[go: up one dir, main page]

RU2703614C1 - Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal - Google Patents

Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal Download PDF

Info

Publication number
RU2703614C1
RU2703614C1 RU2019108856A RU2019108856A RU2703614C1 RU 2703614 C1 RU2703614 C1 RU 2703614C1 RU 2019108856 A RU2019108856 A RU 2019108856A RU 2019108856 A RU2019108856 A RU 2019108856A RU 2703614 C1 RU2703614 C1 RU 2703614C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
digital
frequency
phase
measured
Prior art date
Application number
RU2019108856A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Карелин
Александр Сергеевич Смельчаков
Original Assignee
Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" filed Critical Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени"
Priority to RU2019108856A priority Critical patent/RU2703614C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2703614C1 publication Critical patent/RU2703614C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R25/00Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Phase Differences (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: group of inventions relates to measurement equipment and can be used in information-measuring devices for measuring phase (frequency) characteristics of signals of master oscillators, for example, precision quartz oscillators and quantum frequency standards. Method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal involves performing analogue-to-digital conversion of a measured signal of a fundamental frequency and a reference signal of a divided frequency with a time sampling interval determined by the sampling frequency of the sampling signal generated from the reference signal, storing digital samples obtained as a result of analog-to-digital conversions, performing digital sample decimation and generating complex digital signals of main and decimated samples, phases of the measured and reference signals are calculated as arguments of the main and decimated complex digital signals and the unknown phase of the measured signal relative the phase of the reference signal is determined. Device implementing the method comprises a measured signal generator, a reference signal generator, a quantization signal frequency synthesizer, a frequency divider, a switch, first and second analogue-to-digital converters, first and second random access memory devices, first and second decimators, a digital signal processing processor connected by a data bus with a personal computer.
EFFECT: technical result consists in improvement of measurement accuracy.
2 cl, 2 dwg

Description

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться в информационно-измерительных устройствах для измерения фазовых (частотных) характеристик сигналов задающих генераторов, например, прецизионных кварцевых генераторов и квантовых стандартов частоты.The claimed group of inventions relates to measuring technique and can be used in information-measuring devices for measuring phase (frequency) characteristics of signals of master oscillators, for example, precision crystal oscillators and quantum frequency standards.

Вопросы оценок стабильности фазы (частоты) сигналов задающих генераторов чрезвычайно важны для достижения предельно допустимых технических характеристик различных радиосистем по точности и помехоустойчивости и постоянно привлекает внимание исследователей, см., например, работы: [1] - Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. / Статистическая теория измерительных радиосистем // М., Радио и связь, 1981, с. 117-121; [2] - Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П. Горшкова // М., Сов. радио, 1971, с. 7-15; [3] (электронный источник) http://www.agilent.com - Agilent Е5500 Series phase noise measurement solutions, product overview (Технические решения для измерения фазового шума серии Е5500 компании Agilent. Обзор продукта), номер публикации 5990-5729 RURU.The issues of assessing the stability of the phase (frequency) of the signals of the master oscillators are extremely important for achieving the maximum permissible technical characteristics of various radio systems for accuracy and noise immunity and constantly attracts the attention of researchers, see, for example, works: [1] - Falkovich S.E., Khomyakov E. N. / Statistical theory of measuring radio systems // M., Radio and Communications, 1981, p. 117-121; [2] - Equipment for frequency and time measurements / Ed. A.P. Gorshkova // M., Sov. radio, 1971, p. 7-15; [3] (electronic source) http://www.agilent.com - Agilent E5500 Series phase noise measurement solutions, product overview, publication number 5990-5729 RURU.

Известен ряд способов измерения фазовых флуктуаций гармонических (синусоидальных) сигналов, представленных в патентах: [4] - RU 602876 A1, G01R 25/00, 15.04.1978; [5] - RU 995007 A1, G01R 23/00, 07.02.1983; [6] - US 3058063 A, G01R 23/00, 09.10.1962; [7] - US 4378509 А, H03K 5/26; H03D 13/00, 06.10.1980; [8] - US 6154021 А, G06G 7/19, G01R 25/00, 28.11.2000, однако они не являются статистически оптимальными с точки зрения измерения фазы на фоне шумов и принципиально не позволяют достигать точность, близкую к границам, определяемым неравенством Рао-Крамера. Кроме того, реализация этих способов требует опорного сигнала с номинальной частотой равной номинальной частоте исследуемого сигнала, фазовая стабильность которого должна быть в несколько раз выше измеряемых фазовых флуктуаций. Это требование невыполнимо, например, при исследовании сигналов высокостабильных квантовых стандартов частоты.A number of methods are known for measuring phase fluctuations of harmonic (sinusoidal) signals presented in the patents: [4] - RU 602876 A1, G01R 25/00, 04/15/1978; [5] - RU 995007 A1, G01R 23/00, 02/07/1983; [6] - US 3058063 A, G01R 23/00, 09/10/1962; [7] US 4,378,509 A; H03K 5/26; H03D 13/00, 10/6/1980; [8] - US 6154021 A, G06G 7/19, G01R 25/00, 11.28.2000, however, they are not statistically optimal from the point of view of measuring the phase against the background of noise and fundamentally do not allow to achieve accuracy close to the boundaries determined by the inequality Rao -Kramer. In addition, the implementation of these methods requires a reference signal with a nominal frequency equal to the nominal frequency of the signal under study, the phase stability of which should be several times higher than the measured phase fluctuations. This requirement is not feasible, for example, in the study of signals of highly stable quantum frequency standards.

Известен ряд способов измерения фазовых флуктуаций, представленных в [3, с. 10], а также в патентах: [9] - RU 1765780 A, G01R 23/12, 30.09.1992; [10] - RU 2256928 С2, G01R 23/00, 20.07.2005; [11] - RU 2273859 C1, G01R 29/26, G01R 23/16, 10.04.2006; [12] - RU 2339959 С2, G01R 29/26, 27.11.2008, основанных на использовании двухканальной взаимной корреляции. Этот метод использует комбинацию из одинаковых одноканальных систем с несколькими (минимум с двумя) опорными источниками, фазовая стабильность которых может быть равной и даже хуже стабильности исследуемого сигнала. При этом выполняются операции взаимной корреляции между выходными сигналами каждого канала. Фазовые шумы измеряемого сигнала в каждом канале когерентны и операция взаимной корреляции не влияет на их вклад в результат измерения, тогда как собственные шумы каждого опорного сигнала не когерентны и операция взаимной корреляции уменьшает их суммарный вклад в результат измерения при двух опорных сигналах пропорционально М0.5 (М - число корреляций). Это можно выразить формулой:A number of known methods for measuring phase fluctuations presented in [3, p. 10], as well as in patents: [9] - RU 1765780 A, G01R 23/12, 09/30/1992; [10] - RU 2256928 C2, G01R 23/00, 07.20.2005; [11] - RU 2273859 C1, G01R 29/26, G01R 23/16, 04/10/2006; [12] - RU 2339959 C2, G01R 29/26, 11.27.2008, based on the use of two-channel cross-correlation. This method uses a combination of identical single-channel systems with several (at least two) reference sources whose phase stability can be equal to or even worse than the stability of the signal under study. In this case, cross-correlation operations between the output signals of each channel are performed. The phase noise of the measured signal in each channel is coherent and the cross-correlation operation does not affect their contribution to the measurement result, while the intrinsic noise of each reference signal is not coherent and the cross-correlation operation reduces their total contribution to the measurement result with two reference signals in proportion to M 0.5 (M is the number of correlations). This can be expressed by the formula:

Nи=Nис+(N1+N2)/M1/2 N and = N is + (N 1 + N 2 ) / M 1/2

где: Nи - полный измеренный шум;where: N and is the total measured noise;

Nис - шум испытуемого устройства;N IS - noise of the tested device;

Nl и N2 - собственные шумы первого и второго источников опорных сигналов;N l and N 2 - intrinsic noise of the first and second sources of reference signals;

М - число корреляций.M is the number of correlations.

Метод двухканальной взаимной корреляции позволяет достичь высокой чувствительности, не требуя исключительно высоких характеристик опорных сигналов. Однако с ростом числа корреляций увеличивается время измерений, которое при оценке фазовых шумов, спектральная плотность мощности которых расположена вблизи несущей исследуемого сигнала, оказывается недопустимо большим.The method of two-channel cross-correlation allows you to achieve high sensitivity without requiring extremely high characteristics of the reference signals. However, with an increase in the number of correlations, the measurement time increases, which, when evaluating phase noise, whose spectral power density is located near the carrier of the signal under study, turns out to be unacceptably large.

