Способ оптимального измерения фазы радиосигнала и устройство для его осуществления

(5 4 С 01 К 2 ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 56) Авто177976,Пестря ческие сидио, 1968 рис,6,6,2 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт электродинамики АН УССи Киевский политехнический институтим. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(53) 621.317.373 (088,8) ское свидетельство СССР кл. С 01 Р 25/00, 1965ов В,Б. Фазовые радиотехнитемы, - М.; Советское рас.397, рис.б,8.1, с.380,(54) СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯФАЗЫ РАДИОСИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к областиизмерительной техники, Способ оптимального измерения фазы радиосигналареализован в устройстве, содержащемприемник 1, сумматоры 2, 3, узкополосный фильтр (УПФ) 4 с управляемымреактивным элементом 5, перемножители 6-10, генератор 11 опорного напряжения (ГОН), квадратурные фазовращатели 12, 13, фильтр 14 нижних частот,делители 1516 частоты, автоматический переключатель 17, микроЭВМ 18,генератор 19 тактовых импульсов, циф- сровой йндикатор 20, аналого-цифровой1386939 преобразователь 21, цифроаналоговыйпреобразователь 22, мультиплексор 23.Принятый радиосигнал фильтруют УПФ 4,перемножают отфильтрованный сигнал сквадратурными сигналами ГОН 11, квадратурные сигналы ГОН 11 дополнительноперемножают с квадратурными сигналаминизкой частоты, которую выбирают равной половине полосы пропускания УПФ4, суммируют перемноженные сигналы,пропускают сдвинутый по частоте сигнал через УПФ 4, дополнительно перемножают выходные сигналы УПФ 4 со Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазы радиосигнала при высокой уровне помех и шумов5в радионавигационных и радиогеодеэических дальномерных системах, а такжев системах передачи информации Фазовыми методами,Цель изобретения - повышение точности измерения фазы сигнала при наличии интенсивных гармонических ишумовых помех,На чертеже приведена функциональная схема устройства для оптимального измерения фазы радиосигнала, реализующего способ,Устройство содержит приемник 1,сумматоры 2 и 3, узкополосный фильтр4 с управляемым реактивным элементом 205, перемножители 6-10 и генератор 11опорного напряжения, квадратурные фа,зовращатели 12 и 13, фильтр 14 нижнихчастот, первый 15 и второй 16 делители частоты, автоматический переключатель 17, микроЭВМ 18 с генератором19 тактовых импульсов и цифровым индикатором 20, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21, цифроаналоговыйпреобразователь (ЦАП) 22 и мультиплексор 23 с тремя входами.Одни входы перемножителей 6-8 соединены с выходом Фильтра 4, вход которого через сумматор 2 соединен свыходом приемника 1. Другие входыперемножителей 7 и 8 соединены соответственно с выходом генератора 11опорного напряжения непосредственно сдвинутым по частоте сигналом и выделяют постоянную сставляющую напряжения, сравнивают получаемые постоянныесоставляющие и разностным напряжениемрегулируют центральную частоту частотной характеристики УПФ 4, определяют фазы радиосигнала по арктангенсуотношения постоянных напряжений вмомент равенства сравниваемых постоянных напряжений, Повышается точностьизмерения фазы сигнала при наличииинтенсивных гармонических и шумовыхпомех, 2 с,п, Ф-лы, 1 ил. и через квадратурный фазовращатель12, Одни входы перемножителей 9 и 10соединены соответственно с выходомгенератора 11 опорного напряжения непосредственно и через квадратурныйфазовращатель 12, Другие входы перемножителей 9 и 10 соединены соответственно с выходами автоматическогопереключателя 17, противоположныевходы которого соединены между собойи соответственно с выходом фильтра14 нижних частот непосредственно ичерез квадратурный фазовращатель 13Управляющий вход автоматического пе-.реключателя 17 через второй делитель16 частоты соединен с входом фильтра14 нижних частот и выходом первогоделителя 15 частоты, вход которогосоединен с генератором 19 тактовыхимпульсов, Выходы перемножителей 9и 10 соединены с входами сумматора 3,выход которого соединен с другим входом перемножителя 6 и другим входомсумматора 2. Выходы перемножителей6-8 соединены с входами мультиплексора 23, выход которого через АЦЛ 21 иинтерфейс ввода подключен к шине данных микроЭВМ 18, которая через интерФейс вывода и ЦАП 22 соединена с управляющим входом управляемого реактивного элемента 5, соединенного с узкополосным Фильтром 4.