RU2700334C1 - Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios - Google Patents
Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios Download PDFInfo
- Publication number
- RU2700334C1 RU2700334C1 RU2018145901A RU2018145901A RU2700334C1 RU 2700334 C1 RU2700334 C1 RU 2700334C1 RU 2018145901 A RU2018145901 A RU 2018145901A RU 2018145901 A RU2018145901 A RU 2018145901A RU 2700334 C1 RU2700334 C1 RU 2700334C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- frequency
- signal
- phase difference
- paths
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R25/00—Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Abstract
Description
Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения разности фаз гармонических сигналов на выходах различных линейных физических трактов с конечной полосой пропускания и квазибелыми шумами, например, при измерениях фазочастотных характеристик трактов различных радиоэлектронных устройств и систем, неразрушающем контроле и измерениях свойств материалов, других прикладных областях, использующих фазовые измерения с гетеродинированием сигналов на промежуточную частоту, в условиях, когда на входы исследуемых трактов поступает от некоторого источника измерительный гармонический сигнал, являющийся одним из сигналов заданного конечного множества измерительных сигналов, попадающих в полосу пропускания исследуемых трактов, с априорно неизвестными в месте проведения измерений частотами, известно только, что частоты измерительных сигналов, составляющих упомянутое множество, кратны промежуточной частоте преобразования.The alleged invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure the phase difference of harmonic signals at the outputs of various linear physical paths with finite passband and quasi-white noise, for example, when measuring the phase-frequency characteristics of the paths of various electronic devices and systems, non-destructive testing and measuring the properties of materials , other application areas using phase measurements with heterodyning of signals at an intermediate frequency, in the condition ia, when the measuring harmonic signal arrives at the inputs of the studied paths from some source, which is one of the signals of a given finite set of measuring signals falling into the passband of the studied paths, with frequencies a priori unknown at the place of measurement, it is only known that the frequencies of the measuring signals constituting said set are multiples of the intermediate conversion frequency.
Для измерения разности фаз гармонических сигналов разработано достаточно много способов. Наиболее распространенными из них являются: способ преобразования интервала времени в напряжение [1], цифровой способ подсчета количества импульсов (способ дискретного счета) [2-4], способ измерения разности фаз с преобразованием частоты [1, 2], корреляционные способы измерения [1, 2, 5], способ преобразования Фурье [2, 6-8], подгонка под синусоидальный сигнал по способу наименьших квадратов [9].A number of methods have been developed to measure the phase difference of harmonic signals. The most common of them are: a method of converting a time interval into a voltage [1], a digital method of counting the number of pulses (discrete counting method) [2-4], a method of measuring the phase difference with frequency conversion [1, 2], correlation methods of measurement [1 , 2, 5], the Fourier transform method [2, 6-8], fitting to a sinusoidal signal using the least squares method [9].
Точность измерения разности фаз с применением указанных способов существенно зависит от отношения сигнал/шум на выходах исследуемых трактов. Высокая точность измерения (абсолютная погрешность на уровне 0.1 градуса) обеспечивается в этих способах только при отношениях сигнал/шум в исследуемых трактах не менее 50-60 дБ [10, 11]. При отношениях сигнал/шум менее 30 дБ точность измерения разности фаз становится уже недопустимо низкой для большинства практических приложений.The accuracy of measuring the phase difference using these methods depends significantly on the signal-to-noise ratio at the outputs of the studied paths. High measurement accuracy (absolute error at the level of 0.1 degrees) is provided in these methods only with signal-to-noise ratios in the studied paths of at least 50-60 dB [10, 11]. With signal-to-noise ratios of less than 30 dB, the accuracy of the phase difference measurement is already unacceptably low for most practical applications.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков и технической сути (прототипом) является комбинированный способ [12] измерения разности фаз гармонических сигналов, объединяющий способы измерения разности фаз с преобразованием частоты и дискретного счета, заключающийся в измерении с некоторой инструментальной погрешностью на выходе одного из исследуемых трактов частоты переданного измерительного сигнала, в определении и задании частоты ƒг сигнала гетеродина, в переносе с использованием этого гетеродина выходных сигналов x(t), у(t) исследуемых трактов на промежуточную частоту ƒпр и получением соответствующих гармонических сигналов X(t), Y(t), в измерении искомой разности фаз Δϕизм путем подсчета количества импульсов известной высокой частоты ƒог от местного опорного генератора на периоде колебаний промежуточной частоты и временном интервале между соответствующими переходами через нулевой уровень гармонических сигналов X(t), Y(t) промежуточной частоты, в отображении измеренной разности фаз Δϕизм и частоты в удобном для дальнейшего использования виде.The closest to the claimed method in terms of features and technical essence (prototype) is a combined method [12] for measuring the phase difference of harmonic signals, combining methods of measuring the phase difference with frequency conversion and discrete counting, consisting in measuring with some instrumental error at the output of one of the studied frequency paths of the transmitted measuring signal, in determining and setting the frequency ƒ g of the local oscillator signal, transferring the output signals x (t), y (t) of the studied paths to the intermediate frequency ƒ pr and using the given local oscillator, and obtaining the corresponding harmonic signals X (t), Y ( t), in the measurement of the desired phase difference Δϕ ism by counting the number of pulses of a known high frequency ƒ og from the local reference oscillator during the period of oscillations of the intermediate frequency and the time interval between the corresponding transitions through the zero harmonic level signals X (t), Y (t) of the intermediate frequency, in the display of the measured phase difference Δϕ ISM and frequency in a form convenient for further use.
Обобщенный состав функциональных элементов способа-прототипа показан на фиг. 1. Исследуемые тракты представляют собой устройства или физические среды, на выходе которых наблюдаются измерительные гармонические сигналы, разность фаз которых подлежит измерению. Тракты преобразования частоты включают в себя устройства, осуществляющие перенос измерительных гармонических сигналов с выходов исследуемых трактов на промежуточную частоту для выполнения дальнейших измерений.A generalized composition of the functional elements of the prototype method is shown in FIG. 1. The studied paths are devices or physical media at the output of which measuring harmonic signals are observed, the phase difference of which is to be measured. Frequency conversion paths include devices that transfer measuring harmonic signals from the outputs of the studied paths to an intermediate frequency for further measurements.
Комбинированный способ измерения разности фаз гармонических сигналов является самым распространенным в силу достаточно высокой точности измерений разности фаз на низкой промежуточной частоте в относительно широком диапазоне рабочих частот, что обусловлено использованием гетеродинирования (преобразования частоты) сигналов.The combined method of measuring the phase difference of harmonic signals is the most common due to the fairly high accuracy of measuring the phase difference at a low intermediate frequency in a relatively wide range of operating frequencies, due to the use of heterodyning (frequency conversion) signals.
Абсолютная погрешность определения разности фаз Δϕдс на промежуточной частоте методом дискретного счета в условиях белого шума (способ-прототип) может быть оценена [12] на основе следующего соотношения:The absolute error in determining the phase difference Δϕ ds at an intermediate frequency by the method of discrete counting under white noise conditions (prototype method) can be estimated [12] based on the following relationship:
где δƒог - относительная нестабильность частоты местного опорного генератора; ƒог - частота (Гц) местного опорного генератора; ƒпр - промежуточная частота (Гц) трактов преобразования; Нпр - отношение сигнал/шум (дБ) в трактах преобразования частоты.where δƒ og - relative frequency instability of the local reference generator; ƒ og - frequency (Hz) of the local reference generator; ƒ ol - the intermediate frequency (Hz) of the conversion paths; N CR - the signal-to-noise ratio (dB) in the frequency conversion paths.
Недостатком способа-прототипа является низкая точность измерений разности фаз гармонических сигналов на выходах двух линейных трактов в условиях малых отношений сигнал/шум. Например, при использовании комбинированного способа измерения разности фаз с параметрами: ƒпр=1 кГц, ƒог=50 МГц, δƒог=10-8 (см. соотношение (1)), абсолютные погрешности измерений Δϕдс≤0.1 град, достигаются при значениях Нпр≥58 дБ, при понижении отношений сигнал/шум Нпр≤40 дБ Δϕдс≥0.8 град., а при Нпр≤20 дБ абсолютные погрешности измерений Δϕдс уже превышают 8 градусов.The disadvantage of the prototype method is the low accuracy of measuring the phase difference of the harmonic signals at the outputs of two linear paths in the conditions of small signal-to-noise ratios. For example, when using the combined method of measuring the phase difference with the parameters: ƒ pr = 1 kHz, ƒ og = 50 MHz, δƒ og = 10 -8 (see relation (1)), the absolute measurement errors Δϕ ds ≤0.1 deg, are achieved at values of N pr ≥58 dB, with a decrease in the signal-to-noise ratio N pr ≤40 dB Δϕ ds ≥0.8 deg., and when N pr ≤20 dB the absolute measurement errors Δϕ ds already exceed 8 degrees.
