способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство для его реализации

Классы МПК:G01R23/00 Устройства для измерения частоты, анализаторы спектра частот
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное конструкторское бюро аппаратно-программных систем "Связь" (ФГУП "ГКБ "Связь") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2006-09-29
публикация патента:

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для измерения частоты синусоидальных сигналов в информационно-измерительных устройствах. Согласно изобретению способ измерения частоты синусоидальных сигналов включает получение текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, получение разностей смежных текущих фаз сигнала, причем накапливают блок данных из последовательных текущих разностей фазы сигнала, формируют весовые функции в соответствии с приведенными в описании математическими выражениями, с помощью которых по приведенной в описании математической формуле проводят оценку частоты сигнала. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов реализуется предложенным согласно изобретению устройством. Изобретение позволяет повысить точность измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил. способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Формула изобретения

1. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов, включающий получение текущей фазы сигнала, как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, получение разностей способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i смежных текущих фаз сигнала, где i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 - индексная переменная, означающая порядковый номер текущей разности фаз способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, отличающийся тем, что накапливают блок данных длиной K=N-1 из последовательных текущих разностей фазы сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, i=1,2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K по выборке из N квадратурных отсчетов сигнала, формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражением:

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

формируют другую весовую функцию в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

оценку частоты сигнала определяют в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота выборки отсчетов сигнала, а оценку скорости изменения частоты сигнала определяют в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

2. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражением:

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

3. Устройство для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов по п.1, к входу которого через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подключены соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ, формирующего текущую фазу сигнала, соединен со входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), соединенному также со счетчиком, формирующим на выходе индексную переменную i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K, к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, при этом на выходе устройства вычитания формируют последовательные текущие разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K фазы сигнала по выборке из N квадратурных отсчетов, отличающееся тем, что второй вход первого АУ подключен к выходу второго ПЗУ, четвертый вход первого АУ подключен к выходу третьего ПЗУ, а второй вход второго АУ соединен с выходом третьего ПЗУ, при этом первое АУ, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, функционирует в соответствии с выражением способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота ТГ,

второе АУ, выходной сигнал которого пропорционален скорости изменения частоты сигнала, функционирует в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

второе ПЗУ формирует весовую функцию из К коэффициентов согласно следующей формуле:

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

а третье ПЗУ формирует другую весовую функцию из К коэффициентов, согласно другой формуле

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

при этом входы второго и третьего ПЗУ подключены к выходу счетчика, а между входом сброса счетчика и ТГ включено устройство управления.

4. Устройство для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов по п.3, отличающееся тем, что к выходам первого и второго АУ дополнительно подключено третье АУ, выходной сигнал которого пропорционален функции приращения фазы сигнала, при этом третье АУ функционирует в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для измерения частоты синусоидальных сигналов в информационно-измерительных устройствах.

Задача измерения частоты синусоидальных сигналов постоянно привлекает внимание исследователей в связи с ее фундаментальной значимостью при оценке параметров периодических сигналов, смешанных с шумом, для извлечения информации о доплеровском сдвиге в задачах связи, навигации и радиолокации [1-3].

Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [4-7], однако они не являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9].

Известен ряд способов измерения частоты синусоидальных сигналов [10, 11], основанных на использовании преобразования Фурье, при которых за оценку частоты синусоидального сигнала принимается аргумент максимума спектральной плотности мощности (СПМ) смеси сигнала с шумом. Указанные способы измерения частоты являются статистически оптимальными с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [8, 9]. Однако данные способы требуют больших вычислительных затрат, связанных с осуществлением одного или нескольких преобразований Фурье, что не позволяет получать оценку частоты в масштабе времени, близком к реальному.

Известен способ измерения частоты синусоидальных сигналов [12-14], основанный на использовании разностно-фазовой статистики сигнала, который также является статистически оптимальным с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [12, 13], достигающий при больших объемах выборки N нижней границы Крамера-Рао. Способ [14] является существенно более вычислительно эффективным, чем способы [8, 10, 11], так как не требует осуществления преобразований Фурье, наиболее близок к предлагаемому и поэтому принят за прототип.

Согласно этому способу:

1. Получают текущую фазу сигнала как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазные отсчеты, а в качестве мнимой - квадратурные отсчеты, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала.

