Панорамный измеритель частоты

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости при сохранении точности совместного измерения частот, перекрывающихся по спектру сигналов. Для достижения цели в панорамный измеритель частоты введены оперативное запоминающее устройство 6, второй блок 8 дискретного преобразования Фурье, блок 9 масштабирования,генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13 и дешифратор 14J а блок 4 управления содержит источник 15 постоянного напряжения, ключ 16, дифференцирующий усилитель - формиро ватель 17, одновибратор 18, управляемый ключ 19, блок 20 вьщелет ния заднего франта импульса. Устройство также содержит квадратурный преобразователь частоты 1, квадратурный генератор 2 задающий генератор сигналов дискретизащи 3 и первый блок 5 дискретного преобразования Фурье. Измеритель может быть использован в радиоизмерительных системах, 1 з.п, ф-лы, 1 ил. а $ (Л

ССИОЭ CGBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

f58 4 0 01 R 23/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ Гкнт СССР (21) 4259321/24-21 (22) 10, 06, 87 (46) 15. 03. 89. Бюл. К- 10 (72) А.Д.Абрамов, Л.Н.Коновалов, О.P.Äóäà, Н.П.Суховей, А.А. Налило и Л,M.Свечкарева (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 569961, кл. С 01 R 23/00, 1977.

Авторское свидетельство СССР

Р 930141, кл, G Oi R 23/00, 1982. (54) ПАНОРАМНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повьппение помехоустойчивости при сохранении точности совместного измерения частот, перекрывающихся по спектру сигналов. Для достижения цели в панорамный измеритель частоты

„„Я0„„1465801 А1 введены оперативное запоминающее устройство 6, второй блок 8 дискретного преобразования Фурье, блок 9 масштабирования, генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13 и дешифратор

14, а блок 4 управления содержит источник 15 постоянного напряжения, ключ 16, дифференцирующий усилительформирователь 17, одновибратор 18, управляемый ключ 19, блок 20 выделе-. ния заднего фронта импульса. Устройствб также содержит квадратурный преобразователь частоты 1, квадратурный генератор 2, задающий генератор сигналов дискретизации 3 и первый блок

5 дискретного преобразования Фурье.

Измеритель может быть использован в радиоизмерительных системах, 1 з.п. ф-лы, 1 ип.

1465801

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для совместного измерения частот двух одновременно исследуемых монохромати- 5 ческих сигналов.

Цель изобретения — повышение помехоустойчивости при сохранении точности совместного измерения частот перекрывающихся по спектру сигналов. 10

На чертеже представлена структурная схема панорамного измерителя частоты.

Панорамный измеритель частоты содержит квадратурный преобразователь1>

1 частоты, квадратурный генератор 2, задающий генератор 3 сигналов дискретизации, блок 4 управления, последовательно соединенные первый блок 5 вычисления дискретного:преобразования 20

Фурье,, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 6, блок 7 ключей, второй блок 8 вычисления дискретного преобразования Фурье, блок 9 масштабирования, блок 10 аналого-цифровых 25 преобразователей, решающий блок генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13 и дешифратор 14.

Блок 4 управления содержит источник 15 постоянного напряжения, ключ 30

16, дифференцирующий усилитель-формирователь 17, одновибретор 18, управ1 ляемый ключ 19 и блок 20 выделения заднего фронта импульса, Сигнальный выход квацратурного преобразователя i частоты соединен с четвертым выходом блока 4 управления, вход которого является входом устройства, выходы квадратурного преобразователя 1 частоты соединены 40 с входами первого блока 5 дискретного преобразования Фурье, а четыре управляющих входа — с двумя выходами квадратурного генератора 2 и двумя выходами задающего генератора 3 сиг" налов дискретизации. ОЗУ 6, блок 7 ключей, второй блок 8 дискретного преобразования Фурье, б,пок 9 масштабирования, блок АПП 10 и решающий блок 11 соединены последовательно.

