Способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство для его реализации
Изобретение относится к технике связи и может использоваться в информационно-измерительных устройствах. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов включает получение текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа, получение разностей k смежных текущих фаз сигнала, формирование двухкомпонентного вектора состояния а(k), компоненты которого задают рекуррентными выражениями, при этом оценку частоты
на каждом шаге измерения определяют в соответствии с формулой. Устройство содержит две цепочки из последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот и аналого-цифрового преобразователя, постоянное запоминающее устройство, фазовращатель, два устройства вычитания, три элемента памяти, счетчик, тактовый генератор и два арифметических устройства. Достигаемый технический результат - возможность получения текущей оценки частоты сигнала
в реальном масштабе времени. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к технике связи и может использоваться для измерения частоты синусоидальных сигналов в информационно-измерительных устройствах, а также для быстрого захвата сигнала в устройствах восстановления несущей частоты фазовых демодуляторов.
Задача измерения частоты синусоидальных сигналов постоянно привлекает внимание исследователей в связи с ее фундаментальной значимостью при оценке параметров периодических сигналов, смешанных с шумом, для извлечения информации о доплеровском сдвиге в задачах связи, навигации и радиолокации [1-3]. Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [4-7], однако они не являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9]. Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [8, 10, 11], основанных на использовании преобразования Фурье, при которых за оценку частоты синусоидального сигнала принимается аргумент максимума спектральной плотности мощности (СПМ) смеси сигнала с шумом. Указанные способы измерения частоты являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9]. Однако данные способы требуют больших вычислительных затрат, связанных с осуществлением одного или нескольких преобразований Фурье, которое к тому же может быть осуществлено только после накопления блока данных из N отчетов сигнала, что не позволяет получать оценку частоты в масштабе времени, близком к реальному. Так при частоте выборки fs временные затраты в основном складываются из времени накопления блока данных, пропорционального N/fs, и времени вычисления СПМ, пропорционального N


















где fs - частота выборки отсчетов сигнала. Способ реализуется устройством измерения частоты синусоидальных сигналов, к входу которого через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключены соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен с входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), согласно изобретению, к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), между выходами и вторыми входами которых включены соответственно второй и третий элементы памяти, третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, при этом первое АУ функционирует в соответствии с выражением

a второе АУ - в соответствии с другим выражением

Другое отличие состоит в том, что к выходу второго устройства вычитания подключено устройство нормировки, домножающее выходной сигнал второго устройства вычитания на величину fs/2

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ. На фиг. 2 приведена структурная схема другого варианта устройства, в котором реализуется предложенный способ. Согласно предлагаемому способу:
1. Получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала. 2. Получают разности



4. Определяют оценку частоты сигнала


где fs - частота выборки отсчетов сигнала,
Покажем алгебраическую эквивалентность измерения частоты в предлагаемом способе и в прототипе. Выражение (1) оценки прототипа с учетом весов (2), для выборки накопленных данных объемом К, можно тождественно переписать в виде

где

Прямой подстановкой в (4) можно проверить, что для К=1, как в выражениях (4), так и в предложенных в формуле изобретения рекуррентных соотношениях, имеем a1(1) = 2



где тождественность очевидна, аналогичное справедливо и для а2(К)

что и требовалось доказать. Из алгебраической эквивалентности измерения частоты в предлагаемом способе и в прототипе следует, что предложенный способ так же статистически оптимален как и прототип. Устройство, реализующее предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов (см. фиг.1), содержит подключенные к его входу две параллельные цепочки из последовательно соединенных перемножителя 1, ФНЧ 2, АЦП 3 и, соответственно, из перемножителя 4, ФНЧ 5, АЦП 6. К выходам АЦП 3, 6 подключены соответствующие входы ПЗУ 7, при этом вторые входы перемножителей 1, 4 связаны с общим источником синусоидального сигнала 8, у перемножителя 1 - непосредственно, а у перемножителя 4 - через фазовращатель 9. Выход ПЗУ 7 соединен с входом устройства вычитания 10, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ 7 включен элемент памяти 11, а тактирующие входы обоих АЦП 3, 6 подключены к общему ТГ 12. Согласно изобретению к выходу устройства вычитания подключены первое и второе АУ 13, 14. Между выходами и вторыми входами АУ 13, 14 включены соответственно второй и третий элементы памяти 15, 16. Третьи входы обоих АУ 13, 14 через счетчик 17 соединены с ТГ 12, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания 18. Первое АУ 13 функционирует в соответствии с выражением

