Цифровой измеритель частоты Советский патент 1981 года по МПК G01R23/10 

54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Псг;тазл(:нЬг :Л ;;o;i тем , ТО в ii: ;;ч;.:1 ::ь тель Ч5 ::тот- : ,, -x-jx-;. сбразо;за :нп ги глс-;:1ч первому и ,)Хч д;,ам KOTOpoi-c;

руЮГЦИе :.1ХОЛЬ рс1ТОрсл, к ГрОГоГл

входам - COOT- сгс :л дающего гояора fopf иэации л i ;;кж;- j :;оедкие1;има ncviKJiKr

1C и F d JT а П р G о 01 ( ; О : К. : ЦИфрС1ВуЮ ;.-.-i

нсхолных ,|:а;пых .-;,

ДДИСКреТ 1,ОГ:.: Г РООО;.;;

i Ba;ipa t;p J б/:ок у --руг:)1ций ре г;-:;.; р ; со; гиапьпого ог й 01-р;:и. г:. интерпо, : у rr:.;i i умиожеч. ( ::Я- ai ч а п о л с к о ,- -, с: и м л J м O) отсчо о; ,, n;v:; ;r: :.iHrepiiOj:;rvo: R г-с;;;:: зующему В1-.;Х);:;у оулг ра f а его нмхол чо; нератср овкта: о:.;: : :1ислеиия ц .-i -к;;етм;:) 1)ур,о . Г1во.. роу спект1)ал Foib::-; ;. vOfv

блок 1 i -О- .. 1 .

ванля- пеоо1У- ; о-;-р.(

ПВОЙН;хУ aaoOB.iiX с.:./ ;цил SJUj;-: . ;i с i-: ;(;;,: , ЛеЬИЯ ДИСК1Э Л:-ЧОГ0

Фурье через pfji-.ov тральнкх oT h:: ;- ;

ВОМУ :чХО.;.;,У Р... :riv;i :

блока поиоку маьгц: НОГО С;ТСЧС1(л Ч.у.;о;: НИЯ Oiifp)--.:iX OOOLO

второму вх.);..;у о.чох

nSOEaH НУ.Х.У

динена -о ч,- ..:, yj

BbXOJii I i o:Oip: iX ПОУ

ляюи,им ;;хода.: po:-ia

ги-ч уог;клю-;ч2ка черчг; оо щке йлоки фоо :у;:чча ЧЯ фициечтоь ч .;-- . -14-у

ВУЮЦИХ ДВСЙн:ЧХ ЧЧССч Х

Па чертеже Г редстазлная электрическая схеме измерителя частоть.