Сущность способа заключается в следующем.Радиосигнал Б=Бсояи+Ч у принятый в смеси с помехой, фильтруют узкополосным Фильтром с центральной1386939 з116) 5 14 Е п 3 Д2агде 1 - время усреднения после замещения низкочастотных сигналов.Для выделения постоянных составляющих напряжения П и У, из спектровперемноженных сигналов ПП,4 и П, Усодержащих наряду с постояиной составляющей и гармоническую составляющую напряжения низкой частоты О; сигналы У и Ц замещают один другим спериодом, кратным периоду низкочастотных сигналов152 в1Т= с+г. =2 п ( - )р фгде п=1,2,3 - целые числа,В этом случае за время усредненияи 1 постоянная составляющая отнизкочастотной гармонической помехиравна нулю, выделяется постояннаясоставляющая от произведения одночастотных сигналов 010 Пз и П,Ре Далеесравнивают постоянные составляющиеперемноженных сигналов П и П,б и определяют знак и значение разностногонапряжения,Если фильтр не согласован с сигналом, т.е, расстрОен относительно;несущей частоты сигнала (иФО,), то ослабления и абсолютные значения фазовых сдвигов, вносимых фильтром в смещенные по частоте сигналы П,и Пнеодинаковы (К,ФК,;ср,/ Ф 1 Ч,)В Результате сравнения напряжений П иП,в образуется разностное напряжениеП, =(К,сощ, -К созе,) (П,У,.). Величина и полярность разностного напряжения П,г, зависят от расстроек фильтра40по сигналам со смещенными частотамии-й и я+Я так как К, и К, а такжесоя у, и соя р, функционально зависятот расстроек 3, и 1 в.Разностным напряжением П регулич45руют частотную характеристику фильтра, например, изменением реактивностиконтура в направлении уравнения ослаблений и косинусов фазовых сдвиговсмещенных по частоте сигналов П, иП, . При этом изменяется и центральная50частота. фильтра я . При совпадениицентральной частоты фильтра с частотой сигнала (я,=И) расстройки по сигналам Ц, и П,ястановятся одинаковымипо абсолютной величине 55 Ы,+о оо я.+ воПри этом ослабления и косинусы фа"зовых сдвигов, вносимых согласованным фильтром (Я=(4) в сигналы смещенных частотса - й ию +Я, становятся одинаковыми, Поэтому сравниваемые постоянные напряжения П,1 и У, уравниваются(К,соя,=К сояр,), и разностное напряжение У,7 обращается в нуль (П,=О),В момент равенства сравниваемых напряжений (Я,=и) в сигнале У исчезает2фазовый сдвиг от расстройки фильтра(,(9)=0. В этом состоянии постоянныесоставляющие произведений отфильтрованного сигнала П с квадратурнымисигналами П и П становятся равными1 ( 1П =- П Ц =- П П ОГ +1 в , а э г в тпз 1.0о12аП =П П = - Ц П созыв+14ь чо21=-З, П яп,Тгде г, =т=2 - время усреднения,Отношение постоянных составляющих становится пропорциональным фазе ра- диосигнала П,о = - ( ).ПнПвНепосредственно фазу радиосигнала определяют по арктангенсу этого отношения (с)=агсСц П . Произведения смещенных по частоте сигналов П, ипрошедших через фильтр, с квадратурными опорными сигналами Уз и Н дают низкочастотный сигнал смещения частоты й, Благодаря выбору времени усреднения , и 1 , кратного периоду низкочастотных сигналов С и П , низкочастотная помеха автоматически подавляется и не влияет на результат сравнения.При несогласованном фильтре (Я,Ф ФЯ) вносимый фазовый сдвиг следующий С (Ъ) =агсТд Я( -- ) .Яоо ЯоРезультат измерения в этом случаесодержит погрешностьгде аЯ - абсолютная расстройка узкополосного Фильтра.Если. частота радиосигнала=10 МГц, эквивалентная добротностьФильтра Ц=10, а относительная расстройка Ьи/И,=0,017, то погрешностьопределяется следующим образом103аагсср 10 = агср 0,1 Ф+610 ф 10Следовательно, даже весьма малая расстройка (0,017) вызывает большую погрешность измерения.Устройство для оптимального измерения фазы радиосигнала работает сле дующим образом.