Устройство для измерения несущей частоты радиосигналов

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения несущей частоты радиосигналов.

Устройство содержит вход, блок грубой оценки частоты, первый перемножитель, фазовращатель на 90°, второй перемножитель, блок оценки отношения сигнал/шум, блок оценки длительности импульса сигнала, первый ключ, первый фильтр нижних частот, второй фильтр нижних частот, блок вычисления границы, генератор опорного сигнала, блок вычисления текущей фазы, блок вычисления смещения частоты, компаратор, второй ключ, блок вычисления частоты, третий ключ, линию задержки, четвертый ключ.

Технический результат заключается в повышении точности измерения несущей частоты радиосигнала за счет компенсации смещения в оценке частоты, обусловленной действием шума с равномерным энергетическим спектром. Происходит итерационная обработка фазы несущего колебания сигнала, что позволяет обеспечить компенсацию смещения в оценке значения частоты, обусловленную действием шума с равномерным энергетическим спектром. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения несущей частоты радиосигналов на промежуточной частоте.

Известно устройство, обеспечивающее измерение несущей частоты радиосигналов - панорамный приемник (авторское свидетельство СССР 20102244, МПК⁷ G01R 23/00). В основе работы устройства лежит формирование напряжения, пропорционального частоте сигнала с учетом степени рассогласования центральной и измеряемой частот.

Указанное устройство имеет низкую точность измерения несущей частоты сигнала, связанную со смещением оценки значения частоты действием шума с равномерным энергетическим спектром.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения средней частоты случайного процесса (авторское свидетельство СССР №1622829, МПК⁷ G01K 23/00).

Устройство-прототип содержит: вход, блок оценки отношения сигнал/шум. Блок оценки отношения сигнал/шум содержит второй фильтр полосовой, третий измеритель мощности, схему разности, второй делитель напряжения.

Кроме того, прототип содержит первый фильтр полосовой, корректор, фильтр оценки, первый измеритель мощности, второй измеритель мощности, первый делитель напряжений. Корректор содержит первый и второй сумматоры, третий и четвертый делители напряжения, датчик опорных напряжений, перемножитель напряжений.

В основе работы устройства-прототипа лежит формирование напряжения, пропорционального средней частоте сигнала с учетом соотношения мощностей сигнала и шума, и степени рассогласования центральной и измеряемой частот.

В основе работы корректора устройства-прототипа положена оценка влияния двух факторов: энергетических характеристик отношения сигнал/шум P_c/P_ш и рассогласования между центральной частотой рабочего диапазона ω₀ и реальной частотой сигнала ω_с. На выходе первого сумматора формируется напряжение, учитывающее влияние отношения сигнал/шум для случая отсутствия рассогласования частот ω₀=ω_с, а на выходе второго сумматора формируется напряжение, учитывающее отношение сигнал/шум для случая рассогласования частот при реальном измерении (ω₀≠ω_с). На выходе третьего делителя напряжений формируется корректирующее напряжение, управляющее работой перемножителя напряжений, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное средней частоте сигнала с учетом соотношения мощностей сигнала и шума и степени рассогласования центральной и измеряемой частот.

Фактически на выходе перемножителя напряжений имеет место оценка средневзвешенной частоты полезного сигнала . Для корректировки оценки средневзвешенной частоты входного процесса производится выработка отношения средневзвешенной частоты шума к средневзвешенной частоте полезного сигнала . Цепь выход перемножителя напряжения - вход четвертого делителя напряжения обеспечивает подачу напряжения с выхода перемножителя напряжений, соответствующего оценке средневзвешенной частоты полезного сигнала, на вход четвертого делителя напряжений для выработки указанного отношения средневзвешенной частоты шума к средневзвешенной частоте полезного сигнала при этом на другой вход четвертого делителя напряжений подается постоянное напряжение с датчика опорного напряжения, соответствующее средневзвешенной частоте шума для белого шума, в диапазоне работы измерителя (ω_в-ω_н),

Недостатком устройства-прототипа является низкая точность измерения несущей частоты радиосигналов.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения несущей частоты радиосигналов за счет компенсации смещения в оценке значения частоты, обусловленной действием шума с равномерным энергетическим спектром.

