Устройство для контроля формы сигналов импульсно-фазовой радионавигационной системы

 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в аппаратуре передающих станций и контрольных пунктов импульсно-фазовой радионавигационной системы типа Лоран-С для контроля формы радиоимпульсных сигналов, излучаемых передатчиком системы. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, накопитель, блок вычисления и индикации, генератор импульсов, счетчики, блок управления, коммутатор, элемент ИЛИ. В устройстве путем аналого-цифрового преобразования, когерентного накопления выборок входного сигнала и их последующей математической обработки в блоке вычисления и индикации определяются основные параметры, характеризующие форму радиоимпульсного сигнала: амплитудные значения и длительности полуволн высокочастотного заполнения, которые выводятся на устройство отображения блока вычисления и индикации для операторного контроля формы радиоимпульсов. Повышенная точность контроля достигается за счет когерентности накопления выборок, которая обеспечивается фазовой автоподстройкой частоты задающего генератора устройства с помощью цепи, содержащей делитель частоты, фазовый дискриминатор, обнаружитель пачки стробов, элемент задержки, фильтр нижних частот, в качестве опорного сигнала системы фазовой автоподстройки частоты служат пачки входных запускающих стробов, сопровождающие исследуемые радиоимпульсы и жестко привязанные к ним по времени поступления. Специфический дискретный характер опорного сигнала обуславливает оригинальность предложенного технического решения. 6 ил.

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в аппаратуре передающих станций и контрольных пунктов импульсно-фазовой радионавигационной системы (ИФРНС) типа Лоран-С для контроля формы радиоимпульсных сигналов, излучаемых передатчиками системы.

Известно, что определение местоположения объекта с помощью сигналов радионавигационной системы сводится к нахождению разности времен между принимаемыми на объекте сигналами, излучаемыми цепочкой из не менее трех передающих станций системы в строго определенные моменты времени и в заданной последовательности [1, с. 7 - 10]. Для ИФРНС Лоран-С эти сигналы представляют собой радиоимпульсы колоколообразной формы с несущей частотой 100 кГц [1, с. 31, рис. 2.1] , излучаемые передатчиком ИФРНС пачками по 8 - 9 импульсов с периодичностью 40 - 100 мс. Форма радиоимпульсов строго регламентирована, например, для ИФРНС Лоран-С стандартом [2] и оценивается по двум основным параметрам высокочастотного (ВЧ) заполнения: A_i - максимальное значение полупериодов ВЧ-заполнения; t_i - длительность полупериодов ВЧ-заполнения (временное положение переходов через нуль напряжения ВЧ-заполнения); i = 1, 2, 3... - номера контролируемых полупериодов.

Для контроля за формой излучаемых передатчиком ИФРНС сигналов применяются устройства, осуществляющие измерения амплитуд полуволн и временного положения переходов через нуль ВЧ-заполнения радиомпульсов.

Известно устройство для измерения формы сигнала [3] (авт.св. СССР N 1061070, кл. G 01 R 29/00, 1983), являющееся аналогом, в котором осуществляется измерение амплитуд полуволн и временного положения переходов через нуль ВЧ-заполнения радиоимпульсов колоколообразной формы со средней несущей частотой 100 кГц, с длительностью 120 - 150 мкс и периодом повторения более 1 мс.

Устройство содержит входной полосовой фильтр, блок синхронизации, бинарный квантователь, N каналов блока фазовой автоподстройки частоты, каждый из которых состоит из фазового детектора, цифрового интегратора, цифрового фазовращателя и двухвходового элемента И, блок управляемых задержек, блок измерения амплитуды, который состоит их элемента сравнения, входного коммутатора, N цифровых фильтров, реализованных как последовательное соединение дискретного усредняющего элемента и цифрового интегратора, выходного коммутатора и цифроаналогового преобразователя, а также восстанавливающий фильтр.

Входной полосовой фильтр осуществляет прием, усиление и фильтрацию от помех полезных сигналов, представляющих собой последовательность радиоимпульсов колоколообразной формы.

Блок синхронизации на основе принятых сигналов формирует N последовательностей синхронизирующих сигналов - "временных окон", определяющих те N периодов ВЧ-заполнения радиоимпульсов, в которых осуществляются измерения.