а второе АУ - в соответствии с другим выражением

В другом варианте устройства (см. фиг.2) к выходу второго устройства вычитания 18 подключено устройство нормировки 19, домножающее выходной сигнал второго устройства вычитания 18 на величину fs/2

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Синусоидальный сигнал в смеси с шумом с входа устройства подается на первые входы перемножителей 1, 4. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом генератора 8, частота которого равна центральной частоте диапазона входных частот сигнала, на выходе перемножителя 1 содержится синфазная составляющая входного сигнала. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом генератора 8, развернутым по фазе на 90o фазовращателем 9, на выходе перемножителя 4 содержится квадратурная составляющая входного сигнала. Каждая из указанных составляющих в полосе низких частот, равной полуширине диапазона частот входных сигналов, фильтруется в ФНЧ 2 и 5 соответственно. Далее АЦП 3 преобразует синфазную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в синфазные отсчеты), а АЦП 6 преобразует квадратурную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в квадратурные отсчеты). В ПЗУ 7 получают текущую фазу сигнала, как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты. Получают разности смежных текущих фаз сигнала








1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации М., Радио и связь, 1983, -454 с. 2. Бортовые устройства спутниковой радионавигации, - под ред. B.C. Шебшаевича, М., Транспорт, 1988, -201 с. 3. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М., Связь, 1979, -592 с. 4. Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры. Л., Энергия, 1973, с. 13-17. 5. Авторское свидетельство 541123. Толстых B.C. Способ измерения частоты, М., ЦНИИПИ, 1977, -2 с. 6. Авторское свидетельство 1659893. Золотков К.Л. и др. Способ измерения частоты синусоидального напряжения, М.: ВНИИПИ, 1986, -3 с. 7. Авторское свидетельство 1798717. Минц М.Я. и др. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов, М., ВНИИПИ, 1987, -9 с. 8. Rife D.С., Boorstyn R.R., Single-Tone Parameter Estimation from Discrete Time Observations // IEEE Trans. on Information Theory, Vol. IT-20, No. 5, Sept. 1974. 9. Kay S.M., Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory, NJ, Prentice-Hall, 1993. 10. A. c. 541123. Гольдштейн И.Н. Цифровой способ измерения частоты и фазы гармонического сигнала, М., ЦНИИПИ, 1974, -3 с. 11. Авторское свидетельство 1352390. Кузьменков В.Ю. Способ определения частоты, М., ВНИИПИ, 1987, -4 с. 12. Кау S.М., Statistically/Computationally Efficient Frequency: Estimation // Proceedings of the ICASSP'88,-1988, p. 2292-2295 - прототип. 13. Kay S. M., A Fast and Accurate Single Frequency: Estimator // IEEE Trans. on ASSP, Vol. 37, No. 12, December 1989.
Формула изобретения




а оценку частоты сигнала


где fs - частота выборки отсчетов сигнала,
k= 1,2, . .. - индексная переменная, означающая порядковый номер текущей разности фаз

символ Т означает операцию транспонирования матрицы. 2. Устройство для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, к входу которого через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подключены соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен со входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), отличающееся тем, что к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), между выходами и вторыми входами которых включены соответственно второй и третий элементы памяти, третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, при этом первое АУ функционирует в соответствии с выражением

а второе АУ - в соответствии с другим выражением

где

a1(k) и a1(k-1) - текущее и предшествующее значения соответственно первой компоненты вектора состояния с выхода первого АУ;
a2(k) и a2(k-1) - текущее и предшествующее значения второй компоненты вектора состояния с выхода второго АУ;
k - индексная переменная, k=1,2,..., формируемая счетчиком по тактам тактового генератора, означающая порядковый номер текущей разности фаз

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что к выходу второго устройства вычитания подключено устройство нормировки, доумножающее выходной сигнал второго устройства вычитания на величину fs/2

РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2