Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах обработки радиосигналов, устройствах и приборах измерения амплитуды, частоты и фазы при необходимости получения высокой точности.

Известен способ детектирования (демодуляции) частотно-модулированных (ЧМ) колебаний¹ (¹ ЧМ колебание - высокочастотное вторичное колебание, мгновенная частота которого прямо пропорциональна закону изменения первичного сигнала.) [Патент РФ №2273947, опубл. 10.04.2006, МПК H03D 3/02], сущность которого заключается в том, что входное колебание дифференцируют и интегрируют, затем, взяв отношение напряжения на выходе канала дифференцирования к напряжению на выходе канала интегрирования и проведя инвертирование, получают напряжение, величина которого пропорциональна квадрату частоты входного частотно-модулированного колебания, причем выходное напряжение дополнительно преобразовывают с целью его линеаризации, для получения напряжения величина которого пропорциональна частоте входного частотно-модулированного колебания.

Данный способ детектирования характеризуется широким рабочим диапазоном частот, практически без ограничения величины девиации частоты, кроме того, данный способ детектирования инвариантен к паразитной амплитудной модуляции ЧМ колебаний (изменению коэффициента А₀), однако недостатком данного способа детектирования является ограниченная область его применения, поскольку данный способ позволяет детектировать лишь только один параметр сигнала - частоту.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу детектирования параметров синусоидального сигнала является способ детектирования фазомодулированных колебаний [Патент РФ №2374753, опубл. 27.11.2009, МПК H03D 3/02], который заключается в сравнивании результатов, полученных в каналах обработки основного и опорного синусоидальных сигналов, причем в начале входное колебание в канале одновременно дифференцируют, интегрируют и умножают само на себя, определяя первое канальное напряжение, а затем, взяв отношение первого канального напряжения ко второму канальному напряжению, полученному путем перемножения проинтегрированного и продифференцированного сигналов, интегрируют результат отношения и объединяют с сигналом, полученным путем инвертирования отношения входного сигнала на его дифференцированное значение, результат объединения является выходным напряжением соответствующего канала, причем сравнение выходных напряжений каналов осуществляют как разность соответствующих напряжений, которая пропорциональна изменению фазы входного фазомодулированного колебания, т.е. закону изменения первичного сообщения.

Данный способ детектирования характеризуется широким рабочим диапазоном частот, практически без ограничения величины девиации частоты, кроме того, данный способ детектирования инвариантен к паразитной амплитудной модуляции ЧМ колебаний (изменению коэффициента А₀), однако недостатком данного способа детектирования является ограниченная область его применения, поскольку данный способ позволяет детектировать лишь только один параметр сигнала - фазу.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа детектирования параметров синусоидальных колебаний за счет сокращения количества операций и аппаратных средств, необходимых для реализации одним способом детектирования всех параметров синусоидальных колебаний (амплитуды, частоты и фазы), что в итоге приводит и к уменьшению времени детектирования параметров синусоидальных колебаний. Причем предлагаемый способ детектирования параметров синусоидальных колебаний характеризуется сохранением свойств способа-прототипа, который инвариантен к изменению значению несущей частоты колебания и его девиации в широком диапазоне.

Поставленная задача решается при помощи предлагаемого способа детектирования параметров синусоидального сигнала, сущность которого сводится к следующему. Для детектирования параметров синусоидального сигнала воспользуемся известной из тригонометрии формулой (например, при детектировании амплитуды опорного генератора)

Для реализации слагаемых этого выражения проведем линейную операцию над входным сигналом каналов, который для опорного канала имеет вид

а основного канала

где ω - циклическая частота входного колебания ω∈2π (f_н±Δf_max), А (A₀) - некоторый коэффициент, пропорциональный амплитуде входного основного (опорного) колебания,

путем его одновременного дифференцирования и интегрирования по времени

Первое слагаемое выражения (1) можно получить путем перемножения выходного сигнала опорного генератора

Для формирования второго слагаемого выражения (1) продифференцируем выходной сигнал опорного генератора. При этом получим

А после интегрирования выходного сигнал опорного генератора получаем

Перемножив данные выражения, получаем

Вычтя из выражения (2) выражение (3), получаем в соответствии с выражением (1) квадрат амплитуды опорного генератора . Если извлечь квадратный корень из полученного результата, то в результате получится амплитуда опорного сигнала.

Аналогично можно получить выражение и для амплитуды сигнала основного канала A.

При определении фазы для основного канала учтем, что

и аналогично для опорного канала

т.е.

Воспользуясь выражениями (512.1) [Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Наука. М.: 1977] из выражения (4) для основного канала имеем

а для опорного канала из выражения (5) имеем

Воспользуясь выражениями (512.1) и (470.2) [Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Наука. М.: 1977] (при m=1 и x=ωt+δ_φ для синхронизируемого генератора и x=ωt для опорного генератора) выражение (6) можно преобразовать к виду

Анализ выражений (1)-(9) показывает, что при определении амплитуды, фазы и частоты используются несколько одинаковых операций, что позволяет их использовать при комплексном определении параметров синусоидального сигнала. Таким образом, отличительным признаком предложенного способа детектирования параметров синусоидального сигнала является его комплексность определения параметров синусоидального сигнала при минимальном операционно-аппаратном ресурсе, причем, как и в способе-прототипе, обработка сигнала с целью детектирования его параметров осуществляется в соответствии с математическими операциями линейного характера, что предопределяет высокую точность и минимум искажений при детектировании параметров синусоидального сигнала.

