Следящий измеритель частоты

 

Использование: радиосвязь, аппаратура , предназначенная для приема и анализа дискретной информации. Сущность изобретения: следящий измеритель частоты содержит входной смеситель, фиксатор промежуточной частоты, два частотных детектора , два фильтра верхних частот, три фильтра нижних частот, пять перемножителей , интегратор и перестраиваемый гетеродин . Повышение точности слежения за частотой достигается тем, что и для сигналов АМн и для сигналов ФМн имеется единственная точка устойчивого слежения. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 03 (7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4925221/09 (22) 04.04,91 (46) 07,03.93. Бюл. N 9 (71) Научно-конструкторское бюро моделирующих и управляющих систем "Миус" (72) Ю.А. Геложе и П,П. Клименко (56) Авторское свидетельство СССР

М 1748248, кл. Н 03 (7/00, 1992. (54) СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Использование: радиосвязь, аппаратура, предназначенная для приема и анализа

Изобретение относится к радиосвязи и может использоваться в аппаратуре, предназначенной для приема и анализа дискретной информации, передаваемой по каналам связи с помощью частотной и амплитудной манипуляций, Цель изобретения — повышение точности измерений частоты без априорных сведений о виде модуляции входного сигнала.

На фиг,1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 — структурная схема частотных дискриминаторов; на фиг.3 и 4 — диаграммы, поясняющие работу устройства, Устройство содержит смеситель 1, фильтр 2 промежуточной частоты; первый и второй частотные дискриминаторы 3 и 4; первый и второй фильтры верхних частот

5 и 6; первый, второй, третий, четвертый и пятый перемножители 7,9,12,14 и 11; первый, второй и третий фильтры нижних частот 8, 10, 13; интегратор 15 и перестраиваемый гетеродин 16.

В следящем измерителе частоты соединены последовательно смеситель 1 и фильтр

2 промежуточной частоты. выход промежу. Ы „, 1800615 А1 дискретной информации. Сущность изобретения: следящий измеритель частоты содержит входной смеситель, фиксатор промежуточной частоты. два частотных детектора, два фильтра верхних частот, три фильтра нижних частот, пять перемножителей, интегратор и перестраиваемый гетеродин, Повышение точности слежения за частотой достигается тем, что и для сигналов АМн и для сигналов ФМн имеется единственная точка устойчивого слежения. 4 ил. точной частоты которого соединен с входами первого частотного дискриминатора 3 и второго частотного дискриминатора 4, выход дискриминатора 3 через первый фильтр

5 верхних частот соединен с первым входом первого перемножителя 7, а выход второго дискриминатора 4 через второй фильтр 6 верхних частот соединен с вторым входом перемножителя 7, выход которого через первый фильтр 8 нижних частот соединен с первым входом второго перемножителя 9, второй вход которого соединен с выходом первого частотного дискриминатора 3, выход второго перемножителя 9 через второй фильтр 10 нижних частот соединен с первым входом пятого перемножителя 11, последовательно соединенный третий перемножитель 12, первый вход которого соединен с выходом первого частотного дискриминатора 3, а второй вход соединен с выходом второго частотного дискриминатора 4, третий фильтр 13 нижних частот и четвертый перемножитель 14, второй вход которого соединен с выходом фильтра 8 нижних частот, а выход перемножителя 14 соединен с вторым входом пятого перемножителя 11, вы1800615 ход которого соединен с входом интегратора 15, выход последнего — с входом перестраиваемого гетеродина 16, выход которого соединен с вторым входом смесителя 1.

На фиг.2 представлена структурная схема частотных дискриминаторов 3 и 4, которые могут быть выполнены, например, в следующем виде.

Частотные дискриминаторы 3 и 4 содержат фазовращатель 17, линию 18 задержки с временем задержки с временем задержки

r, перемножители 19 и 20, фильтры нижних частот 21 и 22.