2. Получают разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 k смежных текущих фаз сигнала.

3. Формируют двухкомпонентный вектор состояния a(k)=[a1 (k),а2(k)]T, компоненты которого задают рекуррентными выражениями

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

4. Определяют оценку частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 в соответствии с формулой:

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота выборки отсчетов сигнала.

Устройство-прототип [14] содержит подключенные к его входу, через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ соединен с входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), между выходами и вторыми входами которых включены соответственно второй и третий элементы памяти, третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, между выходами первого и второго АУ включено второе устройство вычитания, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, при этом первое АУ функционирует в соответствии с выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

а второе АУ - в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 k - разность смежных текущих фаз сигнала с выхода ПЗУ, а1(k) и a1(k-1) - текущее и предшествующее значения соответственно первой компоненты вектора состояния с выхода первого АУ, a2(k) и a2(k-1) - текущее и предшествующее значения второй компоненты вектора состояния с выхода второго АУ, k - индексная переменная k=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , формируемая счетчиком по тактам тактового генератора, означающая порядковый номер текущей разности фаз способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 k.

Однако, так же как и аналоги [8, 10-13], статистически оптимальный, с точки зрения измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов [12, 13], способ-прототип [14] при измерении частоты синусоидальных сигналов от подвижных источников, например при обработке сигналов РЛС с синтезированной апертурой [15], или от объектов дальней космической связи [16] типа Mars Pathfinder на длительных интервалах наблюдения будет вносить погрешность измерения, обусловленную появлением квадратической составляющей фазы сигнала, которая вызвана динамикой объекта наблюдения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения частоты синусоидальных сигналов на фоне шумов за счет синтеза статистически оптимального, вычислительно эффективного оценивания в условиях динамического наблюдения с обеспечением возможности измерения скорости изменения частоты сигнала.

Технический результат достигнут тем, что в способе измерения частоты синусоидального сигнала, включающем получение текущей фазы сигнала как аргумента комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазный отсчет, а в качестве мнимой - квадратурный отсчет, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала, получение разностей способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i смежных текущих фаз сигнала, где i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 - индексная переменная, означающая порядковый номер текущей разности фаз способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, согласно изобретению накапливают блок данных длиной К=N-1 из последовательных текущих разностей фазы сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K по выборке из N пар синфазных и квадратурных отсчетов сигнала, формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

формируют другую весовую функцию в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

оценку частоты сигнала определяют в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота выборки отсчетов сигнала, а оценку скорости изменения частоты сигнала определяют в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Другим техническим результатом изобретения является повышение точности измерения приращения фазы синусоидальных сигналов при условиях динамического наблюдения.

Технический результат достигнут тем, что в способе измерения частоты синусоидальных сигналов, согласно изобретению, дополнительно определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Другим техническим результатом изобретения является устройство для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, повышающее точность измерения частоты, за счет использования статистически оптимального, вычислительно эффективного оценивания в условиях динамического наблюдения с одновременным обеспечением возможности измерения скорости изменения частоты сигнала.

Технический результат достигнут тем, что в устройстве для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, к входу которого через две параллельные цепочки последовательно соединенных перемножителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подключены соответствующие входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом вторые входы перемножителей связаны с общим источником синусоидального сигнала, у первого перемножителя - непосредственно, а у второго перемножителя - через фазовращатель, выход ПЗУ, формирующего текущую фазу сигнала, соединен со входом устройства вычитания, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ включен элемент памяти, а тактирующие входы обоих АЦП подключены к общему тактовому генератору (ТГ), соединенному также со счетчиком, формирующим на выходе индексную переменную i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K, к выходу устройства вычитания подключены первое и второе арифметические устройства (АУ), третьи входы обоих АУ через счетчик соединены с тактовым генератором, при этом на выходе устройства вычитания формируют последовательные текущие разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K фазы сигнала по выборке из N пар синфазных и квадратурных отсчетов, согласно изобретению второй вход первого АУ подключен к выходу второго ПЗУ, четвертый вход первого АУ подключен к выходу третьего ПЗУ, а второй вход второго АУ соединен с выходом третьего ПЗУ, при этом первое АУ, выходной сигнал которого пропорционален измеряемой частоте сигнала, функционирует в соответствии с выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота ТГ, второе АУ, выходной сигнал которого пропорционален скорости изменения частоты сигнала, функционирует в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