Следует заметить, что во многих, встречающихся на практике случаях, например, в трактах фазовых пеленгаторов разных диапазонов частот и различного назначения отношения сигнал/шум, как правило, не превышают 20 дБ [10], при этом повысить эти отношения не всегда представляется возможным по различным техническим или организационным причинам, тогда и приходится решать задачу снижения погрешностей измерений разности фаз сигналов в физических трактах с малыми отношениями сигнал/шум.It should be noted that in many cases encountered in practice, for example, in the paths of phase direction finders of different frequency ranges and for various purposes, the signal-to-noise ratios, as a rule, do not exceed 20 dB [10], while it is not always possible to increase these ratios by various technical or organizational reasons, then it is necessary to solve the problem of reducing the measurement errors of the phase difference of the signals in physical paths with small signal-to-noise ratios.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности измерений разности фаз сигналов на выходах двух исследуемых линейных трактов с ограниченными полосами частот, квазибелыми шумами, малыми отношениями сигнал/шум и гетеродинированием на базе общего гетеродина частоты ƒг сигналов исследуемых трактов на промежуточную частоту ƒпр в условиях, когда на входы исследуемых трактов поступает от некоторого источника гармонический измерительный сигнал uизм(t) частоты ƒизм, являющийся одним из сигналов заданного конечного множества измерительных сигналов, попадающих в полосу пропускания исследуемых трактов, с априорно неизвестными в месте проведения измерений, но кратными промежуточной частоте преобразования частотами, за счет выбора промежуточной частоты значительно меньше частот конечного множества измерительных сигналов, а полосы пропускания трактов преобразования частоты существенно больше промежуточной частоты, использования новых процедур: «оптимального гетеродинирования сигналов», «квадратурного синфазирования сигналов», «квадратурного измерения разности фаз сигналов» и соответствующей последовательности операций по обработке выходных сигналов исследуемых трактов и сигналов промежуточной частоты.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy of measuring the phase difference of the signals at the outputs of two investigated linear paths with limited frequency bands, quasi-white noise, small signal-to-noise ratios and heterodyning based on the common frequency oscillator ƒ g of the signals of the studied paths to an intermediate frequency ƒ pr in conditions when the harmonic measuring signal u ism (t) of frequency ƒ ism , which is one of the signals of a given finite about the set of measuring signals falling into the passband of the studied paths, with a priori unknown at the place of measurement, but multiples of the intermediate conversion frequency frequencies, due to the choice of the intermediate frequency is much less than the frequencies of the final set of measuring signals, and the passband of the frequency conversion paths is significantly greater than the intermediate frequency , the use of new procedures: “optimal heterodyning of signals”, “quadrature signal phase-out”, “quadrature measuring the phase difference signal "and the corresponding sequence of operations for processing the output signals of the test paths, and the intermediate frequency signals.
Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе измерения разности фаз гармонических сигналов на выходах двух исследуемых линейных трактов с ограниченными полосами частот, квазибелыми шумами, малыми отношениями сигнал/шум и гетеродинированием измерительных сигналов исследуемых трактов на промежуточную частоту, заключающемся в формировании гармонического измерительного сигнала выбранной частоты ƒизм, являющегося одним из сигналов заданного конечного множества гармонических измерительных сигналов с частотами, кратными промежуточной частоте, попадающих в полосу пропускания исследуемых трактов, в передаче этого сигнала с априорно неизвестной в месте проведения измерений частотой через исследуемые тракты, в оценке с некоторой инструментальной погрешностью на выходе одного из измерительных трактов частоты переданного измерительного сигнала, в определении и задании частоты ƒг сигнала гетеродина, в переносе с использованием этого гетеродина выходных сигналов x(t), y(t) исследуемых трактов на промежуточную частоту ƒпр и получением соответствующих гармонических сигналов X(t), Y(t), в измерении разности фаз сигналов промежуточной частоты, в использовании для определения величины разности фаз Δϕизм гармонических сигналов на выходах исследуемых трактов, в отображении величины Δϕизм и частоты измерительного сигнала в удобном для дальнейшего использования виде, выбирают величину промежуточной частоты значительно меньше значений частот конечного множества измерительных сигналов, а величину полосы пропускания трактов преобразования частоты существенно больше значения промежуточной частоты, реализуют в процессе измерений следующую последовательность действий: выполняют процедуру «оптимального гетеродинирования сигналов», по ее результатам определяют и запоминают значение частоты переданного через исследуемые тракты измерительного сигнала, устанавливают частоту гетеродина, при которой частоты упомянутых сигналов X(t), Y(t) соответствуют выбранному значению промежуточной частоты, выполняют для гармонических сигналов X(t), Y(t) процедуры «квадратурного синфазирования сигналов», «квадратурного измерения разности фаз сигналов» и получают величину разности фаз , выполняют калибровку трактов преобразования частоты, для чего формируют с использованием местного опорного генератора гармонический сигнал с частотой ƒизм, определенной в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов», подают его на входы обоих трактов преобразования частоты вместо выходных сигналов x(t), y(t) исследуемых трактов, последовательно выполняют процедуры «квадратурного синфазирования сигналов» и «квадратурного измерения разности фаз сигналов», измеренную разность фаз ΔΨизм сигналов на выходах трактов преобразования частоты принимают в качестве калибровочной поправки, вычитают ее из ранее измеренной разности фаз и получают искомую разность фаз выходных измерительных сигналов исследуемых трактов, отображают ее в пригодном для последующего использования виде, дополнительно отображают значение частоты ƒизм измерительного сигнала исследуемых трактов, определенное в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов».This technical result is achieved due to the fact that in the known method for measuring the phase difference of harmonic signals at the outputs of two investigated linear paths with limited frequency bands, quasi-white noise, small signal-to-noise ratios and heterodyning of the measuring signals of the studied paths to an intermediate frequency, which consists in the formation of harmonic measuring signal selected frequency ƒ edited, one of the signals given finite set of harmonic measurement signals frequencies that are multiples of the intermediate frequency falling within the bandwidth of the test paths in the transmission of the signal with a priori unknown at the location of the measurement frequency through the paths investigated in the assessment with some instrumental error at the output of one of the measuring frequency tracts of the transmitted measuring signal, in determining and setting the frequency сигнала g of the local oscillator signal, transferring the output signals x (t), y (t) of the studied paths to the intermediate frequency ƒ pr and obtaining the corresponding harmonic signals X (t), Y (using this local oscillator) t), in the measurement of the phase difference intermediate frequency signals, in use to determine the magnitude of the phase difference Δϕ ism of harmonic signals at the outputs of the studied paths, in displaying the values of Δϕ ism and frequency of the measuring signal in a form convenient for further use, the value of the intermediate frequency is much less than the frequencies of a finite set of measuring signals, and the bandwidth of the frequency conversion paths significantly greater than the value of the intermediate frequency, implement the following sequence of actions during the measurement process: perform the procedure “op “optimal heterodyning of signals”, according to its results, the frequency value of the measuring signal transmitted through the studied paths is determined and stored, the local oscillator frequency is set at which the frequencies of the mentioned signals X (t), Y (t) correspond to the selected value of the intermediate frequency, are performed for harmonic signals X ( t), Y (t) of the procedure “quadrature phase matching of signals”, “quadrature measurement of the phase difference of the signals” and get the value of the phase difference , calibrate the frequency conversion paths, for which, using a local reference generator, a harmonic signal with a frequency ƒ ISM defined in the procedure of “optimal heterodyning of signals” is generated, it is fed to the inputs of both frequency conversion paths instead of the output signals x (t), y (t ) of the studied paths, sequentially perform the procedures of “quadrature phase-matching of signals” and “quadrature measurement of the phase difference of the signals”, the measured phase difference ΔΨ ism of the signals at the outputs of the conversion paths frequency values are taken as a calibration correction, subtract it from the previously measured phase difference and get the desired phase difference output measuring signals of the studied paths, display it in a form suitable for subsequent use, additionally display the value of the frequency ƒ Iz of the measuring signal of the studied paths, defined in the procedure of “optimal signal heterodyning”.