Входы фазовращателя 17, линии 18 задержки и второго перемножителя 19 соединены и являются входом частотных дискриминаторов 3 и 4; выход фазовращателя 17 соединен с первым входом перемножителя 19, второй вход которого соединен с выходом линии 18 задержки, а выход — с входом фильтра 21 нижних частот, выход которого является выходом частотного дискриминатора 3; второй вход перемножителя

20 соединен с выходом линии 18 задержки, а выход — с входом фильтра 22 нижних частот, выход которого является выходом частотного дискриминатора 4.

Устройство работает следующим образом, На вход смесителя 1 (вход устройства) поступает частотно-манипулированный (ЧМн) сигнал, который при модуляции с разрывом фазы несущей можно преДставить в виде:

U(t) = UmCOS (rcpt + Л йУ Ь(() t + Po) =

= UmCOS Р1 (t), где Um — амплитуда ЧМн сигнала;

Й)ср 2 — средняя частота сигнаЩ1 +В2 ла, ги1, а — несущие частоты информационных символов;

Лв — девиация частоты; йа — N1

2 ро — начальная фаза;

Ь(т) — модулирующая фиксация;

b(t) = Z Ькгесс(тк), К

1, t E(KT,(K+1) T

rect(ty) =

0, (Кт,(K+1) Т, где К = 1, 2, 3,„„ Т вЂ” длительность элементарного символа.

Величина bK = 1 или (-1). Набор (Ьк} образует двоичный код, в соответствии с которым частота сигнала принимает два значения;в1 = вср — Лж с вероятностью

Р1 и а2 = вср + Лв с вероятностью Р2.

Вероятности Р1 и Р2 появления символов с несущими частотами си1 и оа за время наблюдения неизвестны, На другой вход смесителя 1 поступает сигнал с выхода перестраиваемого гетеродина 16:

0(т) = Umr COS (В,С + р„) = Umr COS ГГ2 (l), где Umr — амплитуда; вг — несущая частота; рг — начальная фаза, На выходе фильтра 2 промежуточной частоты при условии Umr» Umc напряжение имеет вид;

Uy(t) = 0 cos (P1(t) - Pz(t)l .

Напряжение с выхода фильтра 2 поступает на вход частотного дискриминатора 3 и частотного дискриминатора 4.

Дискриминационные характеристики частотных дискриминаторов 3 и 4 и форма напряжений на их выходах приведены на фиг,За — 3 и.

Тогда для напряжений на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 справедливы следующие соотношения;

0«з(т) = U sin (Лв (b(t) - b(t-г))т +

+ (co ср ) г+ Лгг b(l t)};

U«4(t) = U m COS (ЛИ (Ь(С) - b(t-Г))т +

+ (гл ср-иг) 7 + Л(О г b(t t)}, Величина постоянной времени задержки z выбирается иэ условия t< Т. Поэтому искажениями Л в (Ь(т) - b(t-т)) можно пренебречь. С учетом этого напряжения на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 примут вид:

U«a(t) U > sin (Лвt;b(t-t)+

+ (C0 cp O>r) t};

50 2

U«4(t) U cos (Лcu t Ь(т-t)+

+ (ecp-В,) t}, Как видно из- эпюр, приведенных на фиг,З в и 3 г для случая положительной расстройки в,р- во > О. где во - опорная частота, напряжения на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 состоят из постоянной составляющей U= и переменной составляющей 0

1800615 о о

A L4 = Ь Ц;(+) + A L4(-);

10 о о

A L4 = Л Ъ(+) + A 1.4(-), 30

40

Фильтры верхних частот (ФВЧ) 5 и 6 выделяют только переменную составляющую 0 выходного напряжения частотных дискриминаторов 3 и 4. Размах напряжений на выходе Ф ВЧ 5 и 6 можно представить как 5 сумму двух составляющих: о о где Л Я(+), A L4(+) — положительные составляющие размаха напряжений на выходе

ФВЧ5 и ФВЧ6; о о

A L4(-), A L4(-) — отрицательные составляющие размаха напряжений на выходе

ФВЧ5 и ФВЧ6, 20

С учетом принятых обозначений получим следующие соотношения для составляющих размаха напряжений на выходе

Ф ВЧ5 и Ф ВЧ6.