Радиосигнал Ь, частотой Я и Фазой( с приемника 1 через сумматор 2поступает на узкополосный фильтр 4,частотная характеристика которого регулируется управляемым реактивнымэлементом 5, Выходной отфильтрованныйсигнал Н воздействует на одни входыперемножителей 6-8, из которых перемножители 7 и 8 основные, а перемножитель 6 дополнительный, На другиевходы основных перемножителей 7 и 8поступает синфазный сигнал Б генератора 11 опорного напряжения непосредственно, а квадратурный,сигнал Бчерез фазовращатель 12.Одновременно квадратурные сигналы0 и Ц поступают на одни входы дополнительных перемножителей 9 и 10,на другие входы которых через автоматический переключатель 17 поступаетнизкочастотный синфазный сигнал Цчастоты д с выхода фильтра 14 нижнихчастот непосредственно и квадратурныйнизкочастотный сигнал Б через фазовращатель 13.40Низкочастотный сигнал с частотой,примерно равной половине полосы пропускания Фильтра 4, Формируется делением частоты следования .тактовых импульсов генератора 19 первым триггер 45ным делителем 15 частоты с выделениемпервой гармоники из низкочастотногопрямоугольного напряжения Фильтром14 нижних частот,Выходные сигналы геремножителей 509 и 10 суммируются в сумматоре 3,образуя смещенный по частоте сигнал,Выходной сигнал сумматора 3 Б , смещенный по частоте внизу-й на половину полосы пропускания Фильтра 4, поступает через сумматор 2 на вход этогофильтра, Выходные сигналы фильтра 4(основной Н и смещенный по частоте Б, ) воздействуют на входы перемножителей 6-8.В перемножителе 6 за счет перемножения сигналов смещенной частоты 0и Б образуется постоянная составляющая напряжения, пропорциональная ослаблению и косинусу Фазового сдвига,вносимого фильтром 4 на разностнайчастоте, Постоянная составляющая напряжения с помощью АЦП 21 интегрального типа выделяется из спектра перемноженных сигналов и преобразуется вкод. Подключение АЦП 21 к выходу перемнакителя 6 осуществляется с помощью мультиплексора 23, управляемогокомандами от микроЭВМ 18,При замещении низкочастотных квадратурных сигналов Н и П автоматическим переключателем 17 на выходесумматора 3 формируется сигнал 01,смещенный по частотеа+Я вверх наполовину полосы пропускания фильтра4, На выходе перемножителя 6 образу -ется постоянная составляющая, пропорциональная ослаблению и косинусу фазового сдвига, вносимого Фильтром 4на суммарной частотеЯ +й. Постояннаясоставляющая выделяется и кодируетсяАЦП 21,Период замещения низкочастотныхквадратурных сигналов частоты й задается прямоугольным напряжением свыхода второго триггерного делителя16 частоты. Коэффициент деления иделителя 16 выбирается равным 8-32(п=2-2 ), что обеспечивает требуемуюкратность с периодом квадратурныхсигналов и эффективное подавлениенизкочастотной помехи с частотойна выходе перемножителя 6.Сравнение постоянных составляющихосуществляется в процессоре микроЭВМ18 по программе, записанной в ее ПЗУ.В результате сравнения образуется управляющий сигнал, который через ЦАП22 воздействует на управляемый элемент 5 фильтра 4. После каждого шагаизменения частоты настройки Фильтра4 производится повторное сравнение ивыработка управляющего воздействия,При достижении равенства сравниваемыхнапряжений мультиплексор 23 подключа"ет АЦП 21 к выходу перемножителя 7,На выходе перемножителя 7 в результате перемножения отфильтрованного радиосигнала Н с опорным синфазным напряжением 0 образуется постоянная составляющая, пропорциональнаясову, Низкочастотная помеха с частотой 0 от произведения смещенногопо частоте сигнала Уо с опорным Пподавляется в АЦП 21 интегральноготипа, Выходной код АЦП, пропорцио"нальный сояС), поступает в микроЗВМ, где и запоминается.Аналогичным образом постояннаясоставляющая с выхода перемножителя 108, пропорциональная з 1 п, с помощью мультиплексора 23 выделяется,кодируется в АЦП 21 и запоминаетсяв микроЭВМ. В процессоре микроЭВМ вычисляется значение текущей фазы радиосигнала Ц(Г.), которое отображаетсяна цифровом индикаторе 20, Отсчеты фазыпроизводятся в моменты равенства сравниваемых напряжений при периодическихизменениях направления смещения частоты.