DIGITAL MEASURING SYSTEM RADIO PHASE SHIFT PULSE SIGNAL

Баженов В.Г.¹, Богдан Г.А.², Кравченко М.В³

¹ORCID: 0000-0002-8858-4412, Кандидат технических наук, доцент, ²ORCID: 0000-0001-6745-1509, аспирант, ³ORCID: 0000-0002-9452-3552,  Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ РАДИОИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Аннотация

В статье рассмотрена цифровая система прецизионного измерения фазовых сдвигов радиосигналов на основе ортогонального метода. Особенностью рассматриваемой измерительной системы является то, что фазометр является одноканальным (используется один АЦП) и совместно с фазометром используется синтезатор частоты  (DDS) входного сигнала запускаемый сигналами генератора частоты стробирования АЦП. Это позволило исключить погрешности измерений за счёт не кратности частоты дискретизации АЦП с частотой заполнения, периодом следования и длительностью импульсов входных радиосигналов, а также уменьшить погрешности за счет изменений начальной фазы радиоимпульсного сигнала.

Ключевые слова: цифровая система, фазометр, ортогональный метод, АЦП, DDS

 

Bazhenov V.H.¹, Bohdan H.A.², Kravchenko M.V.³

¹ORCID: 0000-0002-8858-4412, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0001-6745-1509, Postgraduate student, ³ORCID: 0000-0002-9452-3552, National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute"

DIGITAL MEASURING SYSTEM RADIO PHASE SHIFT PULSE SIGNAL

Abstract

The article describes the digital system precision measurement of phase shifts of radio signals based on the orthogonal method. The peculiarity of the considered measuring system is that the phase meter is a single-channel (uses one ADC) and the phase meter is used in conjunction with the input signal frequency synthesizer DDS triggered by the signal generator frequency ADC sampling .It is possible to eliminate measurement errors due to multiplicity is not the ADC sampling frequency with a frequency of filling, repetition period and pulse width of the input radio signal and reduce errors due to changes in the initial phase pulse radio signal

Keywords: digital system, phase meter, orthogonal method, ADC, DDS

При решении ряда задач неразрушающего контроля, радиолокации, радионавигации возникает необходимость создания высокоточных автоматизированных информационно измерительных систем прецизионного измерения фазовых сдвигов радиоимпульсных сигналов [1]. Современное состояние микроэлектроники позволяет, при построении таких систем, реализовывать оптимальные методы измерений фазового сдвига радиосигналов (в частности, ортогональные) в цифровом виде. На Рис. 1а представлена обобщенная структурная схема оптимального фазометра реализующего ортогональный метод измерения фазового сдвига сигналов с аналоговыми умножителями. Недостатком такой структуры является необходимость использования схем аналоговых умножителей имеющих недостаточную точность умножения.

Рис1. Структурные схемы оптимальных фазометров

а) с аналоговыми умножителями; б) с цифровыми умножителями

Более высокую точность измерения фазовых сдвигов сигналов можно получить, используя фазометр с цифровыми умножителями сигналов, структурная схема которого представлена на Рис. 1б [1]. Достоинства данной схемы заключаются в том что используется один аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и вычисление фазового сдвига сигналов производится в цифровом виде  при этом используется отдельный цифровой генератор опорных ортогональных цифровых сигналов частота выдачи которых соответствует частоте дискретизации АЦП. Однако следует помнить, что фаза оцифрованного сигнала на выходе АЦП будет зависеть не только от начальной фазы входного сигнала, но и от начальной фазы сигналов стробирования, что существенно усложняет определение фазы сигнала. Кроме того как известно [3,4,5,6] при частоте стробирования не кратной частоте входного сигнала фаза выходного оцифрованного сигнала будет изменятся, от одного массива данных к другому, что приводит к значительным погрешностям измерения, а отсутствие синхронизации цифрового генератора опорных, ортогональных цифровых сигналов на базе блока постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) с частотой дискретизации АЦП приводит к возникновению также погрешности.