Бинарный квантователь осуществляет предельное ограничение принятых сигналов и формирует бинарно-квантованный сигнал типа "меандр" в качестве входного сигнала для блока фазовой автоподстройки.

Каждый i-ный канал N каналов блока фазовой автоподстройки формирует последовательность следящих стробов - коротких видеоимпульсов длительностью, значительно меньшей длительности периода ВЧ-заполнения, жестко привязанных к переходу через нуль напряжения ВЧ-заполнения в соответствующем i-ом обрабатываемом периоде радиоимпульсов.

Блок управляемых задержек из N последовательностей следящих стробов формирует последовательность измерительных стробов, временное положение которых задержано на Т/4, где Т - период ВЧ-заполнения, и соответствует экстремальным точкам напряжения ВЧ-заполнения радиоимпульсов.

Блок измерения амплитуды осуществляет измерение и последующее хранение экстремальных значений амплитуд полуволн ВЧ-заполнения в анализируемых периодах в соответствии с временным положением измерительных стробов.

Восстанавливающий фильтр, представляющий собой специализированное вычислительное устройство, на основании анализа временного положения следящих стробов и значений амплитуд ВЧ-заполнения по определенному интерполяционному алгоритму воссоздает форму анализируемого сигнала, что позволяет осуществлять необходимый контроль за формой сигнала.

Точность устройства ограничивается точностью аналогичного блока фазовой автоподстройки, осуществляющего подстройку следящих стробов под переходы через нуль напряжения ВЧ-заполнения, а также методическими погрешностями измерения амплитуд полуволн ВЧ-заполнения, вызванными расхождением между временным положением сформированных измерительных стробов и реальным положением экстремальных точек на временной оси, обусловленным набегом фазы по "телу" сигнала, в частности, из-за условий его распространения.

Известно устройство [4], где повышение точности при контроле за формой сигналов передатчика ИФРНС обеспечивается применением цифровых методов обработки. Это устройство принято в качестве прототипа.

Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1.

Устройство (фиг. 1) содержит генератор 1 импульсов, счетчик 2 тактов, блок 3 управления, счетчик 4 адреса, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, блок 6 памяти, элемент 7 ИЛИ, накопитель 8, блок 9 вычисления и индикации, коммутатор 10.

Выход генератора 1 импульсов подключен к счетному входу счетчика 2 тактов, вход установки в нуль которого подключен к выходу элемента 7 ИЛИ, а выход - к входу блока 3 управления, первый вход элемента 7 ИЛИ, являющийся стробирующим входом устройства, соединен с входом установки в нуль счетчика 4 адреса, выход переноса которого подключен к второму входу элемента 7 ИЛИ, а информационный выход - к первому сигнальному входу коммутатора 10, второй сигнальный вход которого соединен с адресным входом накопителя 8 и подключен к адресному выходу блока 9 вычисления и индикации, первый управляющий выход которого подключен к третьему входу элемента 7 ИЛИ и к управляющему входу коммутатора 10, выход которого подключен к адресному входу блока 6 памяти, первый выход блока 3 управления подключен к стробирующему входу АЦП 5, первый управляющий вход которого соединен с входом управления блока 6 памяти и подключен к второму выходу блока 3 управления, третий выход которого подключен к счетному входу счетчика 4 адреса, выход АЦП 5 соединен с информационным входом-выходом блока 6 памяти и информационным входом накопителя 8, вход-выход обмена данными которого подключен к входу-выходу обмена данными блока 9 вычисления и индикации, второй управляющий выход которого подключен к входу управления накопителя 8, второй управляющий вход АЦП 5 является управляющим входом устройства, а сигнальный вход АЦП 5 является сигнальным входом устройства.

Устройство работает следующим образом. После включения сигнал с первого управляющего выхода блока 9 вычисления и индикации устанавливает устройство в режим взятия выборок входного сигнала, при котором через коммутатор 10 шина адреса (ША) устройства, являющаяся адресным входом блока 6 памяти, подключается к информационному выходу счетчика 4 адреса.

