Цифровое устройство для измерения фазы сигнала

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК оцуп 601 К 2 РЕТЕ А хнический иннч-Бруевича горитм циф- лектросвязь ЛЯ ИЗМЕиспользовано ационных сисЦелью иэобреГОСУДАРСТВННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИ КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Ленинградский электротститут связи им.проф.М,А.БоР 2) Е.А.Родин и Л.А.Яковлев(54) ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВРЕНИЯ ФАЗЫ СИГНАЛА(57) Изобретение может бытьв технике связи, радионавигтемах, физических приборах. ссп Жсссс 1679405 А 1 тения является повышение точности измерения фазы и упрощение с 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.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 Ьп =(3 пвсТ) 3 п (и+ 1)вс Т; п = 0,1,МИ, (2) соответствующей передаточной функциирекурсивного цифрового фильтра Н(г) =(1+ Ьг 1+г 2)1,(3) где Ь = 2 соз всТ - коэффициент,Алгоритм работы такого фильтра описывается рекуррентным выражением Я (ПТ) =,дс 3 п (всТ+ ф)и = 0, 1, 2,. , М, (1) где вс - угловая частота сигнала;р- начальная фаза;Т - период дискретизации,обеспечивается цифровой согласованной фильтрацией сигнала, осуществляемой в цифровом фильтре с импульсной характери. стикой: уп = хп-Ьуо-уп-г; и = 0,1й, ( 4)где хп и уп - отсчеты соответственно входного и выходного сигналов, причем уп = 0 при 5 п 0.При цифровом измерении фаз должновыполняться соотношениеЮф с (5) 10где 1 с - частота сигнала;- частота дискретизации;1, Й - целые и2 тсКоэффициенты импульсной характери стики (2) имеют нулевое значение при иМ; Ьд=О.Это обстоятельство делает идентичными частотные характеристики фильтра в момент времени МТ - й и МТТ201 Н(е,и)1 =(А (вТ,п)+ В (вТ,п)2, (6)игде А(вТ, п) = Ь зи вТ; В(вТ, и)==оОтсчеты у, и у. выходного сигнала, вы 30 деленные в моменты стационарного режима МТ - Т и йТТ, являются отсчетамисинусоидального колебания и могут быть использованы для вычисления фазы,Показано, что ф = агс 19 ,С - -03(7),Ум 35 ум где С = соз всТ и 0 =ад всТ - постоянные.Процедура измерения фазы синусоидального сигнала включает в себя алго-.ритм цифровой фильтрации (4) и алгоритм40 вычисления фазы (7). Упрощение этих алгоритмов возможно при частоте дискретизации входного сигнала 1 д =41 с. В этомслучае всТ = к/2, Ь = О, С = 1, О = О, аалгоритм измерения фазы получает вид45уп=хп - уп; и=0,1,2, й(8)ф= дгс 19уч причем уп = 0 при и.О,50 Выполнение соотношения (5) позволяетиметь в моменты МТ-Т и ИТ - 2 Т идентичныечастотные характеристики цифрового фильтра (установившийся режим работы), благодаря чему отсчеты сигнала на выходе Цф в55 эти моменты времени будут являться отсчетами синусоидального колебания. Действительно, при (5) коэффициент импульснойхарактеристики (2) Ьн ,= О, поэтомуН (ефим, М - 1) = Н (е" , й - 2),1679405 сдвига и сложения При выполнении (5) 10 15 нимается равной учетверенной частоте синусоидального колебания Г = 41, поэтоЪ = ой =4 с/й 25 С 9 Р ов,Т ч= 0,1,2,.,й - 1,Цифровое устройство для измерения фазы сигнала работает следующим обра зом.Смесь синусоидального сигнала и помехи через полосовой фильтр 1 полосовой прозрачности Ь, определяемой частотой дискретизации 1 д входного сигнала х(т) = 40 = ас.з 3 п(вст + р), подается на преобразователь 2 напряжение - код, с выхода которого последовательность отсчетов дискретизированного входного сигнала хл = = абазп(впТ + р) в цифровой форме посту пает 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 50 йТ. 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 55 входного сигнала и сигнала с инверсного выхода второго регистра 5, Вычислитель 6 фазы определяет значение фазы Р, используя отсчеты выходного сигнала цифрового импульса соответматоре. Использов схеме Волдера М прибли, т.