Устройство для измерения времени запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения запаздывания одного случайного сигнала относительно другого случайного сигнала. Устройство содержит: блок усреднения, n умножителей на константы, n сумматоров, n вычитателей, n компараторов, n коммутаторов. 3 ил.

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для измерения запаздывания одного случайного сигнала относительно другого случайного сигнала, стационарно связанного с первым сигналом. Изобретение может быть использовано, например, в разностнодальномерных гидроакустических системах определения положения плавающего аппарата, излучающего широкополостный случайный сигнал.

Известно устройство измерения временного интервала, описанное на с.71 книги Мирского Г.Я. Измерение временных интервалов. М-Л. Энергия, 1964. Временное запаздывание определяется согласно зависимости t устройство содержит измеритель фазового сдвига двух гармоничных сигналов друг относительно друга, а также умножитель на константу 1/ Если сигналы случайны, то необходимо иметь анализатор спектра сигналов, в простейшем случае фильтр, выделяющий из каждого из случайных сигналов гармонику частотой полупериод которой не менее времени наибольшего возможного запаздывания сигналов. В принципе, устройство реализуемо как с помощью аналоговых, так и дискретных средств. Это устройство обладает низкой точностью определения времени запаздывания случайных сигналов. Фазоизмерительное устройство также используется как функциональный элемент в измерителе группового времени запаздывания, описанном в а.с. N 661492, кл. G 04 F 10/06.

Известен способ измерения времени задержки (а.с. N 748336, кл. G 04 F 10/06, H 03 K 5/13), одной из отличительных особенностей которого является осуществление сдвигов фазы колебаний на угол, не кратный . Способ (и реализующее его устройство) предназначены для измерения времени задержки радиоимпульсов с постоянной несущей частотой и практически неприменимы для случайных сигналов.

В качестве прототипа выбрано устройство для измерения запаздывания случайного сигнала, которое содержит блок усреднения, фильтры нижних частот, фильтр верхних частот, умножители сигналов, линейный преобразователь. В описании приведено обязательное условие, обеспечивающее нормальную работу устройства: T >> _{к з} откуда, следует, что время осреднения Т должно быть значительно больше модуля времени наибольшего запаздывания _з Т >>_з| Выражение "значительно больше" строго не определено. Его используют, например, если отношение /T/_з| / составляет десятки. Таким образом, если прототип использовать в гидроакустической системе, где_з| составляет доли-единицы секунд, то время усреднения ("длина усредняемой реализации случайного процесса) принципиально должна составлять десятки секунд. Прототип обладает низким быстродействием измерения времени запаздывания. Кроме того, вычитатель, блок усреднения, блок управления и линейный преобразователь образуют замкнутую систему с отрицательной обратной связью. Из теории систем с обратными связями известно, что в такой системе возможна неустойчивость, избежать чего можно, уменьшая коэффициент передачи системы в "разомкнутом" состоянии, что также ведет к снижению быстродействия. В системах обнаружения и навигации высокоскоростных аппаратов быстродействия использование прототипа неприемлемо. Однако, наличие блока усреднения является положительным в том отношении, что позволяет работать со случайными сигналами.

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения времени запаздывания.

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее регистры значений фазовых сдвигов n гармоник первого сигнала, соответственно, относительно n гармоник второго сигнала, содержит (n-1) параллельных цепей, входы которых подключены к регистру значения фазового сдвига первых гармоник друг относительно друга, а выходы ко входам блока усреднения. Каждая из указанных параллельных цепей содержит (К-1) параллельных цепей из последовательно соединенных входа уменьшаемого вычитателя, компаратора, управляющего входа коммутатора, сумматор, входы которого подключены к выходам указанных коммутаторов, и умножитель на константу. При этом входы вычитаемых вычитателей подключены к регистрам значений фазовых сдвигов, некратных информационные входы коммутаторов подключены к регистрам фазовых сдвигов, кратных а второй вход сумматора подключен к регистру значения фазового сдвига К-х гармоник друг относительно друга. Здесь К 2,3,n.

На фиг.1 показаны временные диаграммы гармоник сигнала; на фиг.2 функциональная схема устройства с тремя регистрами фазовых сдвигов; на фиг.3 обобщенная функциональная схема устройства для определения времени запаздывания сигналов друг относительно друга.

