УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО ЗАШУМЛЁННОГО СИГНАЛА
DEVICE FOR ESTIMATION OF FREQUENCY OF HARMONIC NOISY SIGNAL

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в измерительной технике, в системах передачи данных и системах радиолокации для оценки частоты принимаемого сигнала.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент РФ на изобретение №2117306, опубликованный 10.08.1998 «Способ определения частоты узкополосного сигнала», который принят за прототип. Способ содержит аналого-цифровой преобразователь, блок дискретного преобразования Фурье, блок определения максимума, блок сравнения и блок определения частоты. Способ заключается в том, что сигнал длительностью T дискретизируют с получением N точек, вычисляют его дискретный спектр, определяют номер K максимальной спектральной составляющей, ее амплитуду, а также номер и амплитуду большей из смежных с ней составляющих и определяют частоту сигнала на основании этих данных в соответствии с выражением:
i
k+1
k-1
k+1
k-1
где  A - амплитуда i-й спектральной составляющей, i=k при A<A и i=k+1 при A<A.
Недостатком прототипа является уменьшение точности способа при значениях частоты сигнала, близких номиналам, равноудаленным от двух соседних номиналов ортогональных частот дискретного преобразования Фурье.
Целью изобретения является получение оценки частоты принимаемого гармонического сигнала, который может быть зашумленным.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения частоты зашумленного гармонического сигнала.
i
i
i
i
j
j
j
j
1
2
1
2
Поставленная цель достигается тем, что устройство оценки частоты гармонического зашумленного сигнала состоит в том, что на приемной стороне оцифровывают принимаемый сигнал в аналогово-цифровом преобразователе, затем передают оцифрованный сигнал с выхода аналогово-цифрового преобразователя одновременно на вход первого блока дискретного преобразования Фурье, в котором вычисляют дискретный спектр сигнала на длительности T и второго блока дискретного преобразования Фурье, в котором вычисляют дискретный спектр сигнала на длительности 2T, с 2m выходов первого блока дискретного преобразования Фурье передают значения синусной и косинусной составляющей на m частотах, попадающих в полосу канала, одновременно на соответствующие входы первого блока накопления и на входы m параллельно включенных блоков вычисления амплитуды, при этом по i(1)-му выходу передают значение синусной составляющей (S) спектра сигнала на частоте с номером i на i(1)-й вход первого блока накопления и на первый вход i-го блока вычисления амплитуды, а по i(2)-му выходу передают значение косинусной составляющей (C) спектра сигнала на частоте с номером i на i(2)-й вход первого блока накопления и на второй вход i-го блока вычисления амплитуды, где 1≤i≤m, а в i-м блоке вычисления амплитуды вычисляют амплитуду A принимаемого сигнала на частоте с номером i по формуле  и передают полученное значение амплитуды A на соответствующий i-й вход первого блока определения максимума, в котором определяют по какому из m входов поступило максимальное значение, и с первого выхода передают номер k такого входа одновременно на нулевой вход первого блока накопления и на второй вход блока сравнения, а по второму выходу передают само максимальное значение на третий вход блока сравнения, далее в первом блоке накопления получают по нулевому входу номер k и осуществляют накопление двух последних полученных значений (, , , , …, , , , ) по входам 1(1), 1(2), …, m(1), m(2) и передают накопленные значения  и , полученные по входу k(1), и значения  и , полученные по входу k(2), на входы первого блока вычисления разницы фаз, так что с первого выхода первого блока накопления передают  на первый вход первого блока вычисления разницы фаз, со второго выхода первого блока накопления передают  на второй вход первого блока вычисления разницы фаз, с третьего выхода первого блока накопления передают  на третий вход первого блока вычисления разницы фаз и с четвертого выхода первого блока накопления передают  на четвертый вход первого блока вычисления разницы фаз, а в первом блоке вычисления разницы фаз осуществляют вычисление разницы фаз Δϕ по формуле  и далее передают полученное значение разницы фаз Δϕ одновременно на вход первого блока вычисления синуса и на вход первого блока вычисления косинуса, в первом блоке вычисления синуса вычисляют значение sin(Δϕ) и с выхода передают полученное значение на вход второго блока накопления, в котором осуществляют накопление N последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N значений на вход первого сумматора, в котором вычисляют сумму полученных N значений, а результат суммирования передают на первый вход первого блока вычисления фазового сдвига, а в первом блоке вычисления косинуса вычисляют значение cos(Δϕ) и с выхода передают полученное значение на вход третьего блока накопления, в котором осуществляют накопление N последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N значений на вход второго сумматора, в котором вычисляют сумму полученных N значений, а результат суммирования передают на второй вход первого блока вычисления фазового сдвига, в котором осуществляют вычисление фазового сдвига Δφ по формуле Δφ=atan2(A, B), где A - значение, полученное по первому входу, а B - значение, полученное по второму входу, с выхода передают полученное значение Δφ на вход первого блока