Цифровой иэмериое;чь держит ;(анал 1 преобразнала в цифровую форму; генератор 2, зал;.ающий г блок 4 в чиоления диокррвзования Фуръе . квадра 6 поиска максимального го отсчета,, интергголятогистр 8 накопления масо ных данных, цифровой ге блок 10 ум 0 кеник, суммгистр 11 i ои гчшльный 3; выход которого является выходом все го цифрового измерителя частоты. Работа цифрового измерителя частоты основана на последовательной реализации процедуры согласованной обработки сигнала по частоте и процедуры оптимального разрешенияизмерения частот перекрывающихся по спектру сигналов. Процедура сог ласованной обработки по частоте pea лизуется в исходной части устройств в -локах 1-11. В цифровом измерителе частоты по жительный эффект достигается за счет процедуры оптимального разреше ния-измерения частот перекрывающихся по спектру сигналов, которая реа лизуется в блоках 13-19, причем предварительные оценки частот сигна лов, полученные по процедуре согласованной обработки по частоте в бло ках 1-11, используются как опорные значения измеряемых частот сигналов Цифровой измеритель частоты рабо тает следующим образом. На сигнальный вход 12 канала 1 преобразования сигнала в цифровую форму поступает смесь из п. гармонических колебаний различных частот f (i 1 . . .п) из диапазона возможных значений Е (о о 0 центральная частота полосы 2F воз можных значений. На первый и второй управляющие входы канала 1 подаются сдвинутые по сЬазе друг относительно друга на 90 опорные сигналы частоты f с выходов квадратурн го генератора 2, а на третий и четвертый управляющие входы - сигналы дискретизации с частотой 2F с выходов задающего генератора 3 сигналов дискретизации. Канал 1 преобразования осуществляет предва рительную фильтрацию принимаемых ко лебаний, их дискретизации по време ни с интервалом и анало го-цифровое преобразование полученных отсчетов. При этом на выходе канала 1 в течение интервала наблюдения (О,т) формируется набор отсчетов (в цифровом коде) синфаз ных и квадратурных составляющих ком плексной огибающей принимаемой смес п сигналов и аддитивного шума: (t) для всех отсчетов времени t,k-ut, ...N. Эти сигналы Uy. , . . . .N записываются в регистр 8 накопления массива исходных данных, откуда поступают на вход блока 4 вычисления дискретного преобразования Фурье. Блок 4 формирует на своем выходе 2N равноотстоящих отсчетов RjjQpD Qp ( . . .2N) дискретного комплексного. Фурье-спектра комплексной огибающей принимаемого колебания . Эти отсчеты представляют собой отсчеты синфазных и квадратурных составляющих комплексного корреляционногоэ интеграла согласованной обработки сигналов по частоте Qp в диапазоне (0,2F с шагом дискретизациидГ F/N. (.... (О Набор отсчетов p 1...2N с выхода блока 4 поступает на вход квадратора 5 и одновременно записывается в регистр 13 хранения спектральных отсчетов, где хранится до конца процедуры разрешения-измерения. Квадратор 5 формирует на своем выходе 2N отсчетов квадратов модулей. ISpIt Гюсколькув начальном состоянии блок 10 умножения осуществляет умножение на +1, а суммирующий регистр обнулен, то отсчеты I Пр|2 поступают, проходя без изменений через блоки 10 и 11, на вход блока 6 поиска максимального спектрального отсчета который формирует на своем выходе {в цифровом коде) номер Е максимального из них и величину наибольшего отсчета. Величина f f при этом принимается за опорное значение оценки частоты первого сигнала (наиболее интенсивного) из принимаемой суперпозиции п сигналов. Эта величина f поступает в блоки 7 и 15. Величина f, поступает на вход интерполятора 7 для использования в качестве опорного значения, номер 2 , однозначно определяющий опорное значение частоты первого сигнала, записывается также в регистр хранения опорных отсчетов частоты, которые используются при реализации процедуры оптимального разрешенияизмерения. Интерполятор .7, используя информацию, заложенную в сигналах, поступающих с выходов блоков б и 11, формирует (с использованием интерполяционной формулы Котельникова) уточненную оценку максимума энергетического спектра принимаемой смеси сигналов и шума, т.