Кроме того, последовательно соединены генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13 и дешифратор 14, Первый выход блока 4 управления соединен с стробирующим входом генератора 3 сигналов дискретизации, второй - со стробирующим входом генератора 12 тактовых импульсов, счетчика 13 и входом сброса ОЗУ 6, третий - c входом "Запись" ОЗУ 6 и входом "Пуск" генератора 12 тактовых импульсов, m входов считывания ОЗУ 6 соответственно объединены с m управляющими входами блока 7 ключей и m выходами дешифратора, а сигнальные входы ОЗУ

6 — с выходами первого блока 5 дискретного преобразования Фурье, (ш+1)-й выход дешифратора 14 соединен с управляющим входом решающего блока 11, вьг од которого является выходом устройства.

Источник постоянного напряжения

15, ключ 1.6, дифференциальный усилитель-формирователь 17 и одновибратор 18 соединены последовательно.

Выход одновибратора 18 соединен d управляющим входом ключа 19 и входом блока 20 выделения заднего фронта импульса, выход которого является третьим выходом блока 4 управления, первым и вторым выходами которого являются соответственно выход и вход ° одновибратора 18, а четвертым выходом выход ключа 19, вход которого является входом устройства.

Панорамный измеритель частоты работает следующим образом.

Рассмотрим случай, когда сигналы представляют собой гармонические колебания с частотами f;=f,+f; (i=

=1,2), где i — средняя частота занимаемого сигналами частотного диапа- . зона. При этом напряжение на входе измерителя частоты

V(t) =Re . r; е, (1) где E, =: 1 ; e =a,,+jb,. — постоянная (в пределах интервала наблюдения Т) комплексная амплитуда i-го сигнала.

При замыкании на время 1 ключа 16 положительный перепад напряжения с выхода источника 15 постоянного напряжения поступает через дифференцирующий усилитель-формирователь 17 (на его выходе появляется прямоугольный импульс, соответствующий переднему фронту перепада напряжения) и одновибратор 18 на управляющий вход задающего генератора 3 сигналов дискретизации. На выходе одновибратора 18 сформирован прямоугольный импульс длительности Т, который по входу отпирает ключ 19. В результате сигнал u(1:) в течение интервала длительности импульса Т поступает на вход квадратурного преобразователя 1.

146 58Р1

Последний совместно с квадратурным генератором 2 (формирующим на своих выходах гармонические сдвинутые по фазе на 90 сигналы частоты fo) и задающим генератором 3 сигналов дискретизации (запущенным импульсом с выхода одновибратора 18) осуществляет предварительную согласованную фильтрацию принимаемых колебаний и их дискретизацию с шагом йс= 1/2 F Ä

На выходе квадратурного преобразователя 1 частоты формируется набор иэ

М=2Г Т отсчетов синфазных и квадра" турных составляющих комплексной огибающей принимаемой суперпозиции сигналов (1) для всех моментов времени

t „=net, п =О,М вЂ” 1, Сигналы Н() с выхода квадратур но го преоб разов ателя

1 частоты поступают на входы блока 5 вычисления дискретного преобразования

Фурье, который формирует по ним М уровней напряжения — отсчетов Йурьеспектра комплексной огибающей суперпоэиции сигналов. Последние представ-25 ляют собой отсчеты синфазной Re Б„ и квадратурной Л S составляющих развертки комплексного корреляционного интеграла согласованной обработки измерительного сигнала по частоте

I в диапазоне (О, F„) с шагом дискретизации d=2F /Г, (F — ширина интервала возможных значений измеряемых частот)

S =S(khi) =ReS u+j J„Sg= м- 1 (l 35

= 2. U(t„) е, kе О,M-1. (2)

С учетом соотношения (1) амплитуда S k-го отсчета спектра из (2)

Sg= E,q(k k,), k sO,Y.-1, (3) где M(k — k p =sinks.2Тп(1 -k <) (m-1) 4Е dt) дискретное представление развертки выходного отклика согласованной обработки р-го сигнала с единичной интенсивностью 45

sin k(x) = sin k/õ.