Известны способы измерения характеристик фазовых флуктуаций гармонических сигналов, представленные в патентах: [13] - RU 993148 A1, G01R 25/00, 30.01.1983; [14] - RU 1478148 A1, G01R 25/00, 07.05.1989; [15] - ЕР 03793321 А2, G01R 25/00, 25.07.1990; [16] - RU 2041469 C1, G01R 25/00, 09.08.1995; [17] - US 6477214 B1, G01R 23/167, Н04В 1/10, 05.11.2002, основанные на получении значений текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа с последующим использованием разностно-фазовой статистики сигнала. Эти способы также являются статистически оптимальными с точки зрения измерения фазы синусоидальных сигналов на фоне шумов, достигающие при больших объемах выборки нижней границы Крамера-Рао.Known methods for measuring the characteristics of phase fluctuations of harmonic signals presented in the patents: [13] - RU 993148 A1, G01R 25/00, 01/30/1983; [14] - RU 1478148 A1, G01R 25/00, 05/07/1989; [15] EP 03793321 A2, G01R 25/00, 07.25.1990; [16] - RU 2041469 C1, G01R 25/00, 09.09.1995; [17] - US 6477214 B1, G01R 23/167, Н04В 1/10, 11/05/2002, based on obtaining the values of the current phase of the signal as an argument of a complex number, followed by the use of phase difference statistics of the signal. These methods are also statistically optimal from the point of view of measuring the phase of the sinusoidal signals against the background of the noise, reaching at large sample sizes the lower Cramer-Rao boundary.

Основным недостатками такого типа способов являются:The main disadvantages of this type of methods are:

- присущая им погрешность измерения, возникающая из-за различия амплитуд сигналов в квадратурных каналах, которые не могут быть реализованы идеально идентичными;- their inherent measurement error arising from the difference in the amplitudes of the signals in the quadrature channels, which cannot be realized perfectly identical;

- погрешность измерения из-за фазовых флуктуаций («джиттера») стробирующих импульсов;- measurement error due to phase fluctuations ("jitter") of gating pulses;

- необходимость использования опорного сигнала, стабильность которого в несколько раз выше стабильности измеряемого сигнала.- the need to use a reference signal whose stability is several times higher than the stability of the measured signal.

В частности, способ измерения характеристик фазовых флуктуаций гармонического сигнала, представленный в патенте [13], включает операции формирования синфазной и квадратурной составляющей измеряемого сигнала, формирования стробирующих импульсов из опорного сигнала, запоминания мгновенных значений синфазной и квадратурной составляющих измеряемого сигнала в моменты появления стробирующих импульсов, аналого-цифрового преобразования мгновенных значений синфазной и квадратурной составляющих измеряемого сигнала, при этом фазу измеряемого сигнала определяют в соответствии с выражением:In particular, the method for measuring the characteristics of phase fluctuations of a harmonic signal, presented in the patent [13], includes the steps of generating the in-phase and quadrature components of the measured signal, generating the strobe pulses from the reference signal, storing instantaneous values of the in-phase and quadrature components of the measured signal at the moments of the appearance of the strobe pulses, analog-to-digital conversion of the instantaneous values of the in-phase and quadrature components of the measured signal, while the phase is measured the first signal is determined in accordance with the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: Us и Uc - результаты аналого-цифрового преобразования синфазной и квадратурной составляющих соответственно;where: U s and U c are the results of analog-to-digital conversion of in-phase and quadrature components, respectively;

k=1, 2, 3, … - текущий номер стробирующего импульса.k = 1, 2, 3, ... is the current number of the gating pulse.

Существенным недостатком этого способа является присущая ему большая погрешность оценки. В самом деле, вычисленный результат ϕ(k) содержит следующие составляющие:A significant drawback of this method is its inherent large error of estimation. In fact, the calculated result ϕ (k) contains the following components:

Figure 00000002
Figure 00000002

где: ϕ0 - постоянный фазовый сдвиг измеряемого сигнала, не влияющий на оцениваемый параметр;where: ϕ 0 is the constant phase shift of the measured signal that does not affect the estimated parameter;

θ(k) - фазовые флуктуации измеряемого сигнала, подлежащие оценке;θ (k) - phase fluctuations of the measured signal to be evaluated;

θ0(k) - фазовые флуктуации опорного сигнала;θ 0 (k) - phase fluctuations of the reference signal;

θs(k) - паразитные фазовые флуктуации из-за «джиттера» стробирующих импульсов;θ s (k) - spurious phase fluctuations due to the "jitter" of the gating pulses;

θ а (k) - паразитные фазовые флуктуации из-за неточности установки равенства амплитуд и сдвига фаз 90° синфазной и квадратурной составляющих.θ a (k) - spurious phase fluctuations due to inaccuracy in setting the equality of amplitudes and phase shift of 90 ° in-phase and quadrature components.

Устранение влияния θ0(k) на результат оценки возможно, если θ0(k)≤≤θ(k),то есть требуется опорный сигнал, стабильность фазы которого в несколько раз превосходит стабильность измеряемого сигнала. Составляющие θs(k) и θ а (k) принципиально присущи этому способу и существенно увеличивают погрешность оценки фазовых флуктуаций исследуемого сигнала.The influence of θ 0 (k) on the estimation result can be eliminated if θ 0 (k) ≤≤θ (k), i.e., a reference signal is required whose phase stability is several times greater than the stability of the measured signal. The components θ s (k) and θ a (k) are fundamentally inherent in this method and significantly increase the error in estimating the phase fluctuations of the signal under study.

Известны способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала и устройство для его осуществления, используемые при решении задач определения характеристик гармонического сигнала, представленные в патенте [18] - RU 2591742 С1, G01R 23/00, 20.07.2016. Эти способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала и устройство для его осуществления наиболее близки по технической сущности к заявляемым способу и устройству и приняты в качестве прототипа.A known method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for its implementation, used in solving problems of determining the characteristics of a harmonic signal, are presented in the patent [18] - RU 2591742 C1, G01R 23/00, 07/20/2016. This method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for its implementation are closest in technical essence to the claimed method and device and are adopted as a prototype.

Способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, принятый в качестве прототипа, основан на статистически оптимальном алгоритме оценки фазы сигнала. При этом компоненты комплексного сигнала формируются путем последовательных во времени цифровых выборок измеряемого сигнала, что исключает погрешность измерения из-за различия амплитуд квадратурных составляющих комплексного сигнала.A method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, adopted as a prototype, is based on a statistically optimal algorithm for estimating the phase of a signal. In this case, the components of the complex signal are formed by successive digital samples of the measured signal, which eliminates the measurement error due to the difference in the amplitudes of the quadrature components of the complex signal.

Способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, принятый в качестве прототипа, заключается в следующем. Осуществляют аналого-цифровое преобразование измеряемого сигнала с интервалом временной дискретизации, определяемой частотой

Figure 00000003
сигнала дискретизации, формируемого из опорного сигнала с частотой ƒ0, где j=0, 1, 2, 3, … Образуют и запоминают компоненты комплексного цифрового сигнала Us(k) и Uc(k), где k=0, 1, 2, 3 … S, осуществляют вычисление фазы ϕ(k) измеряемого сигнала как аргумента комплексного числа в соответствии с выражением ϕ(k)=tg-1(Us(k)/Uc(k)). Одновременно осуществляют аналого-цифровое преобразование опорного сигнала с интервалом временной дискретизации, определяемой указанной частотой ƒs сигнала дискретизации. Образуют и запоминают компоненты комплексного цифрового опорного сигнала U0s(k) и U0c(k), где k=0, 1, 2, 3 … S, осуществляют вычисление фазы ϕ0(k) опорного сигнала как аргумента комплексного числа в соответствии с выражением ϕ0(k)=tg-1(U0s(k)/U0c(k)), а искомое отклонение фазы измеряемого сигнала Δϕ(k) относительно фазы опорного сигнала ϕ0(k) определяют в соответствии с выражением:The method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal, adopted as a prototype, is as follows. Perform analog-to-digital conversion of the measured signal with an interval of time sampling, determined by the frequency
Figure 00000003
a sampling signal generated from a reference signal with a frequency ƒ 0 , where j = 0, 1, 2, 3, ... Form and store the components of a complex digital signal U s (k) and U c (k), where k = 0, 1, 2, 3 ... S, the phase ϕ (k) of the measured signal is calculated as an argument of a complex number in accordance with the expression ϕ (k) = tg -1 (U s (k) / U c (k)). At the same time, an analog-to-digital conversion of the reference signal is performed with an interval of time sampling determined by the indicated frequency ƒ s of the sampling signal. The components of the complex digital reference signal U 0s (k) and U 0c (k) are formed and stored, where k = 0, 1, 2, 3 ... S, the phase ϕ 0 (k) of the reference signal is calculated as an argument of a complex number in accordance with the expression ϕ 0 (k) = tg -1 (U 0s (k) / U 0c (k)), and the desired deviation of the phase of the measured signal Δϕ (k) relative to the phase of the reference signal ϕ 0 (k) is determined in accordance with the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

