Способ измерения сдвига фаз

Изобретение относится к радиотехнике. Способ заключается в том, что посредством двух АЦП и двух распределителей отсчетов сигналов на четные и нечетные из первого и второго сигналов формируют третий и четвертый сигналы путем задержки первого и второго сигналов на один фиксированный временной интервал, все произведения четных и нечетных сигналов, первую величину как разность произведения второго сигнала на третий и первого сигнала на четвертый, вторую величину как сумму произведения первого сигнала на второй и третьего сигнала на четвертый и оценку фазового сдвига между первым и вторым сигналами как арктангенс отношения усредненных по времени значений первой и второй величин. Формируют пятый и шестой сигналы путем задержки третьего и четвертого сигналов на фиксированный временной интервал. Формируют третью величину как разность произведения первого сигнала на четвертый сигнал и произведения второго сигнала на третий сигнал, четвертую величину как разность произведения третьего сигнала на шестой сигнал и произведения четвертого сигнала на пятый сигнал, пятую величину как разность произведения первого сигнала на шестой сигнал и произведения второго сигнала на пятый сигнал, шестую величину как сумму произведения первого сигнала на шестой сигнал и произведения пятого сигнала на второй сигнал, седьмую величину как сумму произведения первого сигнала на второй сигнал и произведения пятого сигнала на шестой сигнал, восьмую величину как разность квадрата третьей величины и суммы квадратов первой и второй. Первую величину формируют как произведение пятой величины на квадратный корень разности учетверенного произведения квадратов третьей и четвертой величины и квадрата восьмой величины на разность удвоенного произведения третьей, четвертой и седьмой величин и произведения шестой и восьмой величин, а вторую величину формируют как квадрат разности удвоенного произведения третьей, четвертой и седьмой величин и произведения шестой и восьмой величин. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения сдвига фаз квазигармонических сигналов с медленно меняющимися амплитудами и частотой при наличии аддитивной и мультипликативной помех. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к радиотехнике и имеет целью повысить точность измерения фазового сдвига двух квазигармонических сигналов с медленными по сравнению с несущей частотой изменениями огибающей и частоты при наличии аддитивных и мультипликативных помех.

Известен способ определения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов [1] как арктангенса отношения двух величин, которые формируют из измеренных мгновенных значений сигналов. Недостатком способа является ограничение области его применимости синусоидальными сигналами с постоянными амплитудами и частотами, наличие амплитудной и частотной модуляции уменьшает точность измерения сдвига фаз.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является способ сдвига фаз между квазигармоническими сигналами с меняющимися огибающими и мгновенными частотами [2], заключающийся в том, что посредством двух аналого-цифровых преобразователей и двух распределителей отсчетов сигналов на четные и нечетные из первого и второго сигналов формируют третий и четвертый сигналы путем задержки первого и второго сигналов на один интервал, все произведения четных и нечетных сигналов, первую величину как разность произведения второго сигнала на третий и первого сигнала на четвертый, вторую величину как сумму произведения первого сигнала на второй и третьего сигнала на четвертый и оценку фазового сдвига между первым и вторым сигналами как арктангенс отношения усредненных по времени значений первой и второй величин.

Недостатком этого способа является высокая погрешность измерения сдвига фаз между квазигармоническими сигналами с меняющимися огибающими и мгновенными частотами. Действительно, пусть первый и второй квазигармонические сигналы, между которыми измеряется сдвиг фаз, имеют вид

x1(t)=a 1(t)sin[θ(t)+φ1], x2(t)=a 2(t)sin[θ(t)+φ2],

где a 1(t), a 2(t), φ1 и φ2 - огибающие и начальные фазы первого и второго сигналов соответственно, причем выполняются условия медленного изменения огибающих и мгновенной частоты | ω ˙ ( t ) | < < ω 2 ( t ) , | a ˙ 1 ( t ) | < < a 1 ( t ) ω ( t ) , | a ˙ 2 ( t ) | < < a 2 ( t ) ω ( t ) , где ω ( t ) = θ ˙ ( t ) - мгновенная частота. Тогда третий и четвертый сигналы будут иметь вид

x 3 ( t ) = x 1 ( t Δ ) [ a 1 ( t ) a ˙ 1 ( t ) Δ ] sin [ θ ( t ) ω ( t ) Δ + ϕ 1 ] ,

x 4 ( t ) = x 2 ( t Δ ) [ a 2 ( t ) a ˙ 2 ( t ) Δ ] sin [ θ ( t ) ω ( t ) Δ + ϕ 2 ] ,

где Δ - интервал задержки.