щВ предложенном способе погрешностьЬу от расстройки фильтра уменьшаетсяза счет возможности автоматическойперестройки его частотной характеристики по результатам сравнения амплитуд сдвинутых по частоте сигналов,таким образом, достигаются повышениеточности измерения фазы радиосигналаза счет уменьшения влияния знакопеременного фазового сдвига от расст 1 ойки фильтра при любом значении измеоряемого Фазового сдвига (0-180 ), атакже минимизация диспереии фазы засчет автоматического согласованиячастотной характеристики фильтра(центральной частоты фильтра) с несущей частотой радиосигнала,Формула изобретения 1, Способ оптимального измерения фазы радиосигнала, заключающийся в предварительной Фильтрации принятого радиосигнала узкополосным фильтром, перемножении отфильтрованного сигна 45 ла с квадратурными сигналами генеоатора опорного напряжения, выделении постоянных составляющих напряжений из перемноженных сигналов и определении фазы радиосигнала по арктангенсу отношения этих напряжений, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности при наличии интенсивных гармоническихи шумовых помех, квадратурные сигналы генератора опорного напряжения дополнительно пере" 55 множают с квадратурными сигналами низкой частоты, которую выбирают рав 1 пой половине полосы пропускания Фильтра, суммируют перемноженные сигналы, пропускают сдвинутый по частоте сигнал через Фильтр, дополнительно перемножают выходные сигналы Фильтра со сдвинутым по частоте сигналом и выде,ляют постоянную составляющую напряжения, при этом низкочастотные сигналы периодически замещают один другим с периодом замещения, кратным периоду низкочастотных сигналов, сравнивают получаемые при перемножении сигналовпостоянные составляющие и разностным напряжением регулируют центральную частоту частотной характеристики Фильтра в направлении уравнивания сравниваемых постоянных составляющих напряжения, а измерение фазы радиосигнала производят в момент равенства сравниваемых постоянных напряжений,2. Устройство для оптимального измерения Фазы радиосигнала, содержащее приемник, узкополосный фильтр, генератор опорного напряжения, квадратурный фазовращатель и два пере- множителя, одни входы которых соединены с выходом Фильтра, другие входы соединены соответственно с выходом генератора опорного напряжения непосредственно и через квадратурный фазовращатель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности йри наличии интенсивных гармонических и шумовых помех, в него введены автоматический переключатель, противоположные входы которого соединены между собой, Фильтр нижних частот, второй квадратурный фазовращатель, два делителя частоты, два сумматора, микро- ЭВМ с генератором тактовых импульсов и цифровым индикатором, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, мультиплексор, управляемый реактивный элемент и три дополнительных перемножителя, при этом одни входы первого и второго перемножителей соединены соответственно с выходом генератора опорного напряжения непосредственно и через квадратурный фазовращатель, другие входы - с выходами автоматического переключателя, входы соединены соответственно с выходом фильтра нижних частот непосредственно и через второй квадратурный фазовращатель, выход первого делителя частоты соединен с входом Фильтра нижних частот, а управляющий вход автоматического переключателя через второй делитель частоты соеди12 1386939 Составитель М,КатановаТехред Л. Сердюкова Корректор О,Кравцова РЕдактор В,Данко Заказ 1493/45 Тираж 772 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 неИ с выходом первого делителя частоты, входом соединенного с генератором тактовых импульсов микроЭВМ, выходы первого и второго дополнительных пе 5 ремножителей соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с одним из входов третьего дополнительного перемножителя, другой вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, между входом которого и выходом приемника включен второй сумматор, другой вход которогосоединен с выходом первого сумматора,выходы основных и третьего дополнительного перемножителей соединеныс входами мультиплексора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с шиной данных микроЭВМ, которая через цифроаналоговыйпреобразователь соединена с входомуправляемого реактивного элементаузкополосного фильтра.