Статистический анализатор конечной разности фазы

 

Изобретение может быть использовано в статистических анализаторах фазы. Цель изобретения - расширение частотного диапазона. Анализатор обеспечивает запоминание входной информации аналоговым запоминающим блоком 1. В последнем частота считывания в К раз больше частоты дискретизации входного сигнала. Два канала параллельно определяют мнимую и действительную части характеристической функции. Каждый из каналов содержит блок 3(4) выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь 5(6), накапливающий сумматор 7(8) и отсчетньй блок 9(10). Анализатор содержит также формирователь 2 опорного колебания , управляемьй генератор 11 тактовых импульсов и формирователь 12, стробирующих импульсов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил, 1 табл. Ф (/)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСтИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (511 4 G Ol R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4184769/24-21 (22) 20.01.87 (46) 07.09.88. Бюл. Ф 33 (» ) Омский политехнический институт (72) Б.Г.Бронштейн, В.В.Вережников и Ю.М.Вешкурцев (53) 621.317,373(088.8): (56) Приборы и техника эксперимента, . 1966, с. !15-120.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1328763, кл. G 01 R 25/00, 1986. (54) СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР КОНЕЧНО И РАЗНОСТИ ФАЗЫ (57) Изобретение может быть использовано в стати стиче ских анализ аторах фазы. Цель изобретения - расширенйе частотного диапазона. Анализатор обес" печивает запоминание входной информации аналоговым запоминающим блоком

l. В последнем частота считывания в

К раз больше частоты дискретизации входного сигнала. Два канала параллельно определяют мнимую и действительную части характеристической функции. Каждый из каналов содержит блок 3(4) выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь 5(6) накапливающий сумматор 7(8) и отсчетный блок 9(10). Анализатор содержит также формирователь 2 опорного колебания, управляемый генератор ll тактовых импульсов и формирователь 12, стробирующих импульсов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил, 1 табл.

1422) 82

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статистических характеристик случайной фазы сигна5 ла.

Цель изобретения — расширение ди" апазона частот исследуемого сигнала.

На фиг. 1 приведена структурная схема статистического анализатора ко- 10 нечной разности фазы сигнала; яа фиг. 2 — структурная схема аналогового запоминающего блока; на фиг, 3— структурная схема формирователя стробирующих импульсов; на фиг. 4 и 5 - 15 таблицы коммутации входов и выходов соответственно первого и второго коммутаторов; на фиг. 6 — временные диаграммы работы статистического анализ атора. 20

Статистический анализатор содержит аналоговый запоминающий блок (АЗБ)

l формирователь 2 опорного колебания, первый 3 и второй 4 блоки выборки и хранения, первый 5 и второй 6 анало- 25 го-циФровые преобразователи (АЦП), первый 7 и второй 8,накапливающие сумматоры, первый 9 и второй 10 отсчетные блоки, управляемый генератор

11 тактовых импульсов и формирователь 30

12 стробирующих импульсов.

Входом статистического анализатора служат объединенные входы АЗБ 1 и формирователя 2 опорного колебания, выход первого из которых подключен к,35 объединенным входам первого и второго каналов преобразований, каждый иэ которых содержит последовательно соединенные соответственно первый 3 и второй 4 блоки выборки и хранения, 40 первый 5 и втброй 6 АЦП, первый 7 и второй 8 накапливающие сумматоры, первый 9 и второй 10 отсчетные блоки. Управляющим входом статистического анализатора служат объединен- 45 ные вход управляемого генератора 11 тактовых импульсов и первый вход фор мирователя 12 стробирующих импулЬсов.

Первый выход упранляемого генератора

11 тактовых импульсов подключен к объединенным тактовому входу формирователя 2 опорного колебания и первому тактовому входу АЗБ 1, второй тактовый вход которого соединен с вторым выходом управляемого генерато"55 ра 11 тактовых импульсов. Первый и второй выходы формирователя 12 стробирующих импульсов соединены с входами стробирования соответственно перного 3 и второго 4 блоков выборки и хранения, а вход — с выходом формирователя 2 опорного колебания. Кроме этого, входы синхронизации АЦП 5 и 6 соединены соответственно с первым и вторым ныходами формирователя 12 стробирующих импульсов, выходы конца преобразования . — с входами синхронизации соответственно первого и второго накапливающих сумматоров 7 и 8, нходы стробиронания которых объединены и подключены к входу "Время измерения статистического анализатора конечной разности фазы сигнала.

