Цифровой измеритель частоты

 

ОП КАЛИИ Е

ЙЗОБРЕТЕпиЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (61) Дополнительное к авт. саид-ву Р 6874 06 (22) Заявлено 040479 (21) 2747526/18-21 (5 ) М с присоединением заявки Йо— (23) Приоритет

01 Я 23/10

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 300681 Бюллетень Ио 24

Дата опубликования описания 300681

М) Уд 621.317, .76(088.8) С,Е.Фалькович, Ю.B,Øêâàðêo и А,А,Чумаченко (71) Заявитель

Харьковский авиационный институт (64) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к радиоизме рительной технике и может быть использовано н радиолокации, радионавигации, активной гидролокации и, в частности в радиотехнических систе- 5 мах траекторных измерений.

По основному авт,сн. Р 687406 известен цифровой измеритель частоты, содержащий канал преобразования сигнала н цифровую форму, к перно- 1О му и второму управляющим входам которого ;-.одключены соответствующие выходы кнадратурного генератора, а к третьему и четвертому входам соответствующие входы задающего 15 генератора сигналов дискретизации, а также последовательно соединенные подключенные к выходу канала преобразования сигнага н цифровую форму регистр накопления исходных данных, блок вычисления дискретного прео раэования Фурье, квадратор, блок умножения, суммирующий регистр, блок поиска максимального спектрального отсчета и интерполя- 25 тор, причем управляющий вход блока умножения связан с выходом блока поиска максимального спектрального отсчета, информационный вход интерполятора подключен к соответствую- ЗО щему выходу суммирующего рЕгистра, а его выход через цифровой генератор связан со входом блока вычисления дискретного преобразования

Фурье

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает сонмес-.ное высокоточное измерение частот колебаний, представляющих cîáîé два и более сиг-налон перекрывающихся по спектру,. поскольку реализуемый в этом измерителе алгоритм согласованной обработки по частоте с последовательной компенсацией с гналов приводит в случае перекрывающихся по спектру сигналов к компенсации не одного, а нескольких сигналов однс временно, в результате чего максимумы спектров, соответствующие оценкам частот принимаемых сигналов, оказываются случайным образом смещенными относительно их истинных значений.

Цель изобретения — повышение разрешающей способнооти и точности совместного измерения частот нескольких перекрывающихся по спектру сигналов. (. 0 (I T i1 ", J 1 (Н тЕ((, ".TO Н тЕЛ;.:;::: -O I .

С Ст Р Л 3 с. ) 3 (((: l т

lт тl О l ГЗ О (Ит.т (т д( т.)д (О )3 с1 )

-»:i Одд т((т

-И= д(;;(И .:ОЕ,(.-:;(сд(1,-, ..

1(Н i I д Л а i . Р (1 О (1. (ИфР(!H IO

H С. (OJ Н т(::. 1 с ., .;(. ;

)(Б с . . (р с.) т, т3 т!I;l!. Й p(I

l)(B J I tH (< с(i.l t I G ..:: (c iOHt G Ê.r

-(О, О С Ст 1l! Ò З1) О J Ilr "I . ) ():: :: . 1:I;: . дттт;т(т(т утт Н(""

:ЭЛ, I O — -G т» (;(тНЕР,т-,-,-, Р С 1)т.(-,,-.

yИт rl (!r< ò ГИН . т.

I)V" Ь ((в

Птд!(Рс)..!I - (((.,". тд,т(G!(("Отт;-.-, (J д т IÄ;. Д)ВОЙ т ." .д . Л З.. .II,И - ..т) (:) . ) :.

JlC i, ИН ДГ; 1((З.: ((ттт -,З т;(=т р".

В О.-.:, ут (-.. (О::

) Л ) т(t l (1, . . (", Н О (- (-;, (- (. т т С, H1i.-!,. (!(д т

*т .с

t ту(О ) JД 1 - il (.) () т д т,т ((),Ч (т(—, Н (ИЗМСРИтд„т(Я Чд(" G Гт(„

ЦИ((тдт НО(1 ИЗ(" О т — 2) д G дЕрж11. Кд Над (— р:=.О(ттрд —;

Нддд Н ЦИ ЬООЗ t(!() rJO(.tтт, у тт. т, т.; - (т т

1-Я НтдрсЗ ТОр 2 = - c!() (11(И ГG;-I:- !с) д- () р

ptGЗОБдН Итд ())т,урду т 1(=с. 1)=. (р б ПОИ С К 2 IS(c:1(".Гу(сст li — т ГО; — — (rr, 1 рд .;, (т;,—

ГО ОТ СЧЯ(д ) И H T Pr r!G.)т, (О. -:; Рд.