Для временного интервала 611 C(l)-tp) 25 справедливы следующие соотношения: о г

A L4() = гп(0дз(с)) - U „sin вi r=

= -2P2U m sin Лв 7 соз (вср — вг ) Г; г

Л(Ц(+) = 0 m соs в1 т гп(0чд4(т)) =

= 2P2U гп sin Лв гsin (вср — вг)T.

Для временного интервала Лtг E(tz-tq) справедливы следующие соотношения; г

Л L4(+) = U sin вг т — m(0+ a(t)) =

= 2Р10 m sin Лвтcos (в р — в ) т;

Л L4(-) = m(0<+4(t)) - U cos вг t= г

=-2Р10 sin Aât sin (вср — вг)т. г

Напряжения с выходов ФВЧ5 и ФВЧ6 поступают нэ входы перемножителя 7, на выходе которого для рассматриваемых интервалов времени A t> и A tz имеем:

Uï7(A 11) = Л 0 (-) Л Uj(+) = -4Р2 0 п1 х х sin Acot sin (в,р — в, ) r x г х cos (в,р — вг)т=-2P2 0 „sin Лcut х г 4 ° г 55 х sin 2 (вср — вг ) о о

0п7(тг) = 0)(+) - ((-)

= -2Р1 U гп sin Лвt sin 2 (вср — вг ) 7. г 4 ° г

Напряжение с выхода перемножителя

7 поступает на вход фильтра 8 нижних частот. На выходе фильтра 8 нижних частот имеем;

0фв(с) = Р10п7(i1) + Р20п7(tz)

= -2P1P2U msin A

На фиг,Зе представлена эпюра напряжения на выходе фильтра 8 нижних частот как функция частоты.

Напряжение с выхода фильтра 8 нижних частот поступает на вход второго перемножителя 9, на другой вход которого поступает напряжение с выхода частотного дискриминатора 3:

g„(t,)=g„„,(.%,) ().,Ф,1= Р Р

«sin ЬЯ, 6 п 2(Яср-Яг)(. 5 пЮ, с, Ояс) (ht j=Uчд5(b 1 0 В(Й )=-АР(Р2 Ц„, «

«Бм ЬЯс 51п2(Яср-Сйг) + п о2с.

Напряжение с выхода перемножителя 9 поступает на вход фильтра 10 нижних частот, на выходе которого имеем: () гр10(Ц = Р1 Ц gq(>

«5 П hei 5 n2 (Яср-б г) с(,(25inu3а"

-Р{5 пЯ,Ф)=- 2Р1Р2Ц san гаям

«51 п2 (Ссср-(Ог) - (2Р2Мп дас со5(Яср о г! (Р2 PtI 5 tt (Mi 4 г) ") На фиг,Зж показана эпюра напряжения на выходе фильтра 10 нижних частот как функция частоты, Напряжение с выхода фильтра 10 нижних частот поступает на первый вход перемножителя 11, Напряжения с выходов частотного дискриминатора 3 и частотного дискриминатора 4 перемножаются в перемножителе 12.

Напряжение на выходе перемножителя 12 можно представить в виде:

U„„(<(1= Ц п5ЮЯ," uco5 1с =

=- — U Бзп 2(я,-иг) с,, U Ä«(a< ) = 0„, Slna v U „, сов СО < =

=- Ц., 2(с .-,l

1800615

Это напряжение поступает на вход фильтра 13 нижних частот. На выходе фильтра 13 нижних частот имеем

0ф1з(т) = Р10п1г(Л т1) + Р20п1г (Л г) = 5

= — 0 m (P2sin2 (вг — в»- ) т4

- P 1 s i n 2 (в1 — вг ) г).

На фиг,Зд показана эпюра напряжения на выходе фильтра 13 нижних частот как функция частоты.

