Способ измерения фазы сигнала и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01R25/00 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к радаоизме р(итепьной технике и может быть использовано для измерения фазы сигнала на фоне шума. Известен способ измерения разности фаз сигналов, обеспечивакшшй оптимальное измерение фазы сигнала при наличии некоррелированных помех, основанный на коррел5П1Ионных методах обработки с помощью перемножителей, фазовращателя на ЭО, интеграторов, опредетггеля отнсшений и преобразователяarctd lj Недостаток - невысокая точность изза невозможности вьшолнения в аналоговом виде указанных элементов со строго заданными характеристиками, а также нестабильность во времени и под воздействием изменений среды. Наиболее близким к предлагаемому является епособ опрёдбйбмия рйёИОЬТИ фаз, гармонических сигналов, основанный на сопоставлении полярностей двух сигналов, суммирования интервалов несовпадения с весом I, интервалов совпадени положтельных полярностей с весом 2 если на ближайшем предшествующем интервале несовпадения полярностей пер вый сигнал был отрицательным, и с весом О, если он был полойсительным, и интервалов совпадения отрицательных полярностей, взятых с весом 2, если на ближайшем предшествующем интервале несовпадения полярностей первый сигнал был положительным, н с весом О, ecjiH он был отрицательным 2 , Недостаток этого способа - низкая точность при наличии некоррелированных помех.. Известно устройство, обеспечивающее оптимальное измерение фазы сигнала, состоящее из полосового фильтра, преобразователя напряжения в код, генератора дискретных аргументов, тригонометрических преобразователей, линий задержки, генератора дискретньгх амплитуд и блока определения отношения. Благодаря цифровому выполнению, параметры этого устройства могут быть выдержаны с любой точностью С ЗЗ Однако повышение точности связано с серьезным усложнением аппаратуры, а именно, с созданием многоразрядного аналого-пифрового преобразователя и эле ментов спецвычислиталя большой разрядности. Другим его недостатком является наличие пoгpeшнocteй специфичных для устройств цифровой фильтрации, а именно погрешностями дискретизации и квантова ния, погрешностью вносимой полосовым фильтром и др. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, реализующее способ определения разности фаз гармонических сигналов, и содержашее два формирова теля, два инвертора, четыре элемента совпадения, триггер, суммирующий и усредняюший блок 21 . Недостаток его - низкая точность при наличии некоррелированных помех. Цель изобретения - повышение точнос ти Измерения фазы сигнала при наличии некоррелированных помех. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения фазы сигнала, по которому сопоставляют полярности си нала с полярностью опорного колебания И формируют первую нормированную к периоду сигйала сумму интервалов совпадения и несовпадения полярностей, полярность сигнала дополнительно сопостав ляют с полярностью сдвинутого на ЭО опорного колебания и формируют вторую нормированную сумму совпадения и несов падения полярностей, причем суммы формируют, беря интервалы совпадения со знаком плюс, интервалы несовпадения со знаком минус, а оценку фазы получают прибавлением ТС/2 к взятому с обратны знаком значению первой суммы, если вторая сумма отрицательна, или прибавлением 3/4Tt к значению первой суммы если вторая сумма положительная. В устройство для осуществления способа измерения фазы сигнала, содержашее четыре элемента совпадашя, формирователь, соединенный с первыми входами первого и второго элементов совпадения два инвертора и сумматор, введены два генератора опорного сигнала, второй сумматор и преобразователь код-фаза, пртгчем выход первого генератора опорно го сигнала соединен с вторыми входами первого и второго элементов совпадения выход второго генератора опорного сигна ла - с вторыми входами третьего и четвертого элементов совпадения, входы вто 9 4 рого сумматора соединены