11СТР В НВ(;С iJIPHI.R c(ОСИН (т !.C 1(((дт

НЫХ да(НЫ=.(,. ",(И(т)рОВО- 1 Г,"-; ярд-.O(J

6J1OI() (т (tt!rt:rtrrir!Ð, !II т 0 с" 1(И т

842618 выход которого является выходом всего цифрового измерителя частоты.

Работа цифрового измерителя частоты основана на последовательной реализации процедуры согласованной обработки сигнала по частоте и 5 процедуры оптимального разрешенияизмерения частот перекрывающихся по спектру сигналов. Процедура согласованной обработки по частоте реализуется в исходной части устройства, 10 в волоках 1-11.

В цифровом измерителе частоты положительный эффект достигается за счет процедуры оптимального разрешения-измерения частот перекрывающихся по спектру сигналов, которая реализуется в блоках 13-19, причем предварительные оценки частот сигналов, полученные по процедуре согласованной обработки по частоте в блоках 1-11, используются как опорные значения измЕряемых частот сигналов.

Цифровой измеритель частоты работает следующим образом, На сигнальный вход 12 канала 1 преобразования сигнала в цифровую 25 форму поступает смесь из и. гармонических колебаний различных частот (i=1...r.) из диапазона возможных

1 значений fE (Ер -F fр + F) где центральная частота полосы 2F воз- 30 можных значений. Ila первый и второй управляющие входы канала 1 подаются сдвинутые по Фазе друг относительно друга на 90 опорные сигнао лы частоты f с выходов квадратурно- 35

ro генератора 2, а на третий и четвертый управляющие входы — сигналы дискретизации с частотой 2F с выходов задающего генератора 3 сигналов дискретизации. Канал 1 преобразования осуществляет предварительную фильтрацию принимаемых колебаний, их дискретизацию по времени с интервалом At= 1/2 и аналого-цифровое преобразование полученных отсчетов. При этом на выходе 45 канала 1 в течение интервала наблюдения (0,7) формируется набор ll=2FT отсчетов (в цифровом коде) синфазных и квадратурных составляющих комплексной огибающей принимаемой смеси 50 и сигналов и аддитивного шума:

U <--U(t ) для всех отсчетов времени

t =k дс, k=-1... N . .Эти сигналы Ux, k=1...й записываются в регистр 8 накопления массива исходных данных, 55 откуда поступают на вход блока 4 вычисления дискретного преобразования

Фурье. Блок 4 формирует на своем выходе 2N равноотстоящих отсчетов йф„Л„,(р,(р=1...2N) дискретного комйлексйого. Фурье-спектра комплексной огибающей принимаемого колебания. Эти отсчеты представляют собой отсчеты синфазных и квадратурных составляющих комплексного корреляционногоэ интеграла согласованной обработки сигналов по частоте в диапазоне (0,2F) с шагом дйскретизациилГ=Г/й, 2N, Qp-DU„exp(j0Х P y/gN), p=1... N

Набор отсчетов (йр р=1...2N выхода блока 4 поступает на вход квадратора 5 и одновременно записы вается в Регистр 13 хранения спектральных отсчетов, где хранится до конца процедуры разрешения-измерения °

Квадратор 5 формирует на своем выходе 2N отсчетов квадратов модулей.

IQ 1. Поскольку в начальном состоянии блок 10 умножения осуществляет умножение на +1, а суммирующий регистр обнулен, то отсчеты I Apl 2 поступают1 проходя беэ изменений через блоки

10 и 11, на вход блока 6 поиска максимального спектрального отсчета который формирует на своем выходе (в циФровом коде) номер E максимального иэ них и величину наибольшего отсчета. Величина f =(,,д f npu этом принимается эа опорное значение оценки частоты первого сигнала (наиболее интенсивного) иэ принимаемой суперпоэи (ии и сигналов. Эта величина f поступает в блоки 7 л и 15. Величина, поступает на вход интерполятора 7 для использования в качес=ве опорного значения, номер однозначно определяющий опорное значение частоты первого сигнала, записывается также в регистр хранения опорных отсчетов частоты, которые используются при реализации процедуры оптимального разрешенияизмерения. Интерполятор .7, используя информацию, заложенную в сигналах, поступающих с выходов блоков 6 и 11, формирует (с использованием интерполяционной Формулы