Первая и вторая величины имеют вид

A1(t)=x3(t)x2(t)-x1(t)x4(t)≈a 1(t)a 2(t)sin(ω(t)Δ)sin(φ)+ΔA1(t),

A2(t)=x1(t)x2(t)+x3(t)x4(t)≈a 1(t)a 2(t)[cos(φ)-cos(ω)(t)Δ)cos(2θ(t)-ω(t)Δ+φ12)]+ΔA2(t),

Δ A 2 ( t ) = Δ [ a ˙ 1 ( t ) a 2 ( t ) + a 1 ( t ) a ˙ 2 ( t ) ] [ cos ( ϕ ) cos ( 2 θ ( t ) 2 ω ( t ) Δ + ϕ 1 + ϕ 2 ) ] ,

где φ=φ12 - измеряемый сдвиг фаз.

Разлагая числитель и знаменатель отношения усредненных по отрезку времени T>>1/ω(t) первой и второй величин вряд вблизи ωΔ=π/2, получим:

A 1 ( t ) A 2 ( t ) = sin ( ϕ ) sin ( ω ( t ) Δ ) + Δ A 1 ( t ) a 1 ( t ) a 2 ( t ) cos ( ϕ ) + Δ A 2 ( t ) a 1 ( t ) a 2 ( t ) t g ( ϕ ) { 1 1 2 ( π 2 ω ( t ) Δ ) 2 + α ( t ) Δ d ( a 1 a 2 ) / d t a 1 a 2 }

где α(t) - величина порядка единицы. Таким образом, погрешность оценки сдвига фаз напрямую зависит от близости величины ω(t)Δ к величине π/2 и от скорости изменения огибающих. Для амплитудно-модулированных квазигармонических сигналов с медленно меняющейся в широких пределах мгновенной частотой эта погрешность может быть довольно велика.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения сдвига фаз квазигармонических сигналов с медленно меняющимися амплитудами и частотой при наличии аддитивной и мультипликативной помех. Для этого дополнительно формируют пятый и шестой сигнал путем задержки третьего и четвертого сигналов на один фиксированный временной интервал соответственно, формируют третью величину как разность произведения первого сигнала на четвертый сигнал и произведения второго сигнала на третий сигнал, четвертую величину как разность произведения третьего сигнала на шестой сигнал и произведения четвертого сигнала на пятый сигнал, пятую величину как разность произведения первого сигнала на шестой сигнал и произведения второго сигнала на пятый сигнал, шестую величину как сумму произведения первого сигнала на шестой сигнал и произведения пятого сигнала на второй сигнал, седьмую величину как сумму произведения первого сигнала на второй сигнал и произведения пятого сигнала на шестой сигнал, восьмую величину как разность квадрата третьей величины и суммы квадратов первой и второй, при этом первую величину формируют как произведение пятой величины на квадратный корень разности учетверенного произведения квадратов третьей и четвертой величины и квадрата восьмой величины на разность удвоенного произведения третьей, четвертой и седьмой величин и произведения шестой и восьмой величин, а вторую величину формируют как квадрат разности удвоенного произведения третьей, четвертой и седьмой величин и произведения шестой и восьмой величин.

Таким образом,

A3(t)=x1(t)x2(t-Δ)-x1(t-Δ)x2(t),

A4(t)=x1(t-Δ)x2(t-2Δ)-x1(t-2Δ)x2(t-Δ),

A5(t)=x1(t)x2(t-2Δ)-x1(t-2Δ)x2(t),

A6(t)=x1(t)x2(t-2Δ)+x1(t-2Δ)x2(t),

A7(t)=x1(t)x2(t)+x1(t-2Δ)x2(t-2Δ),

A 8 ( t ) = A 5 2 ( t ) ( A 3 2 ( t ) + A 4 2 ( t ) ) .