 Устранить вышеуказанные недостатки авторам удалось  путём использования совместно с цифровым ортогональным фазометром синтезатора входных радиоимпульсных сигналов построенного по принципу DDS, запускаемого сигналами частоты дискретизации АЦП. Это позволило фазу, частоту, длительность и период следования радиоимпульсов определять генератором частоты дискретизации АЦП и исключить зависимость фазы цифрового сигнала на выходе АЦП от начальной фазы частоты дискретизации. Кроме того цифровой генератор опорных ортогональных сигналов также предложено запускать сигналами частоты дискретизации. Структурная схема разработанной авторами [2] системы измерения фазовых сдвигов   радиоимпульсных сигналов представлена на Рис.2.

Рис. 2. Структурная схема системы измерения фазовых сдвигов радиоимпульсных сигналов

где, 1 – формирователь длительности радиоимпульсов импульсов; 2 – модулятор; 3 – объект контроля; 4 – формирователь периода следования радиоимпульсов на базе делителя частоты; 5 – синтезатор частоты (DDS) заполнения  радиоимпульса; 6 – аналоговый мультиплексор; 7 – аналогово-цифровой преобразователь; 8 –высокостабильный генератор сигналов частоты дискретизации;  9 – счетчик импульсов; 10, 11 – постоянные запоминающие устройства; 12, 13 – умножители цифровых сигналов; 14 – блок вычисления (цифровой обработки сигналов); 15 – блок управления; 16 – цифровое отчетное устройство.

Система работает в два этапа. На первом этапе по сигналу с блока управления 15 с помощью аналогового мультиплексора 6 входной радиоимпульс может поступить непосредственно на вход АЦП, где он кодируется и затем вычисляется его начальная фаза, которая хранится в памяти блока цифровой обработки сигналов, т.е. производится калибровка системы. На втором этапе с помощью мультиплексора 6 на вход АЦП подаётся измерительный радиоимпульс прошедший через объект контроля.

Измерение фазы соответствующего сигнала (в зависимости от выбранного режима работы системы) происходит следующим образом. С генератора сигналов 8 на блок формирователя радиоимпульсных сигналов (блоки 1,2,4,5) подают импульсы частоты дискретизации АЦП. Сформированный радиосигнал вида подают на ОК, после прохождения которого измеряемый сигнал приобретает вид  При этом как упоминалось выше для исключения методической погрешности, вызванной не кратностью длительности выборки сигналов периоду заполнения  радиоимпульсов, авторами предложено использовать в качестве синтезатора частоты 5 генераторы типа DDS запускаемые сигналами частоты дискредитации, что позволяет формировать излучаемые радиоимпульсные сигналы с длительностью импульса, периода следования и частотой заполнения кратной частоте дискретизации АЦП , т.е. иметь на входе исследуемого объекта контроля радиосигнал когерентный частоте дискретизации АЦП

Цифровые сигналы,  получаемые на выходе АЦП поступают на одни из входов цифровых умножителей, на вторые входы которых поступают соответственно ортогональные цифровые сигналы с ПЗУ с частотой дискретизации, поскольку формирование адреса этих ячеек памяти  осуществляется счётчиком 9, подсчитывающим импульсы генератора частоты дискретизации 8. При вычислении ортогональных компонентов  a_s  и  a_c  (1) измеряемого сигнала в блоках  12, 13, 14 выполняются арифметические операции умножения и сложения с последующим формированием квадратурных составляющих сигнала [3,4,5, 6]:

                                                               (1)

где  - выборка входного сигнала;   - синусная и косинусная составляющие опорного сигнала, предварительно записанные в ПЗУ 10 и 11;  - количество элементов выборки сигнала. Начальная фаза измеряемого сигнала относительно опорного определяется вычислением функции арктангенса в блоке 14, результаты которого выводятся на устройство 16. Блок 8 осуществляет синхронизацию роботы всей системы, работой которой управляет блок управления 15.