Набор из 2М уровней напряженияотсчетов S (S (k е О,Г -1, с выходов блока 5 дискретного преобразования

Фурье подают через ОЗУ б и блок 7 ключей на входы второго блока 8 вычисления дискретного преобразования

Фурье. Причем на первые M входов ОЗУ б подают М уровней напряжения - отсчеты квадратурных составляющих

Фурье-спектра сигнала (1). Запись информации в 2М ячеек памяти ОЗУ осуществляется в момент времени Т.

Команда на запись подается по входу Запись" ОЗУ 6 импульсом, поступающим в указанный момент времени с выхода блока 20 выделения заднего фронта иг.пульса блока 4 управления. Одновременно указанный импульс запускает генератор 12 тактовых импульсов °

Счетчик 13 подсчитывает число тактовых импульсов. Дешифратор 14 обеспечивает декодирование формируемых чисел. Сигнал "1", возбуждаемый последовательно во времени на каждом из М выходов дешифратора 14, подается на соответствующие управляющие М входов

ОЗУ 6 блока 7 ключей. В результате обеспечивается считывание информации из ячеек памяти ОЗУ 6, номер которой равен номеру числа, сформированного счетчиком 13 и подача считанной информации (амплитуда отсчетов синфазной Р,еБ„ и квадратурной J S < составляющих) на входы второго блока 8 вычисления дискретного преобразования Фурье путем замыкания соответствующих 2М ключей блока ключей 7.

Таким образом, последовательно соединенные ОЗУ 6 и блок 7 ключей совместно с генератором 12, счетчиком 13 и дешифратором 14 выполняют роль формирователя дискретизированной во времени развертки аналитического сигнала (3) — оптимального вы" ходного эффекта согласованной частотной обработки иэмерительчого сигнала.

Отсчеты S, (k е О, М-1) сигнала (3) через блок 8 вычисления дискретного преобразования Фурье и блок 9 масштабирования поступают на соответствую щие входы блока,10 АЦП.

Блок 8 дискретного преобразования

Фурье по M отсчетам сигнала (3) форч мирует 211 уровней напряжения — син фаэные и квадратурные составляющие М отсчетов Фурье-спектра G „ указанного сигнала

m K н - ) 1 ц

G,„,=Г(т) = Ер Г(m) е,тпеО,М-1, (4) 1 где G(m) =G — m-й отсчет Фурье-спектра выходного эффекта (3) при Ep=1, ,=о, р=1. Блок 9 масштабирования обеспечивает нормировку амплитуды С каждого

m-ãñ отсчета относительно амплитуды одноименного (опорного, априорно из-k m вестного) отсчета Г =Г ехр(-j 2<-> — 7 функции Lp(k-k ), где k " номер от01 6

V(t) (1), используется система ураннений, составленная из ограниченного числа обобщенных параметров V„

V,„= X C x)", me 0,5, Рс1

14658 (12) wc.— где (V,×,) (13) (8) В данном соотношении матрицы 35

w,у,с определены через числовые значения синфаэной и квадратурной компо» нент обобщенных параметров Ч!

Re c

40 (9) Rew " J„w

2(k -k,)

+j sin(28 — — -- — -)

М

9 (16) получаем счета спектра измерительного сигнала, приходящегося на середину частотного диапазона. : В результате на 2М выходах блока 9 масштабирования получают

2М уровней напряжения с амплитудами

ReV и J V7. (m e О,M-1) - синфазная и квадратурная составляющие обобщенньгх параметров V)„аналитического сигнала (3)

V == =- = $ p хр",, п1е0 М-1; (5)

М Р=4 хP =,ехр (-j2 (асср-1г.,) /M5 ° (6)

Блок 10 А11П кодирует амплитуды

I Ml„=ReV и Й =Л„ 1Г (m e О,M-1), сформированных после масштабирования уровней напряжения в цифровую форму.

Набор отсчетов в цифровой форме

tM ) и |Y, „3 с вьгходов блока 10 АЦП поступает на соответствующие входы решающего блока 11. Последний реализует логическую обработку, основанную на решении системы (5) относительно

ЕРЕР=ap+jbp, х р (р1,2) согласно ,следующему алгоритму.

