Способ измерения начальной фазы сигнала и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радиотехнике и контрольно-измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических и информационно-вычислительных системах, функционирующих в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является повышение точности определения начальной фазы сигнала при неизменном времени анализа.

На фиг. 1 приведены спектрограммы, поясняющие предлагаемый способ; на фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего способ.

Пусть необходимо определить начальную фазу входного сигнала с неизвестной частотой вида UBx(t)Assin( Cdst+ (p HS), где: As - амплитуда, re fs - частота, (рн$ - начальная фаза входного сигнала.

Перед измерением частоты сигнала производят предварительные селекцию по частоте с целью формирования частотной полосы анализа шириной AFa и усиление, обеспечивающее требуемую чувствительность. Затем в пределах полосы анализа выделяются два набора частотных участков, содержащих одинаковое количество участков М. Частотные участки первого и второго наборов с одинаковыми номерами имеют одинаковые средние частоты, но ширина участков первого набора больше ширины участков второго набора (см. фиг.1). Каждый

из обоих наборов частотных участков перекрывает полосу анализа. По каждому из них производится селекция соответствующих частотных составляющих. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и ФЧХ цепей селекции частотных составляющих первого и второго наборов могут быть описаны следующим образом:

Цепи селекции, соответствующие первому набору частотных участков

Hli(f)f(t-fCpi) Pli(f)V(t-fcpi)

(1)

где Hii(f)- АЧХ цепи селекции по му участку первого набора;

(f) - ФЧХ цепи селекции по i-му участку первого набора;

,2М - номер участка в наборе.

Цепи селекции, соответствующие второму набору частотных участков:

H2i(f)Ј(mt-fCpi) i(f) mv(t-fcPi)

(2)

где H2i(f) - АЧХ цепи селекции по i-му участку второго набора;

2i(f) - ФЧХ цепи селекции по i-му участку второго набора;

,2М - номер участка в наборе.

m - положительный коэффициент больший единицы.

Использование: радиотехника, контрольно-измерительная техника, радиотехнические и информационно-вычислительные системы. Сущность изобретения: селекция частотных составляющих принятого сигнала по двум наборам частотных участков, каждый из которых перекрывает диапазон полосы анализа, и средние частоты участков первого и второго наборов с одинаковыми номерами совпадают, ширина участков первого набора больше ширины соответствующих участков второго набора, измерение отселектированных в первом наборе участков частотных составляющих и выделение максимального значения амплитуды с фиксацией номера ns соответствующего частотного участка, измерение разности начальных фаз частотных составляющих, отселектированных в частотных участках первого и второго наборов с зафиксированным номером ns, формирование фазовой коррекции пропорционально измеренному значению разности фаз, измерение начальной фазы сигнала путем суммирования фазовой коррекции со значением начальной фазы частотной составляющей в выделенном участке с номером ns первого набора, при этом весовой коэффициент для формирования фазовой коррекции равен отношению значения крутизны фазочастотной характеристики выделенной цепи селекции первого набора к разности значений крутизны фазо- частотных характеристик выделенных цепей селекции первого и второго наборов. Устройство содержит 1 широкополосный тракт (1), 2 набора узкополосных фильтров

Причем

Ј(f -fcpi) 0 ПРИ fcpi + f fcpi - Afa1i

2

Ј (f - fcpi) 0 при fcpi +

Afali

f f,

a max{ Ј(f-fcpi) (°) ПРИ ,

где Ј (f-fcpi) функция, описывающая АЧХ i-й цепи селекции первого набора;

V (f - fcpi) 01 (f - fcpi) ПРИ fcpi + AfaV

2

V (t - fcpi) ± Я При f fcpi ±

где V() - функция, описывающая ФЧХ цепи селекции, соответствующей i-му частотному участку первого набора;

a i - крутизна ФЧХ цепи селекции 1-го частотного участка первого набора.

A Fa § Afazi.

i 1

- Afa1i

2

Afali

(3)

Afaii - ширина 1-го частотного участка первого набора;

fcpi - средняя частота i-ro частотного участка первого набора.

f fcpi Afali

(4)

Сигналы после селекции частотных составляющих по первому и второму набору частотных участков описываются следующим образом:

по первому набору участков:

{Aijsin()}M,

(5)

где Aii AsHii(fs)As |(f-fcpi); fcpi;

Vb1i s+ Vl (fs)V HS+ V (fs-fcpi).

- по второму набору участков:5

{A2i sin( )}М,(6)

где A2i AsH2i(fs)As Ј (Mcpi);

10

Н21 2i(fs) Hs+ m V(fs-fcpi).