е, вы ислительная ош не превысит ве ап жени чины что следует из (6). Отсчеты сигнала на выходе Цф в моменты времени йТ - Т и йТ - 2 Т сдвинуты относительно входного сигнала на угол, который определяется из фаэочастотной характеристики фильтра 9(вТ, п) = агсщА вТ,пВ (вТ,п)Р(в Т, й - 1)=0(в,т, й - 2) = = в Т,л где искомые отсчеты выходного сигналаможно представить в видеуи- - ав зп(у) - р,уи= ас "зп(р - у - жТ),Преобразуем последнее выражение уи-(созвсТ)ун -- (зпв,Т) ад соз(р-,отсюда согласованного фильтра в момент окончания выделения синусоидального сигнала. Вычисление фазы производится по алгоритму Волдера с помощью простых операций 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 й отсчетов. Частота дискретизацииЯ входного сигнала в устройстве приму отсчеты оценок фазы р на выходе устройства при поточной обработке сигналапоявляются с интервалом, равным йЛд, т.е,с частотой При таком соотношении частот дискретизации входного и выходного сигналов обеспечивается некоррелированность результатов измерения фазы.В изобретении алгоритм работы цифрового фильтра имеет видуд хп уои где у = у(пТ), х = х(пТ),и реализуется схемой, содержащей сумматор и два регистра. Цифровая фильтрация осуществляется при подаче серии 01 импульсов дискретизации с частотой 1. одновременно на входы синхронизации ИС регистров 4 и 5, а серии 02 импульсов с частотой 1 ду - на входы сброса этих ИС (временная диаграмма работы цифрового фильтра показана на фиг. 2). Правильность работы цифрового фильтра обеспечивается заданием длительности ти импульсов дискретизации, удовлетворяющим соотношению ург С%(трг+ тсм,где трг игсм - задержкиственно в регистре и сумвание серии 01 и 02аналогично,Моментом окончания выделения синусоидального сигнала при каждом измерении фазы можно считать задний фронтчисление фазы при достаточно большом М может быть произведено практически точно. В отсутствие операций умножения в цифровом фильтре инструментальная погрешность измерения фазы связана с квантованием входного сигнала, при этом практическая наибольшая ошибка измерения фазы8 И 6, -2 Ц-9-1 Ч где д - разрядность числовой части отсчетавходного сигнала,Например, при 1 = 15, о = 12, й = 60 наибольшая инструментальная погрешностьравна - - 2 и становится по величине1, -14одного порядка с наибольшей ошибкой,обусловленно 1 й входной помехой, лищь принаиб.ах = 2 . Квантование результатов- 1умножения дает еще большую ошибку-9+1ГЗГ, ., -94 наиб,умн, = 2 1 24 наиб.умн, 2Неизбежное при этом квантование коэффициента Ь приводит к смещению частотной характеристики фильтра, что является дополнительным источником погрешности измерения фазы.Вычислитель 6 фазы осуществляет прехобразование вида агсщ - по алгоритмуУВолдера.Блок 7 управления содержит генератор серии импульсов 01 (фиг. 3), следующих с частотой 1, С помощью этой серии генерируется и серия 02, импульсы которой снимаются с выхода двоичного счетчика с коэффициентом пересчета, равным й. Сумматор 3, регистры 4 и 5 - параллельного типа, могут быть выполнены так же, как и блоки на ИС серий К 155, К 133, К 555,Таким образом, исключение операцийумнОжения 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. ф ар мула и зоб рете н ия Цифровое устройство для измеренияфазы сигнала, содержащее цифровой фильтр 15 и вычислитель фазы, выход которого является 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 суммато ра и первого и второго регистров,соединенных последовательно, выход второго регистра соединен с вторым входом сумматора, а выходы первого и второго регистров являются, соответственно, пер вым и вторым выходами цифрового фильтра, ,причем первый выход блока управления соединен с преобразователем напряжение - код, первыми управляющими входами соответственно первого, вто рого регистров и вычислителя фазы,второй выход которого соединен с вторыми обнуляющими входами соответственно первого, второго регистров и вычислителя фазы, вход полосового филь тра.соединен с клеммой "Вход", а выходпреобразователя напряжение - код - с входом цифрового фильтра.роизводственно-издательский юмбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Заказ 3211 ВНИИПИ Г Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5