Существенным отличием заявляемого способа является выбор соотношений величин промежуточной частоты преобразования, частот конечного множества измерительных гармонических сигналов и полосы пропускания трактов преобразования частоты, что в совокупности с введением новых процедур «оптимального гетеродинирования сигналов», «квадратурного синфазирования сигналов», «квадратурного измерения разности фаз сигналов» и соответствующей последовательности действий по обработке сигналов исследуемых трактов и сигналов промежуточной частоты позволяет повысить точность измерения разности фаз гармонических сигналов на выходах исследуемых трактов при малых отношениях сигнал/шум вследствие:A significant difference of the proposed method is the selection of the ratios of the values of the intermediate conversion frequency, the frequencies of a finite set of measuring harmonic signals and the passband of the frequency conversion paths, which, together with the introduction of new procedures for "optimal signal heterodyning", "quadrature signal phase-out", "quadrature measurement of signal phase difference »And the corresponding sequence of actions for processing the signals of the studied paths and intermediate signals often s allows to improve the accuracy of measuring the difference between the harmonic signal phases at the outputs of the test paths with small S / N ratio due to:
- замены сигналов X(t), Y(t), полученных переносом на промежуточную частоту выходных сигналов исследуемых трактов, характеризующихся малым отношением сигнал/шум, при измерении разности фаз сигналов промежуточной частоты на соответствующие им синфазированные сигналы от местного опорного генератора, характеризующиеся большим отношением сигнал/шум;- replacing the signals X (t), Y (t) obtained by transferring to the intermediate frequency the output signals of the studied paths, characterized by a small signal to noise ratio, when measuring the phase difference intermediate frequency signals to their corresponding in-phase signals from the local reference generator, characterized by a large signal to noise ratio;
- выполнения калибровки трактов преобразования путем подачи на их входы вместо выходных сигналов x(t), y(t) исследуемых трактов сформированного на базе местного опорного генератора гармонического сигнала с большим отношением сигнал/шум частоты ƒизм, определенной в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов», и определения калибровочной поправки, используемой при получении искомой разности фаз выходных сигналов исследуемых трактов.- calibration of the conversion paths by feeding to their inputs instead of the output signals x (t), y (t) of the studied paths a harmonic signal formed on the basis of a local reference generator with a large signal-to-noise ratio частоты ISM defined in the “optimal signal heterodyning” procedure , and determining the calibration correction used to obtain the desired phase difference of the output signals of the studied paths.
Совокупность существенных признаков заявляемого способа имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, из чего можно заключить, что данное техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем, так как явным образом не следует из существующего уровня техники, и пригодно для практического применения.The set of essential features of the proposed method has a causal relationship with the achieved technical result, from which we can conclude that this technical solution is new, has an inventive step, since it clearly does not follow from the existing level of technology, and is suitable for practical use.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами.The alleged invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлен обобщенный состав функциональных элементов способа-прототипа. На фиг. 2 показан пример структурной схемы устройства, реализующего заявляемый способ, где обозначены: 1 - коммутаторы сигналов; 2 - блок измерения частоты сигналов; 3 - смесители сигналов; 4 - блок формирования гармонических сигналов с микроконтроллером для вычислений; 5 - полосовые фильтры; 6 - блоки стробирования; 7 - вычислитель; 8 - индикатор; 9 - блок управления. На фиг. 3 приведены кривые абсолютных погрешностей измерений разности фаз в зависимости от отношений сигнал/шум на выходах трактов преобразования частоты для заявляемого способа и способа-прототипа. На фиг. 4 показано повышение точности измерений разности фаз заявляемого способа относительно способа-прототипа в зависимости от отношений сигнал/шум на выходах трактов преобразования частоты.In FIG. 1 presents a generalized composition of the functional elements of the prototype method. In FIG. 2 shows an example of a structural diagram of a device that implements the inventive method, where are indicated: 1 - signal switches; 2 - unit for measuring the frequency of signals; 3 - signal mixers; 4 - a block for generating harmonic signals with a microcontroller for calculations; 5 - bandpass filters; 6 - gating units; 7 - calculator; 8 - indicator; 9 - control unit. In FIG. 3 shows the curves of the absolute errors of the measurement of the phase difference depending on the signal-to-noise ratios at the outputs of the frequency conversion paths for the proposed method and the prototype method. In FIG. 4 shows the increase in the accuracy of measurements of the phase difference of the proposed method relative to the prototype method, depending on the signal-to-noise ratios at the outputs of the frequency conversion paths.
Сущность заявляемого способа может быть представлена следующими действиями, процедурами и операциями.The essence of the proposed method can be represented by the following actions, procedures and operations.
Подаваемый на входы обоих исследуемых трактов измерительный гармонический сигнал имеет вид:The measuring harmonic signal supplied to the inputs of both studied paths has the form:
где Uизм, ƒизм, ϕизм - амплитуда, частота и начальная фаза колебаний соответственно.where U ISM , ƒ ISM , ϕ ISM - amplitude, frequency and initial phase of the oscillations, respectively.
Измерительные сигналы на выходах исследуемых трактов характеризуются соотношениями:The measuring signals at the outputs of the studied paths are characterized by the relations:
где U1, U2 - амплитуды колебаний; ϕ1, ϕ2 - вносимые исследуемыми трактами фазовые сдвиги колебаний; Δϕизм - измеряемая разность фаз колебаний; ξ1(t), ξ2(t) - реализации квазибелых шумов исследуемых трактов.where U 1 , U 2 - the amplitude of the oscillations; ϕ 1 , ϕ 2 - phase shifts of oscillations introduced by the studied paths; Δϕ meas - the measured phase difference of the oscillations; ξ 1 (t), ξ 2 (t) are realizations of quasi-white noise of the studied paths.
Измерительный сигнал (2), подаваемый на входы исследуемых трактов, является сигналом заданного конечного множества гармонических сигналов, попадающих в полосу пропускания исследуемых трактов, значения частот сигналов множества кратны промежуточной частоте ƒпр, однако конкретное значение частоты ƒизм входного, а соответственно и выходных сигналов исследуемых трактов, априорно неизвестно в месте проведения измерений.The measuring signal (2) supplied to the inputs of the studied paths is a signal of a given finite set of harmonic signals falling into the passband of the studied paths, the frequencies of the signals of the set are multiples of the intermediate frequency ƒ pr , however, the specific value of the frequency ƒ ism of the input, and accordingly the output signals studied tracts, a priori unknown at the place of measurement.
Выходные измерительные сигналы x(t), y(t) исследуемых трактов переносятся на промежуточную частоту ƒпр с использованием общего гетеродина, сигнал которого имеет следующий вид:The output measuring signals x (t), y (t) of the studied paths are transferred to the intermediate frequency ƒ pr using a common local oscillator, the signal of which has the following form:
где Uг, ϕг - амплитуда и начальная фаза сигнала гетеродина; ƒпр - промежуточная частота преобразования.where U g , ϕ g is the amplitude and initial phase of the local oscillator signal; ƒ ol - intermediate conversion frequency.
Так как частота выходных сигналов x(t), y(t) исследуемых трактов априорно неизвестна, то выполняют процедуру «оптимального гетеродинирования сигналов», которая позволяет получить точные значения частот сигнала гетеродина и выходных сигналов исследуемых трактов.Since the frequency of the output signals x (t), y (t) of the studied paths is a priori unknown, the procedure of “optimal heterodyning of signals” is performed, which allows one to obtain exact values of the frequencies of the local oscillator signal and the output signals of the studied paths.
Выполнение процедуры «оптимального гетеродинирования сигналов».Performing the “optimal signal heterodyning” procedure.
Оценивают с использованием существующих методов измерения частоты (например, метода дискретного счета) и стандартных измерительных средств, обеспечивающих в условиях малых отношений сигнал/шум приемлемую для заявляемого способа погрешность измерения, частоту колебаний измерительного сигнала на выходе одного из исследуемых трактовEvaluate using existing methods of measuring the frequency (for example, the method of discrete counting) and standard measuring tools that provide, in conditions of small signal-to-noise ratios, the measurement error acceptable for the proposed method, frequency oscillations of the measuring signal at the output of one of the studied paths
где ƒизм - истинное значение частоты колебаний; δƒизм - относительная погрешность измерения.where ƒ ISM - the true value of the oscillation frequency; δƒ ism - relative measurement error.