В массиве сигналов после селекции по первому набору частотных участков сигнал с максимальной амплитудой будет в том уча- стке, у которого частотное рассогласование средней частоты с частотой входного сигнала минимальное:

Aimax max Am - M Ains Afpns f - fcpns mi - M

(7)

где Aimax - максимальное значение амплитуды сигнала после селекции частотных составляющих по первому набору участков;

Afpi fs-fcpi - частотное рассогласование средней частоты 1-го частотного участка с частотой входного сигнала.

Разность начальных фаз отселектиро- ванных сигналов в частотных участках пер- вого и второго наборов с номером ns равна:

Ду9нп3 («1 - 02) X X (f, - fcpns ) .(8)

Формируемая фазовая коррекция в& равна

& - - AVHns Ку Дужпз, (9) 40

«1

- коэффициент пропорцигде Kvr

Y «1 -0.2

ональности.

Произведя сложение начальной фазы отселектированной частотной составляющей в частотном участке с зафиксированным номером ns первого набора и фазовой коррекции s, получаем в результате иско- мое значение начальной фазы входного сигнала:

yiHns+0s .(10)

Погрешность измерения начальной фа- зы сигнала по предлагаемому методу в основном определяется погрешностями измерения разности фаз и начальной фазы отселектированной частотной составляющей, так как значения других величин, в том

числе значения крутизны ФЧХ цепей селекции, известны заранее и могут быть определены с наперед требуемой точностью:

П Aps,

(11)

10

15

0

5

0

5

0

5

g

5

где П р&, П - погрешности измерения начальной фазы сигнала и разности фаз соответственно.

Современные технические средства обеспечивают погрешность измерения разности фаз не хуже единиц-долей градуса (3, 4). Следовательно, с учетом формул (9), (11) имеем

Прз (0,01-1)°.

При использовании известного метода- прототипа измерения начальной фазы сигнала и равных условиях измерения погрешность измерения начальной фазы сигналы составляет

П ps 0.25A fa V(f - fcpns) :Ј 90°.

Сравнение значений погрешностей измерения начальной фазы сигнала известного способа измерения и предлагаемого показывает, что применение заявляемого способа позволит повысить точность на один-два порядка. Следует отметить, что время анализа сигналов при измерении их начальных фаз определяется шириной частотных участков анализа Afa и равно Ta 1/Afa. Поэтому при равенстве значений Afa необходимое время анализа сигналов для известного и предлагаемого способов будет одинаковым.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает более высокую точность измерения начальной фазы сигнала без увеличения времени его анализа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (см, фиг.2), состоит из входного ШПТ 1; первого 2 и второго 3 наборов узкополосных фильтров, каждый из которых включает М фильтров (2.1-2.М, 3.1-З.М соответственно); набора 4 амплитудных детекторов, содержащего М амплитудных детекторов (4.1-4.М); первого 5 и второго 6 коммутаторов; решающего устройства 7; первого 8 и второго 9 измерителей начальной фазы; вычитателя 10, умножителя 11 и сумматора 12.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал UBx(t) поступает на вход ШПТ1, где производится его предварительные селекция по частоте и усиление. Предварительная селекция по частоте обеспечивает формирование требуемой полосы анализа сигналов AFa, а предварительное усиление обеспечивает требуемую чувствительность. С выхода ШПТ 1 сигнал поступает на входы первого 2 и второго 3 наборов узкополосных фильтров, каждый из которых перекрывает полосу анализа ДРа. Частоты настройки (средние частоты полос пропускания) узкополосных фильтров первого и второго наборов с одинаковыми номерами совпадают, а ширина полос пропускания фильтров первого набора больше ширины полос пропускания соответствующих фильтров второго набора. Отселектированные частотные составляющих. Решающее устройство 7 производит сравнение значений амплитуды частотных составляющих и выделение максимального значения с фиксацией номера ns соответствующего узкополосного фильтра. Код номера ns зафик- сированного узкополосного фильтра поступает на управляющие входы первого 5 и второго 6 коммутаторов сигналов, которые подключают ко входам первого 8 и второго 9 измерителей начальной фазы выходы фильтров соответственно первого 2 и второго 3 наборов с зафиксированным номером ns. Измеренные значения начальных фаз составляющих сигнала с выходов первого 8 и второго 9 измерителей начальной фазы поступают соответственно на первый и второй входы вычитателя 10, с выхода которого полученная разность начальных фаз поступает на вход умножителя 11. На выходе умножителя 11 формируется значение фазовой коррекции , которое поступает на второй вход сумматора 12, на первый вход которого поступает значение начальной фазы выделенной частотной составляющей сигнала в первом наборе с первого 8 измерителя начальной фазы. На выходе сумматора 12 получаем искомую величину начальной фазы сигнала рц$.

Таким образом производится измерение начальной фазы сигнала,

Объем аппаратурных затрат устройства измерения начальной фазы сигнала определяется в первую очередь количеством фильтров в наборе, количеством амплитудных детекторов и аппаратурными затратами решающего устройства (1,5).