Способ детектирования параметров синусоидального сигнала заключается в том, что при определении фазы детектируемого сигнала осуществляется сравнение результатов, полученных в каналах обработки основного и опорного синусоидальных сигналов, причем сравнение выходных напряжений каналов осуществляют как разность соответствующих напряжений, которая пропорциональна изменению фазы входного фазомодулированного колебания, кроме того, первое канальное напряжение получается из входного колебания в канале путем умножения самого на себя, а второе канальное напряжение получается путем одновременного дифференцирования и интегрирования, а затем перемножения проинтегрированного и продифференцированного сигналов, причем первое выходное напряжение соответствующего канала пропорционально амплитуде детектируемого сигнала и определяется путем извлечения корня из квадрата детектируемой амплитуды, которая определяется как разность между первым и вторым канальными напряжениями, второе выходное напряжение соответствующего канала, пропорциональное частоте детектируемого сигнала, определяется как отношение канального продифференцированного сигнала к корню квадратному из разности квадрата амплитуды и первого канального напряжения, а сравнивание результатов, полученных в каналах обработки основного и опорного синусоидальных сигналов, при определении третьего выходного напряжения соответствующего канала, пропорционального его фазе, определяется как разность интегралов второго выходного напряжения основного и опорного каналов.

Данный способ детектирования может быть реализован как программным путем, на базе микропроцессоров, так и в аппаратном виде.

Аналоговый пример устройства, реализующего заявляемый способ детектирования, приведен на фиг. 1 и содержит два канала основной 1 и опорный Г, а каждый из каналов содержит дифференциатор 2, первый интегратор 3, два умножителя 4, 5, два вычитателя 6, 7, элемент задержки сигнала 8, два блока извлечения квадратного корня 9, 10, делитель сигналов 11, второй интегратор 12, а также межканальный вычитатель 13.

Вход основного 1 и опорного 1′ каналов, соединенный с сооветствующим входом устройства, подключен к дифференциатору 2, интегратору 3 и к обоим входам первого умножителя 4. Выход первого умножителя 4 соединен через элемент задержки сигнала 8 с входом уменьшаемого вычитателя 6 канала, а выход дифференциатора 2 и интегратора 3 подключены к входам второго умножителя 5, выход которого соединен со входом вычитаемого первого вычитателя 6 канала, выход последнего соединен через блок извлечения корня 9 с амплитудным выходом 1 устройства. Вход уменьшаемого первого вычитателя 6 канала, а также его выход соединены с входами второго вычитателя 7. Выход второго вычитателя 7 через второй блок извлечения квадратного корня 10 соединен с входом делителя устройства деления 11, вход делимого которого соединен с выходом дифференциатора 2, а выход является частотным выходом 2 устройства и соединен через второй интегратор 12 с основным выходом канала 1 (1′). Основной выход каналов 1 (1′) соединен с соответствующим входом межканального вычитателя 13, выход которого является фазовым выходом 3 устройства.

Заявленный способ детектирования осуществляется следующим образом (например для опорного канала).

Входной сигнал основного U_вх(t)=Asin(ωt+φ) (опорного U_вх0(t)=A₀sinωt) одновременно поступает на входы дифференциатора 2 и интегратора 3, а также на оба входа первого умножителя 4, на выходе которого формируется согласно выражению (2) напряжение, пропорциональное .

После одновременного дифференцирования и интегрирования результаты перемножаются на втором умножителе 5. В результате согласно выражению (3) формируется напряжение, пропорциональное - .

Вычтя на первом вычитателе 6 из задержанного на элементе задержки сигнала 8 напряжения с выхода первого умножителя 4 на его выходе, получаем согласно известной из тригонометрии формуле 1 (например, при детектировании амплитуды опорного генератора) напряжение, пропорциональное квадрату амплитуды детектируемого сигнала .

Данное напряжение после извлечения из него квадратного корня на блоке 9 поступает на выход 1 "амплитуда" устройства.

Одновременно на втором вычитателе 7 напряжение с входа уменьшаемого первого вычитателя 6 вычитается из квадрата амплитуды A² , который поступает с выхода первого вычитателя 6. Напряжение с выхода вычитателя 7 после извлечения квадратного корня на элементе 10 поступает на вход делителя устройства для деления 11, на вход делимого которого поступает напряжение с выхода дифференциатора 2 и в результате на его выходе формируется согласно выражению (7) для основного канала (выражению (8) для опорного канала) напряжение

которое пропорционально частоте детектируемого сигнала и поступает на выход 2 "частота" устройства.

Данное напряжение после интегрирования на втором интеграторе 12 поступает с обоих каналов на межканальный вычитатель 13, выходное напряжение которого согласно выражению (9) пропорционально фазе φ детектируемого сигнала. Полученное на выходе межканального вычитателя 13 напряжение поступает на выход 3 "фаза" устройства.

Достоинством данного способа является возможность детектирования параметров (амплитуды, частоты, фазы) синусоидального сигнала в широком диапазоне частот, практически без ограничения величины девиации частоты, кроме того, данный способ детектирования так же, как и способ-прототип, инвариантен к паразитной амплитудной модуляции ЧМ колебаний (изменению коэффициента А₀).