По известной величине ƒпр и оценке определяют вспомогательные параметры:According to the known value ƒ pr and estimate determine auxiliary parameters:
где символы и обозначают операции взятия целой и дробной части числа соответственно.where are the characters and denote operations of taking the integer and fractional parts of the number, respectively.
Вычисляют значение оптимальной частоты гетеродина ƒг, для преобразования частоты вниз, при которой частота колебаний ƒизм, несмотря на присутствующую в процессе ее измерения погрешность δƒизм, после преобразования будет точно равна ƒпр:Calculating a value for the optimum LO frequency ƒ r for the frequency down conversion, where the frequency of oscillation ƒ edited, although present in the process of measurement error δƒ edited after transformation is exactly equal straight ƒ:
Затем определяют и запоминают истинное значение частоты колебаний измерительного сигнала на выходах исследуемых трактов: ƒизм=ƒг+ƒпр.Then determine and remember the true value of the oscillation frequency of the measuring signal at the outputs of the studied paths: ƒ ISM = ƒ g + ƒ etc.
Для осуществления процедуры «оптимального гетеродинирования сигналов» требуется выполнение трех условий.For the implementation of the procedure of "optimal heterodyning signals" requires the fulfillment of three conditions.
1. Обеспечение кратности частот ƒизм и , где - целое число.1. Ensuring frequency multiplicity ƒ ISM and where is an integer.
2. Дискретность изменения ƒизм должна быть равна ƒпр.2. The resolution of the change ƒ ISM should be equal to ƒ PR .
3. Максимальная относительная погрешность измерения частоты колебаний измерительных сигналов на выходах исследуемых трактов не должна превышать величины: 3. The maximum relative error in measuring the frequency of oscillations of the measuring signals at the outputs of the studied paths should not exceed the value:
С точки зрения выполнения первого условия промежуточные частоты при гетеродинировании измерительных сигналов на выходах исследуемых трактов целесообразно выбирать из ряда: 103, 104, 105 Гц.From the point of view of fulfilling the first condition, the intermediate frequencies during heterodyning of the measuring signals at the outputs of the studied paths should be selected from the range: 10 3 , 10 4 , 10 5 Hz.
Для выполнения второго условия, с максимальным числом градаций ƒизм, величину ƒпр следует выбирать минимальной из представленного ряда.To fulfill the second condition, with a maximum number of gradations ƒ ISM , the value of ƒ pr should be selected as the minimum of the presented series.
При использовании, например, для измерения частоты ƒизм метода дискретного счета оценка относительной погрешности δƒизм инструментального определения частоты в исследуемых трактах может быть произведена на основе следующей зависимости [12]:When using, for example, for measuring the frequency ƒ ism, the method of discrete counting is estimated, the relative error δƒ ism of instrumental determination of frequency in the studied paths can be made on the basis of the following dependence [12]:
где ƒог - частота (Гц) местного опорного генератора; δƒог - относительная нестабильность частоты местного опорного генератора; Тизм - время (с) измерения частоты; Низм - отношение сигнал/шум (дБ) в исследуемых трактах.where ƒ og - frequency (Hz) of the local reference generator; δƒ og - relative frequency instability of the local reference generator; T ISM - time (s) measuring the frequency; N ISM - signal-to-noise ratio (dB) in the studied paths.
Выполненные на основе соотношения (8) расчеты показывают, что в исследуемых трактах диапазона частот ƒизм=104…1010 Гц при ƒог=50 МГц, δƒог=10-8, Тизм=10 с условие 3, для отношений сигнал/шум Низм измерительных сигналов больше минус 20 дБ и значений промежуточных частот не более 105 Гц, всегда выполняется, свидетельствуя об отсутствии практического ограничения на применение процедуры «оптимального гетеродинирования сигналов» в указанном диапазоне частот.Performed on the basis of the relation (8), calculations show that in the test ƒ edited paths bandwidth = 4 ... 10 10 10 Hz and ƒ og = 50 MHz, δƒ og = 10 -8, T = MOD 10
Устанавливают в трактах преобразования частоты, по результатам процедуры «оптимального гетеродинирования сигналов», частоту ƒг гармонических колебаний сигнала гетеродина для осуществления переноса выходных сигналов x(t), y(t) исследуемых трактов на промежуточную частоту ƒпр.The frequency ƒ g of harmonic oscillations of the local oscillator signal is set in the frequency conversion paths, according to the results of the “optimal signal heterodyning” procedure, for transferring the output signals x (t), y (t) of the studied paths to the intermediate frequency ƒ etc.
Выходные сигналы исследуемых трактов после преобразования частоты и фильтрации колебаний разностной частоты описываются следующими зависимостями:The output signals of the studied paths after frequency conversion and filtering the difference frequency oscillations are described by the following relationships:
где μ1, μ2 - коэффициенты передачи преобразователей частоты (смеситель + фильтр);where μ 1 , μ 2 - transmission coefficients of frequency converters (mixer + filter);
ξ3(t), ξ4(t) - реализации квазибелых шумов трактов преобразования частоты.ξ 3 (t), ξ 4 (t) are the implementation of the quasi-white noise of the frequency conversion paths.
Напомним, что полосы пропускания трактов преобразования частоты выбираются существенно большими значения промежуточной частоты, обеспечивая малость интервалов корреляции квазибелых шумов в трактах по сравнению с периодом колебаний выбранной промежуточной частоты.Recall that the bandwidths of the frequency conversion paths are chosen to be significantly larger than the intermediate frequency, providing a small correlation interval for quasi-white noise in the paths compared to the oscillation period of the selected intermediate frequency.
Осуществляют процедуру «квадратурного синфазирования сигналов».Perform the procedure of "quadrature signal phase-out."
Формируют на базе местного опорного генератора квадратурные составляющие Z1(t), Z2(t) гармонического сигнала Z(t) промежуточной частоты ƒпр с отношениями сигнал/шум не менее 80 дБ:Form on the basis of the local reference generator quadrature components Z1 (t), Z2 (t) of the harmonic signal Z (t) of intermediate frequency ƒ pr with signal-to-noise ratios of at least 80 dB:
где U0, ϕ0 - амплитуда и начальная фаза квадратурных составляющих сигнала Z(t).where U 0 , ϕ 0 is the amplitude and initial phase of the quadrature components of the signal Z (t).
Сигналы промежуточной частоты X(t), Y(t), Z1(t), Z2(t) подвергают синхронной дискретизации с количеством отсчетов Kсф на периоде колебаний и общим числом отсчетов Lсф в выборке усреднения:The intermediate frequency signals X (t), Y (t), Z1 (t), Z2 (t) are subjected to synchronous sampling with the number of samples K sf during the oscillation period and the total number of samples L sf in the averaging sample:
где - порядковый номер отсчета в усредняемой выборке.Where - serial number of the reference in the averaged sample.
Для уменьшения погрешности дальнейших вычислений разности фаз сигналов X(t), Y(t) можно рекомендовать следующие значения параметров дискретизации и усреднения: Kсф≥4, Lсф≥102⋅K.To reduce the error of further calculations of the phase difference of the signals X (t), Y (t), the following values of the sampling and averaging parameters can be recommended: K sf ≥4, L sf ≥10 2 ⋅K.
Вычисляют и запоминают весовые коэффициенты W1 и W2, определяющие проекции сигнала X(t) на квадратурные составляющие сигнала Z(t):The weighting factors W1 and W2, which determine the projection of the signal X (t) onto the quadrature components of the signal Z (t), are calculated and stored:
Вычисляют и запоминают весовые коэффициенты W3 и W4, определяющие проекции сигнала Y(t) на квадратурные составляющие сигнала Z(t):The weighting factors W3 and W4, which determine the projection of the signal Y (t) onto the quadrature components of the signal Z (t), are calculated and stored:
Использование процедуры позволяет находить проекции сигналов X(t), Y(t) с малыми отношениями сигнал/шум на квадратурные составляющие Z1(t) и Z2(t) гармонического сигнала Z(t), имеющие большие отношения сигнал/шум.Using the procedure allows one to find projections of the signals X (t), Y (t) with small signal-to-noise ratios on the quadrature components Z1 (t) and Z2 (t) of the harmonic signal Z (t) having large signal-to-noise ratios.
Указанные проекции используются далее в процедуре «квадратурного измерения разности фаз сигналов» для получения пары гармонических сигналов местного опорного генератора с большими отношениями сигнал/шум, синфазных с сигналами X(t), Y(t) трактов преобразования частоты, имеющими малые отношения сигнал/шум, что и отражено в названии самой процедуры.These projections are used later in the procedure “quadrature measurement of the phase difference of the signals” to obtain a pair of harmonic signals of the local reference oscillator with large signal-to-noise ratios, in phase with the signals X (t), Y (t) of the frequency conversion paths having small signal-to-noise ratios , which is reflected in the name of the procedure itself.