Устройство для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, принятое в качестве прототипа, реализующее способ-прототип, содержит последовательно соединенные генератор измеряемого сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь, первое оперативное запоминающее устройство и процессор цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной вычислительной машиной, а также последовательно соединенные генератор опорного сигнала и синтезатор частоты сигнала квантования, выход которого соединен с входом синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя и входом синхронизации второго аналого-цифрового преобразователя, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора опорного сигнала, а выход через второе оперативное запоминающее устройство соединен со вторым входом процессора цифровой обработки сигналов, управляющий выход которого соединен с входом управления синтезатора частоты сигнала квантования.A device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, adopted as a prototype, which implements the prototype method, contains a serially connected measured signal generator, a first analog-to-digital converter, a first random access memory and a digital signal processing processor connected to a data exchange bus with a personal computer, as well as series-connected reference signal generator and frequency synthesizer quantization signal, the output of which is connected to the input sync the first analog-to-digital converter and the synchronization input of the second analog-to-digital converter, the signal input of which is connected to the output of the reference signal generator, and the output through the second random access memory is connected to the second input of the digital signal processing processor, the control output of which is connected to the control input of the frequency synthesizer quantization signal.

В процессе осуществления способа-прототипа генератор измеряемого сигнала формирует на своем выходе гармонический сигнал, который поступает на сигнальный вход первого аналого-цифрового преобразователя.In the process of implementing the prototype method, the measured signal generator generates a harmonic signal at its output, which is fed to the signal input of the first analog-to-digital converter.

Генератор опорного сигнала формирует на своем выходе гармонический сигнал с частотой ƒ0, который поступает на сигнальный вход второго аналого-цифрового преобразователя, а также на сигнальный вход синтезатора частоты сигнала дискретизации, на вход управления которого поступает сигнал с управляющего выхода процессора цифровой обработки сигналов.The reference signal generator generates at its output a harmonic signal with a frequency of ƒ 0 , which is fed to the signal input of the second analog-to-digital converter, as well as to the signal input of the frequency synthesizer of the sampling signal, to the control input of which there is a signal from the control output of the digital signal processing processor.

Синтезатор частоты сигнала дискретизации формирует сигнал, представляющий собой квантующие импульсы, следующие с частотой fs:The frequency synthesizer of the sampling signal generates a signal, which is a quantizing pulse, the following with a frequency f s :

Figure 00000005
Figure 00000005

где j=0, 1, 2, 3, … .where j = 0, 1, 2, 3, ....

Значение выбранного индекса j через персональную вычислительную машину вводится в процессор цифровой обработки сигналов, который управляет коэффициентом синтеза синтезатора частоты сигнала дискретизации в соответствии с выражением (4).The value of the selected index j is introduced through a personal computer into a digital signal processing processor that controls the synthesis coefficient of the synthesizer of the sampling signal frequency in accordance with expression (4).

С выхода синтезатора частоты сигнала дискретизации квантующие импульсы поступают на входы синхронизации первого и второго аналого-цифровых преобразователей,обеспечивая одновременность формирование цифровых выборок измеряемого и опорного сигналов с частотой дискретизации ƒs.From the output of the synthesizer of the frequency of the sampling signal, quantizing pulses are fed to the synchronization inputs of the first and second analog-to-digital converters, providing simultaneous formation of digital samples of the measured and reference signals with a sampling frequency ƒ s .

Цифровые выборки измеряемого сигнала, формируемые с помощью первого аналого-цифрового преобразователя с интервалом временной дискретизации ts, запоминаются в первом оперативном запоминающем устройстве.Digital samples of the measured signal generated using the first analog-to-digital converter with a time interval t s are stored in the first random access memory.

Цифровые выборки опорного сигнала, формируемые с помощью второго аналого-цифрового преобразователя с тем же интервалом временной дискретизации ts, запоминаются во втором оперативном запоминающем устройстве.Digital samples of the reference signal generated using the second analog-to-digital converter with the same time interval t s are stored in the second random access memory.

При этом синтез частоты дискретизации в соответствии с выражением (4) обеспечивает формирование ортогональных компонент цифровых комплексных сигналов измеряемого и опорного каналов, запоминаемых в первом оперативном запоминающем устройстве и втором оперативном запоминающем устройстве соответственно.In this case, the synthesis of the sampling frequency in accordance with expression (4) ensures the formation of the orthogonal components of the digital complex signals of the measured and reference channels stored in the first random access memory and the second random access memory, respectively.

С выходов оперативных запоминающих устройств цифровые выборки измеряемого и опорного сигналов поступают на соответствующие входы процессора цифровой обработки сигналов.From the outputs of random access memory devices, digital samples of the measured and reference signals are fed to the corresponding inputs of the digital signal processing processor.

Процессор цифровой обработки сигналов считывает цифровые коды выборок измеряемого и опорного сигналов соответственно из первого и второго оперативных запоминающих устройств, осуществляет формирование синусных и косинусных составляющих цифрового комплексного сигнала измеряемого Us(k), Uc(k) и опорного U0s(k), U0c(k) каналов, где k=0, 1, 2, 3 … S, вычисляет фазы ϕ(k), ϕ0(k) и отклонение фазы измеряемого сигнала в соответствии с выражениями:The digital signal processing processor reads the digital codes of the samples of the measured and reference signals, respectively, from the first and second random access memory, generates the sine and cosine components of the digital complex signal of the measured U s (k), U c (k) and the reference U 0s (k), U 0c (k) channels, where k = 0, 1, 2, 3 ... S, calculates the phases ϕ (k), ϕ 0 (k) and the phase deviation of the measured signal in accordance with the expressions:

Figure 00000006
Figure 00000006

Вычисленные значения отклонения фазы ϕ(k) измеряемого сигнала выдаются в персональную вычислительную машину для индикации результатов и статистической обработки единичных измерений. В частности, для характеристики фазовых флуктуаций могут быть получены оценки:The calculated values of the phase deviation ϕ (k) of the measured signal are output to a personal computer to indicate the results and statistical processing of individual measurements. In particular, to characterize phase fluctuations, estimates can be obtained:

- дисперсии:- variance:

Figure 00000007
Figure 00000007

- автокорреляционной функции:- autocorrelation function:

Figure 00000008
Figure 00000008

- спектральной плотности мощности:- power spectral density:

Figure 00000009
Figure 00000009

Недостатком способа-прототипа и устройства-прототипа являются относительно низкая точность из-за флуктуаций фазы опорного сигнала.The disadvantage of the prototype method and the prototype device are the relatively low accuracy due to fluctuations in the phase of the reference signal.

Сказанное можно проиллюстрировать следующим образом. Измеренное значение дисперсии фазовых флуктуаций содержит две составляющие:The foregoing can be illustrated as follows. The measured value of the dispersion of phase fluctuations contains two components:

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
- дисперсии фазовых флуктуаций измеряемого и опорного сигналов соответственно.Where
Figure 00000011
- dispersion of phase fluctuations of the measured and reference signals, respectively.

При этом

Figure 00000012
если выполняется условие:Wherein
Figure 00000012
if the condition is met:

Figure 00000013
Figure 00000013

В противном случае флуктуации опорного сигнала проявляют маскирующее действие, недопустимо увеличивающее погрешность измерения. При оценке фазовых флуктуаций сигналов прецизионных генераторов, построенных на атомно-квантовых принципах, выполнить условие (7) невозможно.Otherwise, fluctuations of the reference signal exhibit a masking effect, which unacceptably increases the measurement error. When assessing the phase fluctuations of the signals of precision generators built on atomic-quantum principles, it is impossible to fulfill condition (7).

Техническим результатом, на достижение которого направлены заявляемые изобретения, является повышение точности измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала за счет снижения фазовой ошибки, вносимой фазовой нестабильностью опорного сигнала.The technical result, the claimed inventions are aimed at, is to increase the accuracy of measuring phase fluctuations of a harmonic signal by reducing the phase error introduced by the phase instability of the reference signal.