Стробы запуска, жестко привязанные к началу каждого из радиоимпульсов во входной последовательности радиоимпульсов ИФРНС (см. фиг. 2, а, б), поступают со стробирующего входа устройства на входы установки в нулевое состояние счетчика 4 адреса и через элемент 7 ИЛИ - счетчика 2 тактов, приводя устройство в исходное состояние перед каждым поступающим с сигнального входа устройства радиоимпульсом. По окончании очередного строба запуска счетчик 2 тактов производит циклический с периодом Т_ц счет импульсов от генератора 1 импульсов. Информация о состоянии счетчика 2 тактов подается в блок 3 управления, который в пределах одного цикла формирует на трех выходах блока 3 управления группу последовательных во времени сигналов управления (стробов), повторяющихся в каждом новом цикле счета счетчика 2 тактов (фиг. 3, а-г). При этом строб на третьем выходе задержан относительно строба на втором выходе, а строб на втором выходе задержан относительно строба на первом выходе.

В моменты поступления с первого выхода блока 3 управления строба выборки на стробирующий вход АЦП 5 последний производит выборку значений входного аналогового сигнала (фиг. 3, б, д) и преобразование этой выборки в соответствующей ей цифровой код.

Преобразование происходит с учетом значения кода фазовой манипуляции поступившего радиоимпульса. Информация о коде фазовой манипуляции в виде логических уровней "0" и "1" (сигнал КОД ФАЗЫ) подается на второй управляющий вход АЦП 5 (фиг. 2, в). Если поступивший радиоимпульс имеет инверсное (относительно условно принятого) значение фазы высокочастотного заполнения (см. фиг. 2, б, в), то по сигналу КОД ФАЗЫ цифровой код АЦП 5 инвертируется. Тем самым цифровые эквиваленты одноименных выборок сигнала, т.е. взятых в одни и те же моменты времени относительно строба запуска, приводятся к единому значению, независимому от кода фазовой манипуляции каждого радиоимпульса.

К моменту окончания аналого-цифрового преобразования по соответствующему сигналу со второго выхода блока 3 управления (фиг. 3, в) выход АЦП 5 подключается к шине данных (ШД) устройства, с которой цифровой код выборки записывается в ячейку блока 6 памяти, адрес которой установлен на шине адреса (ША) устройства счетчиком 4 адреса (в исходном состоянии нулевой адрес). Цикл взятия одной выборки завершается поступлением на счетный вход счетчика 4 адреса строба с третьего выхода блока 3 управления, устанавливающего адрес для записи следующей выборки. Счетчик 2 тактов после этого переполняется и устанавливается в нулевое состояние.

Далее, в последующих циклах устройство работает аналогичным образом, производя запись в блоке 6 памяти N равностоящих во времени на величину Т_ц выборок входного радиоимпульса (фиг. 3, б-д). После записи последней N-ой выборки сигнал переполнения с выхода счетчика 4 адреса запрещает счет счетчику 2 тактов, устанавливая его в нулевое состояние через элемент 7 ИЛИ. При этом устройство переходит в состояние ожидания поступления следующего строба запуска и записи в блок 6 памяти следующей серии из N выборок.

Под управлением программы, хранящейся в блоке 9 вычисления и индикации, устройство периодически с заданным программой интервалом времени переводится в режим считывания отсчетов из блока 6 памяти в накопитель 8. При этом счетчик 2 тактов фиксируется в нулевом состоянии сигналом на его входе установки в нулевое состояние, поступившим через элемент 7 ИЛИ с первого управляющего выхода блока 9 вычисления и индикации, а коммутатор 10 по этому сигналу подключает шину устройства, являющуюся адресным входом блока 6 памяти, к магистрали адреса (МА) блока 9 вычисления и индикации. Блок 9 вычисления и индикации последовательно формирует на магистрали адреса коды адресов ячеек блока 6 памяти и считывает их содержимое по шине данных в накопитель 8, где под управлением сигналов, формируемых на втором управляющем выходе блока 9 вычисления и индикации, в соответствии с программой накопления осуществляется суммирование считанных кодов с результатами предыдущего накопления, хранящимися в соответствующих ячейках накопителя 8, т.е. реализуется когерентное накопление выборок. При этом программный обмен данными между блоком 9 вычисления и индикации и накопителем 8 производится по магистрали данных (МД), связывающей входы-выходы обмена данных этих блоков.