На фиг. 3 обозначены 1-(1-1,1-2,1-m) регистры значений фазовых сдвигов гармоник сигналов друг относительно друга, 2(2-1,2-2.2-n) умножители на константы, 3(3-1,3-2.3-n) сумматоры, 4(4-1,4-2,4-n) вычитатели, 5(5-1,5-2, 5-n) компараторы, 6(6-1,6-2,6-n) коммутаторы, 7 блок усреднения, n, m, r целые (натуральные числа). При этом вторая цифра числового обозначения элементов 1, 2, 3 равна номеру гармоник, которым соответствует данное устройство цепи обработки информации. Например, 1-1 регистр фазового сдвига первых гармоник, 1-3 регистр фазового сдвига третьих гармоник, , , измеренные значения (оценки) фазовых сдвигов гармоник друг относительно друга; _{1 2 n} фазовые сдвиги гармоник друг относительно друга, _{i i} t (i 1,2,n), W_i частота i гармоники, ,, оценки времени запаздывания, полученные из _{1 2 n} усредненная оценка времени запаздывания (выходная информация устройства), U₁, U₂, U₃, U₄ первая, вторая, третья, четвертая гармоники, t время.

Рассмотрим фиг. 2. В этом случае устройство содержит регистры 1-1, 1-2 значений фазовых сдвигов первых и вторых гармоник, регистр 1-3 фазового сдвига третьих гармоник друг относительно друга. Пусть n число регистров фазовых сдвига гармоник. В рассматриваемом случае (фиг.3) n 3. Образованы n-1 2 параллельные цепи, входы которых подключены к регистру значения фазового сдвига первых гармоник (точка а₁, а₂) а выходы /,/ подключены ко входам блока усреднения. Цепь а соответствует регистру 1-2 фазового сдвига гармоники, номер которой К 2. Цепь а₂ соответствующая гармонике с номером К 3, содержит К-1 3-1 2 параллельные цепи из последовательно соединенных входа уменьшаемого вычитателя (4-3 и 4-4), компаратора (5-3 и 5-4), коммутатора (6-3 и 6-4). Кроме того, каждая из параллельных цепей а а содержит сумматор (3-2 и 3-3), входы которого подключены к выходам указанных коммутаторов и умножитель на константу (2-2, 2-3). При этом входы вычитаемых вычислителей (4-1, 4-2, 4-3) подключены к регистрам фазовых сдвигов, составляющих доли / /2, /3;2 /3. Информационные входы коммутаторов (6-2, 6-3, 6-4) подключены к регистрам произведений целых чисел на /, 2 /. Второй вход сумматора, установленного в последовательной цепи, подключен к регистру значения фазового сдвига гармоники с номерами К 2, К 3 (к регистрам 1-2, 1-3).

Функциональная схема устройства с большим количеством регистров фазовых сдвигов гармоник может быть индуктивно получена очевидным добавлением к схеме фиг.2 соответствующих цепей от точек a_i до входов блока усреднения.

На фиг.3 обозначено m 1+2+.+(n-1) n(n-1)/2.

Устройство работает следующим образом.

Регистр 1-1 содержит значения фазового сдвига первых гармоник друг относительно друга, измеренных с помощью доступных пользователю фазоизмерительных устройств. При этом = откуда значение запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала, определенное измеренным значением равно, как и в прототипе = Частота первой гармоники ₁ известна (определена работой анализатора спектра сигналов), следовательно, для определения достаточно умножить на константу (1/ ₁ ). Это выполняется умножителем 2-1 на константу. При отсутствии помех значение было бы точным значением времени запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала. Однако, ввиду наличия помех значение Для повышения достоверности (уменьшения погрешности измерения или повышения точности измерения) в метрологии осуществляют несколько измерений одной и той же физической величины и в качестве оценки значения величины принимают ее среднее по результатам нескольких измерений (обычно рассматривают среднее арифметическое). Такой способ повышения достоверности как усреднение результатов нескольких измерений реализованы и в предлагаемом устройстве. Регистр фазового сдвига 1-2 вторых гармоник друг относительно друга содержит измеренное значение фазового сдвига вторых гармоник. Подобно описанному выше, можно определить по значению значение = умножив на константу (1/₂ ), поскольку ₂ известна. Однако, при этом возможна "грубая" ошибка ввиду того, что фазометры измеряют (или вычисляют) значения фазовых сдвигов в диапазоне / / Следовательно, при этом возможны "потери" части значений фазового сдвига, кратные ( , 2 3 и т.п.). Предлагаемое устройство содержит элементы и связи, которые позволяют определить фазовые сдвиги без "потерь", получить оценки временных запаздываний по фазовым сдвигам и усредненную оценку временного запаздывания.