Указанная задача достигается тем, что в известное устройство для измерения несущей частоты радиосигналов, содержащее параллельно соединенный со входом блок оценки отношения сигнал/шум, отличающееся тем, что введены блок грубой оценки частоты, генератор опорного сигнала, два перемножителя, фазовращатель на 90°, блок оценки длительности импульса сигнала, четыре ключа, два фильтра нижних частот, блок вычисления границы, блок вычисления текущей фазы, блок вычисления смещения частоты, компаратор, блок вычисления частоты, линия задержки, причем вход генератора опорного сигнала через первый ключ соединен с выходом блока грубой оценки частоты, первые входы двух перемножителей соединены со входом устройства, а вторые входы - с выходом генератора опорного сигнала, второй перемножитель соединен с генератором опорного сигнала через фазовращатель на 90°, входы двух фильтров нижних частот соединены с соответствующими выходами перемножителей, а выходы соединены с соответствующим входом блока вычисления текущей фазы, выход которого соединен с входом блока вычисления смещения частоты, второй вход которого соединен с выходом блока оценки длительности импульса сигнала, а выход является первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления границы и первым входом блока вычисления частоты, второй вход которого, через второй ключ, соединен с выходом компаратора, а третий вход является выходом блока грубой оценки частоты, выход блока вычисления частоты является входом генератора опорного сигнала, вторым входом третьего и четвертого выходных ключей, первые входы которых являются выходами соответственно второго ключа и линии задержки, вход которой является выходом блока грубой оценки частоты, при этом первым и вторым входами блока вычисления границы, соединенного со вторым входом компаратора, являются соответственно выход блока оценки отношения сигнал/шум и выход блока оценки длительности импульса сигнала.

Новизна технического решения заключается в применении в заявленном устройстве новых схемных элементов: блока 3 грубой оценки частоты, перемножителя 3, фазовращателя 4 на 90°, перемножителя 5, блока 7 оценки длительности импульса сигнала, ключа 8, фильтра 9 нижних частот, фильтра 10 нижних частот, блока 11 вычисления границы, генератора 12 опорного сигнала, блока 13 вычисления текущей фазы, блока 14 вычисления смещения частоты, компаратора 15, ключа 16, блока 17 вычисления частоты, ключа 18, линии задержки 19, ключа 20.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что введенные функциональные узлы известны. Однако введение их в устройство для обеспечения измерения несущей частоты радиосигнала с высокой точностью за счет итерационной обработки фазы несущего колебания сигнала и их реализация на цифровой элементной базе придает этому устройству новые свойства. Введенные функциональные узлы взаимодействуют таким образом, что позволяют без значительного увеличения аппаратных затрат расширить точность измерения несущей частоты сигнала.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение может быть использовано в измерительной технике.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2, 3 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства, на фиг.4 представлен алгоритм измерения несущей частоты.

Устройство для измерения несущей частоты радиосигналов (фиг.1) содержит вход 1, блок 2 грубой оценки частоты, первый перемножитель 3, фазовращатель 4 на 90°, второй перемножитель 5, блок 6 оценки отношения сигнал/шум, блок 7 оценки длительности импульса сигнала, первый ключ 8, первый фильтр 9 нижних частот, второй фильтр 10 нижних частот, блок 11 вычисления границы, генератор 12 опорного сигнала, блок 13 вычисления текущей фазы, блок 14 вычисления смещения частоты, компаратор 15, второй ключ 16, блок 17 вычисления частоты, третий ключ 18, линию задержки 19, четвертый ключ 20.

Устройство для измерения несущей частоты радиосигналов содержит параллельно соединенные со входом блок 2 грубой оценки частоты, блок 6 оценки отношения сигнал/шум, два перемножителя 3 и 5, второй перемножитель 5 соединенный с генератором 12 опорного сигнала через фазовращатель 4 на 90°, вход генератора 12 опорного сигнала соединен через первый ключ 8 с выходом блока 2 грубой оценки частоты, два фильтра нижних частот 9 и 10, входы каждого из которых соединены с соответствующими выходами перемножителей 3 и 5, а выходы соединены с соответствующим входом блока 13 вычисления текущей фазы, выход которого соединен с входом блока 14 вычисления смещения частоты, второй вход которого соединен с выходом блока 7 оценки длительности импульса сигнала, а выход является первым входом компаратора 15, второй вход которого соединен с выходом блока 11 вычисления границы и первым входом блока 17 вычисления частоты, второй вход которого через второй ключ 16 соединен с выходом компаратора 15, а третий вход является выходом блока 2 грубой оценки частоты, выход блока 17 вычисления частоты является входом генератора 12 опорного сигнала, вторым входом третьего и четвертого ключей 18, 20, первые входы которых являются выходами соответственно второго ключа 16 и линии задержки 19, вход которой является выходом блока 2 грубой оценки частоты, при этом первым и вторым входами блока 11 вычисления границы, соединяемого со вторым входом компаратора 15, являются соответственно выход блока 6 оценки отношения сигнал/шум и выход блока 7 оценки длительности импульса сигнала.

