УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ЧАСТОТЫ ЗАШУМЛЕННОГО ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к технике радиосвязи, радиолокации, а также к измерительной технике, и может быть использована в системах одночастотной передачи данных и в системах радиозондирования для оценки частоты принимаемого гармонического сигнала в информационно-измерительных устройствах.
Необходимость оценки частоты принимаемого сигнала обусловлена рядом факторов, таких как наличие доплеровского смещения несущей частоты излучаемого сигнала, что может быть вызвано движением источника и/или приемника, а также возможным расхождением частот опорных генераторов в передающем и/или приемном устройствах.
Для оценки несущей частоты в большинстве систем используют гармонический синусоидальный сигнал.
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  А - амплитуда i-й спектральной составляющей; i = K при А < А; i = K+1 при А≥А.
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 к 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 Нс 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 зашумлённого сигнала», принятый за прототип. Устройство оценки частоты гармонического зашумлённого 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.
Целью изобретения является оценки частоты принимаемого зашумлённого гармонического сигнала.
l
2
3
Поставленная цель достигается тем, что устройство оценки частоты зашумлённого гармонического сигнала содержит аналого-цифровой преобразователь, блок накопления, сумматор и делитель, отличающееся тем, что вход аналого-цифрового преобразователя является входом устройства, на который поступает принимаемый зашумленный гармонический сигнал, а выход подключен к входу блока накопления, причем при поступлении на вход блока накопления очередных трёх отсчетов принятого сигнала S, S и S блок накопления передает соответствующие значения отсчетов с первого, второго и третьего выходов, соответственно, на входы первого второго и третьего умножителей, причем первый и второй входы первого умножителя соединены с первым и вторым выходами блока накопления, первый и второй входы второго умножителя соединены со вторым выходом блока накопления, первый и второй входы третьего умножителя соединены со вторым и третьим выходами блока накопления, результаты умножения с выхода первого, второго и третьего умножителя подают на вход соответственно первого, второго и третьего сумматора накопителя, в которых осуществляют сложение поступивших значений с хранящимся значением по формуле:  где X - значение, поступившее на вход сумматора накопителя , - предыдущее хранящееся значение, причем Y(0) = 0,  - получаемое значение для накопления, при суммировании с накоплением  значений, где L задано заранее, получаемые значения с выхода первого и третьего сумматоров накопителей подают на первый и второй вход сумматора, а с выхода второго сумматора накопителя подают на вход умножителя, в котором умножают поступившее значение на 2, после чего обнуляют накопленные значения, хранящиеся в первом, втором и третьем сумматоре накопителе, результат суммирования: Q с выхода сумматора подают на первый вход делителя, а результат умножения: W с выхода умножителя подают на второй вход делителя, в котором осуществляют деление, получая на выходе значение R = Q/W, которое подают на вход блока вычисления arcos, на выходе которого получают значение ϕ = arcos(R), которое подают на вход умножителя на коэффициент, в котором осуществляют умножение на коэффициент 1/2π, в результате получая на выходе умножителя на коэффициент, являющегося выходом устройства, оценку значения частоты принятого зашумлённого гармонического сигнала.
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1. Она содержит аналого-цифрового преобразователь 1 вход, которого является входом устройства, а выход соединен с входом блока накопления 2. Первый и второй входы первого умножителя 3(1) соединены с первым и вторым выходами блока накопления 2, первый и второй входы второго умножителя 3(2) соединены со вторым выходом блока накопления 2, первый и второй входы третьего умножителя 3(3) соединены со вторым и третьим выходами блока накопления 2. Выход первого, второго и третьего умножителя 3(1), 3(2), 3(3) подключены ко входу соответственно первого, второго и третьего сумматора накопителя 4(1), 4(2), 4(3). Выход второго сумматора накопителя 4(2) соединен с входом умножителя 5. Выход первого сумматора накопителя 4(1) соединен с первым входом сумматора 6, а выход третьего сумматора накопителя 4(3) соединен со вторым входом сумматора 6. Выход сумматора 6 подключен к первому входу делителя, а выход умножителя 5 подключен ко второму входу делителя 7, выход которого соединен с входом блока вычисления arcos 8, выход которого подключен к входу умножителя на коэффициент 9, выход которого является выходом устройства.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
1
2
3
На вход аналого-цифрового преобразователя 1, являющегося входом устройства поступает входной сигнал s(t), длительностью Т, являющийся зашумленным гармоническим сигналом. Сигнал s(t) дискретизируют с получением N отсчетов, которые поочередно подают с выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на вход блока накопления 2. При поступлении на вход блока накопления 2 очередных трёх отсчетов принятого сигнала S, S и S блок накопления 2 передает соответствующие значения отсчетов с первого, второго и третьего выходов, соответственно, на входы первого второго и третьего умножителей 3(1), 3(2), 3(3). Причем первый и второй входы первого умножителя 3(1) соединены с первым и вторым выходами блока накопления 2, первый и второй входы второго умножителя 3(2) соединены со вторым выходом блока накопления 2, первый и второй входы третьего умножителя 3(3) соединены со вторым и третьим выходами блока накопления 2. В результате на выходе первого умножителя 3(1) получают:
1
2
А = S⋅S,
на выходе второго умножителя 3(2) получают:
2
2l
В = S ⋅ S
на выходе третьего умножителя 3(3) получают:
2
3
С = S ⋅ S.
Результаты умножения с выхода первого, второго и третьего умножителя 3(1), 3(2), 3(3) подают на вход соответственно первого, второго и третьего сумматора накопителя 4(1), 4(2), 4(3), в которых осуществляют сложение поступивших значений с хранящимся значением по формуле:
где X - значение, поступившее на вход сумматора накопителя (А, В или С),  - предыдущее хранящееся значение, причем Y(0) = 0,  - получаемое значение для накопления.
При суммировании с накоплением  значений, где L задано заранее, получаемые значения с выхода первого и третьего сумматоров накопителей 4(1) и 4(3) подают на первый и второй вход сумматора 6, а с выхода второго сумматора накопителя 4(2) подают на вход умножителя 5, в котором умножают поступившее значение на 2. Также обнуляют накопленные значения, хранящиеся в первом, втором и третьем сумматоре накопителе 4(1), 4(2) и 4(3).
Результат суммирования: Q с выхода сумматора 6 подают на первый вход делителя 7, а результат умножения: W с выхода умножителя 5 подают на второй вход делителя 7, в котором осуществляют деление, получая на выходе значение:
Значение R подают на вход блока вычисления arcos 8, на выходе которого получают значение ϕ = arcos(R), которое подают на вход умножителя на коэффициент 9, в котором осуществляют умножение на коэффициент 1/2π, в результате получая на выходе умножителя на коэффициент 9, являющегося выходом устройства, оценку значения частоты принятого зашумлённого гармонического сигнала.
Предлагаемое устройство обеспечивает технический результат: поручение оценки частоты принимаемого зашумлённого гармонического сигнала. По сравнению с прототипом устройство обеспечивает получение точной оценки частоты по небольшому отрезку принятого гармонического сигнала и требует значительно меньшее количество вычислительных операций.