Котельникова) уточненную оценку максимума энергетического спектра принимаемой смеси сигналов и шума, т.е. Уточненную оценку опорного„значения частоты первого сигнала f которая поступает на вход цифрового генератора 9. Цифровой генератор 9 формирует на выходе N комплексных чисел — отсчетов монохроматическол го сигнала ехр (j 27ГГ„1.5t) k= 1...11, которые поступают на вход блока 4 вычисления дискретного преобразования Фурье. Затем с помощью блока 4 вычисления дискретного преобразования Фурье и квадратора 5 вычисляют 2й отсчетов энергетического спектра комплексной огибающей первого сигнала.

Далее осуществляется компенсация в спектре принятого колебания спектра сигнала, соответствующего оценочному опорному значению частоты

Для этого сформированные отсчеты спектра первого сигнала, поступающие с

842618 выхода квадратора 5, умножаются в блоке 1О умножения на коэффициент и складываются с содержимым

ZN соответствующих ячеек суммирующеГо регистра 11. Коэффициент q„ вы бирают из условия полной компенса5 ции максимального отсчета измеренной составляющей и принимают равным

g --()бе,) л„), 5„- интенсивностьь составляющей сформированного компенсирующего спектра.

Повторение процедуры поиска максимального спектрального отсчета позволяет оценить номер максимального

1агсчета Е< и опорное значение частоты 1 второго сигнала. Номер

80 при этом записывается в регистр

15 хранения отсчетов частоты. Повторение процедуры обработки позволяет определить все и номеров спектральных отсче" îâ f<, 8+... Вп, соотве стнующие оценкам опорных значений f.„, 20

1 ...f перекрывающихся по спектру сигHBJIGB, Эначения Е., E . В p TIpH этом записываются в регистр 15 хранения опорных отсчетов частоты. На этом завершается первый этап измерения, соответствующий реализации про цедуры согласованной обработки сигналов по частоте.

Работа дополнительно введенных блоков 13-19, реализующих процедуру последующего оптимального разрешения-измерения частот и перекрывающихся по спектру сигналов, состоит в следующем.

С выхода регистра хранения опорных отсчетов частоты и чисел

8„(i=i...n) поступают на второй вход блока 14 сочетаний, во второй внутренний регистр которого для каждого опорного значения Е (i=1...п) записывается набор из фиксированного 40 числа K -=2 К0+ 1 номеров отсчетов -к„г„.-(к0-i),....å,-,е„,е,",,...г,+(к,— ), (ry

g,kkO,!i=1- и) 45 саа-,âåòñòâóþùèõ нозможным номерам отсчетов истинного значения частоты -rc сигнала. Число К© прн этом можно выбрать постоянным и равным числу щ отсчетан цо частоте, лежащих в пределах палуширины главного лепестка энергетического спектра сигналов, так как величины ошибок 1 (возникаю-.

ОШ s щих эа счет неоптимальности процедуры согласованной обработки сигналов по частоте в случае, когда сцектрь. отдельных сигналов перекрываются, черт.), а следовательно, и смешение опорного значения отсчета 8, по отношению к отсчету К:, соответствующему точ- 60 ному значейив оценки частоты i-ro сигнала. обычно не превышает выбранного таким образом числа Ко.

Наряду с этим в первый внутрен"ний регистр блока 14 сочетаний с вы- 65 хода регистра 13 хранения спектральных отсчетов записываются те и К значений отсчетов комплексного спектра (Й Р (1), которые соответствуют номерам отсчетов частоты г „, записанным во втором внутреннем регистре блока 14 сочетаний. Одновременно счетчик блока 14 сочетаний, подключенный к его второму входу путем подсчета числа чисел „, поступающих на второй вход блока 14 сочетаний с ныхода регистра 15 хранения опорных отсчетов частоты определяет число и сигналов, частоты которых подлежат разрешению-измерению. Далее клок 14 сочетаний иэ набора комплексных отсчетов (и ), записанных в его первом внутренйем регистре, формирует на своих М0 выходах из общего числа М выходов первой группы па и возможных сочетаний комплексных чисел ",„„, О ...A

-K0, Е, + К0) т.е, m<(1=1...п), принимают значения возможйых номеров отсчетов частоты

1-ro иэ и разрешаемых сигналов (2) .