вычисления частотного сдвига, в котором вычисляют значение частотного сдвига  по формул:  а с выхода передают полученное значение на первый вход блока сравнения, при этом, с 4m выходов второго блока дискретного преобразования Фурье передают значения синусной и косинусной составляющей на 2m частотах, попадающих в полосу канала, одновременно на соответствующие входы четвертого блока накопления и на входы 2m параллельно включенных блоков вычисления амплитуды, при этом по j(1)-му выходу передают значение синусной составляющей (S') спектра сигнала на частоте с номером j на j(1)-й вход четвертого блока накопления и на первый вход (m+j)-го блока вычисления амплитуды, а по j(2)-му выходу передают значение косинусной составляющей (C') спектра сигнала на частоте с номером j на j(2)-й вход четвертого блока накопления и на второй вход (m+j)-го блока вычисления амплитуды, где 1≤j≤2m, а в (m+j)-м блоке вычисления амплитуды вычисляют амплитуду A' принимаемого сигнала на частоте с номером j по формуле  и передают полученное значение амплитуды A на соответствующий j-й вход второго блока определения максимума, в котором определяют по какому из 2m входов поступило максимальное значение, и с первого выхода передают номер k' такого входа одновременно на нулевой вход четвертого блока накопления и на четвертый вход блока сравнения, а со второго выхода второго блока определения максимума передают само максимальное значение на вход делителя, в котором делят полученную величину на два и с выхода передают результат на пятый вход блока сравнения, далее в четвертом блоке накопления получают по нулевому входу номер k' и осуществляют накопление двух последних полученных значений (, , , , …, , , , ) по входам 1(1), 1(2), …, 2m(1), 2m(2) и передают накопленные значения  и , полученные по входу k'(1), и значения  и , полученные по входу k'(2), на входы второго блока вычисления разницы фаз, так что с первого выхода четвертого блока накопления передают  на первый вход второго блока вычисления разницы фаз, со второго выхода четвертого блока накопления передают  на второй вход второго блока вычисления разницы фаз, с третьего выхода четвертого блока накопления передают  на третий вход второго блока вычисления разницы фаз и с четвертого выхода четвертого блока накопления передают  на четвертый вход второго блока вычисления разницы фаз, а во втором блоке вычисления разницы фаз осуществляют вычисление разницы фаз Δϕ' по формуле  и далее передают полученное значение разницы фаз Δϕ' одновременно на вход второго блока вычисления синуса и на вход второго блока вычисления косинуса, во втором блоке вычисления синуса вычисляют значение sin(Δϕ') и с выхода передают полученное значение на вход пятого блока накопления, в котором осуществляют накопление N/2 последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N/2 значений на вход третьего сумматора, в котором вычисляют сумму полученных N/2 значений, а результат суммирования передают на первый вход второго блока вычисления фазового сдвига, а во втором блоке вычисления косинуса вычисляют значение cos(Δϕ') и с выхода передают полученное значение на вход шестого блока накопления, в котором осуществляют накопление N/2 последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N/2 значений на вход четвертого сумматора, в котором вычисляют сумму полученных N/2 значений, а результат суммирования передают на второй вход второго блока вычисления фазового сдвига, в котором осуществляют вычисление фазового сдвига Δϕ' по формуле Δϕ'=atan2(A', B'), где A' - значение, полученное по первому входу, а B' - значение, полученное по второму входу, с выхода передают полученное значение Δϕ' на вход второго блока вычисления частотного сдвига, в котором вычисляют значение частотного сдвига  по формуле  а с выхода передают полученное значение на шестой вход блока сравнения, в котором осуществляют сравнение значений, полученных по третьему и по пятому входам, и если величина, поступившая по третьему входу оказывается большей, то с первого выхода блока сравнения передают величину M, равную номеру первой гармоники дискретного преобразования Фурье на длительности T, попадающей в анализируемую полосу сигнала на первый вход блока определения частоты, со второго выхода передают номер максимальной гармоники M, поступивший по второму входу на второй вход блока определения частоты, с третьего выхода передают значение времени анализа t=Т на третий вход блока определения частоты, с четвертого выхода передают значение частотного сдвига  на четвертый вход блока определения частоты, а если величина, поступившая по третьему входу оказывается меньше величины, поступившей по пятому входу, то с первого выхода блока сравнения передают величину M, равную номеру первой гармоники дискретного преобразования Фурье на длительности 2T, попадающей в анализируемую полосу сигнала на первый вход блока определения частоты, со второго выхода передают номер максимальной гармоники M, поступивший по четвертому входу на второй вход блока определения частоты, с третьего выхода передают значение времени анализа t=2T на третий вход блока определения частоты, с четвертого выхода передают значение частотного сдвига  на четвертый вход блока определения частоты, а в блоке определения частоты осуществляют измерение частоты F анализируемого сигнала в заданной полосе по формуле
Структурная схема предложенного устройства приведена на фиг. 1.
