Цифровое устройство для измерения фазы сигнала

 

Изобретение может быть использовано в технике связи, радионавигационных системах , физических приборах. Целью изобретения является повышение точности измерения фазы и упрощение i устройства. Устройство содержит полосовой фильтр 1, преобразователь напряжения в код 2, сумматор 3, регистры 4 и 5, вычислитель фазы 6, блок 7 управления. Особенностью изобретения является то, что для выделения сигнала из помех использован согласованный цифровой фильтр, два отсчета на выход которого в момент окончания действия сигнала используются для вычисления фазы сигнала по алгоритму Волдера. При этом удвоение частоты дискретизации относительно минимальной по Найквисту-Котельникову позволяет исключить операции умножения. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 К 25/00

ГОСУДАPCTBPHHblA КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4704610/21 (22) 14.06.89 (46) 23.09.91. Бюл. hL 35 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им.проф.М,А.Бонч-Бруевича (72) Е.А.Родин и Л.А.Яковлев (53) 621.317.77 (088.8) (56) Родин Е,А., Яковлев Л.А. Алгоритм цифрового измерения фазы. — Электросвязь, 1985, N 9,с; 55-57. (54) ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ СИГНАЛА (57) Изобретение может быть использовано в технике связи, радионавигационных системах, физических приборах. Целью иэобреÄÄ5UÄÄ 1679405 А1 тения является повышение точности измерения фазы и упрощение устройства. Устройство содержит полосовой фильтр 1, преобразователь напряжения в код 2, сумматор 3, регистры 4 и 5, вычислитель фазы

6, блок 7 управления, Особенностью изобретения является то, что для выделения сигнала из помех использован согласованный цифровой фильтр, два отсчета на выход

- которого в момент окончания действия сигнала используются для вычисления фазы сигнала по алгоритму Волдера, При этом удвоение частоты дискретизации относительно минимальной по Найквисту-Котельникову позволяет исключить операции умножения. 3 ил.

1679405

Изобретение относится к радиоизмерениям, может быть использовано в технике связи, радионавигационных системах, физических приборах.

Цель изобретения — повышение точности и упрощение устройства при измерении синусоидальных сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема цифрового устройства для измерения фазы сигнала; на фиг. 2 — временные диаграммы работы устройства; на фиг, 3 — структурная электрическая схема блока управления.

Цифровое устройство для измерения фазы сигнала включает полосовой фильтр 1, преобразователь 2 напряжение — код, сумматор 3, первый 4 и второй 5 регистры, вычислитель 6 фазы, блок 7 управления. Вход полосового фильтра 1 является входом устройства, выход полосового фильтра 1 соединяется с входом преобразователя 2 напряжение — код, к выходу которого подключен первый вход сумматора 3, выход.последнего соединен с последовательно соединенным первым 4 и вторым 5 регистрами, выход второго регистра 5 подключен к второму входу сумматора 3. Выходы регистров 4 и 5 соединяются соответственно с первым и вторым входами вычислителя 6 фазы. Первый выход блока 7 управления соединен с вторым входом преобразователя 2 напряжение — код, а первый и второй выходы его подключены соответственно к входам регистров 4 и 5, входам вычислителя

6 фазы, выход которого является выходом устройства, Оптимальное выделение из помехи гармонического сигнала вида

hn = (з! пвсТ) sin (и + 1)вс Т; и = 0,1...,N-1, (2) соответствующей передаточной функции рекурсивного цифрового фильтра

H(z) = (1 + bz 1 + z 2) 1, (3) где Ь = 2cos mT — коэффициент.

Алгоритм работы такого фильтра описывается рекуррентным выражением i

S (nT) =,9с sin (mT+ ф); п = О, 1, 2,. „, N-1, (1) где вс — угловая частота сигнала; у — начальная фаза;

Т вЂ” период дискретизации, обеспечивается цифровой согласованной фильтрацией сигнала, осуществляемой в цифровом фильтре с импульсной характери. стикой:

Уп = xn bl/n-1 — Уп-2; и = 0,1,...,N-1, (4) где хп и gn — отсчеты соответственно входного и выходного сигналов, причем Vn = О при

5 п<О.

При цифровом измерении фаз должно выполняться соотношение

If : = Nfc (5)

10 где fc — частота сигнала;

f — частота дискретизации; !. Й вЂ” целые и fp 2fc.