Рассмотрим фиг.1. На фиг.1,а представлена временная диаграмма первой гармоники соответственно ₁ [0, Из фиг.1,б,в,г видно, что при этом диапазоны изменений фазовых сдвигов ₂ [0,2 ₃ [0,3 ₄ [0,4 При этом анализатор спектра и фазометр первой гармоники проектируется при создании таким образом, что возможному наибольшему временному запаздыванию соответствует ₁| < Пусть временное запаздывание составляет ₁ (фиг.1). Фазовые сдвиги всех четырех гармоник не превышают "потери" фазы не произойдут. Пусть временное запаздывание составляет ₂ Фазометр четвертой гармоники измерит произойдет потеря значения Истинное значение ₄= + Пусть запаздывание составляет ₃ Истинное значение ₃= + но будет измерено лишь значение Пусть запаздывание составляет ₄. При этом ₂= + ₄= + Происходят потери, кратные Приведем, например для первых пяти гармоник требующиеся поправки _i к измеренным значениям для определения истинного значения _i в зависимости от измеренных значений Поправки к _2
1 > /2 требуется поправка ₂
Поправки к ₃
2 / 3 ₁ > /3 поправка _3
1 2 /3 поправка ₃ 2
Поправки к ₄
/ 2 ₁ > /4 поправка ₄
3 / 4 ₁ > /2 поправка ₄ 2
₁ 3 /4 поправка ₄ 3
Поправки к ₅
2 / 5 ₁ > //5 поправка ₅ ,
3 / 5 ₁ > 2 /5 поправка ₅ 2 ,
4 / 5 ₁ > 3 /5 поправка ₅ 3 ,
₁ 4 /5 поправка ₅ 4
Рассмотрим условие поправки к ₂ в виде: ₁ /2 > 0. Для проверки этого условия необходим вычитатель /₁ /2 и компаратор (проверка на условие > 0). Вычитатель 4,2 осуществит вычитание -/2 Компаратор 5,2 при -/2 0 на своем выходе выработает 0 (нуль), коммутатор 6,2 образует на своем выходе 0: 0, сумматор 3-2 осуществит сложение ₂= +0 ₂ Умножитель 2-2 на константу (1/₂ ) на своем выходе образует значение оценки запаздывания по фазовому сдвигу вторых гармоник = 1/₂.

Если же >/2 то результат вычитания в вычитателе положителен: -/2 > 0 Компаратор 5,2 выработает на своем выходе 1 (единицу), коммутатор 6,2 на своем выходе образует 1
Сумматор 3-2 сложит измеренное и и на своем выходе образует истинное значение ₂= + С выхода умножителя 2-2 на константу (1/₂ ) на вход блока усреднения 7 поступит оценка = ₂1/₂ Блок усреднения 7 определит усредненное значение оценки временного запаздывания одного сигнала относительно другого сигнала:

Рассмотрим работу устройства с тремя регистрами фазовых сдвигов (фиг.2). Определение и происходит так, как описано выше. Вычитатель 4-3 осуществляет вычитание /₁ /3 / Если результат вычитания отрицателен, то на выходе компаратора 5-3 образуется 0, на выходе коммутатора 6-3 образуется 0, на выходе сумматора 3-3 образуется значение на выходе умножителя 2-3 на константу (1/ ₃) образуется значение ₃= 1/₃ Если же разность (₁ /3) > 0, то на выходе компаратора 5-3 образуется 1, на выходе коммутатора 6-3 образуется 1 на выходе сумматора 3-3 образуется истинное значение ₃= + а на выходе умножителя 2-3 на константу (1/ ₃ ) оценка = ₃ При ₁ 2 /3 на выходе компаратора 5-4 образуется 1, на выходе коммутатора 6-3 образуется поправка 2 на выходе сумматора 3-3 образуется истинное значение ₃= +2 а на выходе умножителя 2-3 на константу образуется оценка значения = ₃1/₃ На выходе блока усреднения образуется значение оценки запаздывания сигналов друг относительно друга

Аналогично, в устройстве с n регистрами фазовых сдвигов гармоник оценка времени запаздывания

Все функциональные элементы, из которых состоит предлагаемое устройство, общеизвестны. Эффективность предлагаемого устройства, являющаяся следствием повышения быстродействия вычисления времени запаздывания, состоит в повышении быстродействия определения координат положения объекта, определяемых гидроакустической системой, в которой использовано предлагаемое устройство.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ОДНОГО СИГНАЛА ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГОГО СИГНАЛА, содержащее блок усреднения и подключенные к его входам n умножителей на константы, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия измерения времени запаздывания, в устройство введены n регистров значений фазовых сдвигов n гармоник частотного спектра первого сигнала, соответственно относительно n гармоник частотного спектра второго сигнала, регистры хранения значений чисел, некратных и регистры хранения значений чисел, кратных p а также n 1 параллельных цепей, каждая из которых содержит k 1 (k 2,3, n) параллельных цепей из последовательно соединенных вычислителя, компаратора, коммутатора, сумматора, причем входы вычитаемых вычитателей подключены к выходам регистров значений фазовых сдвигов, входы уменьшаемых вычитателей подключены к выходам регистров хранения значений чисел, некратных p информационные входы коммутаторов подключены к выходам регистров хранения значений чисел, кратных p вторые входы сумматоров подключены к выходам регистров значений фазовых сдвигов, выходы сумматоров, являющиеся входами n 1 параллельных цепей, подключены к входам умножителей на константы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3