АЗБ 1 служит для изменения вещественного параметра характеристической функции путем умножения фазы исследуемого сигнала, что достигается запоминанием дискретных значений входного напряжения эа период исследуемого сигнала и считыванием их с частотой импульсов считывания в К раэ больше частоты импульсов дискретизации.

АЗБ 1 содержит первую 13 и вторую

14 линии задержки, объединенные входы которых соединены с входом АЗБ 1, триггер 15, первый 16 и второй 17 коммутаторы, управляющие входы которых подключены к выходу триггера 15, первый 18 и второй 19 счетчики импульсов, первый 20 и второй 21 ключи, выходы которых подключены соответственно к тактовым входам первой 13 и второй 14 линий задержки и соответственно к входам первого 18 и второго 19 счетчиков . импульсов, выходы которых подключены соответственно к вторым управляющим ! входам первого 20 и второго 21 ключей, первый 22 и второй 23 формирователи, вход первого из которых под— ключен к входам линии 13 и 14 задержки, а вход второго — к выходу коммутатора 17 и соединен с выходом АЗБ 1, и делитель 24 частоты. Вход последнего подключен к выходу формирователя

22, а выход — к входу триггера 15, к управляющему входу второго формирователя 23 и к первым управляющим входам первого 20 и второго 21 ключей, входы которых подключены соотнет"твенно к первому и второму выходам коммутатора 16, первый вход которого является первым тактовым входом АЗБ 1, а второй — вторым тактовым входом

АЗБ 1. Выходы линий 13 и 14 задержки подключены соответственно к дверному и второму входам коммутатора 17,вто3 14221 рой управляющий вход которого подключен к выходу формирователя 23.

Линии 13 и 14 задержки могут быть реализованы с использованием микро- 5 схем дискретных линий задержки на приборах с зарядовой связью, При этом число и запоминающих ячеек каждой из линий 13 и 14, равное емкости счетчиков 18 и 19, выбирается исходя из 1ð требования, чтобы п, умноженное на период следования импульсов с второго выхода управляемого генератора 11 тактовых импульсов, было больше одного, но Меньше двух периодов входного сигнала.

Коммутатор 16 предназначен дпя подключения первого и второго тактовых входов АЗБ 1 к входам первого 20 или второго 2! ключей. Таблица ком- 20 мутации входов и выходов коммутатора

16 в зависимости ат состояния триггера 15 приведена на фиг. 4, Например, если T=I, первый вход коммутатора соединен с вторым выходом, а 25 второй вход - с первым выходом, следовательно, первый тактовый вход

АЗБ 1 — с входом второго ключа 21, а второй тактовый вход АЗБ 1,- с входом первого ключа 20 ° 30 . Коммутатор 17 служит для подключения выхода первой 13 или второй 14 линий задержки к выходу АЗБ 1. Таблица коммутации входов коммутатора

17 в зависимости от состояния триггера 15 приведена на фиг. 5. Комму35 татар 17 имеет также второй управляющий вход, при появлении на котором сигнала, соответствующего уровню логической единицы, происходит отключение входов коммутатора 17 от его выхода.

Формирователь 2 опорного колебания представляет собой аналоговую линию задержки с временем задержки Г. Вре» 45 .мя задержки здесь должно соответствовать параметру Г конечной разнос ти фазы сигнала:

Ч (t) =4 y(t, ) = S(t ) - (1-7), 50 статистический анализ которой выполняется.

Формирователь 12 стробирующих импульсов обеспечивает формирование импульсов, управляющих работой блоков

3 и 4 выборки и хранения, длительность которых равна половине периода сигнала, действующего на входе блоков

3 и 4, и сдвинутых один. относительно

82

4 другого на четверть периода. Формирователь 12 содержит (фиг. 3) фазовый детектор 25, фильтр 26 нижних частот, преобразователь 27 напряжения, первый

28 и второй 29 триггеры, логический элемент ИСКЛЮЧАЮ6ЯЕ ИЛИ 30, управляемый делитель 31 частоты. Формирователь 12 стробирующих импульсов представляет собой умножитель частоты с коэффициентом 4К, где К вЂ” цифровой код, действующий на первом входе формирователя 12, работа его основана на принципе умножения частоты в системе

ФАП. Коэффициент умножения 4К здесь определяется коэффициентом деления частоты цепи, содержащей последовательно соединенные триггеры 28 и 29 и управляемый делитель 31 частоты.

Числовой эквивалент кода К выбирается равным вещественному параметру характеристической функции V,„.

Блоки 3 и 4 выборки и хранения интегрирующего типа предназначены для интегрирования сигнала, действующего на первом входе, за время действия импульса на втором входе. Сброс интеграторов осуществляется па переднему франту стробирующих импульсов.

