УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ДОППЛЕРОВСКОГО СМЕЩЕНИЯ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к технике радиосвязи, и может быть использована в системах одночастотной передачи данных, а также в системах радиозондирования для измерения допплеровского смещения несущей частоты сигнала в информационно-измерительных.
Как известно, допплеровское смещение несущей частоты сигнала может быть вызвано движением источника и/или приемника, а также движением отражающей радиосигнал поверхности (например, для KB радиосвязи характерно изменение высоты слоя ионосферы), и коме того возможным расхождением частот опорных генераторов в передающем и/или приемном устройствах. Наличие допплеровского смещения частоты приводит к значительному снижению помехоустойчивости систем передачи данных.
Для оценки несущей частоты в большинстве систем используют гармонический синусоидальный сигнал. Большинство известных способов основаны на использовании преобразования Фурье, при этом получают спектр принятого сигнала, выбирают сигнал с максимальной частотой, который соотносят со значением несущей частоты излученного для определения допплеровского масштабирующего коэффициента и затем определяют величину допплеровского смещения [Оппенгейм Э. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980, 553 с.].
Известен 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 Т дискретизируют с получением N точек, вычисляют его дискретный спектр, определяют номер К 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; i=K+1 при A≥A.
Недостатком данного патента является уменьшение точности способа при значениях частоты сигнала, близких номиналам, равноудаленным от двух соседних номиналов ортогональных частот дискретного преобразования Фурье.
k
k
k
Известен патент РФ на изобретение №2442178, опубликованный 10.02.2012 «Способ определения частоты узкополосного сигнала» при котором сигнал длительностью Т дискретизируют с получением N точек, вычисляют его дискретный энергетический спектр, определяют номер k спектральной составляющей с максимальной амплитудой, отличающийся тем, что дискретный спектр получают с использованием дискретного преобразования Хартли, далее для k и (k+1) номеров вычисляют нечетную синусную Hs и четную косинусную Hc спектральные составляющие, затем вычисляют значение угловой частоты узкополосного сигнала: при выполнении условия Hs≠0 вычисляют по формуле
k
при выполнении условия Hs=0 вычисляют по формуле
Недостатком патента является большая погрешность при оценке частоты гармонического сигнала принятого из канала с многолучевостью и большим уровнем аддитивного шума.
Также известен патент РФ на изобретение №2643708, опубликованный 14.11.2017 «Устройство оценки частоты гармонического зашумленного сигнала», принятый за прототип. Устройство оценки частоты гармонического зашумленного сигнала, содержит аналого-цифровой преобразователь, блоки дискретного преобразования Фурье, блоки вычисления амплитуды, блоки определения максимума, блоки накопления, блоки вычисления разности фаз, блоки вычисления синуса, блоки вычисления косинуса, сумматор, блоки вычисления фазового сдвига, блоки вычисления частотного сдвига, делитель, блок сравнения и блок определения частоты. В устройстве осуществляется измерение амплитудного спектра сигнала на разных длительностях, определяется номинал частоты с максимальным значением, получают грубую оценку частоты сигнала, а затем осуществляется вычисление фазового сдвига на данной частоте, чтобы определить частотное смещение относительно данной частоты, получая, таким образом, оценку частоты принимаемого сигнала.
Недостатком прототипа является то, что для получения точной оценки требуется гармонический сигнал достаточно большой длительности, а также небольшая погрешность при оценке частоты гармонического сигнала принятого из канала с многолучевостью.
Целью является определение допплеровского смещения частоты по гармоническому синусоидальному сигналу.