второе ПЗУ формирует весовую функцию из K коэффициентов согласно следующей формуле

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

а третье ПЗУ формирует другую весовую функцию из K коэффициентов, согласно другой формуле

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

при этом входы второго и третьего ПЗУ подключены к выходу счетчика, а между входом сброса счетчика и ТГ включено устройство управления

Другим техническим результатом изобретения является устройство для реализации способа, повышающее точность измерения приращения фазы синусоидальных сигналов при условиях динамического наблюдения.

Технический результат достигнут тем, что в устройстве для реализации способа измерения частоты синусоидальных сигналов, согласно изобретению, к выходам первого и второго АУ дополнительно подключено третье АУ, выходной сигнал которого пропорционален функции приращения фазы сигнала, при этом третье АУ функционирует в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов.

На фиг.2 представлена структурная схема другого варианта устройства, в котором реализуется предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов.

Согласно предлагаемому способу измерения частоты синусоидальных сигналов:

1. Получают текущую фазу сигнала как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазный отсчет, а в качестве мнимой - квадратурный отсчет, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала.

2. Получают разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 k смежных текущих фаз сигнала.

3. Накапливают блок данных длиной K=N-1 из последовательных текущих разностей фазы сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 ,K по выборке из N пар синфазных и квадратурных отсчетов сигнала.

4. Формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

5. Формируют другую весовую функцию, в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

6. Определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота выборки отсчетов сигнала.

7. Определяют оценку скорости изменения частоты сигнала в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 .

Полученная, таким образом, оценка частоты сигнала является наилучшей в среднеквадратическом смысле оценкой в динамической модели наблюдения сигнала.

Покажем это.

При наличии движения сигнала с ускорением его полная фаза в дискретном времени или в дискретной модели наблюдения определяется следующим образом:

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 0 - начальная фаза сигнала, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 0 - его циклическая частота, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 - производная циклической частоты сигнала, обусловленная, например, ускорением, а для ошибок измерений, определенных белым шумовым процессом способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 I(n), предполагается нулевое среднее и отсутствие корреляции между отсчетами E{способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 I(n)}=0, E{способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 I(n)способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 I{m)}=qспособ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 mn.

Пусть, так же как и в прототипе, получены разностно-фазовые измерения

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Требуется получить оценки параметров частоты способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 0 и ее производной способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 . При этом синтезируемые оценки должны, с одной стороны, быть оптимальными (в уточняемом далее смысле), а с другой, должны быть вычислительно эффективными.

Введя в (2) обозначения

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

легко видеть, что искомые величины способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 0, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 однозначно выражаются через введенные параметры

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

а модель разностно-фазовых измерений можно тождественно переписать как

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где введена разностная случайная последовательность способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 (n)=способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 I(n)-способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 I(n-1).

Переходя к матричным обозначениям, систему (5) запишем в виде

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где Сспособ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 - ковариационная матрица случайной последовательности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 (n) и введены векторы

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

а векторы способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 ,способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 имеют компоненты способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 (n), способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 (n) соответственно.

Как показано в [12-13], ковариационная матрица ошибок разностно-фазовых измерений может быть записана в виде

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где элементы нормированной обратной ковариационной матрицы, используемой далее как весовая матрица, задаются соотношением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

В условиях (6-8) оценка Гаусса-Маркова (ОГМ) [17] для вектора способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 в матричном виде может быть записана как

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где можно показать, что при K>2 обратная матрица в (9) существует.