Управляемый генератор 11 тактовых импульсов предназначен для формирования последовательности тактовых импульсов с частотами f на своем перУ вом выходе и Kf на втором выходе..

Каждый из накапливающих сумматоров 7 н 8 содержит сумматор, регистр памяти, запись в который производится при действии импульса на входе синхронизации накапливающего сумматора при наличии сигнала с уровнем логической единицы на входе страбирования, и одновибратор, обеспечивающий сброс содержимого регистра памяти прн появлении переднего фронта импульс. на входе страбиравания.

Отсчетные блоки 9 и 10 обеспечивают цифровую индикацию отсчетов характеристической функции А (7„, . н

В (Ч„„) и содержат дешифратор и цифровой индикатор, Статистический анализатор работает . следующим образом.

Измерение оценок характеристичес- . кой функции производится при выбранном значении вещественного параметра

7 . При этом (в общем случае) на управляющий вход статистического анализатора подается код числа К,равный выбранному значению вещественного па-.

1422182 раметра V . Измерение оценок характеристической функции при Ч„„=К(Ч„„=2) следующее.(в скобках приводятся соотношения для конкретного значения вещественного параметра Ч„=2).

При Ч,„=К (Ч„р2) управляемый генератор l! тактовых импульсов формирует Ра своем первом выходе последовательность импульсов с частотой следования fg а на втором выходе - с частотой Kf!!(2f> ). Исследуемый сигнал поступает на входы АЗБ 1 и формирователя 2, который формирует опорный сигнал.

На второй вход формирователя 12 стробирующих импульсов поступает сигнал с частотой опорного сигнала Гс, а на первый вход подается код числа

К (2). Таким образом, на выходе преобразователя 27 напряжения в частоту действует последовательность импульсов с частотой 4Kfc(8f<), а на выходе триггера 29 — с частотой Kf (2f )

1 и длительностью †--(†). На выходе

2Kf 4 fc логического элемента ИСКЛМЧА!«!!!!ЕЕ ИЛИ

30 действует последовательность импульсов с частотой Kf (2f ) и длиl 1 тельностью ††(----), сдвинутая от2К« 4« носительно последовательности импуль1 сов с выхода триггера 29 на -(-), тс та

1 1 что соответствует †(-) части перио4К Ы да опорного сигнала. Для V, =2 последовательности стробирующих импульсов с выходов формирователя 12 стробирующих импульсов показаны на фиг. 6д,е, В исходном состоянии счетчики 18 и 19 импульсов и триггер 15 обнулены, а на выходе формирователя 23 установлен потенциал логичесКого нуля. Цикл измерения отсчетов характеристической функции начинается с появления переднего фронта импульса на входе Время измерения статистического анализатора. При этом происходит обнуление содержимого накапливающих сумматоров 7 и 8.

Исследуемый сигнал (фиг. 6в) поступает на входы линий 13 и 14 задержки и на вход формирователя 22, который формирует импульсы в моменты пересечения исследуемым сигналом нулевого уровня. Делитель 24 частоты, коэффициент деления которого равен 4, формирует импульсы (фиг, 6б), которые управляют состоянием триггера !5 (фиг. 6в), а также открывают ключи

20 и 21 и устанавливают выход формирователя 23 в нулевое состояние. До5 пускают, что импульс с выхода делителя 24 частоты устанавливает триггер

15 в единичное состояние, открывает ключи 20 и 2.1 и устанавливает выход р формирователя 23 в нулевое состояние.

В этом случае в соответствии с таблицей коммутации (фиг. 4) на управляющий вход линии 13 задержки через ключ

20 поступают импульсы с второго входа

АЗБ 1 с частотой Kf (21 ), а на управляющий вход второй линии 14 задержкичерез ключ 21 импульсы с первого входа АЗБ 1 с частотой

В указанном режиме линия 14 задержки запоминает мгновенные значения исследуемого сигнала в моменты появления на ее управляющем входе импульсов с частотой 1 . Счетчик 19 импульсов производит подсчет этих импуль25 сов. Как только его содержимое достигает и, что соответствует числу ячеек линии задержки, он закрывает ключ 21, тем самым прекращая подачу импульсов на линию 14 задержки.