Сущность заявляемого способа измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала заключается в следующем. Осуществляют аналого-цифровое преобразование сигналов в измерительном и опорном каналах с интервалом временной дискретизации, определяемой частотой ƒs сигнала дискретизации, формируемого из опорного сигнала с частотой ƒ0. Запоминают полученные в результате этого аналого-цифрового преобразования цифровые выборки в измерительном и опорном каналах. Осуществляют преобразование этих цифровых выборок в квадратурные составляющие комплексных сигналов измеряемого Us(k), Uc(k) и опорного U0s(k), U0c(k) сигналов. Определяют фазы измеряемого ϕ(k) и опорного ϕ0(k) сигналов как аргументы комплексного числа в соответствии с выражениями ϕ(k)=tg-1(Us(k)/Uc(k)) и ϕ0(k)=tg-1(U0s(k)/U0c(k)) и определяют фазу Δϕ(k) измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала в соответствии с выражением Δϕ(k)=ϕ0(k)-ϕ(k), где k=0, 1, 2, 3 … В отличие от прототипа, сигнал опорного канала перед операцией аналого-цифрового преобразования подвергается операции деления частоты с коэффициентом kd=2j+1, а частоту ƒs сигнала дискретизации формируют в соответствии с выражением ƒs=4iƒ0/(2j+1), где i=2, 3, 4, … , j=1, 2, 3, … Дополнительно осуществляют децимацию запомненных цифровых выборок в измерительном и опорном каналах с коэффициентом децимации i. Преобразуют эти децимированные цифровые выборки в квадратурные составляющие комплексных децимированных сигналов измеряемого Usd(k), Ucd(k) и опорного U0sd(k), U0cd(k) каналов. Определяют фазы ϕd(k) измеряемого децимированого сигнала и ϕ0d(k) опорного децимированного сигнала как аргументы комплексного числа в соответствии с выражением ϕd(k)=tg-1(Usd(k)/Ucd(k)) и ϕ0d(k)=tg-1(U0sd(k)/U0cd(k)). Определяют фазу Δϕd(k) измеряемого децимированного сигнала относительно фазы опорного децимированного сигнала в соответствии с выражением Δϕd(k)=ϕ0d(k)-ϕd(k), где k=0, 1, 2, 3 … , а искомое значение фазы θ*(k) измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала формируют в соответствии с выражением θ*(k)=(iΔϕ(k)-Δϕd(k))/(i-1).The essence of the proposed method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal is as follows. Perform analog-to-digital conversion of signals in the measuring and reference channels with an interval of time sampling, determined by the frequency ƒ s of the sampling signal generated from the reference signal with a frequency of ƒ 0 . The digital samples obtained as a result of this analog-to-digital conversion are stored in the measuring and reference channels. These digital samples are converted into quadrature components of the complex signals of the measured U s (k), U c (k) and the reference U 0s (k), U 0c (k) signals. The phases of the measured ϕ (k) and reference ϕ 0 (k) signals are determined as arguments of a complex number in accordance with the expressions ϕ (k) = tg -1 (U s (k) / U c (k)) and ϕ 0 (k) = tg -1 (U 0s (k) / U 0c (k)) and determine the phase Δϕ (k) of the measured signal relative to the phase of the reference signal in accordance with the expression Δϕ (k) = ϕ 0 (k) -ϕ (k), where k = 0, 1, 2, 3 ... Unlike the prototype, the signal of the reference channel is subjected to the operation of frequency division with the coefficient k d = 2j + 1 before the analog-to-digital conversion operation, and the frequency ƒ s of the sampling signal is formed in accordance with the expression ƒ s = 4iƒ 0 / (2j + 1), where i = 2, 3, 4 , ..., j = 1, 2, 3, ... In addition, the stored digital samples are decimated in the measuring and reference channels with a decimation coefficient i. These decimated digital samples are converted into quadrature components of the complex decimated signals of the measured U sd (k), U cd (k) and reference U 0sd (k), U 0cd (k) channels. The phases ϕ d (k) of the measured decimated signal and ϕ 0d (k) of the reference decimated signal are determined as arguments of a complex number in accordance with the expression ϕ d (k) = tg -1 (U sd (k) / U cd (k)) and ϕ 0d (k) = tg -1 (U 0sd (k) / U 0cd (k)). The phase Δϕ d (k) of the measured decimated signal is determined relative to the phase of the reference decimated signal in accordance with the expression Δϕ d (k) = ϕ 0d (k) -ϕ d (k), where k = 0, 1, 2, 3 ..., and the desired value of the phase θ * (k) of the measured signal relative to the phase of the reference signal is formed in accordance with the expression θ * (k) = (iΔϕ (k) -Δϕ d (k)) / (i-1).

Сущность заявляемого устройства для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала заключается в следующем. Устройство содержит последовательно соединенные генератор измеряемого сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь, первое оперативное запоминающее устройство и процессор цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной вычислительной машиной, а также последовательно соединенные генератор опорного сигнала и синтезатор частоты сигнала квантования, выход которого соединен с входом синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя и входом синхронизации второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого через второе оперативное запоминающее устройство соединен с вторым входом процессора цифровой обработки сигналов, управляющий выход которого соединен с входом управления синтезатора частоты сигнала квантования. В отличие от прототипа устройство содержит делитель частоты, выход которого соединен с сигнальным входом второго аналого-цифрового преобразователя, вход управления соединен с входом управления синтезатора частоты сигнала квантования, а сигнальный вход соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом генератора опорного сигнала и выходом генератора измеряемого сигнала, а также первый дециматор, вход которого соединен с выходом первого оперативного запоминающего устройства, а выход - с третьим входом процессора цифровой обработки сигналов, и второй дециматор, вход которого соединен с выходом второго оперативного запоминающего устройства, а выход - с четвертым входом процессора цифровой обработки сигналов.The essence of the claimed device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal is as follows. The device contains a series-connected generator of the measured signal, the first analog-to-digital converter, the first random access memory and a digital signal processor connected to the data bus with a personal computer, as well as a series-connected reference signal generator and a frequency synthesizer of the quantization signal, the output of which is connected to synchronization input of the first analog-to-digital converter and synchronization input of the second analog-to-digital converter I, the output of which through a second random access memory coupled to the second input of the digital signal processing, the control output of which is connected with the control input of quantization synthesizer frequency signal. Unlike the prototype, the device contains a frequency divider, the output of which is connected to the signal input of the second analog-to-digital converter, the control input is connected to the control input of the synthesizer of the quantization signal frequency, and the signal input is connected to the output of the switch, the first and second inputs of which are connected, respectively, with the output of the reference signal generator and the output of the measured signal generator, as well as the first decimator, the input of which is connected to the output of the first random access memory, and the output - with the third input of the digital signal processing processor, and a second decimator, the input of which is connected to the output of the second random access memory, and the output - with the fourth input of the digital signal processing processor.

Сущность заявляемых способа и устройства поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1 и 2, где:The essence of the claimed method and device is illustrated by the illustrative materials presented in FIG. 1 and 2, where:

на фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, с помощью которого осуществляется заявляемый способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала;in FIG. 1 is a structural diagram of a device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, with the help of which the inventive method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal is carried out;

на фиг. 2 представлено в схематическом виде преобразование спектра измеряемого сигнала при его временной дискретизации.in FIG. 2 shows in a schematic form the transformation of the spectrum of the measured signal during its time sampling.

Заявляемое устройство для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, реализующее заявляемый способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, содержит, см. фиг. 1, последовательно соединенные генератор 1 измеряемого сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь 2, первое оперативное запоминающее устройство 3 и процессор 4 цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной вычислительной машиной 5.The inventive device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal that implements the inventive method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, contains, see FIG. 1, the measured signal generator 1, the first analog-to-digital converter 2, the first random access memory 3 and the digital signal processing processor 4 connected to the data exchange bus with a personal computer 5 in series.

Управляющий выход процессора 4 цифровой обработки сигналов соединен с входом управления синтезатора 6 частоты сигнала квантования, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора 7 опорного сигнала, а выход соединен с входом синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя 2 и входом синхронизации второго аналого-цифрового преобразователя 8.The control output of the digital signal processing processor 4 is connected to the control input of the synthesizer 6 of the quantization signal frequency, the signal input of which is connected to the output of the reference signal generator 7, and the output is connected to the synchronization input of the first analog-to-digital converter 2 and the synchronization input of the second analog-to-digital converter 8.

Выход второго аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с входом второго оперативного запоминающего устройства 9, выход которого соединен со вторым входом процессора 4 цифровой обработки сигналов. Сигнальный вход второго аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с выходом делителя 10 частоты.The output of the second analog-to-digital converter 8 is connected to the input of the second random access memory 9, the output of which is connected to the second input of the digital signal processing processor 4. The signal input of the second analog-to-digital converter 8 is connected to the output of the frequency divider 10.

