Устройство для измерения временного положения импульса

,А ОО Сл Ю 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИМПУЛЬСА, содержащее блок Фильтрации, три аналого-цифровых преобразователя, блокмасштабирования, блок вычитания,два блока накопления, регистратори блок Формирования стробов, при этомвыход блока фильтрации через первыйаналого-циФровой преобразовательподключен к входу. первого блоканакопления, выход которого подключен к первому входу блока формирования стробов, первый выход которогоподключен к опорному входу регистратора, выход блока фильтрации подключен к входам первого, второго итретьего аналого-цифровых преобразователей, управляющие входы которыхсоединены соответственно с вторым,третьим и четвертым выходами блокаформирования стробов, второй входкоторого соединен с выходом второгоблока накопления, выход второго аналого-цифрового преобразователя черезблок масштабирования подключен кпервому входу блока вычитания,второй вход которого соединен свыходом третьего аналого-цифровогопреобразователя, а выход подключенк входу второго блока накопленияо т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности измерения,в него введены последовательно соединенные блок ввода данных, блокпреобразования сигнала, решающий блоки блок управления, а также управляемый блок задержки, выход которогсподключен к измерительному входурегистратора, второй выход блокаформирования стробов подключен к инФормационному. входу управляемого блока задержки, управляющий вход которого соединен с первым выходом блокауправления, второй выход которого,.подключен к управляющему входу блока масштабирования,1185283 ь Е. Прозоровская еце Кор Состав Техред тор В,Синицкая К, Боло ПодписноССР 60/42ВНИИПИ Гопо дела3035, Мо Тираж сударствен м изобрете ква, Ж, аказ ого комитета ий и открыти Раушская наб.,илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4Изобретение относится к радионавигации, а конкретнее предназначено для использования в приемоиндикаторах импульсно-Фазовых радионавигационных систем (ИФРНС). 5Цель изобретения . - повышение точности измерения.На фиг, 1 приведена структурная электрическая схема устройства, на фиг. 2 - структурная электрическая 10 схема решающего блока, на фиг. 3 примеры зависимостей задержки(а)Ф и отношения у амплитуд отраженноОВМго и поверхностного сигналов (б) от дальности 3, на фиг. 4 - зависи мость модуля отношения амплитуд Е 2 и Е 1 высокочастотного заполнениярадиоимпульса в экстремальных точках от номера М периода, на фиг. 5временные диаграммы, поясняющие 20положение измерительных стробов поотношению к высокочастотному заполнению радиоимпульса при работе устройства; а) высокочастотное заполнение Фронта радиоимпульса на выходе блока фильтрации, б) первоначальное положение измерительных стробов,в) промежуточное положение стробов,г) окончательное положение стробовпри М = 4, д) окончательное положение стробов при й = 6,Устройство содержит блок фильтрации, включающий полосовой фильтр 2и режекторный фильтр 3, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП)4, первый блок 5 накопления, блок6 Формирования стробов, регистратор7, второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, блок 9 масштабировения, блок 10 вычитания, второйблок 11 накопления, третий аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 12,управляемый блок 13 задержки, блок14 управления, решающий блок 15,блок 16 преобразования сигнала,блок 17 ввода данных, при этом блок6 Формирования стробов содержит опорный генератор 18, делитель частоты19, управляемый дечитель частоты20 и. два элемента задержки 21 и 22,а управляемый блок 13 задержки содержит Х элементов задержки 23 иуправляемый коммутатор 24.