3ð Следующий импульс с выхода делителя 24 частоты переводит триггер 15 в нулевое состояние, открывает ключи 20 и 21 и устанавливает выход формирователя 23 в нулевое состояние. При этом согласно таблице коммутации входов и

35 выходов коммутатора 16 на управляющии вход линии 13 задержки через ключ 20 проходят импульсы с первого входа АЗБ

1 с частотой f а на управляющий вход линии 14 задержки через ключ 21со второго входа АЗБ 1 с частотой

Kf,2f ) . Кроме того, в этом случае согласно таблице коммутации коммутатора 17 (фиг. 5, при Т=О) выход второй линии 14 задержки оказывается подключенным к выходу АЗБ 1. Следовательно, при Т=О происходит последовательное считывание из линии 14 тех мгновенных значений напряжения, кото50 рые были запомнены при T=1. Так как частота тактовых импульсов на управляющем входе линии 14 теперь К(2) раз больше, запомненный при Т=l отрезок входного напряжения считываетI ся за время, в К раз меньшее. Кроме того, как только считываемое напряжение, действующее на выходе коммутатора 17, пересекает уровень, изменяясь иэ отрицательной области в поло 1422182 жительную, срабатывает формирователь

23, на его выходе появляется логическая единица и входы коммутатора 17 отключаются от выхода. Поэтому на выходе АЗБ-1 формируется отрезок сигна5 ла, (фиг. бг) длительность которого равна периоду входного сигнала, уменьшенному в К(2) раз.

В этом же режиме Т=О запоминание мгновенных значений входного сигнала производится уже линией 13 задержки, на управляющий вход которой поступаЮ ют импульсы с частотой Гу . Однако считывание этого напряжения с часто- 15 той импульсов .считывания Kf производится только после того, как триггер 15 снова устанавливается в единичное состояние (фиг. бв, г) . Такой процесс попеременной записи и считыва-20 ння с более высокой частотой из линий 13 и 14 задержки производится в течение всего времени измерения оценок характеристической функции при выбранном значении параметра V 25

Таким образом, на выходе АЗБ 1 формируется кусочно-импульсный сигнал с фазой, умноженной на К (в указанном примере удвоенной фазой),который подается на блоки 3 и 4 выбор- 30

/ки и хранения, на управляющие входы которых подаются стробирующие импуль сы (фиг. бд и е соответственно).

Блоки 3 и 4 выборки и хранения интегрируют поступающий на их входы сигнал за время действия стробирующих импульсов на их управляющих входах,и на выходах блоков 3 и 4 в общем случае получаются две квадратурные оценки, пропорциональные значе- 40 киям

V (V,t)=cos V 1(t);

V>(V,t)=sin V„g(t), где Ч(1) — случайный процесс (конеч- 45 ная разность фазы).

Для указанного примера (V =-2)

Ч, (V,„= г,t ) =cos 2Ч(С);

Ч ™(Ч„„=г,t)=sin 2 P(t).

Напряжения с выходов блоков 3 и

4 поступают на входы. АЦП 5 и 6. При этом запуск последних производится при появлении задних фронтов импуль-. сов на их входах синхронизации т,е»,55 сразу после окончания действия стробирующего импульса на соответствующем выходе формирователя 12 стробирующих импульсов. После завершения аналого-цифрового преобразования на выходе "Конец преобразования" АЦП 5 и 6 формируется импульс, который, поступая на вход синхронизации соответствующего накапливающего сумматора 7 или 8, вызывает прибавление ко" да, сформированного на выходе АЦП 5 или б, к числу, записанному к настоящему времени в накапливающем сумматоре 7 илк 8.

Цикл измерения отсчета характеристической функции заканчивается после завершения действия импульса на входе

II ft

Время измерения статистического анализатора. Таким образом, если за время измерения сформировано N импульсов на выходе целителя 24 частоты или уложатся 2N периодов входного сигнала, в накапливающих сумматорах 7 и 8 получают цифровые коды чисел, пропорциональных действительной и мнимой частям характеристической функции:

А(Ч )=,К V (Ч„„, t); с=o

В(Ч)= -, g V (V„, ).

Для указанного примера U =2

Л ь

А(Ч =2)= —,5 V; (V =2,Ь);

L»O .Э в(ч =2)= „ V<. (V =г, ). ь»O

Pезультаты измерения, хранящиеся в накапливающих сумматорах 7 и 8, индицируются в отсчетных блоках 9 к

10. Количество оценок действительной и мнимой частей характеристической функции равно числу значений вещественного параметра характеристической функции. Наличие их при различных значениях вещественного параметра „„ позволяет в аналитическом виде устанавливать необходимые статистические характеристики конечной разности фазы сигнала.