Напряжение с выхода фильтра 13 ниж- 15 них частот поступает на первый вход четвертого перемножителя 14, на другой вход которого поступает напряжение с выхода первого фильтра 8 нижних частот. Тогда на пряжение на выходе перемножителя 14 20 имеет вид

"n»4(<)="срв(М" .эЯ- 2Р1Р2И 5 п ЬЫк

" (Ис,-<, ». (2Р2-в»»»2Аиьсов2(Я - 5 .) "+(i 2-P<Ь пг(о,— ы,)).

Напряжение с выхода перемножителя 55

11 поступает на вход интегратора 15. Управляющее напряжение с выхода интегратора

15 поступает на вход перестраиваемого гетеродина 16, изменяя частоту последнего в

На фиг,Зз представлена эпюра напряжения на выходе перемножителя 14 как функция частоты, Откуда, вчастности,,сле- ЗО дует, что при воздействии на вход измерителя ЧМн сигналов напряжение на выходе перемножителя 14 И,14 О.

Напряжение с выхода перемножителя

14 поступает на первый вход перемножите- 35 ля 11, на другой вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 10 нижних частот. Напряжение на выходе перемножителя 11 примет следующий вид

"л»»(Ч=((р»ОB.) (i„„()=-ai1

" и 2 (ср-(йг ».". (2Р2в»»» в(о (. cog(u

-".) " (i 2- Р1) ь»п (1,-ы„) ) х(2Р1 Р2u х

""" " »«4. -<;) (Л25,п2 соби(со, -Я„)» +(Р2 Р(), п2()А)

"(2 2 5»n Leo" cog(ср- ог)»" — (p2-Ðt }», 50

»" (+» +ò) 2i 2 »n2ья со52(сй,—

Ср

-<„)» (P2-Р1)е»н2(у -р )ф) соответствии с обобщенной дискриминационной характеристикой, приведенной на фиг,Зи. На фиг,Зи кружочками обозначены точки устойчивого слежения, а стрелками— направление изменения частоты гетеродина 16 при положительном и отрицательном управляющем напряжении, При поступлении на вход амплитудноманипулированных сигналов устройство работает следующим образом.

Входной амплитудно-манипулированный сигнал представим в виде;

U(t) = Umb(t) COS (В1i + Pp), где Um, в1,, — амплитуда, несущая частота и начальная фаза сигнала;

b(t) — модулирующая функция;

Ь(т) = Х Ькrect(ty), К

1, t E(KT,(K+1) T

rect(tK) =

О, (Кт,(K+1) Т, К = 1,2,3...; Т вЂ” длительность элементарного символа.

Величина Ьк = 1 или О. Набор (Ьк) образует двоичный код, в соответствии с которым амплитуда сигнала принимает два значения; U = Lim с вероятностью Р1; U =

=Um = О с вероятностью Р2.

Дискриминационные характеристики частотных дискриминаторов 3 и 4 и форма напряжений на их выходах приведены на фиг,4а — 4г.

Для напряжений на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 справедливы следующие соотношения:

Uses(t) = U mb(t) Ь (С- т) Sin (В1 — В ) т =

=U m Ü (t) sin (в1 — в, ) т;

U p4(t) = U b(t) b (t- г) cos (в1 — в, ) z -=

= U m b> (t) СОЗ (В1 — В, ) т, Как видно из эпюр, приведенных на фиг,4в и 4г, для случая отрицательной расстройки напряжения на выходе частотных дискриминаторов 3 и 4 состоят из постоянной составляющей U= и переменной составляющей U

Фильтры верхних частот 5 и 6 выделяют только переменную составляющую 0 выходного напряжения дискриминаторов 3 и

4. Размах напряжений на выходе ФВЧ 5 и 6 можно представить как сумму двух составляющих:

1800615

h, L4 = Л L4(+) + h, L4(); о о о

Лй= ЛL4(+)+ ЛL4(-), Оп9(Лт1) = Оф8(т) Очдз(Лт1) = 0;