Устройство работает следующим образом.

На вход блока 2 грубой оценки частоты, реализующего процедуру быстрого преобразования Фурье, на первые входы перемножителей 3 и 5, на вход блока 6 оценки отношения сигнал/шум и на вход блока 7 оценки длительности импульса сигнала подается смесь шума и входного узкополосного случайного сигнала, частота которого может изменяться в пределах ширины его спектра. На второй вход первого перемножителя 3 и на второй вход второго перемножителя 5, который подключен к выходу фазовращателя 4 на 90°, поступают колебания генератора 12 опорного сигнала, вход которого является выходом первого ключа 8 и выходом блока 17 вычисления частоты. Фильтры 9 и 10 нижних частот, входы которых являются соответственно выходами перемножителей 3 и 5, обеспечивают выделение квадратурных низкочастотных составляющих спектра колебаний в соответствии с выражениями

0≤t≤t_u,

где U_s(t), U_c(t) - соответственно напряжения синфазной и квадратурной низкочастотных составляющих сигнала на выходах фильтров 9 и 10 нижних частот;

U_m - амплитуда входного сигнала;

k₁ - коэффициент передачи перемножителей;

ω₀ - несущая частота сигнала;

- оценка несущей частоты сигнала (измеренная частота сигнала);

- случайная фаза сигнала;

t_и - длительность импульса сигнала.

Оценка несущей частоты сигнала формируется на выходе блока 2 грубой оценки частоты, который является входом первого ключа 8.

С выхода фильтров 9 и 10 нижних частот напряжения синфазной и квадратурной низкочастотных составляющих сигнала поступают на первый и второй входы блока 13 вычисления текущей фазы, на выходе которого формируется оценка текущей фазы

Выход блока 13 вычисления текущей фазы является первым входом блока 14 вычисления смещения частоты, второй вход которого является выходом блока 7 оценки длительности импульса сигнала.

На выходе блока 14 вычисления смещения частоты формируется оценка смещения частоты от истинного значения несущей частоты сигнала, обусловленная влиянием шума

где - оценка длительности импульса сигнала.

Выход блока 14 вычисления смещения частоты является первым входом компаратора 15, вторым входом которого является выход блока 11 вычисления границы, и первым входом блока 17 вычисления частоты.

Входными параметрами для блока 11 вычисления границы являются оценка отношения сигнал/шум , которая подается с выхода блока 6 оценки отношения сигнал/шум, и оценка длительности импульса сигнала , формируемая на выходе блока 7 оценки длительности импульса сигнала. Выходным параметром блока 11 вычисления границы является максимальное допустимое значение смещения частоты, вызванное шумом, которое определяется следующим выражением

В компараторе 15, на первый и второй входы которого подаются соответственно оценка смещения частоты (4) и максимальное допустимое значение смещения частоты (5), производится сравнение указанных величин и вырабатывается управляющий сигнал на второй ключ 16.

В том случае, когда вычисленное в блоке 14 значение смещения частоты не превосходит максимальное допустимое, вычисленное в блоке 11 вычисления границы, второй ключ 16 будет пропускать управляющий сигнал с выхода компаратора 15 на первый вход третьего ключа 18, запирая его. Таким образом, через четвертый ключ 20, находящийся в открытом состоянии, вход которого является выходом линии задержки 19, на выход устройства будет поступать оценка частоты с выхода блока 2 грубой оценки частоты, который является входом для линии задержки 19.

С выхода устройства полученная оценка частоты в виде управляющего сигнала поступает на второй вход первого ключа 8, запирая его до тех пор, пока на вход 1 устройства не поступит очередной сигнал, и на выходе блока 2 грубой оценки частоты не будет получена оценка его несущей частоты.