Решающий блок 15 содержит последовательно соединенные вычитающий блок25, функциональный преобразователь26, блок 27 масштабирования, сумматор 28, второй вычитающий блок 29,интегратор 30, второй Функциональный преобразователь 31, выход которого подключен к второму (неинвертирующему) входу вычитающего блока 29, а второй (неинвертирующий) вход вычитающего блока 25 подключен к выходу интегратора 30, являющемуся выходом блока 15, К второму входу сумматора 28 подключен блок 32 опорного напряжения. Входами решающего блока 15 являются первый (инвертирующий) вход вычитающего блока 25 и управляющий вход блока масштабирования 27.Устройство работает следующим образом.На вход устройства от антенны поступают принятые из эфира радио- импульсные сигналы, излучаемые передатчиком наземной станции ИФРНС в строго определенные моменты времени, засинхронизированные сигналами системы единого времени. На вход устройства из эфира поступают также сигналы помех и отраженные от ионосфе ры радиоимпульсные сигналы, которые могут накладываться на полезные радиоимпульсные сигналы и искажать их. При этом время задержки Т отраженного сигнала по отношению к полезному (поверхностному) зависит от дальности приема 3, причем, чем больше дальность, тем задержка отраженного сигнала меньше и тем большая часть полезного сигнала поражается отраженным сигналом,С входа устройства (фиг. 1) принятые сигналы поступают на вход блока 1 фильтрации. Блок 1, содержащий полосовой 2 и режекторный 3 Фильтры, осуществляет Фильтрацию полезного радиоимпульсного сигнала от помех, После фильтрации полезного радиоимпульсного сигнала от помех осуществляется измерение его временного положения. Измерение временного положения принятого радиоимпульса осуществляется в регистраторе 7 путем измерения временного интервала между стробами, поступающими на его опорный и измерительный входы. На опорный вход регистра 7 строб поступает непосредственно с первого выхода блока 6 Формирования стробов, а на измерительный вход регистратора 7 строб поступает со второго выхо1185 40 да блока 6 через управляемый блокзадержки 13.Формируемые блоком 6 формированиястробов стробы предствляют собойвидеоимпульсы, длительность которых 5значительно меньше длительности перио"да высокочастотного заполнения радиоимпульса. Стробы, формируемые на первом выходе блока 6 формированиястробов и называемые ниже опорными 1 Остробами, совпадают по времени с моментами излучения радиоимпульсныхсигналов наземной станцией ИФРНС,засинхронизированных сигналами системы единого времени. Формирование опор ных стробов осуществляется в блоке6 формирования стробов с помощьювысокостабильного опорного генератора 18, засинхронизированного сигналами системы единого времени, и 20делителя частоты 19, с помощью которого высокая частота следования выходных импульсов опорного генератора 18 (десятки мегагерц) преобразуется в частоту, совпадающую с 25частотой следования радиоимпульсовИФРНС (десятки герц).Стробы, формируемые на второмвыходе блока 6 формирования стробови называемые ниже стробами фазы, 30совпадают. по времени с принимаемымирадиоимпульсами, Формирование стробов фазы осуществляется в блоке 6формирования стробов с помощью высокостабильного опорного генератора 18, засинхронизированного сигналами системы единого времени,управляемого делителя частоты 20и элементов задержки 21 и 22. Спомощью делителя частоты 20 высокая частота следования выходныхимпульсов генератора 18 преобразуется в частоту, совпадающую с частотой следования радиоимпульсовпередающей станции ИФРНС, а также 45обеспечивается смещение временного положения стробов иод действием управляющих сигналов, поступающих на входы делителя частоты 20.С помощью первого элемента за 5держки 21 строб, поступающий с выхода делителя частоты 20, задерживается на время, равное Т/2, а спомощью второго элемента задержки22 строб, поступающий с выхода первого элемента 21, задерживается навремя, равное Т/4, где Т - периодвисок частотного заполненчв радио 283 4импульса (равный, например, 1 О мксдля сигнала ИФРНС ЛОРАН-С с несущей частотой 100 кГц). В результатестроб, формируемый на выходе первого элемента задержки 21, опережаетстроб фазы, формируемый на выходевторого элемента задержки 22, навремя, равное Т/4, а строб, формируемый на выходе делителя частоты20, опережает строб фазы на время,равное (3/4)Т.