Использование  фактически одного измерительного канала в виде одного АЦП позволяет не только удешевить систему измерения фазовых сдвигов сигналов, но и повысить точность измерения при относительных измерениях. Синхронизация работы АЦП формирователя радиоимпульсных сигналов и формирователя опорных ортогональных сигналов от одного генератора сигналов дискретизации АЦП позволило:

 исключить методические погрешности связанные с не кратностью частоты дискретизации АЦП с частотой , длительностью, и периодом следования радиоимпульсов, а также существенно уменьшить погрешности за счет изменений начальной фазы сигналов высокостабильного генератора частоты дискретизации относительно фазы входного сигнала и фазы опорных ортогональных сигналов. В данном случае они фактически являются когерентными (запускаются от одного генератора) нестабильность может определяться нестабильностью счётчиков импульсов т.е. быть очень малой. Особенно следует отметить, что рассмотренная цифровая система прецизионного измерения фазовых сдвигов радиоимпульсных сигналов позволила непосредственно реализовать оптимальные ортогональные методы измерений в цифровом виде, предложенные и теоретически исследованные Пестряковым В.Б. ещё в 1960 годах [7] и не получивших широкого распространения для измерений фазовых сдвигов, из-за сложностей аппаратурной реализации. Также надо отметить, что точность измерений фазовых сдвигов радиоимпульсного сигнала рассмотренной системой не уменьшится по сравнению с использованием непрерывных сигналов.

Литература

1. Чмых М.К. Цифровая фазометрия/Чмых М.К. – М.: Радио и связь, 1993.- 184 с.:ил.
2. Патент Украины №103094, 10.09.2013
3. Баженов В.Г.,Богдан Г.А. Спосіб для вимірювання фазового часу проходження радіоімпульсних сигналів // патент України на винахід №103094 с2 МПК (2013.01) G04F10/00, Бюл.№17
4. Уолт Кестер. Проектирование систем цифровой и смешаной обработки сигналов/ Уолт Кестер – Москва: Техносфера, 2010.-328с.  ISBN978-5-94836-243-4
5. Айфичер Э. С. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание/ Айфичер Э.С., Барри У. А. Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильямс», 2008.-992 с.:ил.-Парал. тит. англ. . ISBN978-5-8459-0710-3 (рус)
6. Куприянов М.С. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектировани/ Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. - СПб.: Политехника, 1998.-592с.: ил. . ISBN 5-7325-0486-9
7. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer`s Guide to Digital Signal Processing. Second Edition, 1999, California Technical Publishing, P.O. Box502407, San Diego, CA92150. Also available at: http://www.dspguide.com or http6//www.analog.com
8. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы (основы статистической теории)/ Пестряков В.Б. - «Советское радио», 1968, стр. 468.а

References

1. Chmyh M.K. Cifrovaja fazometrija/Chmyh M.K. – M.: Radio i svjaz', 1993.- 184 s.:il.
2. Patent Ukrainy №103094, 10.09.2013
3. Bazhenov V.G.,Bogdan G.A. Sposіb dlja vimіrjuvannja fazovogo chasu prohodzhennja radіoіmpul'snih signalіv // patent Ukraїni na vinahіd №103094 s2 MPK (2013.01) G04F10/00, Bjul.№17
4. Uolt Kester. Proektirovanie sistem cifrovoj i smeshanoj obrabotki signalov/ Uolt Kester – Moskva: Tehnosfera, 2010.-328s.  ISBN978-5-94836-243-4
5. Ajficher Je. S. Cifrovaja obrabotka signalov: prakticheskij podhod, 2-e izdanie/ Ajficher Je.S., Barri U. A. Per. s angl.- M.: Izdatel'skij dom «Vil'jams», 2008.-992 s.:il.-Paral. tit. angl. . ISBN978-5-8459-0710-3 (rus)
6. Kuprijanov M.S. Cifrovaja obrabotka signalov: processory, algoritmy, sredstva proektirovani/ Kuprijanov M.S., Matjushkin B.D. - SPb.: Politehnika, 1998.-592s.: il. . ISBN 5-7325-0486-9
7. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer`s Guide to Digital Signal Processing. Second Edition, 1999, California Technical Publishing, P.O. Box502407, San Diego, CA92150. Also available at: http://www.dspguide.com or http6//www.analog.com
8. Pestrjakov V.B. Fazovye radiotehnicheskie sistemy (osnovy statisticheskoj teorii)/ Pestrjakov V.B. - «Sovetskoe radio», 1968, str. 468.a