Un9(At2) = Офв(т) Очдэ(Лт2) = — х

xU mP1P2 sin2 (и 1 — гд, ) r sin (со1 — cu, ) z, 15

xU п1Р1 Р2 sin2 (и)1 — W ) csin (иц — а)г ) г, Л L4(-) = -гп(Очд4(т)) = -P1U m cos (в1 — вг ) г, Для временного интервала Л12 E(t1-t,) справедливы следующие соотношения о 2

AL4(+) = U msIR (м — вг)Х- т(ОчдЗ(т) = P2U и Sin (М1 — В, ) т;

Ь L4(+) = U mCOS (М1 — и), ) т- гп(О4дч(т) = Р2О m сов (а1 — мг) т.

Un12(Ë 2) = U2 sin (в1 — а ) х

Напряжения с выходов ФВЧ5 и ФВЧ6 поступают на входы перемножителя 7, на выходе которого для рассматриваемых интервалов времени At1 и А12 имеем

XU m СОЭ (СО1 Вг ) т = — Х

2 1

40 „04 sin2 (,д1 — ä ) г

Это напряжение поступает на фильтра 13 нижних частот. На выходе тра 13 нижних частот имеем о O

Пт(1 (5(-1 a(1 Р1 um n (<-(д. ь г о пт(«Д= 08(1 hUg(1=P2 (J В, и (У С) )

"с" (Я - Ф = — P 0„ 1пй(а,-ы У. вход фильх О Р1 sin2 (1 —,) Напряжение с выхода перемножителя 7 На фиг. 4д показана эпюра напряжения поступает на входфильтра 8 нижних частот. на выходе фильтРа 13 нижних частот как

На выходе фильтра 8 нижних частот имеем: фУнкция частоты ()„«l=» „(«Л Ра (=- Ц Р Р .;ф л i Ф

"(-, -, „Р(Р2 8,.2(<,->,)-.= (= — 0 Р1 Р25е2 (а,-я (Pt+P2)=

= 0„",Р Р2ЫnL(u, Ыг1<., С выхода фильтра 13 нижних частот напряжение поступает на первый вход четвертого перемножителя 14, на другой вход которого поступает напряжение с выхода первого фильтра 8 нижних частот. Тогда напряжение на выходе перемножителя 14 имеет вид о о где Ь L4(+), Л L4(+) — положительные составляющие размаха напряжений на выходе

ФВЧ5 и ФВЧ6; о о

Л L4(-1, Л L4(-1 — отрицательные составляющие размаха напряжений на выходе

ФВЧ5 и ФВЧб.

С учетом принятых обозначений получим следующие соотношения для составляющих размаха напряжений на выходе ФВЧ5 и

ФВЧ6.

ДЛЯ ВРЕМЕННОГО ИНтЕРВаЛа Лt1 E(t1-tn) справедливы следующие соотношения о

Л L4(-) = -гп(ОчдзЩ = -P1U sin (N1 — Nr ) t, На фиг.4е представлена эпюра напряжения на выходе фильтра 8 нижних частот как функция частоты. Напряжение с выхода фильтра 8 поступает на вход второго пере5 множителя 9, на другой вход которого поступает напряжение с выхода частотного дискриминатора 3:

Напряжение с выхода перемножителя 9 поступает на вход фильтра 10 нижних частот, на выходе которого имеем, 1

Оф1о(т) = Р2Оп9(Ь |1) + Р1Оп9(Л t2) = — x

На фиг.4, ж показана эпюра напряже25 ния на выходе фильтра 10 нижних частот как функция частоты. Напряжение с выхода фильтра 10 поступает на первый вход перемножителя 11.

Напряжения с выходов частотных диск30 риминаторов 3 и 4 перемножаются в перемножителе 12. Напряжение на выходе перемножителя 12 можно представить в виде;

Оп12(Л t1) = 0

45 U4>13(t) = P2Un12 (Л 1) + P1Un12(4 t2) = х

1800615

5

Uп(4(Ц=0 рай, ч(Ч = <0 Р1Р25 г12(ы,-Ог1с.х х — Од,Р<бмй(Я< Юг с.= — Ц Р(Р к

«%й (я1 яг) ("

На фиг.4 з показана эпюра напряжения на выходе перемножителя 14, откуда, в частности следует, что при воздействии на вход измерителя АМн сигнала напряжения на его выходе всегда Un14 > О.