Вход управления делителя 10 частоты соединен с входом управления синтезатора 6 частоты сигнала квантования, соединенным с управляющим выходом процессора 4 цифровой обработки сигналов.The control input of the frequency divider 10 is connected to the control input of the synthesizer 6 of the quantization signal frequency, connected to the control output of the digital signal processing processor 4.

Сигнальный вход делителя 10 частоты соединен с выходом переключателя 11, первый вход которого соединен с выходом генератора 7 опорного сигнала, а второй вход соединен с выходом генератора 1 измеряемого сигнала. Переключатель 11 имеет два фиксированных положения. В первом положении переключатель 11 обеспечивает соединение входа делителя частоты 10 с выходом генератора 7 опорного сигнала, а во втором - соединение входа делителя частоты 10 с выходом генератора 1 измеряемого сигнала. Управление переключателем 11 может осуществляться вручную или от персональной вычислительной машины 5 через процессор 4 цифровой обработки сигналов (на фиг. 1 эта связь не обозначена).The signal input of the frequency divider 10 is connected to the output of the switch 11, the first input of which is connected to the output of the reference signal generator 7, and the second input is connected to the output of the measured signal generator 1. The switch 11 has two fixed positions. In the first position, the switch 11 provides the connection of the input of the frequency divider 10 with the output of the reference signal generator 7, and in the second position, the connection of the input of the frequency divider 10 with the output of the measured signal generator 1. The switch 11 can be controlled manually or from a personal computer 5 through a digital signal processing processor 4 (this relationship is not indicated in Fig. 1).

Выход первого оперативного запоминающего устройства 3 также соединен с входом первого дециматора 12, выход которого соединен с третьим входом процессора 4 цифровой обработки сигналов.The output of the first random access memory 3 is also connected to the input of the first decimator 12, the output of which is connected to the third input of the digital signal processing processor 4.

Выход второго оперативного запоминающего устройства 9 также соединен с входом второго дециматора 13, выход которого соединен с четвертым входом процессора 4 цифровой обработки сигналов.The output of the second random access memory 9 is also connected to the input of the second decimator 13, the output of which is connected to the fourth input of the digital signal processing processor 4.

Заявляемое устройство для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала позволяет осуществить два вида измерений. Первый вид - это измерение фазовых флуктуаций сигнала генератора 1 путем измерения действительного значения разности фаз (частот) этого сигнала относительно опорного сигнала, формируемого генератором 7. Второй вид - это измерение только флуктуационной составляющей фазы измеряемого сигнала генератора 1 (фазовая и частотная стабильность), то есть измерение спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций (дисперсии) собственно сигнала генератора 1. Первый вид измерений осуществляется при установке переключателя 11 в первое положение, второй вид измерений - при установке переключателя 11 во второе положение.The inventive device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal allows two types of measurements. The first view is the measurement of the phase fluctuations of the signal of the generator 1 by measuring the actual value of the phase difference (frequency) of this signal relative to the reference signal generated by the generator 7. The second view is the measurement of only the fluctuation component of the phase of the measured signal of the generator 1 (phase and frequency stability), then there is a measurement of the spectral power density of the phase fluctuation (dispersion) of the signal of the generator 1 itself. The first type of measurement is carried out when the switch 11 is installed in the first position, W swarm measurement type - with switch 11 to the second position.

Работа заявляемого устройства для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, иллюстрирующая осуществимость заявляемого способа измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, происходит следующим образом.The operation of the inventive device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, illustrating the feasibility of the proposed method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, is as follows.

Генератор 1 измеряемого сигнала и генератор 7 опорного сигнала формируют на своих выходах гармонические сигналы, модели которых представляются соответственно в виде:The generator 1 of the measured signal and the generator 7 of the reference signal form harmonic signals at their outputs, the models of which are presented respectively in the form:

Figure 00000014
Figure 00000014

где:Where:

ƒ - номинальное значение частоты измеряемого и опорного сигналов;ƒ - nominal value of the frequency of the measured and reference signals;

Figure 00000015
- функции фазы соответственно измеряемого и опорного сигналов, содержащие детерминированную и флуктуационные части.
Figure 00000015
- phase functions of the measured and reference signals, respectively, containing the deterministic and fluctuation parts.

То есть:I.e:

Figure 00000016
Figure 00000016

Обе составляющие

Figure 00000017
подлежат измерению относительно
Figure 00000018
Поэтому можно положить
Figure 00000019
а наличие
Figure 00000020
приводит к погрешности измерения
Figure 00000021
(см. выражение (7)). С учетом этих замечаний правое соотношение в выражении (8) может быть переписано в видеBoth components
Figure 00000017
subject to measurement relative
Figure 00000018
Therefore, we can put
Figure 00000019
and availability
Figure 00000020
leads to measurement error
Figure 00000021
(see expression (7)). With these comments in mind, the right relation in expression (8) can be rewritten in the form

Figure 00000022
Figure 00000022

В случае измерения фазовых флуктуаций сигнала генератора 1 путем измерения действительного значения разности фаз (частот) этого сигнала относительно опорного сигнала, формируемого генератором 7, опорный сигнал через переключатель 11, находящийся в первом положении, поступает на делитель 10 частоты, который формирует на своем выходе, а, следовательно, и на сигнальном входе второго аналого-цифрового преобразователя 8, сигнал, определяемый выражением:In the case of measuring phase fluctuations of the signal of the generator 1 by measuring the actual value of the phase difference (frequency) of this signal relative to the reference signal generated by the generator 7, the reference signal through the switch 11, located in the first position, is fed to the frequency divider 10, which generates at its output, and, therefore, at the signal input of the second analog-to-digital Converter 8, the signal is determined by the expression:

Figure 00000023
Figure 00000023

Сигналы u(t) и

Figure 00000024
с выходов генератора 1 и делителя 10 частоты поступают на сигнальные входы аналого-цифровых преобразователей 2 и 8, где подвергаются синхронному квантованию по уровню с интервалом временной дискретизации ts, длительность которого задается синхроимпульсами, поступающими с выхода синтезатора 6 частоты сигнала квантования. Длительность интервала временной дискретизации ts равна:Signals u (t) and
Figure 00000024
from the outputs of the generator 1 and the frequency divider 10 are fed to the signal inputs of analog-to-digital converters 2 and 8, where they are subjected to synchronous quantization in level with an interval of time sampling t s , the duration of which is set by sync pulses from the output of the synthesizer 6 of the quantization signal frequency. The duration of the time sampling interval t s is equal to:

Figure 00000025
Figure 00000025

где: j=1, 2, 3, …, i=2, 3, 4, …where: j = 1, 2, 3, ..., i = 2, 3, 4, ...

Выбранные значения индексов j и i, указанные в выражениях (10) и (11), задающие коэффициент деления делителя 10 частоты и параметры интервала временной дискретизации синтезатора 6 частоты сигнала квантования, вводятся через персональную вычислительную машину 5 в процессор 4 цифровой обработки сигналов, который управляет работой делителя 10 частоты и синтезатора 6 частоты сигнала квантования.The selected values of indices j and i indicated in expressions (10) and (11) that specify the division coefficient of the frequency divider 10 and the parameters of the time interval of the synthesizer 6 of the frequency of the quantization signal are input through a personal computer 5 into the digital signal processing processor 4, which controls the work of the frequency divider 10 and synthesizer 6 of the frequency of the quantization signal.

Синтезатор 6 частоты сигнала квантования синхронизируется сигналом, поступающим с выхода генератора 7 опорного сигнала, и вырабатывает сигнал us(t):The synthesizer 6 of the frequency of the quantization signal is synchronized by the signal from the output of the generator 7 of the reference signal, and generates a signal u s (t):

Figure 00000026
Figure 00000026

где

Figure 00000027
- фазовые флуктуации сигнала синтезатора 6 частоты сигнала квантования.Where
Figure 00000027
- phase fluctuations of the synthesizer signal 6 frequency of the quantization signal.

Пусть импульсы сигнала квантования формируются в моменты перехода через нулевой уровень с положительной производной сигнала, определяемого выражением (12). Тогда моменты tk выборок в первом аналого-цифровом преобразователе 2 и втором аналого-цифровом преобразователе 8 можно определить из уравнения:Let the quantization signal pulses form at the moments of transition through the zero level with the positive derivative of the signal defined by expression (12). Then the moments t k samples in the first analog-to-digital Converter 2 and the second analog-to-digital Converter 8 can be determined from the equation:

Figure 00000028
Figure 00000028

где k=0, 1, 2, 3, … - текущий номер выборок.where k = 0, 1, 2, 3, ... is the current number of samples.