Л „(-с, г с„ --4с, )

P L 4 /М а

Ret-с, 1Iсcг 24с )

+k,) ), (7) где мнимые JÄc, Tc, и действительные Re с, Re с„ части коэффициентов c<,„и с, находят из с = -(w w) w y, Известно, что решению указанной системы относительно ЕР, х р (р е 1,2) удовлетворяют корни полинома х +с х+с)=0 (10)

Коэффициенты с, и с, находят из системы линейных уравнений, составленной на основе обобщенньгх параметров:

t ГО со +V) с 1 +V4 -0 ) (11 (1)

171 со+Чз с 1+1 5 О) что эквивалентно матричной форме записи

Решение системы (12) по методу наименьших квадратов приводит к

= -(w+w)w+y (14) или с учетом свойств изоморфизма к процедуре (8), Корни х, и х полинома (10) определяют как

-с Гс -44

1- о х = — — — - — — ре1 2 (15)

P 4

) ) Ф

Учитывая, что в данном конкретном случае

2(kP kz) 2(kP k e)

=exp (j 27f — ------) = сов (2 и----- — -) +

М М

50! с ReV0 ReV 1 ° (3,Ло „Я;

Для доказательства того, что алгоритм (7) обеспечивает измерение частот одновременно наблюдаемых гарионических составляющих, входящих е состав измерительного сигнала

2(k -k )=----arctg ре1 2,(17)

1 Л)Х Р

2%/M Кех, Тогда числовое зна ение Fp=k p3f— оценочное значение частот 1 р=1 р-f 17 измерительного сигнала, рассчитывается квк

1 J х, ) Р=(-= — arctg ---.— +14,) df. (18)

4и /Ì Рех, Равенство (18) идентично соотношению (7) .

В системе (11) отсчеты,„(гп=0) 5) взяты по теореме Котельникова, урав1465801 нения в статическом плане некоррелированы. Поэтому алгоритм (7) обеспечивает минимиэаиию ошибок измерения формы (11) в условиях, когда наблюдение измерительного сигнала проводится на фоне помех типа белого шума (наи" более распространенный в практике частотно-фазовых измерений вид помех) . 10

Оценивание разности (k>-k,) позволяет расширить область однозначного измерения частот, поскольку*в этом случае условие однозначности определено соотношением: 15

2%(1с -k,)m

< 2nе (kå 1сь)m с И, (19)

Таким образом, решающий блок 11 реализует последовательную процедуру формирования на основе измеренных значений V „, (m е 0,5) — нормированные отсчеты спектра аналитического сигнала (3), коэффициентов с,, с, поликома (10) по правилу (8). и обеспечи« вает получение путем подстановки их

25 в алгоритм (7) оценок частот F и F .

Цифровой код числовых значений F и F формируется на выходах решающего блока 11, Автоматическое вхождение в работу решающего блока 11, позволяющее реализовать указанные процедуры логической обработки обобщеннык параметров суперпоэиции сигналов, определяется моментом появления на его управляющем35 входе командного импульса - сигнала

"1". Он формируется на (И+1)-м выходе дешифратора 14 следующим образом.

В момент, когда число подсчитанных счетчиков 13 тактовых импульсов рав- 40 но N,=0+m, (m, d t -интервал времени, отводимый на формирование в цифровой форме обобщенных параметров - время обработки в блоках 6,7,8,9,10) на (У+1)-м выходе дешифратора 14 возбуж-45 дается сигнал "1", который подают на управляющий вход блока 11. С этого момента времени блок 11 начинает выполнять предписанные правила..Таким образом обеспечивается синхронизация начала работы блока 11 и момента поступления на его сигнальные входы подлежащей логической обработке информации, Процедура измерения обобщенных параметров и формирование оценок частот повторяется, если к входу измерителя подводят очередной сигнал U(t). При этом, замыкая ключ 16,формируют на выходе дифференцирующего усилителя 17 (2-й выход блока 4 управления) импульс — сигнал "1", котоpbBi по стробирующим входам закрывает генератор 12 тактовых импульсов и обнуляет счетчик 13, В дальнейшем работа измерителя частоты идентична изложенной выше: генерирование одновибратором 18 стробирующего импульса длительности Т, отпирающего ключ 19, что обеспечивает поступление сигнала

U{t) на вход квадратурного преобразователя 1 и возобновление работы задающего генератора 3 и т.д.