е. уточненную оценку опорного значения частоты первого сигнала f , которая поступает на вход цифрового генератора 9. Цифровой генератор 9 формирует на выходе N комплексных чисел - отсчетов монохроматического сигнала ехр (j2Tf -k-ut) ...N, которые поступают на вход блока 4 вычисления дискретного преобразования Фурье. Затем с помощью блока 4 вычисления дискретного преобразования Фурье и квадратора 5 вычисляют 2N отсчетов энергетического спектра комплексной огибающей первого сигнала. Далее осуществляется компенсация в спектре принятого колебания спектра сигнала, соответствующего оц ночному опорному значению частоты f-,Для этого сформированные отсчеты спектра первого сигнала, поступающие с выхода квадратора 5, умножаются в блоке 10 умножения на коэффициент г/, и складываются с содержимь.1М 2N соответствукщих ячеек суммирующего регистра 11. Коэффициент д, вы бирают из условия полной компенсации максимального отсчета измеренной сосгавляющей и принимают равным g -(1() , 5 - интенсивность составляющей сформированного компенсирующего спектра. , Повторение процедуры поиска максимального спектрального отсчета по воляет оценить номер максимального .отсчета Е и опорное значение час тоты ,, второго сигнала. Номер при этом записывается в регистр 15 хранения отсчетов частоты. Повто рение процедуры обработки позволяет определить все п номеров спектраль ных отсчетов 1 , Zf. . . Е, соотве ст вующие оценкам опорных значений f , f,,...f4. перекрывающихся по спектру сигналов. Значения Й, Е,. . . 6 при этом записываются в регистр 15 хранения опорных отсчетов частоты. На этом завершается первый этап измере ния, соответствующий реализации про цедуры согласованной обработки сигн лов по частоте. Работа дополнительно введенных блоков 13-19, реализующих процедуру последующего оптимального разрешения-измерения частот п перекрывающи ся по спектру сигналов, состоит в следующем. С выхода регистра хранения опорных отсчетов частоты п чисел (,.,n) поступают на второй вход блока 14 сочетаний, во второй внутренний регистр которого для каждого опорного значения E(... записывается набор из фиксированног числа К 2К(5+1 номеров отсчетов Vbie,--(VO,.-.-eri,e,.,,... ,(ы,..п) соответствующих возможным номерам о ,счетов истинного значения частоты 1-го сигнала. Число К при этом мож но выбрать постоянным и равным числ отсчетов по частоте, лежащих в пределах полуширины главного лепестка энергетического спектра сигналов, так как величины ошибок afg (возника щих за счет неоптимальности процедуры согласованной обработки сигнал по частоте в случае, когда спектры дельных сигналов перекрываются, чер а следовательно, и смешение опорног значения отсчета 8 по отношению к отсчету t;, соответствукнцему точному значению оценки частоты i-ro сигнала обычно не превшиавт выбран ного таким образом числа К. Наряду с этим в первый внутренний регистр блока 14 сочетаний с вы хода регистра 13 хранения спектральных отсчетов записываются те ПК значений отсчетов комплексного спектра Зр(1 , которые соответствуют номерам отсчетов частоты р , записанным во втором внутреннем регистре блока 14 сочетаний. Одновременно счетчик блока 14 сочетаний, подключенный к его второму входу путем подсчета числа чис.ел , поступающих на второй вход блока 14 сочетаний с выхода регистра 15 хранения опорных отсчетов частоты определяет число п сигналов, частоты которых подлежат разрешению-измерению. Далее 14 сочетаний из набора комплексных отсчетов Г .р| г записанных в его первом внутреннем регистре, формирует на своих Мд выходах из общего числа М выходов первой группы по и возможных сочетаний комплексных чисел ГС:., где (E -Кд, Е т.е m - ( i 1 . , . п) , принимают значения возможных номеров отсчетов частоты 1-го из п разрешаемых сигналов (2) . Число таких сочетаний Мд при этом равно М0 (К) , где и - число разрешаемых сигналов, К 2Кд+1. Первая и вторАя группа выходов блока 14 сочетаний имеет фиксированное число выходов, равное М, которое выбирается из условия , - максимально возможное- по условию работы, (по априорной информации) число сигналов в принимаемом колебании. В том случае, когда число сигналов и на входе измерителя меньше, чем ; оказываются задействованными только по MQ-(K)i выходов первой и второй группы выходов блока 14 сочетаний При этом счетчик блока 14 сочетаний путем сравнения п сп ртключает незадействованные (M-MQ) выходо-р из первой и второй группы выходов блока сочетаний ,тственно . Мд наборов сочетаний .m.iiзП 1.-.п) KQ выходов блока 14 сочетании поступают на первые входы MQ соответствующих двойных весовых сумматоров 16. При этом первые входы остальныхс|1 -М)двойнь 1х. весовых сумматоров 16 в случае, если (у, оказываются отключенными, в результате чего на их выходах устанавливаются нулевые напряжения, соответствующие их нулевым выходным сигналам. Одновременно на соответствукяцих Мд выходах второй группы выходов блока 14 сочетаний формируется по п сочетаний номеров отсчетов частот разрешаемых сигналов Vnj (пг, iW,..