Чтобы обеспечить точность измерения временного положения радиоимпульса, строб фазы, поступающийна второй выход блока 6 формирования стробов с выхода второго элемента задержки 22, должен быть установлен на определенном месте радиоимпульса. Таким местом служит однаиз точек перехода через нуль напряжения высокочастотного заполнения радиоимпульса.Для повышения точности измерения в предложенном устройствестроб фазы совмещается с переходомчерез нуль в Я -м периоде высокочастотного заполнения радиоимпульса, вкотором соотношение сигнал/шум максимально, а смещение временногоположения перехода через нуль, вызванное искажающим влиянием отражен.ного сигнала, не превосходит допустимого значения д . Подстройкастроба фазы точно под переход черезнуль в М -м периоде высокочастотного заполнения осуществляется спомощью двух следящих систем, а также дополнительной цепи установкиномера М периода высокочастотногозаполнения,Первая следящая система (блоки4, 5, 20-22) осуществляет установку строба фазы точно под переходчерез нуль высокочастотного заполнения радиоимпульса путем изменениявременного положения строба фазыв пределах периода высокочастотногозаполнения. Вторая следящая система(блоки 8-12, 20-22) осуществляет установку строба фазы в й-й периодвысокочастотного заполнения. Лополнительная цепь установки номера Ипериода высокочастотного заполненияосуществляет определение по априорно известной дальности Э номерапериода высокочастотного заполнения,удовлетворяющего отмеченным вьппеусловиям, и управление блоком 9масштабирования и управляемым блоком 13 задержки.Для того, чтобы измерение номера М периода высокочастотного заполнения радиоимпульса, в котором устанавливается строб фазы, не влияло на временное положение строба, поступающего на измерительный вход регистратора 7, задержка 71, вносимая управляемым блоком 13 задержки, изменяется в соответствии с иэменением периода высокочастотного заполнения, выбранного для измерения. Для этого управпяеьпп блок 13 задержки содержит Х последовательно вклю - чецных элементов задержки 23, каждый из которых задерживает строб на время, равное Т, Выводы Х элементов задержки 23, а также вход управляемого блока 13 подключены к (Х + 1) входам управляемого коммутатора 24. Управляемый коммутатор 24 управляется с помощью блока 14 управления таким образом, что задержка ,151 вносимая управляемым блоком 13 задержки, изменяется в зависимости от номера периода высокочастотного заполнения, выбранного для измерения, как с = (Х -М) Т, где Х 3 й.13фНапример , цри М = Х управля емьп 1 к оммутатор 24 подключает вход управля емо го блока 1 3 задержки к е г о выходу (1 = 0 ) , при й = 1 управля емый коммутатор 24 подключает выход ( Х ) - го элемента задержки 2 3 . к выходу уир авля емо г о блока 1 3 задержки.Работа дополнительной цепи установки номера М .периода высокочастотного заполнеция радиоимпульса,. в котором устанавливается строб фазы, происходит следующим оораэом.С помощью блока 17 ввода данных вводится априорно известное приближенное значение дальности 3 (от устройства до передающей станции ИФРНС) в виде ). -разрядного параллельного двоичного кода. С выхода блока 17 ввода данных код дальности поступает на вход блока 16 преобразования сигнала. В блоке 16 преобразования сигнала входной цифровой сигнал, несущий информацию о дальности 3, преобразуется в аналоговые сигцалы в соответствии с.зависимостями . = Р 1 Э)и " ="(Э) где ; - задержка отраженного сигнала по отношению к полезному (поверхностному), у -отношение амплитуд91отраженного и поверхностного сигналов на входе блока 1 фильтрации,Графики зависимостей Т = Г,(р) и;Г= Р(р) представлены соответственно на фиг, 3 а и б.