Это позволяет перейти от измерений разности фаз сигналов промежуточной частоты с малыми отношениями сигнал/шум в способе-прототипе к аналогичным измерениям, но только сигналов с большими отношениями сигнал/шум, что и обеспечивает повышение точности измерений разности фаз в заявляемом способе.This allows you to move from measuring the phase difference of the intermediate frequency signals with small signal-to-noise ratios in the prototype method to similar measurements, but only signals with large signal-to-noise ratios, which improves the accuracy of measurements of the phase difference in the inventive method.
Достаточная для получения малой погрешности измерений разности фаз точность синфазирования вышеупомянутых сигналов достигается выбором величины промежуточной частоты значительно меньшей значений частот конечного множества измерительных сигналов, а величины полосы пропускания трактов преобразования частоты существенно большей значения промежуточной частоты, при этом корреляционная обработка сигналов промежуточной частоты на фоне слабо коррелированных квазибелых шумов позволяет реализовать эффект когерентного накопления, хорошо известный в теории помехоустойчивой обработки сигналов [13].The accuracy of the out-of-phase signals sufficient to obtain a small error in the measurement of the phase difference is achieved by choosing the intermediate frequency value significantly lower than the frequency values of a finite set of measurement signals, and the passband frequency conversion paths significantly higher than the intermediate frequency value, while the correlation processing of the intermediate frequency signals against the background of weakly correlated quasi-white noise allows you to realize the effect of coherent accumulation, good widely known in the theory of noise-immune signal processing [13].
Выполняют процедуру «квадратурного измерения разности фаз сигналов».Perform the procedure "quadrature measurement of the phase difference of the signals."
Для этого вновь осуществляют синхронную дискретизацию сигналов Z1(t) и Z2(t), но уже с большим и кратным четырем количеством отсчетов Kрф на периоде колебаний и общим числом отсчетов в выборке равным 1.25⋅Kрф:To do this, the signals Z1 (t) and Z2 (t) are synchronized again, but with a large and multiple of four counts K rf during the oscillation period and the total number of samples in the sample is 1.25⋅K rf :
При этом параметр Kрф следует выбирать из условия Kрф≥103.In this case, the parameter K rf should be selected from the condition K rf ≥10 3 .
Формируют и запоминают два массива отсчетов, принадлежащих сигналам местного опорного генератора, синфазным с сигналами X(t) и Y(t) соответственно, и имеющим в результате процедуры «квадратурного синфазирования сигналов» большие отношения сигнал/шум:Two arrays are formed and stored. samples belonging to the signals of the local reference generator, in phase with the signals X (t) and Y (t), respectively, and resulting in the procedure of "quadrature phase matching of the signals" large signal-to-noise ratios:
где весовые коэффициенты W1, W2, W3, W4 определены в процедуре «квадратурного синфазирования сигналов».where the weighting coefficients W1, W2, W3, W4 are determined in the "quadrature signal phase-out" procedure.
Осуществляют нормирование отсчетов массивов путем их представления своими знаками по правилу:Arrays are normalized by presenting them in their own signs according to the rule:
Вычисляют корреляционные коэффициенты β и γ:The correlation coefficients β and γ are calculated:
Рассчитывают разность фаз сигналов местного опорного генератора, синфазированных с сигналами X(t), Y(t), используя одну из предпочтительных формул:Calculate the phase difference signals of the local reference oscillator in phase with the signals X (t), Y (t), using one of the preferred formulas:
С целью устранения влияния неидентичности фазочастотных характеристик трактов преобразования частоты на точность измерения разности фаз выполняют их калибровку, для этого:In order to eliminate the influence of the non-identical phase-frequency characteristics of the frequency conversion paths on the accuracy of measuring the phase difference, they are calibrated, for this:
- подают на входы обоих трактов преобразования частоты вместо выходных сигналов исследуемых трактов калибровочный гармонический сигнал, сформированный на базе местного опорного генератора, с частотой ƒизм, определенной в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов»;- fed to the inputs of both paths of the frequency conversion instead of the output signals of the studied paths, a calibration harmonic signal generated on the basis of the local reference generator with a frequency ƒ ISM defined in the procedure of "optimal signal heterodyning";
- выполняют для сигналов, полученных в результате гетеродинирования калибровочного сигнала на промежуточную частоту, процедуры «квадратурного синфазирования сигналов» и «квадратурного измерения разности фаз сигналов», получая в результате величину калибровочной поправки ΔΨизм.- operate for signals resulting from heterodyne calibration signal to an intermediate frequency, procedures "sinfazirovaniya quadrature signal" and "quadrature signal phase difference measurement", resulting in a calibration correction value ΔΨ edited.
Вычитают калибровочную поправку ΔΨизм из ранее рассчитанной разности фаз синфазированных сигналов местного опорного генератора и получают искомую разность фаз Δϕизм выходных гармонических сигналов исследуемых трактов:Subtract calibration ΔΨ correction edited previously calculated phase difference common-mode signals of the local reference generator and get the desired phase difference Δϕ ism of the output harmonic signals of the studied paths:
Полученное значение разности фаз выходных гармонических сигналов исследуемых трактов Δϕизм отображают в пригодном для последующего использования виде, дополнительно отображают истинное значение частоты ƒизм измерительного сигнала исследуемых трактов, определенное в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов».The obtained value of the phase difference of the output harmonic signals of the studied paths Δϕ ism is displayed in a form suitable for subsequent use, and the true value of the frequency ƒ Iz of the measuring signal of the studied paths determined in the procedure of "optimal signal heterodyning" is additionally displayed.
Таким образом, возможная техническая реализация (фиг. 2) заявляемого способа при подаче на входы исследуемых трактов измерительного сигнала априорно неизвестной частоты ƒизм предполагает следующую последовательность действий.Thus, a possible technical implementation (Fig. 2) of the proposed method when applying to the inputs of the studied paths of the measuring signal of a priori unknown frequency ƒ ISM suggests the following sequence of actions.
1. Осуществляют, задействовав блок 2 измерения частоты, блок 4 формирования гармонических сигналов и блок 9 управления, процедуру «оптимального гетеродинирования сигналов» с определением истинного значения частоты ƒизм измерительного сигнала и частоты ƒг сигнала гетеродина для преобразования частоты.1. Carry out by employing the
2. Подают на гетеродинные входы смесителей 3, используя блок 4 формирования гармонических сигналов и блок 9 управления, гармонический сигнал гетеродина с частотой, рассчитанной в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов».2. Applied to the heterodyne inputs of the
3. Выполняют на базе смесителей 3, полосовых фильтров 5, блока 4 формирования гармонических сигналов и блока 9 управления преобразование частоты выходных сигналов x(t), y(t) исследуемых трактов с получением соответствующих сигналов X(t), Y(t) промежуточной частоты ƒпр.3. On the basis of
4. Осуществляют с использованием блока 4 формирования гармонических сигналов, блоков 6 стробирования, вычислителя 7 и блока 9 управления над измерительными сигналами X(t), Y(t) промежуточной частоты процедуру «квадратурного синфазирования сигналов» и вычисляют весовые коэффициенты W1, W2, W3, W4 для формирования соответствующих синфазных сигналов местного опорного генератора с большим отношением сигнал/шум.4. Using the
5. Осуществляют с использованием блока 4 формирования гармонических сигналов, блоков 6 стробирования, вычислителя 7 и блока 9 управления процедуру «квадратурного измерения разности фаз сигналов» и получают величину разности фаз сигналов местного опорного генератора, синфазированных с сигналами X(t), Y(t) трактов преобразования частоты.5. Carry out using the
6. Подают по команде из блока 9 управления через коммутаторы 1 сигналов на сигнальные входы смесителей 3 трактов преобразования частоты гармонический калибровочный сигнал, сформированный в блоке 4 формирования гармонических сигналов, с частотой ƒизм, определенной в процедуре «оптимального гетеродинирования сигналов».6. Submit a command from the
7. Выполняют на базе смесителей 3, полосовых фильтров 5, блока 4 формирования гармонических сигналов и блока 9 управления гетеродинирование гармонического калибровочного сигнала с получением сигналов промежуточной частоты.7. On the basis of
8. Осуществляют с использованием блока 4 формирования гармонических сигналов, блоков 6 стробирования, вычислителя 7 и блока 9 управления над калибровочными сигналами промежуточной частоты процедуру «квадратурного синфазирования сигналов» и вычисляют весовые коэффициенты W1, W2, W3, W4 для формирования соответствующих синфазных сигналов местного опорного генератора.8. Using the
9. Осуществляют с использованием блока 4 формирования гармонических сигналов, блоков 6 стробирования, вычислителя 7 и блока 9 управления процедуру «квадратурного измерения разности фаз сигналов» и получают величину разности фаз ΔΨизм сигналов местного опорного генератора, синфазированных с калибровочными сигналами трактов преобразования частоты, которую принимают в качестве калибровочной поправки.9. performed using
10. Рассчитывают в вычислителе 7 искомую разность фаз Δϕизм измерительного сигнала на выходах исследуемых трактов, вычитая калибровочную поправку ΔΨизм из ранее рассчитанной разности фаз сигналов местного опорного генератора, синфазированных с измерительными сигналами X(t), Y(t) трактов преобразования частоты.10. Calculate in the
11. Отображают с помощью индикатора 8, в пригодном для последующего использования виде, значения разности фаз Δϕизм и частоты ƒизм измерительного сигнала исследуемых трактов.11. Use the
При технической реализации заявляемого способа может быть использована современная элементная база и цифровые технологии обработки сигналов.With the technical implementation of the proposed method, a modern element base and digital signal processing technologies can be used.
