui -од-)т).

На фиг.Зд показана эпюра напряжения на выходе фильтра 13 нижних частот как функция частоты.

Напряжение с выхода фильтра 13 ниж- них частот поступает на первый вход четвертого перемножителя 14, на другой вход которого поступает напряжение с выхода первого фильтра 8 нижних частот. Тогда напряжение на выходе перемножителя 14 имеет вид

WtH(tblWtl -2PiP2U 5; co

1п2(ыср-сог 2Р25т2дшЈсо52(мС(

-arlMP2-POsin2(Gvcor)Ј.

На фиг.Зз представлена эпюра напряжения на выходе перемножителя 14 как функция частоты. Откуда, в частности, еле- дует, что при воздействии на вход измерителя ЧМн сигналов напряжение на выходе перемножителя 14 Ипн 0.

Напряжение с выхода перемножителя 14 поступает на первый вход перемножите- ля 11, на другой вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 10 нижних частот. Напряжение на выходе перемножителя 11 примет следующий вид

ип Иф 1Ьип 4М -2Р1Р2и б;п дшЈх

sin Q. (eoep-co 2P25ln ucoЈcos(cocp- Wr)C+((co1.-Qr 2PlP2U x x5;n2uQb;tt2bcp-Wr#x 2p25;n2uou co52(cocp-ar} {p2-pi)5;n2(arCOrjg 4PtVXS;«W5;n 2(acp-G) sWeo costca -co - (p2-P)x sin(arwr)Ј 2P25;n2&uЈCos2(cocp-ur)Ј+(P2-pi s;n2(ara-yfr.

Напряжение с выхода перемножителя 11 поступает на вход интегратора 15, Управляющее напряжение с выхода интегратора 15 поступает на вход перестраиваемого гетеродина 16, изменяя частоту последнего в

соответствии с обобщенной дискриминационной характеристикой, приведенной на фиг.Зи. На фиг.Зи кружочками обозначены точки устойчивого слежения, а стрелками - направление изменения частоты гетеродина 16 при положительном и отрицательном управляющем напряжении.

При поступлении на вход амплитудно- манипулированных сигналов устройство работает следующим образом.

Входной амплитудно-манипулирован- ный сигнал представим в виде:

U(t) Umb(t) cos (wn + ipo),

где Um, wi, po амплитуда, несущая частота и начальная фаза сигнала;

b(t) - модулирующая функция:

b(t) 2 Ькгесх(гк),

rect(tK)

1,,(K+ 1 )Т 0,, (К-И)Т,

К 1,2,3...; Т - длительность элементарного символа.

Величина Ьк 1 или 0. Набор {Ьк} образует двоичный код, в соответствии с которым амплитуда сигнала принимает два значения; U L)m с вероятностью Р1; U Um 0 с вероятностью Р2.

Дискриминационные характеристики частотных дискриминаторов 3 и 4 и форма напряжений на их выходах приведены на фиг.4а -4г.

Для напряжений на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 справедливы следующие соотношения:

U4A3(t) U2mb(t) Ь (t- Т) Sin ( W1 - Wr ) Т

U2m-b3(t) sin («1 -WT)T;

U4A4(t) U2m b(t) Ь (t- T) COS ( № -(Or} Т U2m Ьэ {t) COS ( 0)1 - Ok ) t.

Как видно из эпюр, приведенных на фиг.4в и 4г, для случая отрицательной расстройки напряжения на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 состоят из постоянной составляющей U и переменной составляющей U .

Фильтры верхних частот 5 и 6 выделяют только переменную составляющую U выходного напряжения дискриминаторов 3 и 4. Размах напряжений на выходе ФВЧ 5 и 6 можно представить как сумму двух составляющих:

оооНа фиг.4е представлена эпюра напряД A W + А Щ-):жения на выходе фильтра 8 нижних частот

Л l°U Л l°U Л ФУНК1 ИЯ частоты. Напряжение с выхода

U6(+) U5(-),фильтра 8 поступает на вход второго пере5множителя 9, на другой вход которого постугдеДиЬ(+),Ди« - положительные состав-пает напряжение с выхода частотного

ляющие размаха напряжений на выходедискриминатора 3.