С выхода блока 16 преобразованиясигнала аналоговьс сигналы, содержащие информацию о . и у , поступаюти 1в решающий блок 15, где ца основет ивычисляется значение времениВхпри котором выполняется равенст во где 5(Ф) - относительная огибающаярадиоимпульсного сигнала 20 на выходе блока 1 Фильтрации;йЧ - допустимое смещение временного положения перехода через нуль, вызванное 25искажающим влиянием отраженного сигнала.Вычисленное значение времецилежит в пределах искомого й -гэпериода слежения, т,е. (М)Т(С ( Ю, 30 и дает возможность с помощью блока14 управления определить Ч.Решающий блок 15 работает следующим образом.Аналоговый сигнал, содержащий 35 информацию о Г, поступает цаинвертирующий вход вычитаюпего блока 25, на второй (неицвертирующий)вход которого с выхода интегратора30 поступает аналоговый сигнал, рав ный 1 . С выхода вычитающего блока25 сигнал Я - ь) поступает ца входфункционального преобразовагеля 26,в котором преобразуется к виду 5(С-ь ),С выхода функционального преобра эователя 26 сигнал 5 (С в 7 ) поступает на вход блока 27 масштабирования,на управляющпй вход которого поступает сигнал, содержащий информацию о у . В блоке 27 масштабиро вания осуществляется перемножение. этих сигналов, С выхода блока 27масштабирования сигнал "В 5 С-)поступает на вход сумматора 28, цавторой вход которого с выхода блока32 опорного напряжения поступаетснгнал, моделирующий постоянную20 0 С, С выхода сумматс ра28 сигнал щБ(1-7)дГС уО 2 С поступает на инвертирующий вход вычитающего блока 29, на неинвертирующий вход которого с выхода функционального преобразователя 31 поступает сигнал 5 И , Сигнал 51) у 5 (1-7)-20 ЕФИ с выхода вычитающего блока 29 поступает на вход интегратора 30, Если сигнал на выходе вычитающего блока 29 отличен от нуля, то интегратор 30 осуществляет положительное или отрицательное накопление своего выходного сигнала в зависимости от знака выходного сигнала вычи 5 тающего блока 29, Установившимся состоянием является такое состояние, при котором выходной сигнал вычитающего блока 29 равен нулю в результате чего накопление в интеграторе 30 прекращается, при этом выполняется равенством Я-г ,5,1-7 - -26 Е 1 И=О, т.е. 5(Ц-ув 51-1- =20 еь Ч, где(М)тсыиТ.С выхода решающего блока. 15 ана 25 логовый сигнал, содержащий информацию о времени 1, удовлетворяющему условию (М)Т(ИЯТ поступает на вход блока 14 управления. В блоке 14 управления обеспечивается преобразование входного аналогового сигнала в М-разрядный двоичный код для описанного выше управления задержкой вносимой управляемым блоком 13 задержки и в К-разрядный двоичный код для управления коэффициентом К блока 9 масштабирования.Зависимость, связывающая номер периода И с масштабным коэффициентом Км блока 9 масштабирования, опре делена из зависимости, связывающей отношение (Е/Ес номером периода, где Е 1 и Е 2значения амплитуд высокочастотного заполнения радио- импульса на выходе блока 1 фильтрации в экстремальных точках, при этом Е 1 опережает Е 2 на половину периода, т.е. на Т/2, График зависимости Г.Еот номера Й периода высокочастоте 1ного заполнения, т. е, график ЕЕ Е 1:гг(М) для сигнала ИФРНС ЛОРАН-С в случае, когда полосовой фильтр 2 выполнен в виде четырехконтурного фильтра с полосой пропускания по уровню 0,7 Р 1 = 40 кГц и гарантированным затуханием в полосе задерживания 55 - 30 дБ, представлена на фиг, 4После определения номера й периода высокочастотного заполнения и установки масштабного коэффициента К в блоке 9 масштабирования Г м 13 и управляемом блоке 13 задержки осуществляется подстройка строба Фазы под переход через нуль в заданном М -м периоде высокочастотного заполнения.