Тогда

A 1 ( t ) = A 5 ( t ) ( 2 A 3 ( t ) A 4 ( t ) A 7 ( t ) A 6 ( t ) A 8 ( t ) ) 4 A 3 2 ( t ) A 4 2 ( t ) A 8 2 ( t ) ,

A2(t)=(2A3(t)A4(t)A7(t)-A6(t)A8(t))2,

и полученная на первом этапе оценка φ1 сдвига фаз между первым и вторым сигналами на отрезке длительностью N интервалов Δ имеет вид

ϕ 1 a r c t g [ n = 4 N 1 A 5 [ n ] ( 2 A 3 [ n ] A 4 [ n ] A 7 [ n ] A 6 [ n ] A 8 [ n ] ) 4 A 3 2 [ n ] A 4 2 [ n ] A 8 2 [ n ] n = 4 N 1 ( 2 A 3 [ n ] A 4 [ n ] A 7 [ n ] A 6 [ n ] A 8 [ n ] ) 2 ] ,

где обозначено Ai[n]=Ai(nΔ), i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Численное моделирование полученных выражений подтверждает промышленную применимость предложенного способа. Погрешность определения сдвига фаз Δφ чисто гармонических сигналов при отсутствии шума не превышает 10-15 рад; по выборке в 1000 отсчетов, здесь и далее Δ=1. При наличии амплитудной или частотной модуляции, а также аддитивного шума погрешность возрастает.

На чертежах представлено:

Фиг.1 - Зависимость абсолютного отклонения оценки фазового сдвига Δφ от значения φ для гармонических сигналов с изменяющимися огибающими, постоянной частотой и малой дисперсией шума.

Фиг.2 - Зависимость абсолютного отклонения оценки фазового сдвига Δφ от значения φ для гармонических сигналов с постоянными огибающими и изменяющейся частотой.

Фиг.3 - Систематическая погрешность оценки разности фаз гармонических сигналов в зависимости от значения φ при СКО шума σξ=10-4.

Фиг.4 - Случайная погрешность оценки разности фаз гармонических сигналов в зависимости от значения φ при СКО шума σξ=10-4.

Таблица 1 - Статистические характеристики способа измерения сдвига фаз.

На Фиг.1 представлено отклонение фазового сдвига, полученное для сигналов с одинаковыми законами изменения огибающих, фиксированной частотой f0=0,2 и аддитивным шумом дисперсии 10-4 от амплитуды сигнала:

x1[n]=(1+0,2sin(2π·0,01·n))sin(2π·0,2·n+φ),

x2[n]=(1+0,2sin(2π·0,01·n))sin(2π·0,2·n).

Несмотря на 20% амплитудную модуляцию сигналов, отклонение оценки разности фаз сигналов при заданном значении разности фаз в промежутке от π/8 до 7π/8 составило порядка 10-3 рад.

Аналогичные результаты получаются для сигналов с постоянными огибающими, частотной модуляцией (Фиг.2) и малым значением аддитивного шума - 10-4 от амплитуды сигнала:

x1[n]=sin(2π·0,2·{1+0,15·cos(2π·0,00053·n)}·n+φ),

x2[n]=sin(2π·0,2·{1+0,15·cos(2π·0,00053·n)}·n).

Статистические свойства способа исследовались путем обработки смеси сигналов с аддитивным узкополосным шумом. На Фиг.3 и Фиг.4 представлены систематическая φ0сред0 и случайная σφ погрешности определения фазового сдвига от значения φ, полученные по 100 реализациям, для сигналов с постоянными единичными огибающими и фиксированной частотой f0=0,2.

Зависимость статистических характеристик метода для некоторых значений дисперсии шума приведена в таблице 1.