Коммутаторы 1 сигналов, необходимые для осуществления операций по калибровке трактов преобразования частоты, могут быть выполнены, например, в виде герметичных реле ARA210A03 с частотами коммутируемых сигналов до 1 ГГц [14].The switches 1 of the signals necessary for the calibration of the frequency conversion paths can be performed, for example, in the form of sealed relays ARA210A03 with frequencies of switched signals up to 1 GHz [14].
Блок 2 измерения частоты сигналов на выходе одного из исследуемых трактов может быть реализован, например, на базе программируемого частотомера НМ8123 с диапазоном измеряемых частот 0.001 Гц - 3 ГГц [15].
В качестве смесителей 3 сигналов трактов преобразования частоты могут быть использованы, например, аналоговые четырехквадрантные умножители AD834 с диапазоном частот 0-500 МГц [16].As mixers of 3 signals of the frequency conversion paths, for example, AD834 analog four-quadrant multipliers with a frequency range of 0-500 MHz can be used [16].
Блок 4 формирования гармонических сигналов с микроконтроллером для вычислений, осуществляющий формирование сигналов гетеродина, измерительных сигналов исследуемых трактов, сигналов квадратурных составляющих промежуточной частоты и сигналов дискретизации блоков стробирования, может быть выполнен, например, на базе генератора-синтезатора частот НМ8134-3 с диапазоном частот 1 Гц - 1.2 ГГц [17], сопряженного с микроконтроллером семейства AtmelAVR архитектуры RISC.
Полосовые фильтры 5 трактов преобразования частоты, для фильтрации колебаний разностной частоты и подавления побочных продуктов преобразования смесителей 3, могут быть реализованы, например, в виде фильтров четвертого порядка на основе микросхемы МАХ274/275 [18].Band-
Блоки 6 стробирования для дискретизации сигналов промежуточной частоты могут быть выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей, например, 14-разрядных малошумящих АЦП серии LTC1742 с частотой преобразования до 65 МГц [19].
В качестве вычислителя 7 может быть использован, например, микроконтроллер семейства megaAVR, оснащенный памятью программ и данных большого объема [20].As a
В качестве индикатора 8 может использоваться любой цифровой дисплей или иной электронный прибор, обеспечивающий соответствующее отображение результатов измерений.As
В качестве блока 9 управления может использоваться персональный компьютер или ноутбук с необходимым набором интерфейсов связи и устройств согласования.As the
Рассмотренная техническая реализация заявляемого способа может быть использована в диапазоне частот от 50 кГц до 500 МГц с пределами изменения отношений сигнал/шум от 0 до 60 дБ. Расчеты показывают, что максимальная абсолютная погрешность измерений разности фаз в указанных границах диапазонов частот и уровней гармонических сигналов будет находиться в пределах от 0.012 до 0.2 градусов.The considered technical implementation of the proposed method can be used in the frequency range from 50 kHz to 500 MHz with the limits of the change in signal-to-noise ratios from 0 to 60 dB. Calculations show that the maximum absolute error of measurements of the phase difference at the indicated boundaries of the frequency ranges and levels of harmonic signals will be in the range from 0.012 to 0.2 degrees.
Представленные в заявляемом способе процедуры и операции были промоделированы в математической среде Mathcad 15 и получили количественную оценку.Presented in the claimed method, the procedures and operations were modeled in the mathematical environment of Mathcad 15 and received a quantitative assessment.
Для сравнения эффективности способа-прототипа и заявляемого способа на фиг. 3 показаны зависимости абсолютных погрешностей измерения разности фаз сигналов способа-прототипа (расчеты на основе выражения (1)) и максимальных абсолютных погрешностей измерения разности фаз сигналов заявляемого способа от отношений сигнал/шум в трактах преобразования частоты, полученные при следующих расчетных параметрах:To compare the effectiveness of the prototype method and the proposed method in FIG. 3 shows the dependences of the absolute errors of measuring the phase difference of the signals of the prototype method (calculations based on expression (1)) and the maximum absolute errors of measuring the phase difference of the signals of the proposed method on the signal-to-noise ratios in the frequency conversion paths obtained with the following calculation parameters:
- ƒпр=1 кГц, δƒог=10-8, ƒог=50 МГц - обеспечивают максимальную эффективность (минимальную погрешность измерений) способа-прототипа;- ƒ pr = 1 kHz, δƒ og = 10 -8 , ƒ og = 50 MHz - provide maximum efficiency (minimum measurement error) of the prototype method;
- параметры дискретизации и усреднения при синфазировании сигналов в заявляемом способе Kсф=4, Lсф=4⋅103;- the parameters of sampling and averaging during the out-of-phase signals in the claimed method K sf = 4, L sf = 4⋅10 3 ;
- параметр дискретизации при измерении разности фаз сигналов в заявляемом способе Kрф=104;- discretization parameter when measuring the phase difference of the signals in the inventive method K rf = 10 4 ;
- отношение сигнал/шум для квадратурных сигналов Z1(t) и Z2(t) в заявляемом способе 80 дБ;- the signal-to-noise ratio for quadrature signals Z1 (t) and Z2 (t) in the present method is 80 dB;
- квазибелые шумы трактов преобразования частоты на выборке усреднения в заявляемом способе представляют собой отсчеты случайных процессов с нулевым средним и заданной дисперсией, соответствующие полосе частот примерно в 50 раз превышающей промежуточную частоту преобразования.- quasi-white noise of the frequency conversion paths in the averaging sample in the present method are samples of random processes with zero mean and a given dispersion corresponding to a frequency band approximately 50 times higher than the intermediate conversion frequency.
Повышение точности измерений разности фаз сигналов в заявляемом способе по сравнению со способом-прототипом характеризуется графиком на фиг. 4, полученным на основе зависимостей, представленных на фиг. 3.Improving the accuracy of measuring the phase difference of the signals in the inventive method compared with the prototype method is characterized by the graph in FIG. 4 derived from the dependencies shown in FIG. 3.
Из графика следует, что для диапазона отношений сигнал/шум 0-60 дБ в трактах преобразования частоты точность измерения разности фаз сигналов в заявляемом способе по отношению к способу-прототипу повышается от 7 до 450 раз в зависимости от величины отношения сигнал/шум, причем точность измерений существенно возрастает с уменьшением этого отношения.From the graph it follows that for a range of signal-to-noise ratios of 0-60 dB in the frequency conversion paths, the accuracy of measuring the phase difference of the signals in the present method with respect to the prototype method increases from 7 to 450 times depending on the magnitude of the signal-to-noise ratio, and measurements increases significantly with a decrease in this ratio.