В том случае, когда вычисленное значение смещения частоты (4) больше максимального допустимого (5), второй ключ 16 будет пропускать управляющий сигнал с выхода компаратора 15 на второй вход блока 17 вычисления частоты, на третий вход которого подается оценка частоты сигнала с выхода блока 2 грубой оценки частоты. В блоке 17 вычисления частоты производится вычисление (уточнение) частоты с учетом оценки частоты сигнала и оценки смещения частоты сигнала, поступающей на первый вход блока 17 вычисления частоты с выхода блока 30 вычисления смещения частоты. Таким образом, оценка смещения частоты сигнала является поправкой к оценке частоты сигнала . С выхода блока 17 вычисления частоты уточненная оценка частоты сигнала подается на вход генератора 12 опорного сигнала и на вторые входы ключей три и четыре 18 и 20.

Оценка частоты, полученная на первом шаге итерации, в виде управляющего сигнала поступает на второй вход ключа 20, запирая его.

Далее процедура оценки частоты повторяется с той разницей, что повторное оценивание отношения сигнал/шум в блоке 6 оценки отношения сигнал/шум и оценивание длительности импульса сигнала в блоке 7 оценки длительности импульса сигнала не выполняется. Таким образом, вычисленная граница максимального допустимого значения смещения частоты (5) остается неизменной.

Последовательность итераций по оцениванию частоты импульса сигнала продолжается до тех пор, пока на выходе компаратора 15 не появится управляющий сигнал, открывающий второй ключ 16, и, в совокупности с действующим на втором входе третьего ключа 18 сигналом с выхода блока 17 вычисления частоты, открывающий третий ключ 18. В результате на выход устройства поступит уточненная оценка частоты с выхода третьего ключа 18.

На фиг.2, 3 приведен пример измерения предлагаемым устройством несущей частоты радиосигнала. Причем на фиг.2 представлен вид текущей фазы при грубой оценке частоты радиоимпульса (на выходе блока 2 грубой оценки частоты), а на фиг.3 - вид текущей фазы после уточнения несущей частоты радиоимпульса вследствие произведенных итераций.

Таким образом, точность измерения несущей частоты радиосигналов составляет ±0,01 МГц.

Для технической реализации устройства для измерения несущей частоты радиосигнала использованы аналого-цифровые преобразователи типа AD 9432 (фирмы Analog Device) сигнальные процессоры типа TMS320C6416 (фирма Texas Instruments), программируемые интегральные схемы типа Vertex (фирма Xilinx).

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения несущей частоты радиосигнала за счет компенсации смещения в оценке значения частоты, обусловленной действием шума с равномерным энергетическим спектром.

Устройство для измерения несущей частоты радиосигналов, содержащее параллельно соединенный со входом блок оценки отношения сигнал/шум, отличающееся тем, что введены блок грубой оценки частоты, генератор опорного сигнала, два перемножителя, фазовращатель на 90°, блок оценки длительности импульса сигнала, четыре ключа, два фильтра нижних частот, блок вычисления границы, блок вычисления текущей фазы, блок вычисления смещения частоты, компаратор, блок вычисления частоты, линия задержки, причем вход генератора опорного сигнала через первый ключ, соединен с выходом блока грубой оценки частоты, первые входы двух перемножителей соединены со входом устройства, а вторые входы - с выходом генератора опорного сигнала, второй перемножитель соединен с генератором опорного сигнала через фазовращатель на 90°, входы двух фильтров нижних частот соединены с соответствующими выходами перемножителей, а выходы соединены с соответствующим входом блока вычисления текущей фазы, выход которого соединен с входом блока вычисления смещения частоты, второй вход которого соединен с выходом блока оценки длительности импульса сигнала, а выход является первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления границы и первым входом блока вычисления частоты, второй вход которого, через второй ключ, соединен с выходом компаратора, а третий вход является выходом блока грубой оценки частоты, выход блока вычисления частоты является входом генератора опорного сигнала, вторым входом третьего и четвертого выходных ключей, первые входы которых являются выходами соответственно второго ключа и линии задержки, вход которой является выходом блока грубой оценки частоты, при этом первым и вторым входами блока вычисления границы, соединенного со вторым входом компаратора, являются соответственно выход блока оценки отношения сигнал/шум и выход блока оценки длительности импульса сигнала.