Численные эксперименты показывают, что оптимальное значение интервала Δ лежит в диапазоне от T/6 до T/4, где T - среднее за время измерения значение периода сигнала. При соблюдении этого условия погрешность измерения сдвига фаз предложенным способом при наличии амплитудной и частотной модуляции в 103 раз меньше, чем у прототипа [2].

Источники информации

1. Келехсаев Б.Г. Способ определения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов. Патент РФ №2039361, опубл. 09.07.1995.

2. Смирнов В.Н., Кучеров М.В. Широкополосный цифровой фазометр // Вопросы радиоэлектроники. 2004. №1. С.33-41 (прототип).

Таблица 1
Статистические характеристики способа
Кол-во отсчетов в выборке, L 105 102
Относительная дисперсия аддитивного шума: σ/a 10-1 10-2 10-3 10-4 10-1 10-2 10-3 10-4
Дисперсия оценок разности фаз: σφ, 10-6 рад 4480 290 28 2,7 81000 4700 406 40
Отклонение среднего оценок сдвига фазы: φ0сред0, 10-6 рад 26500 580 18 0,13 23000 918 10 0,15

Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что посредством двух аналого-цифровых преобразователей и двух распределителей отсчетов сигналов на четные и нечетные из первого и второго сигналов формируют третий и четвертый сигналы путем задержки первого и второго сигналов на один фиксированный временной интервал, все произведения четных и нечетных сигналов, первую величину как разность произведения второго сигнала на третий и первого сигнала на четвертый, вторую величину как сумму произведения первого сигнала на второй и третьего сигнала на четвертый и оценку фазового сдвига между первым и вторым сигналами как арктангенс отношения усредненных по времени значений первой и второй величин, отличающийся тем, что дополнительно формируют пятый и шестой сигнал путем задержки третьего и четвертого сигналов на один фиксированный временной интервал соответственно, формируют третью величину как разность произведения первого сигнала на четвертый сигнал и произведения второго сигнала на третий сигнал, четвертую величину как разность произведения третьего сигнала на шестой сигнал и произведения четвертого сигнала на пятый сигнал, пятую величину как разность произведения первого сигнала на шестой сигнал и произведения второго сигнала на пятый сигнал, шестую величину как сумму произведения первого сигнала на шестой сигнал и произведения пятого сигнала на второй сигнал, седьмую величину как сумму произведения первого сигнала на второй сигнал и произведения пятого сигнала на шестой сигнал, восьмую величину как разность квадрата третьей величины и суммы квадратов первой и второй, при этом первую величину формируют как произведение пятой величины на квадратный корень разности учетверенного произведения квадратов третьей и четвертой величины и квадрата восьмой величины на разность удвоенного произведения третьей, четвертой и седьмой величин и произведения шестой и восьмой величин, а вторую величину формируют как квадрат разности удвоенного произведения третьей, четвертой и седьмой величин и произведения шестой и восьмой величин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике, а именно измерительной технике. Формируют третий и четвертый сигналы путем задержки первого и второго сигналов на один интервал, все произведения четных и нечетных сигналов, из которых формируют первую и вторую величины, оценку измеряемого сдвига фаз между первым и вторым сигналами как арктангенс отношения усредненных по времени значений первой и второй величин.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фаз (радиальной скорости объекта) когерентно-импульсных периодических радиосигналов на фоне шума; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного измерения доплеровской скорости летательных аппаратов.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов и ее изменения во времени.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов и ее изменения во времени.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в фазовых радиотехнических системах. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах защиты информации для обнаружения устройств несанкционированного съема информации в телефонной линии связи.

Изобретение относится к области систем обработки информации и может быть использовано при функциональном контроле и диагностировании конденсаторной установки на основе использования последовательной схемы замещения конденсатора.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для точного определения разности фаз радиосигналов, принимаемых в пространственно разнесенных точках. .