i
j
норм
Поставленная цель достигается тем, что устройство оценки допплеровского смещения частоты гармонического сигнала содержит аналого-цифровой преобразователь, блок накопления, умножитель, делитель, при этом, вход аналого-цифрового преобразователя является входом устройства, на который поступает принимаемый гармонический сигнал, а выход подключен к первому входу блока накопления, в котором накапливают N отсчетов принятого сигнала, где N задано заранее, поле чего в соответствии со значениями первого и второго счетчиков, выходы которых подключены, соответственно, ко второму и третьему входу блока накопления, передают отсчеты сигнала S и S с соответствующими номерами i и j с первого и второго выходов блока накопления на первый и второй входы умножителя, при этом выход второго счетчика подключен к входу первого счетчика, в первом счетчике осуществляют отсчет начиная с 1 до тех пор, пока на вход первого счетчика не поступит число N, после чего отсчет начинают заново с 1, а во втором счетчике на первом этапе осуществляют отсчет от 1 до N, затем на втором этапе от 2 до N, и т.д. выдавая на последнем N-ом этапе одно значение N, выход умножителя, в котором осуществляют умножение поступивших на первый и второй входы отсчетов сигнала, получая значение М, подключен к первому входу сумматора-накопителя, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика, и при поступлении с выхода второго счетчика на второй вход сумматора-накопителя значения N с выхода сумматора-накопителя на первый вход делителя подают результат суммирования X, а начальное значение сумматора-накопителя обнуляют, при этом второй вход делителя, на который передают значение первого счетчика L, соединен с выходом первого счетчика, в делителе осуществляют деление R=X/L, выход делителя соединен с входом блока памяти, в котором запоминают N поступивших значений R, выход блока памяти подключен к входу блока нормировки, в котором осуществляют нормировку всех N поступивших значений R в соответствии с формулой  k=1…N, выход блока нормировки, по которому передают нормированные значения R(k), k=1…N подключен к входу решающего устройства, в котором находят минимум функционала:
min
0
min
0
где Δt - шаг дискретизации аналого-цифрового преобразователя, а в качестве начального условия при вычислении значения ƒ, соответствующего минимуму Q(ƒ), берут значение частоты передаваемого сигнала ƒ, после чего в решающем устройстве получают значение допплеровского смещения частоты Δƒ=ƒ-ƒ, которое передают на выход решающего устройства являющегося выходом устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1. Она содержит аналого-цифрового преобразователь 1 вход, которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом блока накопления 2. Первый счетчик 3, выход которого подключен ко второму входу блока накопления 2 и второму входу делителя 7. Второй счетчик, выход которого подключен к входу первого счетчика 3, третьему входу блока накопления 2 и второму входу сумматора-накопителя 6. Первый выход блока накопления 2 соединен с первым входом умножителя 5, второй выход блока накопления 2 соединен со вторым входом умножителя 5, выход которого подключен к первому входу сумматора-накопителя 6. Выход сумматора-накопителя 6 соединен с первым входом делителя 7, выход которого соединен с входом блока памяти 8, выход которого подключен к входу блока нормировки 9. Выход блока нормировки 9 соединен с входом решающего устройства 10, выход которого является выходом устройства.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
i
j
На вход аналого-цифрового преобразователя 1, являющегося входом устройства поступает входной сигнал s(t), длительностью Т, являющийся гармоническим сигналом. Сигнал s(t) дискретизируют с получением N отсчетов, которые подают с выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на вход блока накопления 2. С первого и второго выходов блока накопления 2, соответственно на первый и второй входы умножителя 5 передают отсчеты сигнала S и S. При этом номера отсчетов i и j соответствуют значениям на выходе первого и второго счетчиков 3 и 4, выходы которых подключены, соответственно, ко второму и третьему входу блока накопления 2. При этом выход второго счетчика 4 подключен к входу первого счетчика 3. В первом счетчике 3 осуществляют отсчет начиная с 1 до тех пор, пока на вход первого счетчика 3 не поступит число N, после чего отсчет начинают заново с 1. Во втором счетчике 4 на первом этапе осуществляют отсчет от 1 до N, затем на втором этапе от 2 до N, и т.д., выдавая на последнем N-ом этапе одно значение N.
i
j
Выход умножителя 5, в котором осуществляют умножение поступивших на первый и второй входы отсчетов сигнала, получая значение М=S⋅S, подключен к первому входу сумматора-накопителя 6. Второй вход сумматора-накопителя 6 соединен с выходом второго счетчика 4. В сумматоре-накопителе 6 осуществляют суммирование Y=Y+M. При поступлении с выхода второго счетчика 4 на второй вход сумматора-накопителя 6 значения N с выхода сумматора-накопителя 6 на первый вход делителя 7 подают результат суммирования Y, а начальное значение сумматора-накопителя 6 обнуляют. На второй вход делителя 7 с выходом первого счетчика 3 передают значение L. В делителе 7 осуществляют деление:
Получаемые значения R с выхода делителя передают на вход блока памяти, в котором запоминают N поступивших значений R. Выход блока памяти подключен к входу блока нормировки, в котором осуществляют нормировку всех N поступивших значений R в соответствии с формулой:
норм
Выход блока нормировки, по которому передают нормированные значения R(k), k=1-N подключен к входу решающего устройства, в котором находят минимум функционала:
где Δt - шаг дискретизации аналого-цифрового преобразователя.
min
Q
Для нахождения минимума функционала Q(ƒ) могут быть применены различные алгоритмы, например, метод Ньютона [Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978]. В качестве начального условия при вычислении значения ƒ, соответствующего минимуму Q(ƒ), берут значение частоты передаваемого сигнала ƒ, после чего в решающем устройстве получают значение допплеровского смещения частоты
min
0
Δƒ=ƒ-ƒ,
которое передают на выход решающего устройства являющегося выходом устройства.
Предлагаемое устройство обеспечивает технический результат: определение допплеровского смещения частоты гармоническому синусоидальному сигналу.
По сравнению с прототипом устройство требует значительно меньшее количество вычислительных операций, а также значительно меньшую погрешность при оценке доплеровского смещения частоты гармонического сигнала принятого из канала с многолучевостью.