с выходами третьего элемента совпадения и первого инвертора, входы преобразователя кодфаза соединены с выходами первого и второго сумматоров, выход формирователя подключен также к первым входам третьего и четвертого элементов совпадения, выход первого элемента совпадения через второй инвертор соединен с первым входом первого сумматора, выход второг. элемента совпадения соединен с вторым входом первого сумматора, а выход четвертого элемента совпадения соединен с входом первого инвертора. Сумматоры выполнены в виде двух элементов совпадения, к входам которых подключен генератор импульсов счета, а выходы соединены с входами реверсивного счетчика, выходы которого соединены с выходами сумматора, а входами сумматора соединены с входами двух элементов совпадения. На фиг. 1 Изображена функциональная схема устройства, реализующего способ измерения фазы сигнала, на фиг. 2 графики, поясняющие работу устройства для осуществления способа измерения фа- .зы сигнала, на фиг, 3 - графики зависимости сформированных сумм от разности фаз между входным сигналом и опорными колебаниями (ЗО и о) и зависимость полученной оценки фазы от фазы входного сигнала (Зв). Устройство для осуществления способа измерения фазы сигнала содержит формирователь 1, генераторы 2 и 3 опорных сигналов, элементы 4-9 совпадения, сумматоры 10 и 11, инверторы 12 и 13, генератор 14 импульсов счета, реверсивный счетчик 15 и преобразователь 16 код-фаза. Устройство работает следующим .Ua)7V(t)COS Входной сигнал UJi+4of ЧН} {фиг. 2а) поступает на вход формирователя 1. На выходе формирователя 1, обладающего характеристикой идеального ограничителя, образуется сигнал O.-SiOH COS u;tt4(-fe)Yo)Te. сигнал, у которого разрушена информация об амплитуде сигнала, представляющий собой меандровое колебание с единичной амплитудой (фиг. ), поступаЮ1дий на входьт элементов 4-7 совпадения. Генераторы 2 и 3 опорных сигналов формируют сдвинутые между собой на 90 меандровые колебанияП и ( (фиг. 2 и7) с периодом Т . Колебание 5Эв ,р поступает на вторые входы первого и второго элементов 4 и 5 совпадения, а колебайие UQ на вторые входы третьего и четвертого элементов 6 и 7 совпадения Элементы совпадения формируют на своих выходах логическую при совпадении полярностей и логический О при несовпадении полярностей, поступающих на их входы сигналов. Инверторы 12 и 13 преобразуют 1 в О, и наоборот О в 1. На выходах инвертора 12 (фиг. 2ж) и второго элемента 5 совпадения ( фиг. 2 образуются стробы единичной амплитуды, длительность.которых равна соответственно времени несовпадения и времени совпа дения полярностей сигналов U и UQ/IНа выходах ипЬертора 13 (фиг. 2 ) и третьего элемента 6 совпадения (фтп.2к) образуются стробы единичной амплитуды, длительность которых равна соответственно времени несовпадения и времени совпадения полярностей сигналов Щ и OQ. На фиг. 2д и 26 noKaaaitbi результаты сопоставления полярнос1ей сигналов , и с Уо соответственно. При этом интервалам совпадения полярностей придан знак плюс, а интервалам несовпадения полярностей - знак минус. Можно видеть, что указанное сопостав ление сигнала и опорных колебаний, адекватно их перемножению. Сумматор 10 работает следующим образом. На входы входящих в него элементов 8 и 9 совпадения поступают временные стробы. На вторые их входы поступают импульсы счета от генератора импульсов 14, и производится заполнение стробов импульсами счета. Полученные пачки импульсов счета на выходе элемента 9 совпадения соответствуют интервалам совпадения полярностей входного и опорного сигналов и поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 15. Пачки импупьсов с выхода элемента 8 совпадения соответствуют интервалам несовпадения полярностей входного и опорноного сигналов и подаются на вычитающий вход реверсивного счетчика 15. Как видно из фиг. 2, сумма сигналов (фиг. 2 ж и) с учетом того, что сигнал (фиг. 2ж) суммируется со знаком минус, равна произведению сигналов и и ои (фиг. 2д). Аналогично работает сумматор 11. Сукл1аторы 1О и 11 образуют на своих выкодак соответственно алгебраические суммы W и Wj количество импульсов счета, поступающих на их входы за время 46 накопления Т. Зависимость чисел N и фазы входного сигнбша показана на фиг, Зо и ff, при этом фаза сигнала определяется относительно фазы опорного колебания УО Модуль и знак числа N и знак числа М/2 поступают на преобразователь 16 кодфаза, который формирует оценку фазы сигнала как . л (90°-Г, , o|l70°f f -H/7U, , ..