Изобретение относится к определению подключенной фазы напряжения неизвестной фазы относительно напряжения опорной фазы в системе распределения электроэнергии, имеющей многофазную линию электропередачи.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фаз (радиальной скорости объекта) неэквидистантных когерентно-импульсных радиосигналов на фоне шума; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного измерения доплеровской скорости летательных аппаратов. Фазометр радиоимпульсных сигналов содержит блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, блок коррекции пределов измерения, ключ, блок вычисления модуля, пороговый блок, блок памяти, синхрогенератор, первый и второй двухканальные ключи, дополнительный блок усреднения, блок управления, дополнительный блок задержки, дополнительный блок вычисления модуля, дополнительный блок комплексного сопряжения, дополнительный блок комплексного умножения, сумматор, дополнительный умножитель и дополнительный блок памяти, осуществляющие междупериодную обработку исходных отсчетов с целью однозначного измерения доплеровской (радиальной) скорости движущегося объекта. Технический результат заключается в возможности получать требуемый диапазон однозначно измеряемых доплеровских скоростей при сохранении однозначного измерения дальности. 11 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фазы пассивных помех; может быть использовано в адаптивных устройствах режектирования пассивных помех для измерения тригонометрических функций (косинуса и синуса) текущих значений доплеровской фазы многочастотных пассивных помех. Доплеровский фазометр пассивных помех содержит блок оценивания фазы, блок комплексного умножения, блок задержки, синхрогенератор, первый умножитель, первый функциональный преобразователь, второй умножитель, второй функциональный преобразователь, первый блок памяти, комплексный сумматор, дополнительный вычислитель фазы, второй блок памяти, дополнительный блок оценивания фазы, третий и четвертый функциональные преобразователи, дополнительный блок комплексного умножения и дополнительный блок задержки, осуществляющие когерентную обработку исходных отсчетов с целью измерения тригонометрических функций (косинуса и синуса) текущих значений доплеровской фазы многочастотных пассивных помех. Технический результат заключается в повышении точности измерения доплеровских сдвигов фазы многочастотных пассивных помех. 9 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для определения фазового сдвига как синусоидальных сигналов, так и последовательностей импульсов. Технический результат - повышение эффективности функционирования измерителя фазовых сдвигов за счет исключения ошибки, связанной с нарушением порядка поступления входных сигналов, и повышения точности формирования временных интервалов, определяющих искомый фазовый сдвиг. Для этого синхронизируемый измеритель фазовых сдвигов содержит два формирователя импульсов, два делителя частоты, синхронизатор, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и измеритель временных интервалов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения приращений фазы или разности фаз пары сигналов и их изменения во времени. Фазометр содержит средство сбора и обработки данных, времязадающее средство и по меньшей мере один канал обработки сигналов, причем каждый этот канал обработки сигналов содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и четыре регистра, при этом вход аналого-цифрового преобразователя является входом фазометра и входом канала обработки сигналов, времязадающее средство своими выходами подключено к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя, четырех регистров и средства сбора и обработки данных, выходы канала обработки сигналов подключены к входам средства сбора и обработки данных; при этом в каждый канал обработки сигналов этого фазометра введены два вычитателя, сумматор и два удвоителя кода, причем входы сумматора подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя и к выходу четвертого регистра, входы первого вычитателя подключены к выходам первого и третьего регистров, входы второго вычитателя подключены к выходу сумматора и через первый удвоитель кода к выходу второго регистра, вход второго удвоителя кода подключен к выходу первого вычитателя, выходами канала обработки сигналов являются выход второго вычитателя и выход второго удвоителя кода. Технический результат заключается в упрощении устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения фазового сдвига фильтра низкой частоты синхронного детектора. Сущность изобретения состоит в двукратном измерении напряжения выходного сигнала U1, U2 детектора, получая первоначально значение U1 при модуле разности частот ωпр опорного и информационного сигналов, подаваемых на его входы, равной частоте, на которой необходимо определение фазового сдвига, а затем при изменении одной из входных частот до значения, соответствующего максимальному значению U2 выходного сигнала детектора, фиксируют модуль разности ωр подаваемых при этом на входы частот, с последующим расчетом фазового сдвига φ в соответствии с выражением Неравномерность Δ амплитудно-частотной характеристики детектора сигналов определяется в соответствии с выражением Технический результат заключается в повышении точности измерения фазового сдвига. 1 з.п. ф-лы.
Наверх