Обеспечение высокой точности измерения начальной фазы сигнала при использовании способа-прототипа влечет существенные аппаратурные затраты, так как погрешность измерения начальной фазы пропорциональна ширине полос пропускания узкополосных фильтров и соответственно частотных участков набора. При этом одновременно резко увеличивается и время анализа:

В предлагаемом устройстве количество

фильтров увеличивается незначительно, а объем аппаратурных затрат на остальные дополнительные узлы (измерители разности фаз, коммутаторы, вычитатель, умножитель,

сумматор) незначителен по сравнению с наборами фильтров, детекторов и решающим устройством. Все узлы, входящие в состав предлагаемого устройства, являются типовыми, их реализация описана в соответствующей литературе и не вызывает трудностей (2, 3, 4).

Быстродействие и время анализа сигнала предлагаемого устройства и прототипа определяются временем установления сигнала на выходе узкополосных фильтров первого 2 и второго 3 наборов (1). Ширина полос пропускания узкополосных фильтров второго набора 3 предлагаемого устройства и набора узкополосных фильтров прототипа

одинаковые, поэтому время анализа обоих устройств будет практически одинаковым. При этом погрешность измерения начальной фазы сигнала по предлагаемому устройству и устройству-прототипу будут

соответственно равны:

Пр5 (0,01-1,0)°.

П ps 0,25Д тф V(f-fcpn,) Ј 90° ,

где: Д fф - полоса пропускания узкополосного фильтра.

Следовательно, при равных временах анализа сигнала предлагаемое устройство обеспечивает существенно большую точность измерения начальной фазы сигнала по сравнению с устройством-прототипом.

Следует отметить, что решающие устройства для устройств предлагаемого и прототипа однотипные, так как выполняют

одинаковые функции и взаимосвязаны с одними и теми же узлами и блоками при неизменном количестве входов-выходов.

Таким образом, реализация предлагаемого устройства, реализующего заявленный

способ, практически не потребует существенного увеличения объема аппаратурных затрат. Это дает существенный выигрыш в сочетании быстродействие/объем аппаратурных затрат по сравнению со способом-прототипом и устройством, его реализующим, Учитывая простоту и эффективность заявляемых способа измерения начальной фазы сигнала и устройства, его реализующего, можно ожидать его широкого применения.

Формула изобретения 1. Способ измерения начальной фазы сигнала, заключающийся в приеме входного сигнала в пределах частотной полосы анализа, селекции частотных составляющих принятого сигнала по набору частотных участков, перекрывающему частотный диапазон полосы анализа, измерении амплитуд и начальных фаз отселектированных частотных составляющих и выделении максималь- ного значения амплитуды с фиксацией номера соответствующего частотного участка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при неизменном времени анализа, производят одновременную селекцию частотных составляющих принятого сигнала по двум наборам частотных участков, каждый из которых перекрывает диапазон полосы анализа, и средние частоты участков первого и второго наборов первого набора больше ширины соответствующих участков второго набора, измерение амплитуд отселектированных в первом наборе участков частотных составляющих и выделение максимального значе- ния амплитуды с фиксацией номера ns соответствующего частотного участка, измерение разности начальных фаз частотных составляющих, отселектированных в частотных участках первого и второго наборов с зафиксированным номером ns, формирование фазовой коррекции пропорционально измеренному значению разности фаз, измерение начальной фазы сигнала путем суммирования фазовой коррекции со значе- нием начальной фазы частотной составляющей в выделенном участке с номером ns первого набора, при этом весовой коэффициент для формирования фазовой коррек

ции равен отношению значения крутизны фазочастотной характеристики выделенной цепи селекции первого набора к разности значений крутизны фазочастотных характеристик выделенных цепей селекции первого и второго наборов.

2. Устройство для измерения начальной фазы сигнала, состоящее из последовательно соединенных входного широкополосного тракта, набора узкополосных фильтров, набора амплитудных детекторов, решающего устройства и двух измерителей начальной фазы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при неизменном времени анализа, в него введены второй набор узкополосных фильтров, первый и второй коммутаторы, вычитатель, умножитель и сумматор, при этом средние частоты узкополосных фильтров первого и второго наборов с одинаковыми номерами совпадают, а ширина полосы пропускания фильтров первого набора больше ширины полосы пропускания соответствующих фильтров второго набора, выходы фильтров первого набора подключены к соответствующим входам первого коммутатора, выходы фильтров второго набора-к соответствующим входам второго коммутатора, управляющие входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом решающего устройства, а выходы первого и второго измерителей начальной фазы, выход первого измерителя начальной фазы подключен к первым входам вычитателя и сумматора, а выход второго измерителя начальной фазы - к второму входу вычитателя, выход вычитателя через умножитель соединен с вторым входом сумматора, выход которого является выходом устройства.