Следовательно, с учетом выражения (11) имеем:Therefore, taking into account expression (11), we have:

Figure 00000029
Figure 00000029

где Δs(k, j, i) - представляет собой «джиттер» моментов выборок из-за фазовых флуктуаций сигнала синтезатора 6 частоты сигнала квантования, определяемый выражением:where Δ s (k, j, i) - represents the "jitter" of the sample moments due to phase fluctuations of the synthesizer signal 6 of the frequency of the quantization signal, defined by the expression:

Figure 00000030
Figure 00000030

Выражения для цифровых выборок измеряемого и опорного сигналов, запоминаемых далее в оперативных запоминающих устройствах 3 и 9, можно записать, если в выражениях (8) и (10) вместо непрерывного времени t подставить tk из выражения (13) с учетом выражения (11):Expressions for digital samples of the measured and reference signals, which are stored later in random access memory 3 and 9, can be written if in expressions (8) and (10) instead of continuous time t substitute t k from expression (13) taking into account expression (11) :

Figure 00000031
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

Существует определенный произвол для выбора значений j и i. Поэтому можно потребовать

Figure 00000033
… - целое четное число (например, i=2, j=8). В этом случае выражение (15) может быть переписано в виде:There is some arbitrariness for choosing the values of j and i. Therefore, you can require
Figure 00000033
... is an even integer (for example, i = 2, j = 8). In this case, expression (15) can be rewritten in the form:

Figure 00000034
Figure 00000034

Сравнение выражений (16) и (17) показывает, что в оперативных запоминающих устройствах 3 и 9 происходит накопление цифровых выборок сигналов с одинаковой относительной центральной частотой ω0=2πƒ/ƒs=π/2i (см. фиг. 2а), с той лишь разницей, что в измерительном канале, куда входит первое оперативное запоминающее устройство 3, накопление выборок является результатом стробоскопического эффекта (фиг. 2б), а в опорном канале, куда входит второе оперативное запоминающее устройство 9, - результатом непосредственного квантования опорного сигнала деленной на коэффициент (2j+1) частотой с выхода делителя 10 частоты (фиг. 2в). При этом, как проиллюстрировано на фиг. 2, ширина спектра измеряемого сигнала не изменяется при цифровом преобразовании на частоту ω0 (фиг. 2б), а спектр опорного сигнала сужается в (2j+1) раз (фиг. 2в), так как относительная ширина спектра при операции деления частоты сигнала не изменяется.A comparison of expressions (16) and (17) shows that in random access memory 3 and 9, digital samples of signals are accumulated with the same relative center frequency ω 0 = 2πƒ / ƒ s = π / 2i (see Fig. 2a), with the only difference is that in the measuring channel, which includes the first random access memory 3, the accumulation of samples is the result of a stroboscopic effect (Fig. 2b), and in the reference channel, which includes the second random access memory 9, is the result of direct quantization of the reference signal divided by a factor (2j + 1) of the frequency from the output of the frequency divider 10 (Fig. 2B). In this case, as illustrated in FIG. 2, the width of the spectrum of the measured signal does not change during digital conversion to the frequency ω 0 (Fig. 2b), and the spectrum of the reference signal narrows (2j + 1) times (Fig. 2c), since the relative width of the spectrum during the division of the signal frequency is not is changing.

Цифровые сигналы u(k) с выхода первого оперативного запоминающего устройства 3 и сигналы

Figure 00000035
с выхода второго оперативного запоминающего устройства 9 поступают соответственно на первый и второй входы процессора 4 цифровой обработки сигналов, а также на входы соответствующих дециматоров 12 и 13.Digital signals u (k) from the output of the first random access memory 3 and signals
Figure 00000035
from the output of the second random access memory 9, respectively, are supplied to the first and second inputs of the processor 4 for digital signal processing, as well as to the inputs of the corresponding decimators 12 and 13.

Процедура децимации определяется как цифровая обработка входного сигнала с помощью линейной фильтрации, в результате которой формируется выходной сигнал с пониженной в i раз частотой дискретизации (см., например патент [17] и публикацию [19] - Основы цифровой обработки сигналов. Курс лекций / А.И. Солонина и др. // Изд. 2-е испр. и перераб., СПб, БХВ-Петербург, 2005, с. 589-615). Следовательно, на третий и четвертый входы процессора 4 цифровой обработки сигнала поступают цифровые коды ud(k) и

Figure 00000036
соответственно:The decimation procedure is defined as digital processing of the input signal using linear filtering, as a result of which an output signal is generated with a sampling rate reduced by i times (see, for example, patent [17] and publication [19] - Fundamentals of digital signal processing. Lecture course / A .I. Solonina et al. // Publishing House 2nd ed. And rev., St. Petersburg, BHV-Petersburg, 2005, p. 589-615). Therefore, at the third and fourth inputs of the digital signal processing processor 4, digital codes u d (k) and
Figure 00000036
respectively:

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
Figure 00000038

Процессор 4 цифровой обработки сигнала осуществляет следующие операции.The processor 4 of the digital signal processing performs the following operations.

Во-первых, осуществляется формирование квадратурных составляющих комплексных сигналов измеряемого Us(k), Uc(k) и опорного U0s(k), U0c(k) каналов, а также квадратурных составляющих комплексных децимированных сигналов измеряемого Usd(k), Ucd(k) и опорного U0sd(k), U0c(k) каналов. Это формирование производится, например, путем умножения выборок u(k) и

Figure 00000039
на значения
Figure 00000040
и
Figure 00000041
, а выборок ud(k),
Figure 00000042
- назначения
Figure 00000043
и
Figure 00000044
с последующей цифровой низкочастотной фильтрацией, то есть:Firstly, the formation of quadrature components of the complex signals of the measured U s (k), U c (k) and the reference U 0s (k), U 0c (k) channels, as well as the quadrature components of the complex decimated signals of the measured U sd (k) , U cd (k) and reference U 0sd (k), U 0c (k) channels. This formation is performed, for example, by multiplying the samples u (k) and
Figure 00000039
to values
Figure 00000040
and
Figure 00000041
, and the samples u d (k),
Figure 00000042
- destination
Figure 00000043
and
Figure 00000044
followed by digital low-pass filtering, that is:

Figure 00000045
Figure 00000045

Figure 00000046
Figure 00000046

Figure 00000047
Figure 00000047

Figure 00000048
Figure 00000048

Figure 00000049
Figure 00000049

Figure 00000050
Figure 00000050

Figure 00000051
Figure 00000051

Figure 00000052
Figure 00000052

Во-вторых, производится определение фаз измеряемого θ(k) и опорного θ0(k) сигналов, а также фаз θd(k) измеряемого децимированого сигнала и θ0d(k) опорного децимированного сигнала как аргументы комплексных чисел в соответствии с выражениями:Secondly, the phases of the measured θ (k) and reference θ 0 (k) signals are determined, as well as the phases θ d (k) of the measured decimated signal and θ 0d (k) of the reference decimated signal as arguments of complex numbers in accordance with the expressions:

Figure 00000053
Figure 00000053

Figure 00000054
Figure 00000054

Figure 00000055
Figure 00000055

Figure 00000056
Figure 00000056

В-третьих, производится вычисление фазы Δϕ(k) измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала и фазы Δϕd(k) измеряемого децимированного сигнала относительно фазы опорного децимированного сигнала в соответствии с выражениями:Thirdly, the phase Δϕ (k) of the measured signal relative to the phase of the reference signal and the phase Δϕ d (k) of the measured decimated signal relative to the phase of the reference decimated signal are calculated in accordance with the expressions:

Figure 00000057
Figure 00000057

Figure 00000058
Figure 00000058

В-четвертых, производится вычисление оценки фазы θ*(k) измеряемого сигнала в виде:Fourthly, the phase estimate θ * (k) of the measured signal is calculated in the form of:

Figure 00000059
Figure 00000059

Первое слагаемое в правой части выражения (20) с учетом выражения (14) равно нулю, следовательно, искомая оценка фазы θ*(k) измеряемого сигнала определяется как:The first term on the right-hand side of expression (20), taking into account expression (14), is equal to zero, therefore, the desired estimate of the phase θ * (k) of the measured signal is defined as:

Figure 00000060
Figure 00000060

Таким образом, при осуществлении измерений фазовых флуктуаций измеряемого сигнала заявляемыми способом и устройством обеспечивается компенсация ошибки измерения из-за фазовых флуктуаций синтезатора 6 частоты сигнала квантования, при этом маскирующее действие фазовых флуктуаций опорного сигнала, в отличие от прототипа, снижено в (2j+ 1) раза. Например, для реального для практики случая j=8 выигрыш в точности равен 17 раз. Это значит, что условие (7) легко выполняется даже тогда, когда фазовая стабильность опорного сигнала в несколько раз хуже, чем у измеряемого сигнала.Thus, when performing measurements of phase fluctuations of the measured signal by the claimed method and device, compensation of the measurement error due to phase fluctuations of the synthesizer 6 of the frequency of the quantization signal is provided, while the masking effect of the phase fluctuations of the reference signal, in contrast to the prototype, is reduced (2j + 1) times . For example, for the practical case j = 8, the gain is exactly 17 times. This means that condition (7) is easily satisfied even when the phase stability of the reference signal is several times worse than that of the measured signal.