ФВЧБиФВЧб;,. , ,. ,. .

о оUng(Ati) иф8(х) ичдз(Д ti) 0;

Д Us(-), A Ub(-) - отрицательные составля- 10

ющие размаха напряжений на выходе.. м 11 ,(л 1 v

ФВЧ5ИФВЧ6.ип9(Дт2)-иф8(т)иЧдз(Дтг).- -2-х

С учетом принятых обозначений получим

следующие соотношения для составляющихxU mP1 Р2 sin2 ( ш- - од ) т sin ( - од ) т. размаха напряжений на выходе ФВЧ5 и 15

ФВЧб.Напряжение с выхода перемножителя 9 Для временного интервала Ati €E(trt0)поступает на вход фильтра 10 нижних час- справедливы следующие соотношениятот, на выходе которого имеем:

Д U(-) (t) -Р1 U2m sin О - од ) г, 20иФ1о(т) (Л t1) + P1 ипэ(Д t2) -f x

л i°, rii г,-,,,2 / чxU6mP12P2 sin2 (coi -од) г sin (w -од )т.

AUb(-) (t) -P1U ;m COS (0)1 -ОД) Г.V V

. . чНа фиг.4, ж показана эпюра напряжеДля временного интервала Д t2 G (ti-t0) 25ния на выходе фильтра 10 нижних частот как

справедливы следующие соотношенияфункция частоты. Напряжение с выхода

ДиЬм U2msin ( wi -ОД )г-фильтра 10 поступает на первый вход перемножителя 11.

- (т) P2U2m sin ( wi -од )т; Напряжения с выходов частотных диск- д 30риминаторов 3 и 4 перемножаются в пере- AUbf+) U2mcos ( wi - од )т-множителе 12. Напряжение на выходе перемножителя 12 можно представить в виде:

(t)P2U2mcos(wi -ад-) т.(Д ti) 0.

Напряжения с выходов ФВЧ5 и ФВЧ6 ЗБUni2(At2) U2m sin (ол -ад- )rx поступают на входы перемножителя 7, на

выходе которого для рассматриваемых ин-xU2m cos (ои - од)г - х

тервалов времени Дхт и At2 имеем

40xU4msin2 (ал -а)г)т.

и / L i ° г 4Это напряжение поступает на вход

(-уьи6И Р1 Umsm(Q,-cor}Јxфильтра 13 нижних частот. На выходе филь cos(co,-cO,.yt Pia|j4 ein2.(co -О t rPa нижних частот имеем

Um(sy.bUswuU6ft,«P 5inla,-cor)« 15иф,зй-Р2и„,2(Дч)+ P1Un,a(Atd- -1-«

.coSfo,-4,bip2 u;5-,(u,Qr)t.х л „, Sin2 (Ш1 w )т

Напряжение с выхода перемножителя 7На фиг. 4д показана эпюра напряжения

поступает на вход фильтра 8 нижних частот. Ьина выходе фильтра 13 нижних частот как

На выходе фильтра 8 нижних частот имеем:функция частоты,

UIpe( t P2Un-,(ui,VPlUn7(litJ -UmP2.(С выхода фильтра 13 нижних частот напряжение поступает на первый вход четверпряжение поступает на первый вход четверх(сог«г -и Р р2,г5;п2.(согсоА( того перемножителя 14, на другой вход

.которого поступает напряжение с выхода

- UmPiP25in(cO,-wr(РНР2)первого фильтра 8 нижних частот. Тогда на М4 О.пп . п/ .л,пряжение на выходе перемножителя 14

- UmHPZ5in co COr c.имеет вид

С выхода фильтра 13 нижних частот напряжение поступает на первый вход четвертого перемножителя 14, на другой вход

U.

.(согШ

(Ыгиг)1иЈр12Ргк «3;n22.(GVcor)Ј.

fr

Нафиг.4 з показана эпюра напряжения на выходе перемножителя 14, откуда, в частности следует, что при воздействии на вход измерителя АМн сигнала напряжения на его выходе всегда 1)п14 0.