-гпп) где т,Е(,).,,.,.п-, xi,..Mo соответствующих сочетаниям комплексных отсчетов спектров Sj; j ..., формируемых на соответствующих М, выходах первой группы выходов блока 1 сочетаний. Эти наборы номеровш со второй группы выходов блока 14 сочетаний поступают на соответствующие g информационных входов решающего блока 19 (где записываются во внутреннем регистре решающего блока 19) и на входы соответствующих из М блоков 17 формирования весовых коэффициентов. Причем в случае, если число сигналов , незадействованные (M-MQ) выходов из второй группы выходов блока 14 сочетаний отключаются, а также отключаются выходы соответствующих им блоков 17 формирования весовых коэффициентов. Далее каждый j -и из MQ.задейс вованкых двойных весовых сумматоров 16 формирует на своем выходе соответствующую j -ю составляющую оптимального выхода эффекта совместного раэрешения-измерения частот п перекрывающихся произвольным образо iB том числе как- частный случай и неперекрывающихся по спектру сигналов ) , Которым, как известно из теЪрии статистических решений, является логарифм совместной функци правдоподобия. Последний в рассмат ваемом случае разрешения по частот может быть выделен в виде двойной суммы (дэрмитовой формы). П П ,-Q-Ei:c p{m.).a..(mj)-an,piUr), где аt - комплексно-сопряженный вектор-столбец из п значений сочетани й отсчетов комплексного Фурье-спектра Q,,,(...n),T.e.d,dnii- vnn соответствующих j-му из Мдсочетаний П1 (т ,1Л ... т,.,) индекс (т) означает операцию транрлонирования-ар-,дт),а .,.,) срответствутмцие элементы векторов ЗА и , ii,...n) л, - квадратная сим-метричная матрица весовых коэффициентов порядка п с элементами а .;р ( т.,-) обратная ма ркдр функций неопределенности сиг налор по частоте Мо,(4) :) где элементы матриидл Vj для J -го сочетания номеров отсчетов mj ра ны Здесь Д f - шаг дискретизации по частоте;At - интервал дискретизац по времени} (т ). , (ma)-j , i-и и р номера отсчетов из j-го сочетания номеров отсчетов частот разрешаемых сигналов irfj . Соответствующий j-й блок 17 формирования весовых коэффициентов по поступаклцему на его вход сочетанию т нo icpoв Нормирует на своем выходе пхп весовых коэффициентов а ;р (nfj), представляющих собой соотвстструюспие элементы числовой матрицы А,, задаваемой выражениями (4) и (5) . Эти пхп весовых коэффициентов а;р ()с выхода j-ro блока 17 формирования весовых коэффициентов поступают на второй вход соответствующего j-ro двои- , ного весового cyMjviaTopa 16, формирующего на своем выходе путем перемножения и двойЕ1Ого вэнешенного су 1мирования j -и отсчет выходного эффекта оптимального разрешения по частоте п перекрывающихся по спектру сигналов Lj (3). Мд отсчетов эффекта Lj (З) , (j 1 . . .f/) с выходов соответствующих двойных весовых суьматоров полаются далее на f- управляющих входов 20 решающего блока 19. Причем в случа, если число сигналов Пгпо.УгТО на выходах незадействованных fM-Mo) сумматоров 16 формируются нулевые значения отсчетов выходного эффекта, которые поступают на остальные (M-MQ) управляющих решагадего блока 19.Путем выбора максимального отсчета оптимального выходного эффекта L, LjJ,,,, решающий блок 19 осуществляет выбор соответствующего ему выбора номеров отсчетов частот разрешаеиз Гр значений мых сигналов П1д сочетаний подаваемых на информационный вход 18 решающего блока 19. По набору отсчетов пТх решающий блок 9 формирует значения совместно-эффективных оптимальных оценок частот ,,%,-..1(.№.д,т...Л.,.тп.д{)х -, (м , vn.i ,... т„)х т .Vnt,j1 д. П перекрывающихся по спектру сигналов, т.е. сигналов, неразрешимых по Релею. Следует отметить, что случай сильно разнесенных по частоте сигналов (т.е. не перекрывающихся по спектру частот} является частным случаем работы предлагаемого цифрового измерителя частоты, при этом все матрицы У с элементами (5) вырождаются в диагональные единичные матрицы и весовые коэффициенты (m.j)0 для i ис(р(гп,;) (т ) 1 для . Очевидно, что количество составляющих измерительного суммарного сигнала (у , частоты которых могут быть разрешены в реальном времени с помощью предлагаемого цифрового измерителя, определяется в основном быстродействием блоков 17 формирования опорных коэффи1.иентов. Плоки 17