Вычисленные таким образом значения фазы θ*(k) измеряемого сигнала выдаются далее в персональную вычислительную машину 5 для индикации результатов и статистической обработки единичных измерений, например, в соответствии с выражением (6).The values of the phase θ * (k) of the measured signal calculated in this way are then output to a personal computer 5 for indicating the results and statistical processing of individual measurements, for example, in accordance with expression (6).

В случае, когда измерению подлежит только флуктуационная составляющая фазы измеряемого сигнала (фазовая и частотная стабильность), переключатель 11 устанавливается в свое второе положение, при котором на вход делителя 10 частоты поступаетсигнал от генератора 1 измеряемого сигнала, иными словами в опорном канале в качестве опорного сигнала используется сам измеряемый сигнал.In the case when only the fluctuation component of the phase of the measured signal is subject to measurement (phase and frequency stability), the switch 11 is set to its second position, in which the signal from the measured signal generator 1 is transmitted to the input of the frequency divider 10, in other words, in the reference channel as a reference signal the measured signal itself is used.

Для этого случая выражение (21) с учетом очевидного соотношения

Figure 00000061
имеет вид:For this case, expression (21), taking into account the obvious relation
Figure 00000061
has the form:

Figure 00000062
Figure 00000062

Вычисление значения фазы θ**(k) измеряемого сигнала осуществляется аналогично рассмотренному выше случаю в процессоре 4 цифровой обработки сигналов. Вычисленные значения фазы θ**(k) измеряемого сигнала выдаются в персональную вычислительную машину 13 для индикации результатов и статистической обработки единичных измерений, например, в соответствии с выражением (6).The calculation of the phase value θ ** (k) of the measured signal is carried out similarly to the case considered above in the digital signal processing processor 4. The calculated values of the phase θ ** (k) of the measured signal are output to a personal computer 13 for indicating the results and statistical processing of individual measurements, for example, in accordance with expression (6).

Рассмотренное показывает, что заявляемая группа изобретений осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышение точности измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала.The above shows that the claimed group of inventions is feasible and ensures the achievement of a technical result, which consists in improving the accuracy of measuring phase fluctuations of a harmonic signal.

Источники информацииInformation sources

1. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. / Статистическая теория измерительных радиосистем // М., Радио и связь, 1981, с. 117-121.1. Falkovich S.E., Khomyakov E.N. / Statistical theory of measuring radio systems // M., Radio and Communications, 1981, p. 117-121.

2. Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П. Горшкова // М, Сов. радио, 1971, с. 7-15.2. Equipment for frequency and time measurements / Ed. A.P. Gorshkova // M, Sov. radio, 1971, p. 7-15.

3. http://www.agilent.com_Agilent Е5500 Series phase noise measurement solutions, product overview (Технические решения для измерения фазового шума серии Е5500 компании Agilent. Обзор продукта), номер публикации 5990-5729 RURU.3.Http: //www.agilent.com_Agilent E5500 Series phase noise measurement solutions, product overview, publication number 5990-5729 RURU.

4. RU 602876 A1, G01R 25/00, 15.04.1978.4. RU 602876 A1, G01R 25/00, 04/15/1978.

5. RU 995007 A1, G01R 23/00, 07.02.1983.5. RU 995007 A1, G01R 23/00, 02/07/1983.

6. US 3058063 A, G01R 23/00, 09.10.1962.6. US 3058063 A, G01R 23/00, 09/10/1962.

7. US 4378509 А, H03K 5/26, H03D 13/00, 06.10.1980.7. US 4378509 A, H03K 5/26, H03D 13/00, 10/06/1980.

8. US 6154021 A, G06G 7/19, G01R 25/00, 28.11.2000.8. US 6154021 A, G06G 7/19, G01R 25/00, 11.28.2000.

9. RU 1765780 A, G01R 23/12, 30.09.1992.9. RU 1765780 A, G01R 23/12, 09/30/1992.

10. RU 2256928 С2, G01R 23/00, 20.07.2005.10. RU 2256928 C2, G01R 23/00, 07.20.2005.

11. RU 2273859 C1, G01R 29/26, G01R 23/16, 10.04.2006.11. RU 2273859 C1, G01R 29/26, G01R 23/16, 04/10/2006.

12. RU 2339959 С2, G01R 29/26, 27.11.2008.12. RU 2339959 C2, G01R 29/26, 11.27.2008.

13. RU 993148 A1, G01R 25/00, 30.01.1983.13. RU 993148 A1, G01R 25/00, 01/30/1983.

14. RU 1478148 A1, G01R 25/00, 07.05.1989.14. RU 1478148 A1, G01R 25/00, 05/07/1989.

15. EP 03793321 A2, G01R 25/00, 25.07.1990.15. EP 03793321 A2, G01R 25/00, 07.25.1990.

16. RU 2041469 C1, G01R 25/00, 09.08.1995.16. RU 2041469 C1, G01R 25/00, 08/09/1995.

17. US 6477214 B1, G01R 23/167, H04B 1/10, 05.11.2002.17. US 6477214 B1, G01R 23/167, H04B 1/10, 11/05/2002.

18. RU 2591742 C1, G01R 23/00, 20.07.2016.18. RU 2591742 C1, G01R 23/00, 07.20.2016.

19. Основы цифровой обработки сигналов. Курс лекций / А.И. Солонина и др. // Изд. 2-е испр. и перераб., СПб, БХВ-Петербург, 2005, с. 589-615.19. Basics of digital signal processing. The course of lectures / A.I. Corned beef and others // Ed. 2nd fix and revised., St. Petersburg, BHV-Petersburg, 2005, p. 589-615.

Claims (2)