Результаты цифрового статического моделирования подтвердили более высокую помехоустойчивость и точность оценивания частот в предложенном измерителе частоты. по отношению к прототипу при увеличении примерно в

1,6- 1,75 раза времени обработки.Повышение помехоустойчивости объясняется тем, что в качестве весовых множителей использована система периодических функций в отличие от нелинейно нарастающих (у прототипа) по интервалу наблюдения. Кроме того, обобщенные параметры, формируемье последовательно соединенными блоком весового преобразования и блоком сумматоров в прототипе, являются статически зависимыми, поскольку опорные полиномы не ортогональны. Отсюда оценивание обобщенных параметров неравноточно, их вес в системе уравнений неодинаков. Наибольший вклад в конечный результат вносят параметры с большим индексом. Но именно они наиболее сильно подвержены воздействию помех.

В то же время обобщенные параметрынормированные отсчеты спектра зашум- ленного измерительного сигнала оцениваются равноточно, а уравнения прореженной" системы, используемой для формирования оценок частотстатически независимы. Как результат, корреляционная матрица ошибок оценок коэффициентов полинома — диагональная. Следовательно, алгоритм (8) обеспечивает в помеховой обстановке минимизацию ошибок системы (11).

Отсюда повышение точностных характеристик оценок частот предлагаемого измерителя по отношению к прототипу при низких соотношениях сигнал/шум, Таким образом, обеспечивается повышение помехоустойчивости примерно

1465801 в 1,8 раза при сохранении точности оценивания.

Формула изобретения

Составитель Е.Минкин

Редактор Л.Пчолинская Техред А.Кравчук

Заказ 940/45 Тираж 711

Ко ррек тор И, Му с к а

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r .Óæãoðoä, ул. Гагарина,101

1. Панорамный измеритель частоты, содержащий квадратурный преобразователь частоты, сигнальный вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, вход которого является входом измерителя частоты, выходы квадратурного преобразователя соединены с входами первого блока дискретного преобразования Фурье, а четыре 15 управляющих входа — с двумя выходами квадратурного генератора и двумя выходами задающего генератора сигналов дискретизации, а также последовательно соединенные блок аналого"цифровых 20 преобразователей и решающий блок, о тл-и ч ающ ий с я тем,-что, с целью повышения помехоустойчивости при сохранении точности совместного ( измерения частот перекрывающихся по спектру сигналов, введены последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок ключей, второй блок дискретного преобразования Фурье и блок масштабирования, ЗО а также последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, счетчик и дешифратор, при этом первый выход, блока управления подключен к стробирующему входу задающего генератора сигнало.в дискретизации, второй - к стробирующему входу генератора тактовых импульсов, счетчика и входу сброса ОЗУ, третий — к входу "Запись"

ОЗУ и входу "Пуск" генератора тактовых импульсов, m входов считывания

ОЗУ соответственно объединены с m управляющими входами блока ключей и m выходами дешифратора, а сигналь-, ные входы ОЗУ вЂ” с выходами первого блока дискретного преобразования

Фурье, выходы блока масштабирования соединены с соответствующими входами блока аналого-цифровых преобразователей, (m+1)-й выход дешифратора соединен с управляющим входом решающего блока.

2. Измеритель частоты по п.1, отличающийся тем, что. блок управления содержит последовательно соединенные источник постоянного напряжения, ключ, дифференцирующий усилитель-формирователь и одновибратор, выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа и входом блока выделения заднего фронта импульса, выход которого является третьим выходом блока управления, первым и вторым выходами которо" го являются соответственно выход и вход, одновибратора, а четвертым выходом — выход управляемого ключа, вход которого является входом измерителя частоты.