о 90N- , 90М. ы -Tf 1 ы л./ а wajc - так fg - частота колебаний генератора импульсов счета. График зависимости оценки фазы от фазы входного сигнала показан на ф(П.3, откуда видно, что оценка фазы с точностью до флюктуационной погрешности повторяет фазу входного сигнала. TaKTiM образом, предлагаемый способ в отличие от известного свободен от погрешностей нелинейного характера и обеспечивает оптимальное измерение фазы сигнала. Как оптимальный измеритель фазы предлагаемое устройство, осушествляюшее способ измерения фазы, сочетает в себе достоиства аналоговых и цифрового устройств измерения фазы, а именно, оно прюсто в исполне1щи, так как реализовано полностью на цифровых интегральных схемах, его характеристики стабильны и легко поддаются перестройке в штфоком диапазоне. Оно свободно от неточности, нестабильности и трудности перестройки аналоговых устройств, а также от недостатков устройств, основанных на 1шфровой фильтрации, заключающихся в нестабильности фазового сдвига в полосовом фильтре, погрешностях дискретизации и квантования, аппаратурной сложности. Формула изобретения 1. Способ Измерения фазы сигнала, по которому сопоставляют его полярности с полярностью опорного колебания и формируют первую норкгарованную к периоду сигнала сумму интервалов совпадения и несовпадения полярностей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, полярность сигнала дополнительно сопоставляют с полярностью сдвинутого на 90 опорного колебания и формируют вторую нормированную сумму совпадения и несовпадения со знаком плюс, интервалы несовпа дения со знаком минус, а оценку фазы получают прибавлением W2 к взятому с обратным знаком значению первой суммы, если вторая сумма отрицательна, ига прибавлением зиачению перво суммы, если вторая сумма положительна. 2, Устройство для осуществления способа измерения фазы сигнала, содержаще четыре элемента совпадения, формирователь, соединенный с первыми входами первого и второго элементов совпадения, два инвертора и сумматор, отличаю щееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два генератора опорного сигнала, второй сум матор и преобразователь код-фаза, приче выход первого генератора опорного сигнала соединен с вторыми входами первого и второго элементов совпадения, выход второго генератора опорного сигна ла - с вторыми входами третьего и четвертого элементов совпадения, входы вто рого сумматора соединены с выходами .третьего элемента совпадения и первого инвертора, входы преобразователя кодфаза соединены с выходами первого и второго сумматоров, выход формирователя подключен также к первым входам третьего и четвертого элементов совпадения, выход первого элемента совпадения через второй инвертор соединен с первым входом первого сумматора, выход второго элемента совпадения соединен с вторым входом первого сумматора, а выход четвертого элемента совпадения соединен с входом первого инвертора. 3. Устройство по п. 2, о т л И ч а ю -J щ е е с я тем, что сумматоры выполнены в виде двух элементов совпадения, к входам которых подключен генератор импульсов счета, а выходы соединены с входами реверюцрного счетчика, выходы которого соединены с выходами сумматора, входы сумматорй соединень с входами двух элементов совпадения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 174711, кл. GOlR 25/ОО, 1964. 2.Авторское свидетельство СССР МЬ 226723, кл. GOIR 25/00, 1967. 3.Авторское свидетельство СССР № 412565, кл. GOlp 25/00, 1972.

. /

90

4

-H,

r

360

г70

т

г