Таким образом, введение аналогового запоминающего блока и выполнение двух каналов преобразования исследуемого сигнала в виде последова- тельно соединенных блоков выборки и хранения, АЦП и накапливающего сумма" тора позволяет расширить частотный диапазон, обеспечить высокую точность

1422182

Показ атель

Значение покаэателя для анализатора предла- базогаемо- вого

30 120 откуда следует с « с1л 12 Тпр ° у" »

f < Ж лр измерения по-сравнению с известным анализатором.

Частотный диапазон известного ана" лизатора ограничен быстродействием

АЦП, стоящего на входе анализатора

Так, если время преобразования АЦП, равное интервалу дискретизации входного сигнала, составляет Т„„, а допустимая относительная погрешйость d„ аналого-цифрового, преобразования сигиала Ф„, максимальную частоту входноko сигнала f можно найти из формулы

T„ff — (Б1П.2lfqt)11 +do

В предлагаемом статистическом 20 анализаторе преобразование в АЦП 3 и

6 производится один раз за период следования стробирующих импульсов, формируемых на выходе формирователя

12 стробирующих импульсов, который 25 равен U /Г,, где »»„ — вещественный параметр характеристической функции.

Ютсюда следует

Для большинства практических случаев V не превышает 10-20, так как последующие отсчеты характеристической функции близки к нулю. Следова- 35 тельно, в предлагаемом анализаторе частота входного сигнала может быть значительно больше.

Иэ этого следует, что наилучшим способом расширения частотного диапа- 40 зона является реализация блока измерения вещественного параметра в канале исследуемого сигнала в виде аналогового запоминающего блока.

Предлагаемый анализатор в отличие 5 от базового, в качестве которого принят анализатор характеристической функции случайной фазы квазигармонического сигнала, позволяет измерить оценки характеристической функции с меньшей погрешностью и реализовать цифровую обработку сигнала, построить устройство на интегральных схемах с высокой степенью интеграции и„ как результат этого, добиться малых мас- 55 согабаритных параметров.

Технические показатели предлагаемого анализатора по сравнению с базовым отражены в таблице.

Частота входного сигнала, кГц

Число значений вещественного параметра

Погрешность измерения оценок характеристической функции, Х

Формула из о бр ет ения

1. Статистический анализатор конечной разности фазы сигнала,содержащий два канала преобразования исследуемого сигнала, первые входы которых объединены, формирователь стробируииих импульсов, выходы которого соединены с вторыми входами каналов преобразования исследуемого сигнала, первый вход объединен с входом уп4 равляемого генератора тактовых импульсов, а второй вход соединен с выходом формирователя опорного колеба-, ния, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона частот исследуемого сигнала, в него введены аналоговый заломинающий блок, вход которого соединен с входом формирователя опорного колебания, первый тактовый вход объединен с тактовым входом формирователя опорного колебания и соединен с первым выходом управляемого генератора тактовых импульсов, второй тактовый вход соединен с вторым выходом управляемого генератора тактовых импульсов, а выход †. с объединенными входами двух каналов преобразования исследуемого сигнала, каждый иэ которых содержит последовательно соединенные блок выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий сумматор и отсчетный блок, причем первые входы, блоков выборки и хранения соединены соответственно с первыми входамн каналов преобразования исследуемого

1422 82!

1 сигнала, вторые входы которых соединены соответственно с вторыми входами блоков выборки и хранения и аналогоцифровых преобразователей, при этом

5 управляющие входы накапливающих сумматоров соединены с клеммой сигнала времени измерения.

2. Анализатор по п. 1 о т л ич а ю шийся тем, что аналоговый !!! запоминающий блок содержит две линии задержки, объединенные входы которых соединены с входом аналогового запоминающего блока, триггер, два коммутатора, управляющие входы которых сое- !5 динены с входом триггера, два счетчика импульсов, два ключа, выходы которых соединены соответственно с тактовыми входами первой и второй линии задержки и с входом соответственно 2Q первого и второго счетчиков импульсов, выходы которых соединены соответственно с первыми управляющими входами первого и второго ключей, два

f формирователя, вход первого из которых соединен с входами линий задержки, а вход второго — с выходом второго коммутатора и выходом аналогового запоминающего блока, а также делитель частоты, вход которого соединен с выходом первого формирователя, а выход - с входом триггера, управляющим входом второго формирователя и с вторыми управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами первого коммутатора, первый вход которого соединен с первым тактовым входом аналогового запоминающего блока, а второй вход — с вторым тактовым входом аналогового запоминающего блока, причем выходы линий задержки соедине ны соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора, второй управляющий вход которого соединен с выходом второго формирователя.

АЗУ1 1422182

Фиг. 9