Суммирование производится в соответствии с формулой: где S_n - накопленное значение n-ой выборки (n = 0, ..., N-1); i - номер отсчета (номер считанной в накопитель 8 совокупности N выборок сигнала); m - количество взятых отсчетов (заданный объем накопления); X_in - код n-ой выборки, взятый в i-ом отсчете.

Завершив считывание в накопитель 8 очередной серии выборок, по сигналу с первого управляющего выхода блока вычисления и индикации 9 устройство вновь переходит в режим взятия выборок входного сигнала, описанный выше. При достижении заданного объема накопления m отсчетов, каждый из которых содержит N выборок, блок 9 вычисления и индикации инициирует хранящуюся в нем программу вторичной обработки накопленных значений выборок сигнала, результатом работы является вычисление параметров входного сигнала, характеризующих форму радиоимпульса ИФРНС, а именно амплитудных значений и длительностей полуволн высокочастотного заполнения радиоимпульсов. Вычисление параметров в блоке 9 производится по следующему алгоритму. Определяется аналитическое выражение функции f(t), соответствующей исследуемому сигналу, которая на ограниченном интервале времени при конечном числе выборок N представляется дискретным рядом Фурье при этом где S_n - накопленное значение n-ой выборки входного сигнала;
a_k - коэффициент Фурье;
N - число выборок на исследуемом отрезке сигнала;
T - длительность исследуемого отрезка сигнала;
k - целочисленный индекс: k = -N/2, -N/2 + 1,..., N/2;
t - аргумент функции f(t).

При известном (заданном) интервале выборок Т_ц исследуемый интервал времени определяется выражением
T = N T_ц (4).

Далее определяются значения t, при которых вторая производная f(t) равна нулю, и при этих значениях t вычисляются f(t), соответствующие амплитудным значениям полуволн исследуемого сигнала.

Затем вычисляются значения t, при которых f(t) = 0, соответствующие моментам перехода через ВЧ-заполнения сигнала, из которых определяются длительности полуволн. Вычисленные значения регистрируются в блоке 9 вычисления и индикации и выводятся на устройство отображения (монитор), входящее в состав блока 9 вычисления и индикации, для контроля оператором параметров A_i, t_i формы обрабатываемых сигналов ИФРНС.

Следует отметить, что блок 9 вычисления и индикации и накопитель 8 в устройстве реализованы на базе высокопроизводительной ПЭВМ, позволяющей применить достаточно совершенные алгоритмы и программы вторичной обработки с пренебрежимо малыми погрешностями вычислений, которые можно исключить из рассмотрения.

Таким образом, в устройстве, принятом в качестве прототипа, за счет подачи на стробирующий вход внешних импульсов запуска, жестко "привязанных" по времени поступления к радиоимпульсам, форма которых контролируется, последующего взятия по "телу" радиоимпульсов N равноотстоящих выборок сигнала и их накопления, исключаются ошибки обработки, обусловленные шумовыми погрешностями определения моментов перехода сигнала через нуль, а также методическими погрешностями, вызванными неточностью априорного знания периодов высокочастотного заполнения. Дополнительно за счет учета при взятии выборок информации о фазовом коде радиоимпульсов, поступающей на управляющий вход, устройство работоспособно при фазовом кодировании радиоимпульсов, широко используемом в ИФРНС, в частности ИФРНС Лоран-С [1].

Однако в устройстве-прототипе осталась нерешенной техническая задача, связанная с влиянием на точность обработки и определения параметров, характеризующих форму сигналов ИФРНС нестабильности генератора 1, из-за которой к моменту поступления очередного строба запуска на стробирующий вход устройства фаза выходного сигнала генератора 1 импульсов имеет случайное значение в интервале от 0 до Т_и, где Т_и - период выходного сигнала генератора 1 импульсов. Поэтому моменты формирования стробов выборок на первом выходе блока 3 управления, а следовательно, моменты взятия выборок сигнала относительно моментов поступления стробов запуска определены с точностью, равной Т_и. Учитывая, что стробы запуска жестко "привязаны" к измеряемым радиоимпульсам, очевидна неопределенность моментов взятия выборок по "телу" сигнала в пределах указанной выше точности для каждого поступившего строба запуска. Это приводит к появлению ошибок обработки, вызванных нарушением когерентности накопления выборок.