Подстройка строба фазы происходит следующим образом, Строб фазы с второго выхода блока 6 формирования стробов и связанные с ним стробы, формируемые на третьем и четвертом его выходах, называемые ниже стробами амплитуды (фиг, 56), поступают соответственно на управляющие входы АЦП 4, 8, 12. На сигнальные входы АИП 4, 8, 12 поступают отфильтрованные от помех радиоимпульсы с выхода блока 1 Фильтрации (фиг. 5 а), При поступлекии строба фазы на управляющий вход первого АЦП 4 он осуществляет преобразование в цифровой код напряжения Е высокочастотного заполнения радиоимпульса, соответствующего времени поступления строба фазы (например, 1= Е как показано на фиг. 5 а). Сигнал с выхода первого АЦП 4 поступает на вход первого блока 5 накопления, вызывая изменение его выходного сигнала, Сигнал с выхода первого блока 5 накопления поступает на первый управляющий вход блока б Формиро" вания стробов, т,е, на первый управляющий вход делителя частоты 20, Под действием управляющего сигнала, поступающего на первый управляющий вход делителя частоты 20, его коэфФициент деления изменяется, изменяя тем самым в пределах. периода высокочастотного заполнения временное положение строба Фазы и связанных с ним стробов амплитуды. Направление смещения стробов зависит от знака Е, например, при Е0 осуществляется приближение стробов к началу импульса, а при Е 4 0 - удаление от него. Изменение временного положения стро. бов заканчивается, когда строб Фазы будет совмещен с точкой перехода высокочастотного заполнения радио- импульса через нуль. Тогда сигнал Е Фпреобразуемый первый А 1 Д 4, станет равным нулю ( Еф = .1.ф наИ Фиг. 5 а), в результате чего прекра- тится накопление сигнала на выходе первого блока 5 накопления. При этом временное положение стробов амппиту 1185283 10ды, формируемых на третьем и четвертом выходах блока 6 формирования стробов, будет ".очно соответствовать экстремальным точкам высокочастотного заполнения радиоимпульса, опережающим точку перехода через нуль соответственно на Т/4 и (3/4)Т (фиг, 5 в). Сигналы, соответствующие напряжениям Е 1 и Е 2 в экстремальных точках высокочастотного заполнениярадиоимпульса, отстоящих от стробафазы соответственно на (3/4)Т иТ/4, выделяются соответственно навыходах второго и третьего АЦП8 и 12 при поступлении на их управляющие входы стробов амплитуды счетвертого и третьего выходов блока 6 Формирования стробов.Сигналы Е 1 и Е 2 используются дляустановки строб: Фазы в заданный(11 =8,1 ) период вь;сокочастотногозаполнения. При этом принимаетсяво внимание то, что для каждогопериода высокочастотного заполненияотношение 52(Цимеет свое определенное значение, однозначно определяющее период высокочастотного заполнения (Фиг, 4).В предложенном устройстве номерзаданного периода высокочастотногозаполнения радиоимпульса (М = Мзс ).в котором должен устанавливатьсястроб Фазы, задан с помощью масштабного коэффициента К в блоке9 масштабирования, значение которого К= К установлено поддействием управляющего сигнала,поступившего с выхода блока 14 управления, как было описано выше, причемм=Казх=1 гЮ 1 з =" (-)В блоке 9 масштабирования входнойсигнал Е 2, поступающий с выхода второго АЦП 8, преобразуется к виду 1 Кммд - Е 2. С выхода блока 9 масштабирования сигналфЗбД 2поступает на первый вход блока 10вычитания, на второй вход которогопоступает сигнал Е 1 с выхода третьегоАЦП 2. С выхода б.ока 10 вычитанияразнбстный сигнал 11 А з 1 Я 2поступает на вход второго блока накопления .11, вызывая положительное или отрицательное накопление его выходногосигнала в зависимости от знака разностного сигнала с выхода блока 10вычитания. Выходной сигнал второгоблока 11 накопления поступает навторой вход блока 6 Формирования стробов. В соответствии с изменением выходного сигнала второго блока11 накопления в блоке 6 Формированиястробов осуществляется изменениевременного положения формируемыхстробов дискретными значениями, равными периоду высокочастотного заполнения радиоимпульса, в результате 10чего осуществляется дискретное смещение стробов в направлении заданного периода высокочастотного заполнения. Дискретное изменение временного положения стробов заканчивается, когда строб фазы будет совмещенс точкой перехода через нуль в(М- Я)-м периоде высокочастотного заполнения радиоимпульса. Тогдаразностный сигнал на выходе блока10 вычитания станет равным нулю,т.