Числа таких сочетаний N> при этом равно М0 ††(К)", где a — число разрешаемых сигналов„ K=2K +1. Первая и вто0 рая группа выходов блока 14 сочетаний имеет фиксированное число выходов, равное N, которое выбирается из условия М=К n g, где пп,с,„. — максималь и но возможное по условию работы. (по априорной информации) число сигналов в принимаемом колебании. В том случае, когда число сигналов и на входе измерителя меньше, чем п„„д„ 1 оказываются задействованными только по М =(К) выходов первой и второй 0 группы выходов блока 14 сочетаний

При этом счетчик блока 14 сочетаний путем сравнения п сп отключает незадействованные (М-М0) выходов из первой и второй группы выходов блока сочетаний соответственно. М0 наборов сочетаний Я = й,„, !i= „q)

М0 выходов блока 14 сочетании пас— тупают на первые входы Ng соответствующих двойных весовых сумматоров 16. Прн этом первые входы остальных(\-К )двойных весовых сумматоров 16 н случае, если п<пщ,„,, оказываются отключенными, в результате чего на их выходах устанавливаются нулевые напряжения, соответствующие их нулевым выходным сигналам.

Одновременно на соответствующих М0 выходах второй группы выходов блока

14 сочетаний формируется по п сочетаний номеров отсчетов частот разрешаемых сигналон e> =l,>ted<, "-m ) гДе %; E! k „— КО,Е,+к0); („=1, и, ) =1... MP соотвэтствующйх сочетаниям комплексных отсчетов спектров Я,j =1...М, формируемых на соответствующих М0 выходах первой группы выходов блока 14 сочетаний. Эти наборы номеровщ,(1=1... М0) са второй группы выходов блока 14 сочетаний посту842618 пают на соответствующие I"o информационных входов решающего блока 19 (где записываются во внутреннем регистре решающе- 19) и на входы соответствующих Ми из

t i блоков 17 Формирования весовых коэффициентов, Причем в случае, если число сигналов п ц,„ „,незадействованные (М-М0) выходов из второй группы выходов блока 14 сочетаний

Отключаются, а также отключаются

ВЫХОды сООТВетствуищих им блоков

17 формирования весовых коэффициентов. Далее каждый ) -й из М задействованных двойных Весовых сумматоров

16 формирует на своем выходе соответствующую j -ю составляющую оп- 15 тимального выхода эффекта совместного разрешения-измерения частот и, перекрывающихся произвольным образом ,в том числе как частный случай и неперекрывающихсяпо спектру сигна- () лов „= и }),которым, как известно из теории статистических решений, является логарифм совместной функции правдоподобия, Последний в рассматриваемом случае разрешения по частоте может быть выделен в виде двойной суммы (дэрмитовой Формы) .

- т -++ и и

L;=a; j" g, =.- E ;Р(tl,) „, Lttt ) Яп,р((т ), (Э) 30 =1 Р=1 где Я, — комплекс.но-сопряженный вектор-столбец из rt значений сочетаний отсчетов комплексного Фурье-спектра Я .,((=1,.и),т,р,(а„„„,йщ1... и и,) соответствующих j -му из "1 сочеУ

О

TattBt т, =(п,, и ... тпп) индекс (1 } Означает операцию транслонирония -а„,,(;и;),3 . R,) соответствующие элементы векторов (и G(,, i,р 1...п) А, квад ратная симметричная матрйца весоВых коэффициентов порядка и с, — Ъ элементами à,;Р,, m;), обратная матрип функций неопределенности сигналов по частота -,.

И„=-+;, }=", -. Мо,(4) ) где злемейты матрицы „ для > -t-o . сочетания номеров отсчетов m равы

N (=y (t7t, Qexptjz3i(-mð) z3 K ü jj (5)

Здесь Ь Г вЂ” шаг дискретизации по

«racToTe;at — интервал дискретизации по времени„ (и„ ), (m )>, i-й и р-й номера отсчетов из, -го сочетания номеров отсчетов частот разрешае-У мых сигналов и..