Если в практической реализации требуется ограничиться элементарными арифметическими операциями, как это сделано в [12-13], то представляет интерес декомпозиция системы (9) на два независимых уравнения относительно способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 1 и способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 2 соответственно. Это может быть относительно легко достигнуто вследствие специального вида матрицы, подлежащей обращению в (9), а именно

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где введены величины

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 ,

значения которых вычисляются непосредственно по определению. Соответственно, оценка (9) принимает вид

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

тогда для отдельных компонент оцениваемых компонент соответствующие оценки могут быть записаны в виде скалярных произведений или взвешенных сумм исходных разностно-фазовых измерений

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

с весовыми функциями, которые задаются векторами

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

После тождественных преобразований векторы весовых функций w1 и w2 выражений (13)-(14) можно переписать как скалярные функции w1 (i), w2(i) аргумента i, отражающего номер отсчета текущей разности фаз способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, для блока данных разности фаз длиной K, i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K, в следующем виде

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

С учетом того, что f0=способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 0/2способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 и с учетом того, что расстояние во временной области между отсчетами сигнала равно 1/fs, где fs - частота выборки сигнала, а также с учетом соотношений (4) и (12) выражения для оценки частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 и для оценки скорости изменения частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 имеют следующий вид

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Синтезированные, таким образом, оценки Гаусса-Маркова параметров сигнала являются наилучшими в среднеквадратическом смысле оценками в динамической модели наблюдения сигнала.

Оценки параметров (17)-(18), в отличие от оценок частоты сигнала [12-14], являются статистически эффективными в условиях наличия динамики в изменении частоты и не вносят динамических составляющих погрешности в процессе измерений. В то же время они являются столь же вычислительно эффективными, что и оценки [12-14], поскольку порядок требуемых арифметических операций совпадает.

Предложенный способ измерений позволяет также посредством прямого интегрирования в дискретном времени (суммирования) величин способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 и способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 получать оценку функции приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

что и используется во втором варианте предлагаемого способа.

Оценка функции приращения фазы сигнала нужна, в частности, в приложениях, связанных с обработкой речевых сигналов [18-19], когда необходимо восстановление однозначной функции фазы (в зарубежной литературе для обозначения такой операции над сигналом используется термин «unwrapping»), являющейся в общем случае разрывной 2способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 -периодической функцией.

Известен ряд способов для оценки функции приращения фазы сигнала [20-22], однако они не дают однозначного восстановления функции фазы в условиях дребезга скачка фазы на 2способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 при малых отношениях сигнал/шум и при наличии большой динамики в частоте сигнала [15, 18-22]. Поскольку предложенный способ изначально синтезирован для работы в динамической модели наблюдения, он может обеспечить восстановление однозначной функции фазы посредством прямого интегрирования в дискретном времени величин способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 и способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 с использованием выражения (19) с исключением влияния дребезга скачка фазы на 2способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 .

Согласно второму варианту предлагаемого способа измерения частоты синусоидального сигнала:

1. Получают текущую фазу сигнала как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазный отсчет, а в качестве мнимой - квадратурный отсчет, преобразованных в цифровую форму, отфильтрованных составляющих квадратурного разложения сигнала.

2. Получают разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i смежных текущих фаз сигнала.

3. Накапливают блок данных длиной K=N-1 из последовательных текущих разностей фазы сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , K по выборке из N пар синфазных и квадратурных отсчетов сигнала.

4. Формируют весовую функцию в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

5. Формируют другую весовую функцию, в соответствии с другим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

6. Определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

где fs - частота выборки отсчетов сигнала.

7. Определяют оценку скорости изменения частоты сигнала в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

8. Определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Устройство, реализующее предложенный способ измерения частоты синусоидальных сигналов (смотри фиг.1) содержит подключенные к его входу две параллельные цепочки из последовательно соединенных перемножителя 1, ФНЧ 2, АЦП 3 и, соответственно, из перемножителя 4, ФНЧ 5, АЦП 6. К выходам АЦП 3, 6 подключены соответствующие входы ПЗУ 7, при этом вторые входы перемножителей 1, 4 связаны с общим источником синусоидального сигнала 8, у перемножителя 1 - непосредственно, а у перемножителя 4 - через фазовращатель 9. Выход ПЗУ 7 соединен с входом устройства вычитания 10, между вычитающим входом которого и выходом ПЗУ 7 включен элемент памяти 11. Тактирующие входы обоих АЦП 3, 6 подключены к общему ТГ 12. ТГ 12 соединен также со счетчиком 13, формирующим на выходе индексную переменную i=1, 2, способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 , К. К выходу устройства вычитания 10 подключены первое арифметическое устройство (АУ) 14 и второе АУ 15. Третьи входы обоих АУ 14 и 15, через счетчик 13, соединены с ТГ 12. Согласно изобретению второй вход первого АУ 14 подключен к выходу второго ПЗУ 16, четвертый вход первого АУ подключен к выходу третьего ПЗУ 17. Входы второго ПЗУ 16 и третьего ПЗУ 17 подключены к выходу счетчика 13, а между входом сброса счетчика 13 и ТГ 12 включено устройство управления 18.