Напряжение с выхода перемножителя 14 поступает на первый вход пятого перемножителя 11, на другой вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 10 нижних частот. Напряжение на выходе перемножителя 11 примет следующий вид:

WtKuM-W uXre CA-4 Ot P2 5;na(Q,-cor)b

((ar

-ar)§ s;n2(G3rur)fcos(u)l-u3r).

Ur,n(t) -|-Um14P22P14sir,22Oi -WT}TX

xsin z ((-( )r cos (wi - ) r.

С выхода перемножителя 11 напряжение поступает на вход интегратора 15. Управляющее напряжение с выхода интегратора 15 поступает на вход перестраиваемого гетеродина 16, изменяя частоту последнего в соответствии с обобщенной дискриминационной характеристикой, приведенной на фиг. 4и. На фиг.4и кружочками обозначены точки устойчивого слежения, а стрелками показано направление изменения частоты гетеродина 16 при положительном и отрицательном управляющем напряжении,

Таким образом, в предлагаемом устройстве в полосе частот Aw % - и имеется одна единственная точка устойчивого слежения с координатой (л)в как для сигналов с ЧМн, так и для сигналов с АМн. Это обстоятельство уменьшает вероятность появления аномальных ошибок и тем самым повышает точность измерения.

В прототипе, как следует из фиг.Зж и 4ж, в полосе частот Act) ws - Шн имеется две

точки устойчивого слежения: одна с координатой О)о1 УН - для ЧМн сигналов, другая с координатой (t)02 fife - для АМн сигналов. Наличие двух точек устойчивого слеже5 ния приводит к возникновению аномальных погрешностей измерения частоты, а следовательно, к снижению точности.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства, по сравнению с

Ю прототипом, заключается в повышении точности измерений частоты без априорных сведений о виде модуляции входного сигнала (АМн или ЧМн) при сравнительно низкой стоимости. Низкая стоимость устройства

15 достигается путем использования небольшого количества простых узлов в схемах и конструктивном исполнении.

Формула изобретения

20Следящий измеритель частоты, содержащий последовательно соединенные входной смеситель и фильтр промежуточной частоты, последовательно соединенный первый частотный детектор, вход которого

25 подключен к выходу фильтра промежуточной частоты, первый фильтр верхних частот и первый перемножитель, последовательно соединенные второй частотный детектор и второй фильтр верхних частот, включенные

30 между выходом фильтра промежуточной частоты и другим входом первого перемножителя, последовательно соединенные интегратор и перестраиваемый гетеродин, выход которого подключен к другому входу

35 входного смесителя, и второй перемножитель, один вход которого подключен к выходу первого частотного детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при работе с сигналами АМн и

40 ФМн, в него введены последовательно соединенные третий перемножитель, входы которого подключены к выходам первого и второго частотных детекторов, первый фильтр нижних частот, четвертый перемно45 житель и третий перемножитель, выход которого подключен к входу интегратора, а также второй фильтр нижних частот, включенный между выходом первого и другим входом второго перемножителей, и третий

50 фильтр нижних частот, включенный между выходом второго и другим входом пятого перемножителей, а другой вход четвертого перемножителя подключен к выходу второго фильтра нижних частот.

55

V

TKLH 1

ь

n

16

I

15

i

f

3

13

1Ф10

9

5

(0US.1

фяг.З

X / . .

/Ui-™ wr

u

-ffr.-ггг

L ) 4

- , H tt

Использование: радиосвязь, аппаратура, предназначенная для приема и анализа дискретной информации. Сущность изобретения: следящий измеритель частоты содержит входной смеситель, фиксатор промежуточной частоты, два частотных детектора, два фильтра верхних частот, три фильтра нижних частот, пять перемножителей, интегратор и перестраиваемый гетеродин. Повышение точности слежения за частотой достигается тем, что и для сигналов АМн и для сигналов ФМн имеется единственная точка устойчивого слежения. 4 ил.