Широкополосный измеритель частоты радиосигналов
BROADBAND FREQUENCY METER FOR RADIO SIGNALS

Известно устройство широкополосного измерителя частоты радиосигналов [1]. Широкополосный измеритель частоты сигналов состоит из 3 плат цифровой обработки сигналов (ЦОС). Каждая плата ЦОС состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), статического оперативного запоминающего устройства (СОЗУ), программируемой логической интегральной микросхемы (ПЛИС), распределителя тактовых сигналов.
Недостатком данного устройства является высокая аппаратная и вычислительная избыточность, необходимая для устранения неоднозначности измерения частоты. Аппаратная избыточность проявляется в необходимости применения 3х АЦП, ПЛИС, ОЗУ. Вычислительная избыточность связана с необходимостью вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) на каждой плате ЦОС (на 3х разных частотах), а также необходимостью передискретизации для отображения результатов БПФ на одной частотной оси для устранения неоднозначности измерения частоты.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство широкополосного измерителя частоты радиосигналов [2]. Широкополосный измеритель частоты сигналов состоит из 4х АЦП, 2х устройств вычисления комплексного БПФ, 2х устройств поиска максимума, решающего устройства.
Недостатком данного устройства является высокая аппаратная и вычислительная избыточность, необходимая для устранения неоднозначности измерения частоты. Аппаратная избыточность проявляется в необходимости применения 4х АЦП, 2х устройств вычисления комплексного ВПФ, 2х устройств поиска максимума. Вычислительная избыточность связана с необходимостью вычисления 2х комплексных БПФ, и передискретизации результатов БПФ в одну сетку частот.
Техническим результатом изобретения является уменьшение аппаратной и вычислительной избыточности.
Целью изобретения является снижение аппаратной и вычислительной избыточности, уменьшение габаритных размеров за счет изменения алгоритма функционирования устройства.
1
2
1
2
Заявленный результат достигается тем., что в устройство, состоящее из двух АЦП, работающих на частотах Fs и Fs соответственно, входы которых соединены вместе, и решающего устройства, дополнительно введены первые цифровые фильтры верхних и нижних частот, работающие на частоте тактирования Fs, вторые цифровые фильтры верхних и нижних частот работающие на частоте тактирования Fs, четыре устройства вычисления модуля, четыре накапливающих сумматора на N слагаемых, четыре устройства деления на N, два делителя, причем выходы первого АЦП соединены с входами первых цифровых фильтров низкой и высокой частоты, выходы второго АЦП соединены с входами вторых цифровых фильтров низкой и высокой частоты, выходы первых цифровых фильтров высокой и низкой частоты соединены с входами первого и второго устройств вычисления модуля соответственно, выходы вторых цифровых фильтров высокой и низкой частоты соединены с входами третьего и четвертого устройств вычисления модуля соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого устройств вычисления модуля соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соответственно, выходы первого, второго, третьего, четвертого накапливающих сумматоров соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого устройств деления на N, выходы первого и второго устройств деления на N соединены с входами первого делителя, выходы третьего и четвертого устройств деления на N соединены с входами второго делителя, выходы первого и второго делителей соединены с входами решающего устройства.
На фиг. 1 представлена функциональная схема широкополосного измерителя частоты радиосигналов. На фиг. 2 представлена дискриминационная характеристика широкополосного измерителя частоты радиосигналов.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фигуре 1. Широкополосный измеритель частоты сигналов содержит: АЦП 1 и 3, устройство 2 синхронизации, цифровые фильтры 4 и 6 низкой частоты, цифровые фильтры 5 и 7 высокой частоты, сумматоры 8, 9, 10, 11 на N слагаемых, устройства 12, 13, 14, 15 вычисления модуля, делители 16, 17, 18, 19 на N, устройства 20 и 21 деления, решающее устройство 22.
s1
s2
s1
s2
s1
s2
s1
s2
s1
s2
Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты радиосигналов, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Широкополосный измеритель частоты радиосигналов работает следующим образом. Входной сигнал оцифровывается в АЦП 1 и 3, работающих на частотах тактирования F и F соответственно. Сигналы тактовой частоты F и F генерируются в устройстве 2 синхронизации. Далее, цифровые отсчеты сигнала АЦП 1 подаются на цифровые фильтры 4 и 5 высокой и низкой частоты, работающие на тактовой частоте F. Цифровые отсчеты сигнала АЦП 2 подаются на цифровые фильтры 6 и 7 высокой и низкой частоты, работающие на тактовой частоте F. Для обеспечения пологой передаточной характеристики фильтров 4, 5, 6, 7 их порядок выбирается невысоким. Далее, цифровые отсчеты с фильтров 4, 5, 6, 7 подаются на устройства вычисления модуля 8, 9, 10, 11 соответственно. Модули цифровых отсчетов с выходов устройств 8, 9, 10, 11 вычисления модуля поступают соответственно в накапливающие сумматоры 12, 13, 14, 15 на N слагаемых. В момент накопления N отсчетов сигнала в сумматорах 12, 13, 14, 15 срабатывают устройства деления 16, 17, 18, 19 на N. Таким образом, на выходах устройств деления 16, 17, 18, 19 будут получены модули средних значений за N отсчетов. Усреднение сигнала введено для ослабления случайных флуктуаций сигнала. Полученные средние значения за N отсчетов от устройств 16, 17 деления поступают на делитель 20, а от устройств 18, 19 деления на делитель 21. Получаемое на делителях 20, 21 отношение амплитуд сигналов однозначно связано с частотой входного сигнала в диапазоне частот 0… 0,5F, 0… 0,5F соответственно. В случае, когда частота входного сигнала превышает наибольшую из указанных частот, возникает неоднозначность измерения частоты. Неоднозначность измерения частоты возникает из-за явления наложения спектров при суб-дискретизации в АЦП 1 и 2. Для разрешения неоднозначности используется два АЦП, работающих на различающихся частотах. При этом каналы 1 и 2 формируют неоднозначные периодические дискриминационные характеристики, вид которых показан на фиг. 2. Однозначное определение частоты по одной характеристике невозможно. Однако каждая пара значений дискриминационных характеристик каналов 1 и 2 однозначно связана с частотой входного сигнала, что позволяет разрешить неоднозначность и измерить частоту входного сигнала, частота которого превышает критерий Котельникова, то есть превышает наибольшее из F/2, F/2.
Список использованных источников
1. Кренев, А.Н., Ботов В.А., Горюнцов, И.С., Погребной, Д.С., Топорков В.К. Способ расширения полосы частот оценки спектров сигналов. Патент РФ на изобретение №2516763.
2. Николаев, А.Н., Белугина, А.А. Алгоритмы измерения несущей частоты в цифровых приемниках при субдискретизации радиосигналов / А.Н. Николаев, А.А. Белугина // Евразийский Союз Ученых. - 2015. - №4(13). - с. 160-163.
3. Sanderson, R.B., Tsui, J.B.Y. Digital frequency measurement receiver with bandwidth improvement through multiple sampling of real signals. Патент США на изобретение №5099194.