В другом варианте описанного выше устройства (смотри фиг.2) к выходам АУ 14 и 15 подключено третье АУ 19.

Первый вариант предлагаемого устройства (смотри фиг.1), реализующего способ измерения частоты синусоидального сигнала, работает следующим образом.

Сигнал в смеси с шумом с входа устройства подается на первые входы перемножителей 1, 4. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом генератора 8, частота которого равна центральной частоте диапазона входных частот сигнала, на выходе перемножителя 1 содержится синфазная составляющая входного сигнала. В продуктах перемножения входного сигнала с сигналом генератора 8, развернутым по фазе на 90° фазовращателем 9, на выходе перемножителя 4 содержится квадратурная составляющая входного сигнала. Каждая из указанных составляющих в полосе низких частот, равной полуширине диапазона частот входных сигналов, фильтруется в ФНЧ 2 и 5 соответственно. Далее АЦП 3 преобразует синфазную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в синфазные отсчеты), а АЦП 6 преобразует квадратурную составляющую входного сигнала в цифровую форму (в квадратурные отсчеты). В ПЗУ 7 получают текущую фазу сигнала как аргумент комплексного числа, в качестве действительной части которого используют синфазный отсчет, а в качестве мнимой - квадратурный отсчет. Получают разности смежных текущих фаз сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i, как результат вычитания текущей фазы с выхода ПЗУ 7 в устройстве вычитания 10 с предыдущим значением фазы, задержанным в элементе памяти 11.

В первом АУ 14 на основе разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i смежных текущих фаз сигнала, полученной с выхода устройства вычитания 10, на основе индексной переменной i, поступающей на третий вход АУ 13 из счетчика 13, запускаемого генератором ТГ 12, а также на основе коэффициентов весовых функций w1(i) и w2(i), получаемых соответственно из второго ПЗУ 16 и сформированных согласно выражению

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

и из третьего ПЗУ 17 и сформированных согласно другому выражению

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

определяют оценку частоты сигнала в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Накопление суммы в АУ 14, согласно последней формулы, осуществляется по мере роста индексной переменной i и по достижении индексной переменной величины К оценка частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 из АУ 14 подается на выход предлагаемого устройства.

Во втором АУ 15 на основе разности способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 i смежных текущих фаз сигнала, полученной с выхода устройства вычитания 10, на основе индексной переменной i, поступающей на третий вход АУ 13 из счетчика 13, запускаемого генератором ТГ 12, а также на основе коэффициентов весовой функции w2(i) 5 получаемых из третьего ПЗУ 17 и сформированных согласно выражению

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

определяют оценку скорости изменения частоты сигнала в соответствии с формулой

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Накопление суммы в АУ 15, согласно последней формуле, осуществляется по мере роста индексной переменной i и по достижении индексной переменной величины К оценка скорости изменения частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 из АУ 15 также подается на выход предлагаемого устройства.

При этом одновременно с выдачей оценок параметров сигнала на выход устройства осуществляется сброс содержимого промежуточных регистров обоих АУ 14 и 15, а также сброс счетчика 13 устройством управления 18, которое также накапливает и контролирует состояние индексной переменной i по тактам ТГ 12. Сброс счетчика 13 осуществляют через вход сброса счетчика 13, связанного с выходом устройства управления 18, по достижении индексной переменной величины К.

Работа второго варианта предлагаемого устройства (фиг.2), реализующего способ определения координат радиопередатчиков с использованием ГНС, отличается от работы первого тем, что по результатам полученных оценок в АУ 14 (оценка частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 ) и 15 (оценка скорости изменения частоты сигнала способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004 ) на выходе третьего АУ 19 определяют функцию приращения фазы сигнала в соответствии со следующим выражением

способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство   для его реализации, патент № 2363004

Полученные результаты могут быть использованы, в частности, для повышения точности измерения частоты и других параметров сигнала в условиях нелинейной динамики движения источника сигнала.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М.: Радио и связь, 1983, - 454 с.

2. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. - Под ред. B.C.Шебшаевича, М.: Транспорт, 1988, - 201 с.

3. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979, - 592 с.

4. Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры. Л.: Энергия, 1973, с.13-17.

5. А.с. № 541123. Толстых B.C. Способ измерения частоты. М., ЦНИИПИ, 1977, - 2 с.

6. А.с. № 1659893. Золотков К.Л. и др. Способ измерения частоты синусоидального напряжения. М., ВНИИПИ, 1986, - 3 с.

7. А.с. № 1798717. Минц М.Я. и др. Способ измерения частоты синусоидальных сигналов. М., ВНИИПИ, 1987, - 9 с.

8. Rife D. С., Boorstyn R.R., Single-Tone Parameter Estimation from Discrete Time Observations. // IEEE Trans. on Information Theory, Vol.IT-20, No.5, Sept. 1974.

9. Kay S.М., Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory, NJ, Prentice-Hall, 1993.

10. А.с. № 541123. Гольдштейн И.Н. Цифровой способ измерения частоты и фазы гармонического сигнала. М., ЦНИИПИ, 1974, - 3 с.

11. А.с. № 1352390. Кузьменков В.Ю. Способ определения частоты М., ВНИИПИ, 1987, - 4 с.

12. Кау S.М., Statistically/Computationally Efficient Frequency: Estimation. //Proceedings of the ICASSP'88, 1988, p.2292-2295 - аналог.

13. Kay S.М., A Fast and Accurate Single Frequency: Estimator. // IEEE Trans. on ASSP, Vol.37, No.12, December, 1989.

14. Подчиненко Н.Е., Скрипкин А.А., Щербачев В.А., Патент на изобретение РФ № 2183839, Способ измерения частоты синусоидальных сигналов и устройство для его реализации, М., ФИПС, 2002 г. - прототип.

15. Cumming I.G., Wong F.H., Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data, Boston-London, Artech House.

16. Harcke, L., and G. Wood, Laboratory and Flight Performance of the Mars Pathfinder (15,16) Convolutionally Encoded Telemetry Link. TDA PR 42-129, January-March 1997, pp.1-11, May 15, 1997.

17. Альберт А. Регрессия, псевдоинверсия и рекуррентное оценивание. М.: Наука, 1977, - 224 с.

18. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э. Оппенгейма, М.: Мир, 1980, 552 с.

19. L.R.Rabiner and R.U.Schafer, Digital Processing of Speech Signals, Prentice-Hall.

20. Tribolet I. М., A new phase unwrapping algorithm. // IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. ASSP-26, pp.170-177, 1977.

21. Steiglitz К., Dickinson В., Phase Unwrapping by Factorization, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. ASSP-30, no.6, pp.984-991, 1982.

22. Loeffler C.М., Leonard R.E., Phase Unwrapping мiа Median Filtering, Proceedings of the ICASSP'84, pp.46.8.1-46.8,3, 1984.

Класс G01R23/00 Устройства для измерения частоты, анализаторы спектра частот

способ определения нелинейных искажений преобразования полосовых сигналов объектом -  патент 2529445 (27.09.2014)
устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных с высокой помехозащищенностью -  патент 2522827 (20.07.2014)
асинхронный панорамный радиоприемник -  патент 2521702 (10.07.2014)
способ измерения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере -  патент 2521200 (27.06.2014)
способ измерения синхрофазора режимного параметра энергосистемы и устройство для его осуществления -  патент 2519810 (20.06.2014)
способ определения параметров широкополосного сигнала -  патент 2517799 (27.05.2014)
цифровой измеритель частоты -  патент 2517783 (27.05.2014)
устройство для измерения частоты сетевого напряжения при несинусоидальных помехах -  патент 2517759 (27.05.2014)
способ расширения полосы частот оценки спектров сигналов -  патент 2516763 (20.05.2014)
способ доплеровской фильтрации ионосферных сигналов -  патент 2516589 (20.05.2014)
Наверх