Соответствукщий j -й блок 17 формирования весовых- коэффициентов по поступающему на его вход ссчетанию и номераB 4ормируеT на своем выходе охп Beсовых коэффициентов а;„ (ч ;), представляющих собой соатнстствлп ие элементы числовой матрипы Л;, задаваемой выражениями (4) и (5), Эти гхп весовых коэффициентов а; (п;)с выхода

„:-го блока 17 формировайия весовых коэффициентов поступают на второй вход соответствующего )-го двойного весового сумматора 16, формирующего на своем выходе путем перемножения и двойного взп шенного суммирования j-й отсчет выходного эффекта оптимального разрешения по п перекрывающихся по спектру сигналов Lj (3). отсчетов эффекта Lj(3), (j=l...f"0) с выходов соответствующих цвойных весовых сумматоров подаются далее на М управляющих входов 20 решающего блока 19. Причем в случа, если число сигналов пп1дх;тс и вьходах незадействованных (М-Мп) сумматоров 16 формируются нулевые значения отсчетов выходного эффекта, которые поступают на остальные (М-Пе) управляющих входов решающего блока 19.Путем выбора максимального отс:ета оптимального выходного BAAet Ta Lt, = (Lj)t„„п, решающий блок 19 осуществляет вйбор соответствующего ему выбора номеров Отсчетов -частот разрешаемых сигналов m из м значений — Х сочетаний (m ), j =1...М,., подаваемых на информационный вход 18 решающего блока 19. По набору отсчетов tv,„ решающий блок )9 формирует значения совместно-эффективных оптимальных оценок частот

Л . $ )(tll.Pg т 5f, гп ) ; (.1 т11I "ttg t--- ttlll.Х= и = Щ1, .пах перекрывающихся по спектру сигналов, т.е. сигналов,, неразрешимых по Релаю.

Следует отметить, что случай сильно разнесенных по частоте сигналов (т.е. не перекрывающихся по спектру частот) является частным случаем работы предлагаемого цифрового измерителя частоты, при этом все матрицы 1 с элементами 15) вырождаются в диагональнь.е единичные матрицы и весовые коэффициенты а (,и )=0 для

-Ф / т

j фр ис(,,(п1 ) < m ) =1 для i =р.

Очевидно, что количество составляющих измерительного суммарного сигнала пи1, частоты которых могут быть разрешены в реальном времени с помощью предлагаемого цифрового измерителя, определяется в основном быстродействием блоков 17 формирования опорных коэффициентов. Глоки 17

842618 могут быть реализованы, во-первых, в виде последовательно соединенных генератора чисел у.(5) и блока

J обращения матрицы Ч .„, и во-вторых, в виде постоянного запоминающего устройства, в котором хранятся эЛементы а;„(г ) заранее рассчитанные по формулам (4) и (5) для возможных сочетаний номеров отсчетов частот разрешаемых сигналов m, Реа3 лизация блоков 17 в виде постоянных запоминающих устройств„ более предпочтительна с точки зрения быстродействия работы предлагаемого измерителя частоты, так как скорость формирования оптимальных весовых коэФфициентов а; (m ) при этом определяется скоростью считывания информации из постоянного запоминающего устройства.

Таким образом, за" счет организации дополнительной процедуры оп- 20 тимального разрешения-измерения частот перекрывающихся по спектру п сигналов, предлагаемый цифровой измеритель частоты обеспечивает совместно-эффективное измерение частот всех и сигналов с точностными характеристиками, близкими к теорети чески предельным, что существенно повышает разрешающую способность и точность измерения частот сигналов, и тем самым, существенно расширяет функциональные возможности измерителя частоты.

Формула изобретения

ЦwPpовой измеритель частоты по авт.св. Р б87406, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и точности совместного измерения частот нескольких перекрывающихся по спектр сигналов, в него введены регистры хранения спектральных и опорных отсчетов, блок сочетаний, М блоков

Формирования весовых коэффициентов, М двойных весовых сумматоров и решающий блок, причем выход блока вычисления дискретного преобразования Фурье через регистр хранения спектральных отсчетов подключен к первому входу блока сочетании., выход блока поиска максимального спектрального отсчета через регистр хранения опорных отсчетов подключен ко второму входу блока сочетаний, первая группа выходов которого соединена с первыми входами соответствующих двойных весовых сумматоров, выходы которых подключены к управляющим входам решающего блока, вторая группа выходов блока сочетаний подключена через сос-ветствующие блоки формирования весовых коэффициентов ко вторым входам соответствующих двойных весовых сумматоров и непосредственно к информационным входам решающего блока.

Источники информа ии, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

9 б87406, кл. D 01 ? 23/10, 1979.

ВНИИПИ Заказ 5088/51

ТиРаж 732 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная„4