Устройство работает следующим образом.
i
i
i
j
j
j
j
1
2
1
2
На приемной стороне оцифровывают принимаемый сигнал в аналогово-цифровом преобразователе 1, затем передают оцифрованный сигнал с выхода аналогово-цифрового преобразователя 1 одновременно на вход первого блока дискретного преобразования Фурье 2, в котором вычисляют дискретный спектр сигнала на длительности T, и второго блока дискретного преобразования Фурье 3, в котором вычисляют дискретный спектр сигнала на длительности 2T, с 2m выходов первого блока дискретного преобразования Фурье 2 передают значения синусной и косинусной составляющей на m частотах, попадающих в полосу канала, одновременно на соответствующие входы первого блока накопления 6 и на входы m параллельно включенных блоков вычисления амплитуды 4(1)…4(m), при этом по i(1)-му выходу передают значение синусной составляющей (5£) спектра сигнала на частоте с номером i на i(1)-й вход первого блока накопления 6 и на первый вход i-го блока вычисления амплитуды 4(i), а по i(2)-му выходу передают значение косинусной составляющей (C) спектра сигнала на частоте с номером i на i(2)-й вход первого блока накопления 6 и на второй вход i-го блока вычисления амплитуды 4(i), где 1≤i≤m, а в i-м блоке вычисления амплитуды 4(i) вычисляют амплитуду A принимаемого сигнала на частоте с номером i по формуле  и передают полученное значение амплитуды A на соответствующий i-й вход первого блока определения максимума 5, в котором определяют, по какому из m входов поступило максимальное значение, и с первого выхода передают номер k такого входа одновременно на нулевой вход первого блока накопления 6 и на второй вход блока сравнения 16, а по второму выходу передают само максимальное значение на третий вход блока сравнения 16, далее в первом блоке накопления 6 получают по нулевому входу номер k и осуществляют накопление двух последних полученных значений (, , , , …, , , , ) по входам 1(1), 1(2), …, m(1), m(2) и передают накопленные значения  и , полученные по входу k(1), и значения  и , полученные по входу k(2), на входы первого блока вычисления разницы фаз 7, так что с первого выхода первого блока накопления 6 передают  на первый вход первого блока вычисления разницы фаз 7, со второго выхода первого блока накопления 6 передают  на второй вход первого блока вычисления разницы фаз 7, с третьего выхода первого блока накопления 6 передают  на третий вход первого блока вычисления разницы фаз 7 и с четвертого выхода первого блока накопления 6 передают  на четвертый вход первого блока вычисления разницы фаз 7, а в первом блоке вычисления разницы фаз 7 осуществляют вычисление разницы фаз Δϕ по формуле   и далее передают полученное значение разницы фаз Δϕ одновременно на вход первого блока вычисления синуса 8 и на вход первого блока вычисления косинуса 9, в первом блоке вычисления синуса 8 вычисляют значение sin(Δϕ) и с выхода передают полученное значение на вход второго блока накопления 10, в котором осуществляют накопление N последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N значений на вход первого сумматора 12, в котором вычисляют сумму полученных N значений, а результат суммирования передают на первый вход первого блока вычисления фазового сдвига 14, а в первом блоке вычисления косинуса 9 вычисляют значение cos(Δϕ) и с выхода передают полученное значение на вход третьего блока накопления 11, в котором осуществляют накопление N последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N значений на вход второго сумматора 13, в котором вычисляют сумму полученных N значений, а результат суммирования передают на второй вход первого блока вычисления фазового сдвига 14, в котором осуществляют вычисление фазового сдвига Δφ по формуле Δφ=atan2(A, B), где A - значение, полученное по первому входу, а B - значение, полученное по второму входу, с выхода передают полученное значение Δφ на вход первого блока вычисления частотного сдвига 15, в котором вычисляют значение частотного сдвига  по формуле , а с выхода передают полученное значение на первый вход блока сравнения 16, при этом с 4m выходов второго блока дискретного преобразования Фурье 3 передают значения синусной и косинусной составляющей на 2m частотах, попадающих в полосу канала, одновременно на соответствующие входы четвертого блока накопления 20 и на входы 2m параллельно включенных блоков вычисления амплитуды 17(1)…17(2m), при этом по j(1)-му выходу передают значение синусной составляющей (S') спектра сигнала на частоте с номером j на j(1)-й вход четвертого блока накопления 20 и на первый вход (m+j)-го блока вычисления амплитуды 17(j), а по j(2)-му выходу передают значение косинусной составляющей (C') спектра сигнала на частоте с номером j на j(2)-й вход четвертого блока накопления 20 и на второй вход (m+j)-го блока вычисления амплитуды 17(j), где 1≤j≤2m, а в (m+j)-м блоке вычисления амплитуды 17(j) вычисляют амплитуду A' принимаемого сигнала на частоте с номером j по формуле  и передают полученное значение амплитуды A на соответствующий j-й