е, Е /м а,., Е 2=О, в результате чего прекратится накопление сиг-нала на выходе второго блока 11 накопления. При этом временное положениестробов, формируемых на втором,третьем и четвертом выходах блока6 Формирования стробов для случаяй= 4, будет таким, как показанона .иг. 5 г.30После совмещения строба фазыс точкой перехода через нуль в заданном периоде высокочастотногозаполнения, в котором соотношениссигнал/шум максимально, а смещениевременного положения перехода через 35нуль вызванное искажающим влияниемотраженного сигнала, не превосходитдопустимого значения а , осуществляется измерение временного положения радиоимпульса путем измерениявременного интервала между стробомФазы, поступающим на измерительныйвход регистратора 7 с второго выхода блока 6 через управляемыйблок 13 задержки, и опорным стробом, 45поступающим на опорный вход регистра:тора 7 непосредственно с выхода блока 6 Формирования строба, При этом. поскольку измерение происходит примаксимально возможном соотношении. сигнал/шум, точность измерения повышается.При изменении местоположения ус г ройства изменяются параметры. отраженного сигнала, например, задержкаотраженного сигнала может увеличиваться. В соответствии с изменением дальности Я н предлагаемом уст.ройстве строб Фазы устанавливаетсяв новый период высокочастотного заполнения, в котором смещение временного положения перехода через нуль, вызванное искажающим влиянием отраженного сигнала, не превосходит допустимого значения й Ч, а отноше- ние сигнал/шум максимально. После отработки следящих систем и установления строба фазы в новый, например М= 6 (фиг, 5 д), более поздний период высокочастотного заполнения, происходит измерение временного положения импульса в регистраторе 7 путем измерения временного интервала между стробами фазы (с учетом измененного номера периода) и опорным стробом. При этом, поскольку соотношение сигнал/шум увеличивается, точность измерения возрастает,Таким образом, изменение номера периода высокочастотного заполнения в котором устанавливается строб фазы в зависимости от дальности, позволяет при заданной ошибке измерения из-за воздействия отраженного сигнала проводить измерения при максимально возможном соотношении сигнал/ шум, что увеличивает, по сравнению с прототипом, точность измерения временного положения радиоимпульса в условиях воздействия шумов и отраженного от ионосферы сигнала.Таким образом, в прототипе (базовом объекте) для того, чтобы уменьшить ошибки измерения, вызванные влиянием отраженного сигнала, строб фазы устанавливается в заведомо ранний период высокочастотного заполнения радиоимпульса. При этом возрастают ошибки измерения, вызванные снижением соотношения сигнал/шум при переходе на более ранний период высокочастотного заполнения. Впредложенном устройстве обеспечивается уменьшение ошибок, связанныхкак с влиянием отраженного сигнала,так и с уменьшением соотношениясигнал/шум, характерными для прототипа в результате неоптимальноговыбора периода высокочастотного 1 О заполнения для установки стробафазы. В предложенном устройстве стробфазъ устанавливается в такой периодвысокочастотного заполнения радиоимпульса, в котором соотношениесигнал/шум максимально, а смещениевременного положения перехода черезнуль, вызванное отраженным сигналомне превышает допустимой величины.Это позволяет в неблагоприятныхусловиях приема, когда запаздываниеотраженного сигнала мало, устанавливать строб фазы в более ранний пе. риод высокочастотного заполнения,а при благоприятных условиях - вболее поздний, что позволяет производить измерения при увеличенномсоотношении сигнал/шум. При этомошибки измерения, по сравнению спрототипом, уменьшаются. Так, в условиях эксперимента среднеквадратические ошибки измерения временногоположения сигнала ИФРНС ЛОРАН-С0,13 мкс для предлагаемого устройства и 0,2 мкс для прототипа,т.ев 1,5 раза меньшеУменьшение среднеквадратической ошибки измерения впредложенном устройстве позволяет 40повысить точность навигационныхизмерений, осуществляемых в условияхвоздействия шумов и отраженных отионосферы радиоимпульсов.1