Предлагаемое техническое решение позволяет достичь желаемого эффекта - повышения точности измерений разности фаз гармонических сигналов в области малых отношений сигнал/шум за счет до сих пор не применявшегося сочетания: выбора необходимого соотношения частот измерительных сигналов исследуемых трактов и промежуточной частоты при гетеродинировании, широкой полосы пропускания трактов преобразования частоты, существенно превышающей значение промежуточной частоты, использования новых процедур: «оптимального гетеродинирования сигналов», «квадратурного синфазирования сигналов», «квадратурного измерения разности фаз сигналов» и соответствующей последовательности операций по обработке выходных сигналов исследуемых трактов и сигналов промежуточной частоты.The proposed technical solution allows to achieve the desired effect - improving the accuracy of measuring the phase difference of harmonic signals in the region of small signal to noise ratios due to the combination that has not been applied so far: choosing the necessary ratio of the frequencies of the measuring signals of the studied paths and the intermediate frequency when heterodyning, a wide bandwidth of the conversion paths frequencies significantly exceeding the value of the intermediate frequency, the use of new procedures: “optimal signal heterodyning “”, “quadrature signal phase-out”, “quadrature measurement of the phase difference of the signals” and the corresponding sequence of operations for processing the output signals of the studied paths and intermediate frequency signals.
Процедура «оптимального гетеродинирования сигналов» обеспечивает равенство промежуточной частоты местного опорного генератора и частоты измерительных сигналов исследуемых трактов после гетеродинирования, а выбор низкой промежуточной частоты и широкой полосы пропускания трактов преобразования частоты способствует получению таких корреляционных характеристик смеси преобразованных измерительного сигнала и квазибелого шума в каждом тракте преобразования частоты, которые позволяют реализовать эффект когерентного накопления коррелированных отсчетов сигнала промежуточной частоты на выборке слабо коррелированных отсчетов квазибелого шума при их корреляционной обработке.The “optimal signal heterodyning” procedure ensures equality of the intermediate frequency of the local reference oscillator and the frequency of the measuring signals of the studied paths after heterodyning, and the choice of a low intermediate frequency and a wide passband of the frequency conversion paths helps to obtain such correlation characteristics of the mixture of the converted measuring signal and quasi-white noise in each conversion path frequencies that allow the effect of coherent accumulation of corr the measured samples of the intermediate frequency signal in the sample of weakly correlated samples of quasi-white noise during their correlation processing.
В процедуре «квадратурного синфазирования сигналов» достигают синфазности колебаний в каждой паре сигналов: местного опорного генератора и первого тракта преобразования частоты, местного опорного генератора и второго тракта преобразования частоты, при этом сигналы местного опорного генератора в каждой паре имеют большое отношение сигнал/шум, что позволяет перейти от измерений разности фаз колебаний трактов преобразования частоты с малыми отношениями сигнал/шум к измерениям разности фаз колебаний местного опорного генератора, имеющих постоянно большое отношение сигнал/шум.In the “quadrature signal phase-matching” procedure, oscillation in each pair of signals is achieved: a local reference oscillator and a first frequency conversion path, a local reference oscillator and a second frequency conversion path, while the signals of the local reference oscillator in each pair have a large signal to noise ratio, which allows you to go from measuring the phase difference of the oscillations of the frequency conversion paths with small signal / noise ratios to measuring the phase difference of the oscillations of the local reference generator, I have their constantly high signal / noise ratio.
Процедура «квадратурного измерения разности фаз сигналов» позволяет за счет выбора низкой промежуточной частоты и большого количества отсчетов на ее периоде при дискретизации получить высокую точность измерений разности фаз колебаний сигналов местного опорного генератора с большим отношением сигнал/шум, которая с точностью до погрешности синфазирования равна искомой разности фаз колебаний выходных сигналов исследуемых трактов.The procedure of “quadrature measurement of the phase difference of the signals” allows, due to the selection of a low intermediate frequency and a large number of samples on its period during sampling, to obtain high accuracy of measuring the phase difference of the oscillations of the signals of the local reference oscillator with a large signal-to-noise ratio, which, up to the phase-shift error, is equal to the desired the phase difference of the oscillations of the output signals of the studied paths.
Такая совокупность отличительных признаков выгодно отличает заявляемый способ от способа-прототипа и других известных способов, с точки зрения возможности существенного повышения точности измерений разности фаз гармонических сигналов в области малых отношений сигнал/шум.Such a set of distinctive features distinguishes the claimed method from the prototype method and other known methods, from the point of view of the possibility of significantly improving the accuracy of measuring the phase difference of harmonic signals in the field of small signal to noise ratios.
Список использованных источниковList of sources used
1. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. М.: Радио и связь, 1993.1. Chmykh M.K. Digital phase metering. M .: Radio and communications, 1993.
2. Webster J.G. (Ed.) Electrical measurement, signal processing, and displays. Boca Raton: CRC Press, 2004.2. Webster J.G. (Ed.) Electrical measurement, signal processing, and displays. Boca Raton: CRC Press, 2004.
3. Метрология и радиоизмерения / Под ред. В.И. Нефедова. М.: Высшая школа, 2006.3. Metrology and radio measurements / Ed. IN AND. Nefedova. M .: Higher school, 2006.
4. Mahmud S.M. Error analysis of digital phase measurement of distorted waves // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1989. 38, N 1. C. 6-9.4. Mahmud S.M. Error analysis of digital phase measurement of distorted waves // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1989.38, N 1. C. 6-9.
5. Liang Y.R., Duan H.Z., Yeh H.C., Luo J. Fundamental limits on the digital phase measurement method based on cross-correlation analysis // Rev. Sci. Instrum, 2012. 83, N 9. C. 95-110.5. Liang Y.R., Duan H.Z., Yeh H.C., Luo J. Fundamental limits on the digital phase measurement method based on cross-correlation analysis // Rev. Sci. Instrum, 2012. 83,
6. Mahmud S.M. High precision phase measurement using reduced sine and cosine tables // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1990. 39, N 1. C. 56-60.6. Mahmud S.M. High precision phase measurement using reduced sine and cosine tables // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1990.39, N 1.C. 56-60.
7. Mahmud S.M. High precision phase measurement using adaptive sampling // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1989. 38, N 5. C. 954-960.7. Mahmud S.M. High precision phase measurement using adaptive sampling // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 1989. 38,
8. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006.8. Gonorovsky I.S. Radio circuits and signals. M.: Bustard, 2006.
9. Sedlacek М., Krumpholc М. Digital measurement of phase difference a comparative study DSP algorithms // Metrology and Measurement Systems, 2005. XII, N 4. C. 427-449.9. Sedlacek M., Krumpholc M. Digital measurement of phase difference a comparative study DSP algorithms // Metrology and Measurement Systems, 2005. XII,
10. Саидов А.С., Тачилаев A.P. и др. Проектирование фазовых автоматических пеленгаторов. М.: Радио и связь, 1997.10. Saidov A.S., Tachilaev A.P. and others. Design of phase automatic direction finders. M .: Radio and communications, 1997.
11. Дамдинова Д.Б., Полетаев А.С., Ченский А.Г. Сравнение точности методов вычисления разности фаз квазигармонических сигналов. Вестник СибГУТИ, 2016. №2. С. 87-97.11. Damdinova D.B., Poletaev A.S., Chensky A.G. Comparison of accuracy of methods for calculating the phase difference of quasi-harmonic signals. Vestnik SibGUTI, 2016. No. 2. S. 87-97.
12. Измерение временных интервалов и фазового сдвига [Электронный ресурс] // URL: http://reftop.ru/prakticheskaya-rabota-po-izmereniyu-intervalov-vremeni-i-fazov.html?page=41 (дата обращения: 01.11.2018).12. Measurement of time intervals and phase shift [Electronic resource] // URL: http://reftop.ru/prakticheskaya-rabota-po-izmereniyu-intervalov-vremeni-i-fazov.html?page=41 (accessed: 01.11 .2018).
13. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991.13. Tikhonov V.I., Kharisov V.N. Statistical analysis and synthesis of radio engineering devices and systems. M .: Radio and communications, 1991.
14. Герметичные реле с частотами коммутации до 1 ГГц [Электронный ресурс] // URL: http://www.fulcrum.ru/LineCard/Relays/PDF/RA.pdf (дата обращения: 01.11.2018).14. Sealed relays with switching frequencies up to 1 GHz [Electronic resource] // URL: http://www.fulcrum.ru/LineCard/Relays/PDF/RA.pdf (accessed: 01.11.2018).
15. Программируемый частотомер НМ8123 [Электронный ресурс] // URL: http://mobile.rohde-schwarz.com.ua/products/test_and_measurement/hameg/HM8123/Brief (дата обращения: 01.11.2018).15. Programmable frequency meter NM8123 [Electronic resource] // URL: http://mobile.rohde-schwarz.com.ua/products/test_and_measurement/hameg/HM8123/Brief (accessed: 01.11.2018).