1. Способ измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, при котором осуществляют аналого-цифровое преобразование сигналов в измерительном и опорном каналах с интервалом временной дискретизации, определяемой частотой ƒs сигнала дискретизации, формируемого из опорного сигнала с частотой ƒ0, запоминают полученные в результате этого аналого-цифрового преобразования цифровые выборки в измерительном и опорном каналах, осуществляют преобразование этих цифровых выборок в квадратурные составляющие комплексных сигналов измеряемого Us(k), Uc(k) и опорного U0s(k), U0c(k) сигналов, определяют фазы измеряемого ϕ(k) и опорного ϕ0(k) сигналов как аргументы комплексного числа в соответствии с выражениями ϕ(k)=tg-1(Us(k)/Uc(k)) и ϕ0(k)=tg-1(U0s(k)/U0c(k)) и определяют фазу Δϕ(k) измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала в соответствии с выражением Δϕ(k)=ϕ0(k)-ϕ(k), где k=0, 1, 2, 3 …, отличающийся тем, что сигнал опорного канала перед операцией аналого-цифрового преобразования подвергают операции деления частоты с коэффициентом kd=2j+1, а частоту ƒs сигнала дискретизации формируют в соответствии с выражением ƒs=4iƒ0/(2j+1), где i=2, 3 4, …, j=1, 2, 3, …, при этом дополнительно осуществляют децимацию запомненных цифровых выборок в измерительном и опорном каналах с коэффициентом децимации i, преобразуют эти децимированные цифровые выборки в квадратурные составляющие комплексных децимированных сигналов измеряемого Usd(k), Ucd(k) и опорного U0sd(k), U0cd(k) каналов, определяют фазы ϕd(k) измеряемого децимированого сигнала и ϕ0d(k) опорного децимированного сигнала как аргументы комплексного числа в соответствии с выражениями ϕd(k)=tg-1(Usd(k)/Ucd(k)) и ϕ0d(k)=tg-1(U0sd(k)/U0cd(k)) и определяют фазу Δϕd(k) измеряемого децимированного сигнала относительно фазы опорного децимированного сигнала в соответствии с выражением Δϕd(k)=ϕ0d(k)-ϕd(k), где k=0, 1, 2, 3 …, а искомое значение фазы θ*(k) измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала формируют в соответствии с выражением θ*(k)=(iΔϕ(k)-Δϕd(k))/(i-1).1. A method for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, in which analog-to-digital conversion of signals in the measuring and reference channels is carried out with a time sampling interval determined by the frequency ƒ s of the sampling signal generated from the reference signal with a frequency of ƒ 0 , and the resulting analog digital conversion digital samples in the measuring and reference channels, these digital samples are converted into quadrature components of the complex signals of the measured U s (k), U c (k) and reference U 0s (k), U 0c (k) signals, determine the phases of the measured ϕ (k) and reference ϕ 0 (k) signals as arguments of a complex number in accordance with the expressions ϕ (k) = tg -1 (U s (k) / U c (k)) and ϕ 0 (k) = tg -1 (U 0s (k) / U 0c (k)) and determine the phase Δϕ (k) the measured signal relative to the phase of the reference signal in accordance with the expression Δϕ (k) = ϕ 0 (k) -ϕ (k), where k = 0, 1, 2, 3 ..., characterized in that the signal of the reference channel before the analog-to-digital operation transformations are subjected to frequency division operations with the coefficient k d = 2j + 1, and the frequency ƒ s of the sampling signal is formed in accordance with vii with the expression ƒ s = 4iƒ 0 / (2j + 1), where i = 2, 3 4, ..., j = 1, 2, 3, ..., in addition, the stored digital samples are decimated in the measuring and reference channels with a coefficient decimations i, convert these decimated digital samples into quadrature components of complex decimated signals of the measured U sd (k), U cd (k) and reference U 0sd (k), U 0cd (k) channels, determine the phases ϕ d (k) of the measured decimated the signal and ϕ 0d (k) of the reference decimated signal as arguments of a complex number in accordance with the expressions ϕ d (k) = tg -1 (U sd (k) / U cd (k)) and ϕ 0 d (k) = tg -1 (U 0sd (k) / U 0cd (k)) and determine the phase Δϕ d (k) of the measured decimated signal relative to the phase of the reference decimated signal in accordance with the expression Δϕ d (k) = ϕ 0d ( k) -ϕ d (k), where k = 0, 1, 2, 3 ..., and the desired value of the phase θ * (k) of the measured signal relative to the phase of the reference signal is formed in accordance with the expression θ * (k) = (iΔϕ ( k) -Δϕ d (k)) / (i-1). 2. Устройство для измерения фазовых флуктуаций гармонического сигнала, содержащее последовательно соединенные генератор измеряемого сигнала, первый аналого-цифровой преобразователь, первое оперативное запоминающее устройство и процессор цифровой обработки сигналов, связанный шиной обмена данными с персональной ной вычислительной машиной, а также последовательно соединенные генератор опорного сигнала и синтезатор частоты сигнала квантования, выход которого соединен с входом синхронизации первого аналого-цифрового преобразователя и входом синхронизации второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого через второе оперативное запоминающее устройство соединен со вторым входом процессора цифровой обработки сигналов, управляющий выход которого соединен с входом управления синтезатора частоты сигнала квантования, отличающееся тем, что содержит делитель частоты, выход которого соединен с сигнальным входом второго аналого-цифрового преобразователя, вход управления соединен с входом управления синтезатора частоты сигнала квантования, а сигнальный вход соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом генератора опорного сигнала и выходом генератора измеряемого сигнала, а также первый дециматор, вход которого соединен с выходом первого оперативного запоминающего устройства, а выход - с третьим входом процессора цифровой обработки сигналов, и второй дециматор, вход которого соединен с выходом второго оперативного запоминающего устройства, а выход - с четвертым входом процессора цифровой обработки сигналов.2. A device for measuring phase fluctuations of a harmonic signal, comprising a series-connected generator of the measured signal, a first analog-to-digital converter, a first random access memory and a digital signal processing processor connected by a data exchange bus with a personal computer, as well as a series-connected reference signal generator and a synthesizer of the frequency of the quantization signal, the output of which is connected to the synchronization input of the first analog-to-digital converter and a synchronization input of a second analog-to-digital converter, the output of which through the second random access memory is connected to the second input of the digital signal processor, the control output of which is connected to the control input of the synthesizer of the quantization signal frequency, characterized in that it contains a frequency divider, the output of which is connected to the signal the input of the second analog-to-digital converter, the control input is connected to the control input of the synthesizer of the frequency of the quantization signal, and the signal input connected to the output of the switch, the first and second inputs of which are connected respectively to the output of the reference signal generator and the output of the measured signal generator, as well as the first decimator, the input of which is connected to the output of the first random access memory, and the output to the third input of the digital signal processing processor, and the second decimator, the input of which is connected to the output of the second random access memory, and the output to the fourth input of the digital signal processor.
RU2019108856A 2019-03-26 2019-03-26 Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal RU2703614C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108856A RU2703614C1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108856A RU2703614C1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2703614C1 true RU2703614C1 (en) 2019-10-21

Family

ID=68318166

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019108856A RU2703614C1 (en) 2019-03-26 2019-03-26 Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2703614C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2041469C1 (en) * 1992-07-07 1995-08-09 Российский институт радионавигации и времени Phase fluctuation characteristic meter
US6154021A (en) * 1997-12-23 2000-11-28 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Method and arrangement for detecting phase difference
RU2256928C2 (en) * 2003-07-21 2005-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" Method for measuring non-stability of frequency and device for realization of said method
DE102005060366A1 (en) * 2005-12-16 2007-06-21 Infineon Technologies Ag Method and apparatus for determining a phase deviation
RU2524673C1 (en) * 2013-03-07 2014-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") Method of measuring phase shift variations of centre frequency of minimum frequency shift-keyed signals and apparatus for implementing said method
RU2591742C1 (en) * 2015-04-30 2016-07-20 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2041469C1 (en) * 1992-07-07 1995-08-09 Российский институт радионавигации и времени Phase fluctuation characteristic meter
US6154021A (en) * 1997-12-23 2000-11-28 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Method and arrangement for detecting phase difference
RU2256928C2 (en) * 2003-07-21 2005-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" Method for measuring non-stability of frequency and device for realization of said method
DE102005060366A1 (en) * 2005-12-16 2007-06-21 Infineon Technologies Ag Method and apparatus for determining a phase deviation
RU2524673C1 (en) * 2013-03-07 2014-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") Method of measuring phase shift variations of centre frequency of minimum frequency shift-keyed signals and apparatus for implementing said method
RU2591742C1 (en) * 2015-04-30 2016-07-20 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108710026B (en) Frequency stability measuring method and system based on high-precision phase frequency analysis
US4539518A (en) Signal generator for digital spectrum analyzer
CN104237622B (en) The method of sampling and wideband voltage/calibration of power device based on software based frequency tracking
Andrich et al. High-precision measurement of sine and pulse reference signals using software-defined radio
CN108535544A (en) A kind of high accuracy number Method for Phase Difference Measurement based on quadrature phase demodulation technology
CN110995250A (en) A direct digital phase-locked circuit and method for high-resolution arbitrary frequency signal
RU2703614C1 (en) Method of measuring phase fluctuations of a harmonic signal and a device for realizing said signal
Urekar et al. The core for high-precision stochastic smart grid meter based on low-resolution flash ADC
CN116318155B (en) Precise time base equivalent sampling device and method
EP2450714A2 (en) Test and measurement instrument with oscillator phase dejitter
CN114265021B (en) Digital array radar noise incoherent clock source
RU2591742C1 (en) Method of measuring frequency of harmonic signal and device therefor
Carbone et al. Effective frequency-domain ADC testing
CN114047683A (en) Time interval measuring method and device based on orthogonal sampling interpolation
Kwiatkowski et al. Hardware computing module for frequency Ω-counter
Serov et al. Estimating Method of the Spectrum Measurement Error Caused by the ADC Quantization Noiset
US10788534B2 (en) Device for dynamic signal generation and analysis
RU213615U1 (en) Switching converter of phase shifts
CN117353463B (en) Synchronous sampling method and related device for multipath alternating current electric quantity
Hatsenko et al. Investigation of Measurement Errors of Electrical Signals Characteristics of Energy Supply Systems
Pawlowski Spectrum analysis of measuring signals in sensor circuits with frequency outputs
RU2730875C1 (en) Method for storage of electric oscillation frequency
Petrovic A method of measuring the integral characteristics of a signal
RU2700334C1 (en) Method of measuring phase difference of harmonic signals at outputs of linear paths with low signal-to-noise ratios
Zhang et al. Equivalent Phase Allocation Method Based on Frequency Measurement without Dead Zone