Коэффициенты импульсной характери15 стики (2) имеют нулевое значение при n**N-1; hn-1 = О.

Это обстоятельство делает идентичными частотные характеристики фильтра в момент времени NT — N u NT 2Т

I H(e,n) I = (А (вТ,п)+ В (вТ,п))2, (6)

П где А(вТ, и) = hl sin icuT; В(ВТ, n) = =о щ сов 1вТ, =о

Отсчеты у », и уу выходного сигнала, вы30 деленные в моменты стационарного режима NT — Т и NT-2T, являются отсчетами синусоидального колебания и могут быть использованы для вычисления фазы, Показано, что ф= arctg (С вЂ” -0)(7), уи-2

35 YN-1 где С = cos всТ и D =ng всТ вЂ” постоянные.

Процедура измерения фазы синусоидального сигнала включает в себя алго-. ритм цифровой фильтрации (4) и алгоритм

40 вычисления фазы (7). Упрощение этих алгоритмов возможно при частоте дискретизации входного сигнала fp, =4fc В этом случае всТ = к/2, b = 0, С = 1, D = 0, а алгоритм измерения фазы получает вид

45 уп = х — yn-2; и = 0,1,2,...,N-1 (8) р= arctg уй-1 причем yn = О при и, < О, 50 Выполнение соотношения (5) позволяет иметь в моменты NT-T u NT — 2Т идентичные частотные характеристики цифрового фильтра (установившийся режим работы), благодаря чему отсчеты сигнала на выходе ЦФ в

55 эти моменты времени будут являться отсче-. тами синусоидального колебания. Действительно, при (5) коэффициент импульсной характеристики (2) hg -1 „= О, поэтому

Н (е " N - 1) = Н (е", N - 2), 1679405

При выполнении (5) 10 с частотой ъ = fî/N =4fc/N

25 щр (з1 в,Т )уд-i

3Р

40

55 что следует из (6). Отсчеты сигнала на выходе ЦФ в моменты времени NT — Т и NT — 2Т сдвинуты относительно входного сигнала на угол, который определяется из фаэочастотной характеристики фильтра

9(вТ, п)= агсщ

А NT,n

В (вТ,n)

Р(в.т, N- 1)=9(в,т, N-2) = =в Т, X где искомые отсчеты выходного сигнала можно представить в виде уи-1- ав sin(p — р, 1 уи-г = ас "sin(p-> — - WT).

Преобразуем последнее выражение уй-2-(созвТ)ум -1 — (з!пвТ) а соз(р-gj, отсюда р=агац, " -стяв.т

Цифровое устройство для измерения фазы сигнала работает следующим образом.

Смесь синусоидального сигнала и помехи через полосовой фильтр 1 полосовой прозрачности Af, определяемой частотой дискретизации fp входного сигнала x(t) =

= а .sin(e,т + р), подается на преобразователь 2 напряжение — код, с выхода которого последовательность отсчетов дискретизированного входного сигнала хл =

= а э!п(в пТ + p) в цифровой форме поступает в цифровой согласованный фильтр, состоящий иэ сумматора 3, регистров 4 и

5 и осуществляющий оптимальное выделение синусоидального сигнала иэ помех в течение интервала времени наблюдения

NT. Выход сумматора 3 является выходом этого фильтра, первый 4 и второй 5 регистры служат для запоминания двух предыдущих отсчетов выходного сигнала, который образуется сложением в сумматоре 3 входного сигнала и сигнала с инверсного выхода второго регистра 5. Вычислитель 6 фазы определяет значение фазы р, используя отсчеты выходного сигнала цифрового согласованного фильтра в момент окончания выделения синусоидального сигнала.

Вычисление фазы производится по алгоритму Волдера с помощью простых операций сдвига и сложения.

Блок 7 управления генерирует две серии импульсов, обеспечивающих работу измерителя фазы.

Согласно принятому алгоритму для одного измерения фазы синусоидального сигнала в цифровом фильтре должна быть обработана реализация цифрового сигнала, состоящая из N отсчетов. Частота дискретизацииЯ входного сигнала в устройстве при15 нимается равной учетверенной частоте синусоидального колебания f = 4f, поэтому отсчеты оценок фазы р на выходе устройства при поточной обработке сигнала появляются с интервалом, равным N/1д, т.е, При таком соотношении частот дискретизации входного и выходного сигналов обеспечивается некоррелированность результатов измерения фазы.