Напряжение с выхода перемножителя

14 поступает на первый вход пятого перемножителя 11, на другой вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 10 нижних частот. Напряжение на выходе перемножителя 11 примет следующий вид:

О яи() п14И u Ä () = — 4 u pi Р2 6111 (2(Цл 6 2 г1 J 2 "„и Pi Р2 61ИЙ(Я,-Я„) (, к

Л(4 4 б Ï"(Я1 4 г "= 4 0 „Р(р2 51п ф(Я,— )/csin (Я;ы,)tcas(u,-у,}

Un11(t) = — 0п) P2 Р1 Sin2 (В1 — Вг ) 7 Х

14. 2 4 ° 2

XSin (В1 — В,)ICOS (В1 — Вг) Г.

С выхода перемножителя 11 напряжение поступает на вход интегратора 15.

Управляющее напряжение с выхода интегратора 15 поступает на вход перестраиваемого гетеродина 16, изменяя частоту последнего в соответствии с обобщенной дискриминационной характеристикой, приведенной на фиг, 4и, На фиг.4и кружочками обозначены точки устойчивого слежения, а стрелками показано направление изменения частоты гетеродина 16 при положительном и отрицательном управляющем напряжении, Таким образом, в предлагаемом устройстве в полосе частот Лв = в — в, имеется одна единственная точка устойчивого слежения с координатой cd = в, как для сигналов с ЧМн, так и для сигналов с АМн, Это обстоятельство уменьшает вероятность появления аномальных ошибок и тем самым повышает точность измерения.

В прототипе, как следует из фиг.3ж и 4ж, в полосе частот Лв = в, — в, имеется две

55 точки устойчивого слежения: одна с координатой в 1 = со„— для ЧМн сигналов, другая с координатой в,2 = в, — для АМн сигналов, Наличие двух точек устойчивого слежения приводит к возникновению аномальных погрешностей измерения частоты, а следовательно, к снижению точности.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, заключается в повышении точности измерений частоты без априорных сведений о виде модуляции входного сигнала (АМн или ЧМн) при сравнительно низкой стоимости. Низкая стоимость устройства достигается путем использования небольшого количества простых узлов в схемах и конструктивном исполнении.

Формула изобретения

Следящий измеритель частоты, содержащий последовательно соединенные входной смеситель и фильтр промежуточной частоты, последовательно соединенный первый частотный детектор, вход которого подключен к выходу фильтра промежуточной частоты, первый фильтр верхних частот и первый перемножитель, последовательно соединенные второй частотный детектор и второй фильтр верхних частот, включенные между выходом фильтра промежуточной частоты и другим входом первого перемножителя, последбвательно соединенные интегратор и перестраиваемый гетеродин, выход которого подключен к другому входу входного смесителя, и второй перемножитель, один вход которого подключен к выходу первого частотного детектора, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности при работе с сигналами АМн и

ФМн, в него введены последовательно соединенные третий перемножитель, входы которого подключены к выходам первого и второго частотных детекторов, первый фильтр нижних частот, четвертый перемножитель и третий перемножитель, выход которого подключен к входу интегратора, а также второй фильтр нижних частот, включенный между выходом первого и другим входом второго перемножителей, и третий фильтр нижних частот, включенный между выходом второго и другим входом пятого перемножителей, а другой вход четвертого перемножителя подключен к выходу второго фильтра нижних частот.

1800615

15 а! и» вЂ” = В) W >) йт

Фиг,3

35 гг

P) 45

Составитель Ю, Геложе

Техред М,Моргентал

Редактор Т. Федотов

Корректор П, Гереши

Заказ 1174 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101