вход второго блока определения максимума 18, в котором определяют, по какому из 2m входов поступило максимальное значение, и с первого выхода передают номер k' такого входа одновременно на нулевой вход четвертого блока накопления 20 и на четвертый вход блока сравнения 16, а со второго выхода второго блока определения максимума 18 передают само максимальное значение на вход делителя 19, в котором делят полученную величину на два и с выхода передают результат на пятый вход блока сравнения 16, далее в четвертом блоке накопления получают по нулевому входу номер k' и осуществляют накопление двух последних полученных значений (, , , , …, , , , ) по входам 1(1), 1(2), …, 2m(1), 2m(2) и передают накопленные значения  и , полученные по входу k'(1), и значения  и , полученные по входу k'(2), на входы второго блока вычисления разницы фаз 21, так что с первого выхода четвертого блока накопления 20 передают  на первый вход второго блока вычисления разницы фаз 21, со второго выхода четвертого блока накопления 20 передают  на второй вход второго блока вычисления разницы фаз 21, с третьего выхода четвертого блока накопления 20 передают  на третий вход второго блока вычисления разницы фаз 21 и с четвертого выхода четвертого блока накопления 20 передают  на четвертый вход второго блока вычисления разницы фаз 21, а во втором блоке вычисления разницы фаз 21 осуществляют вычисление разницы фаз Δϕ' по формуле  и далее передают полученное значение разницы фаз Δϕ' одновременно на вход второго блока вычисления синуса 22 и на вход второго блока вычисления косинуса 23, во втором блоке вычисления синуса 22 вычисляют значение sin(Δϕ') и с выхода передают полученное значение на вход пятого блока накопления 24, в котором осуществляют накопление N/2 последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N/2 значений на вход третьего сумматора 26, в котором вычисляют сумму полученных N/2 значений, а результат суммирования передают на первый вход второго блока вычисления фазового сдвига 28, а во втором блоке вычисления косинуса 23 вычисляют значение cos(Δϕ') и с выхода передают полученное значение на вход шестого блока накопления 25, в котором осуществляют накопление N/2 последних полученных значений, и с выхода передают накопленный массив N/2 значений на вход четвертого сумматора 27, в котором вычисляют сумму полученных N/2 значений, а результат суммирования передают на второй вход второго блока вычисления фазового сдвига 28, в котором осуществляют вычисление фазового сдвига Δφ' по формуле Δφ'=atan2(A', B'), где A' - значение, полученное по первому входу, а B' - значение, полученное по второму входу, с выхода передают полученное значение Δφ' на вход второго блока вычисления частотного сдвига 29, в котором вычисляют значение частотного сдвига  по формуле , а с выхода передают полученное значение на шестой вход блока сравнения 16, в котором осуществляют сравнение значений, полученных по третьему и по пятому входам, и если величина, поступившая по третьему входу, оказывается большей, то с первого выхода блока сравнения 16 передают величину M, равную номеру первой гармоники дискретного преобразования Фурье на длительности T, попадающей в анализируемую полосу сигнала, на первый вход блока определения частоты 30, со второго выхода передают номер максимальной гармоники М, поступивший по второму входу, на второй вход блока определения частоты 30, с третьего выхода передают значение времени анализа t=T на третий вход блока определения частоты 30, с четвертого выхода передают значение частотного сдвига  на четвертый вход блока определения частоты 30, а если величина, поступившая по третьему входу, оказывается меньше величины, поступившей по пятому входу, то с первого выхода блока сравнения передают величину M, равную номеру первой гармоники дискретного преобразования Фурье на длительности 2T, попадающей в анализируемую полосу сигнала на первый вход блока определения частоты 30, со второго выхода передают номер максимальной гармоники M, поступивший по четвертому входу, на второй вход блока определения частоты 30, с третьего выхода передают значение времени анализа t=2T на третий вход блока определения частоты 30, с четвертого выхода передают значение частотного сдвига  на четвертый вход блока определения частоты 30, а в блоке определения частоты 30 осуществляют измерение частоты F анализируемого сигнала в заданной полосе по формуле
Предлагаемое устройство может быть в измерительной технике, в системах передачи данных и системах радиолокации для оценки частоты принимаемого сигнала. Применение такого устройства позволяет более точно определять частоту принимаемого сигнала за достаточно малое время, даже в том случае, если сигнал является зашумленным.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующим преимуществом: обеспечивает более точное определение частоты принимаемого сигнала, особенно в случае ее близости к номиналам, равноудаленным от двух соседних номиналов ортогональных частот дискретного преобразования Фурье.