В изобретении алгоритм работы цифрового фильтра имеет вид

y> =. x>-y>-2; n = 0,1,2, .„N-1, где у, = у(пТ), xn = x(n Tj, и реализуется схемой, содержащей сумматор и два регистра. Цифровая фильтрация осуществляется при подаче серии U1 импульсов дискретизации с частотой f . одновременно на входы синхронизации ИС регистров 4 и 5, а серии U2 импульсов с частотой fpy — на входы сброса этих ИС (временная диаграмма работы цифрового фильтра показана на фиг. 2). Правильность работы цифрового фильтра обеспечивается заданием длительности Г импульсов дискретизации, удовлетворяющим соотношению

r трг + % + трг+ тсм где tpr итсм — задержки импульса соответственно в регистре и сумматоре. Использование серии U1 и U2 в схеме Волдера аналогично, Моментом окончания выделения синусоидального сигнала при каждом измерении фазы можно считать задний фронт (N — 1)-ro импульса дискретизации входного сигнала.

Вычислительная ошибка при M приближениях не превысит величины 2™, т.е. вы1679405 числение фазы при достаточно большом М может быть произведено практически точно. B отсутствие операций умножения в цифровом фильтре инструментальная погрешность измерения фазы связана с квантованием входного сигнала, при этом практическая наибольшая ошибка измерения фазы (наи6. 2

-9-1 r3 где g — разрядность числовой части отсчета входного сигнала, Например, при (= 15, g = 12, N = 60 наибольшая инструментальная погрешность равна - — 2 и становится по величине

1 -14

15 одного порядка с наибольшей ошибкой, обусловленной входной помехой, лищь при (наиб.ах = 2 . Квантование результатов — 1 умножения дает еще большую ошибку

-9+1 ъГТ, ., -9 фнаиб.умн. = 2 ) 2 l фнаиб.умн. 2

Неизбежное при этом квантование коэффициента Ь приводит к смещению частотной характеристики фильтра, что является дополнительным источником погрешности измерения фазы.

Вычислитель 6 фазы осуществляет прех образование вида arctg — по алгоритму

У

Волдера.

Блок 7 управления содержит генератор серии импульсов 01 (фиг. 3), следующих с частотой fg, С помощью этой серии генерируется и серия U2, импульсы которой снимаются с выхода двоичного счетчика с коэффициентом пересчета, равным N. Сумматор 3, регистры 4 и 5 — параллельного типа, могут быть выполнены так же, как и блоки на ИС серий К155, К133, К555, Таким образом, исключение операций умнОжения при измерении фазы синусоидального сигнала на фоне помех позволяет не только упростить устройство, но и

5 повысить инструментальную точность измерения, что позволяет расширить область применения такого измерителя фазы. Каскадная структура устройства позволяет организовать поточную обработку

10 сигнала.

Формула изобретения

Цифровое устройство для измерения фазы сигнала, содержащее цифровой фильтр

15 и вычислитель фазы, выход которого являет. ся выходом устройства, соединенные последовательно, блок управления, клемму

"Вход", о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения

20 устройства при расширении функциональных возможностей, введены полосовой фильтр и преобразователь напряжение— код, соединенные последовательно, цифровой фильтр выполнен в виде суммато25 ра и первого и второго регистров,. соединенных последовательно, выход второго регистра соединен с вторым входом сумматора, а выходы первого и второго регистров являются, соответственно, пер30 вым и вторым выходами цифрового фильтра, .причем первый выход блока управления соединен с преобразователем напряжение — код, первыми управляющими входами соответственно первого, вто35 рого регистров и вычислителя фазы, второй выход которого соединен с вторы- . ми обнуляющими входами соответственно первого, второго регистров и вычислителя фазы, вход полосового филь40 тра.соединен с клеммой "Вход", а выход преобразователя напряжение — код — с, входом цифрового фильтра.

Ca" 2.

Составитель В. Ежов

Редактор Н, Тупица Техред М.Моргентал Корректор Т. Малец

Заказ 3211 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский «юмбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101