16. Четырехквадрантный умножитель AD834 [Электронный ресурс] // URL: http://www.analog.com/ru/products/analog-functions/analog-multipliers-dividers/ad834.html (дата обращения: 01.11.2018).16. Four-quadrant multiplier AD834 [Electronic resource] // URL: http://www.analog.com/en/products/analog-functions/analog-multipliers-dividers/ad834.html (accessed: 01.11.2018).
17. Генератор-синтезатор частот НМ8134-3 [Электронный ресурс] // URL: https://www.eskomp.ru/UFiles/bukl/GENERATOR_HMF8.pdf (дата обращения: 01.11.2018).17. Frequency synthesizer NM8134-3 [Electronic resource] // URL: https://www.eskomp.ru/UFiles/bukl/GENERATOR_HMF8.pdf (accessed: 01.11.2018).
18. Техника и принципы схемотехнической реализации фильтров на операционных усилителях [Электронный ресурс] // URL: http://studbooks.net/783435/tehnika/printsipy_shemotehnicheskoy_realizatsii_filtrov_na_operats ionnom_usilitele (дата обращения: 01.11.2018).18. Technique and principles of circuitry for implementing filters on operational amplifiers [Electronic resource] // URL: http://studbooks.net/783435/tehnika/printsipy_shemotehnicheskoy_realizatsii_filtrov_na_operats ionnom_usilitele (accessed: 01.11.2018).
19. Справочник по АЦП ЦАП [Электронный ресурс] // URL: http://azp.ucoz.ru/index/ltc1742_14_razrjadnyj_maloshumjashhij_acp_s_chastotoj_preobrazovanija_65_mgc/0-75 (дата обращения: 01.11.2018).19. Reference on the ADC / DAC [Electronic resource] // URL: http://azp.ucoz.ru/index/ltc1742_14_razrjadnyj_maloshumjashhij_acp_s_chastotoj_preobrazovanija_65_mgc/0-75 (accessed: 01.11.2018).
20. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega: руководство пользователя. М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2007.20. Evstifeev A.V. Mega AVR Microcontrollers: User Guide. M .: Publishing house "Dodeca - XXI", 2007.
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018145901A RU2700334C1 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018145901A RU2700334C1 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2700334C1 true RU2700334C1 (en) | 2019-09-16 |
Family
ID=67989770
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018145901A RU2700334C1 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2700334C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115407129A (en) * | 2022-08-30 | 2022-11-29 | 北京东方计量测试研究所 | A wide-band voltage phase difference measurement method and its measurement device |
RU2825855C1 (en) * | 2024-01-31 | 2024-09-02 | Акционерное общество "Проектно-конструкторское бюро "РИО" | Method of generating and processing radio signals in short-wave range |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU370542A1 (en) * | 1971-03-01 | 1973-02-15 | LOW FREQUENCY PHASOMETER | |
SU1101754A1 (en) * | 1982-12-08 | 1984-07-07 | Омский политехнический институт | Method of measuring phase-shift (its versions) |
SU1273837A1 (en) * | 1985-07-08 | 1986-11-30 | Винницкий политехнический институт | Phasemeter |
US4636719A (en) * | 1984-11-01 | 1987-01-13 | Environmental Research Institute Of Michigan | Apparatus for extended precision phase measurement |
SU1758581A1 (en) * | 1989-10-09 | 1992-08-30 | Предприятие П/Я В-2634 | Oscillator of orthogonal signals |
RU2225012C2 (en) * | 2002-04-19 | 2004-02-27 | Институт лазерной физики СО РАН | Phase-meter |
KR20090053729A (en) * | 2007-11-22 | 2009-05-27 | 헛팅거 일렉트로닉 게엠베하 + 코 카게 | A measurement signal processing apparatus and method for processing at least two measurement signals |
CN102768302A (en) * | 2012-07-18 | 2012-11-07 | 北京无线电计量测试研究所 | Double-channel digital phase noise detection device and phase noise detection method |
RU2642529C2 (en) * | 2015-09-10 | 2018-01-25 | ФГАОУ ВО "Севастопольский государственный университет" | Method of measurement of phase shifts between two harmonic signals of similar frequency |
-
2018
- 2018-12-21 RU RU2018145901A patent/RU2700334C1/en active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU370542A1 (en) * | 1971-03-01 | 1973-02-15 | LOW FREQUENCY PHASOMETER | |
SU1101754A1 (en) * | 1982-12-08 | 1984-07-07 | Омский политехнический институт | Method of measuring phase-shift (its versions) |
US4636719A (en) * | 1984-11-01 | 1987-01-13 | Environmental Research Institute Of Michigan | Apparatus for extended precision phase measurement |
SU1273837A1 (en) * | 1985-07-08 | 1986-11-30 | Винницкий политехнический институт | Phasemeter |
SU1758581A1 (en) * | 1989-10-09 | 1992-08-30 | Предприятие П/Я В-2634 | Oscillator of orthogonal signals |
RU2225012C2 (en) * | 2002-04-19 | 2004-02-27 | Институт лазерной физики СО РАН | Phase-meter |
KR20090053729A (en) * | 2007-11-22 | 2009-05-27 | 헛팅거 일렉트로닉 게엠베하 + 코 카게 | A measurement signal processing apparatus and method for processing at least two measurement signals |
CN102768302A (en) * | 2012-07-18 | 2012-11-07 | 北京无线电计量测试研究所 | Double-channel digital phase noise detection device and phase noise detection method |
RU2642529C2 (en) * | 2015-09-10 | 2018-01-25 | ФГАОУ ВО "Севастопольский государственный университет" | Method of measurement of phase shifts between two harmonic signals of similar frequency |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Дистанционное изучение и практическая работа по измерению интервалов времени и фазовых сдвигов при помощи виртуальных приборов" // МТУСИ, 2011. URL: http://www.mtuci.ru/education/nim/5.doc. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115407129A (en) * | 2022-08-30 | 2022-11-29 | 北京东方计量测试研究所 | A wide-band voltage phase difference measurement method and its measurement device |
RU2825855C1 (en) * | 2024-01-31 | 2024-09-02 | Акционерное общество "Проектно-конструкторское бюро "РИО" | Method of generating and processing radio signals in short-wave range |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sherman et al. | Oscillator metrology with software defined radio | |
US7436166B1 (en) | Direct digital synthesizer producing a signal representing an amplitude of a sine wave | |
EP2733871A1 (en) | Amplitude flatness and phase linearity calibration for rf sources | |
US7970562B2 (en) | System, method, and apparatus for monitoring power | |
US8463224B2 (en) | Arbitrary multiband overlay mixer apparatus and method for bandwidth multiplication | |
EP2725726B1 (en) | Method and apparatus for magnitude and phase response calibration of receivers | |
Alegria | Bias of amplitude estimation using three-parameter sine fitting in the presence of additive noise | |
CN1968161B (en) | Filter equalization using magnitude measurement data | |
CN108535544A (en) | A kind of high accuracy number Method for Phase Difference Measurement based on quadrature phase demodulation technology | |
Sudani et al. | A novel robust and accurate spectral testing method for non-coherent sampling | |
RU2700334C1 (en) | Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios | |
Serov et al. | Application of simulation modeling to determine the parameters of electrical signals by using a quadrature demodulator | |
Belega et al. | A high-performance procedure for effective number of bits estimation in analog-to-digital converters | |
US20120112807A1 (en) | Test and measurement instrument with oscillator phase dejitter | |
RU2341808C1 (en) | Device for measurement of signal/noise ratio | |
JP3974880B2 (en) | Jitter transfer characteristic measuring device | |
RU2683804C1 (en) | Microwave two-terminal element complex refining coefficient modulus and argument determining method | |
CN114047683A (en) | Time interval measuring method and device based on orthogonal sampling interpolation | |
JP2006194703A (en) | AC power measuring apparatus and program | |
Ignatjev et al. | A Fast Estimation Method for the Phase Difference Between Two Quasi-harmonic Signals for Real-Time Systems | |
Mohns et al. | Heterodyne measurement system (HMS) for determining phase angles | |
RU2470312C2 (en) | Phase meter with heterodyne frequency conversion | |
CN115407121B (en) | A broadband voltage ratio measurement method and measurement device based on digital sampling | |
Kharinov et al. | A Technique for Measuring the Frequency of Electrical Power Network Based on Spectral Analysis with Application of Henning Window | |
Ma et al. | Algorithms for accurate spectrum measurement of high-resolution analog-to-digital converter with non-coherent sampling |