Для удобства рассмотрения механизма появления этих ошибок примем за начальное такое положение стробов выборок, которое соответствует нулевой фазе сигнала генератора 1 на момент поступления очередного строба запуска. Пусть, например, Т_и = 0,1 мкс, что соответствует неопределенности в тех же пределах моментов взятия выборок по "телу" сигнала. При относительной нестабильности генератора 1, равной 10^-6(типичной для кварцевого генератора), скорость смещения стробов выборок по "телу" сигнала достигает значения 10^-6 с/с или 1 мкс/с. Это означает, что при накоплении отсчетов в интервале 0,1 с и более одноименные выборки в каждом отсчете могут быть смещены относительно начального положения на произвольную величину в пределах 0,1 мкс, что существенно при обработке радиоимпульсов ИФРНС типа Лоран-С с периодом ВЧ-заполнения 10 мкс. Ошибки, возникающие при этом в определении накопленных значений выборок и последующего определения параметров формы радиоимпульсов, являющиеся ошибками некогерентного накопления, носят сложный характер и зависят, в основном, от характера изменения сигнала в моменты взятия выборок, величины Т_и и, в первую очередь, от величины нестабильности генератора 1. Очевидно, при идеальной стабильности генератора 1 названные ошибки не имеют места.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи обеспечения когерентности накопления при обработке сигналов ИФРНС и определении параметров, характеризующих форму радиоимпульсов ИФРНС, что обеспечивает повышение точности при контроле за их формой.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство для контроля формы сигналов импульсно-фазовой радионавигационной системы, содержащее генератор импульсов, счетчик тактов, блок управления, счетчик адреса, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок памяти, элемент ИЛИ, накопитель, блок вычисления и индикации, коммутатор, при этом выход генератора импульсов подключен к счетному входу счетчика тактов, вход установки в нуль которого подключен к выходу элемента ИЛИ, а выход - к входу блока управления, первый вход элемента ИЛИ, являющийся стробирующим входом устройства, соединен с входом установки в нуль счетчика адреса, выход переноса которого подключен к второму входу элемента ИЛИ, а информационный выход - к первому сигнальному входу коммутатора, второй сигнальный вход которого соединен с адресным входом накопителя и подключен к адресному выходу блока вычисления и индикации, первый управляющий выход которого подключен к третьему входу элемента ИЛИ и к управляющему входу коммутатора, выход которого подключен к адресному выходу блока памяти, первый выход блока управления подключен к стробирующему входу АЦП, первый управляющий вход которого соединен с входом управления блока памяти и подключен к второму выходу блока управления, третий выход которого подключен к счетному входу счетчика адреса, выход АЦП соединен с информационным входом-выходом блока памяти и информационным входом накопителя, вход-выход обмена данными которого подключен к входу-выходу обмена данными блока вычисления и индикации, второй управляющий выход которого подключен к входу управления накопителя, второй управляющий вход АЦП является управляющим входом устройства, а сигнальный вход АЦП является сигнальным входом устройства, введены делитель частоты, фазовый дискриминатор, обнаружитель пачки стробов, элемент задержки и фильтр нижних частот (ФНЧ), при этом вход делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, выход делителя частоты соединен с первым информационным входом фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом ФНЧ, выход которого подключен к управляющему входу генератора импульсов, выполненного перестраиваемым, выход обнаружителя пачки стробов соединен с входом элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом фазового дискриминатора, а вход обнаружителя пачки стробов подключен к второму информационному входу фазового дискриминатора и к стробирующему входу устройства.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема устройства, принятого за прототип; на фиг. 2 - временные диаграммы входных сигналов в устройстве-прототипе и в заявляемом устройстве; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу блока управления в устройстве-прототипе и в заявляемом устройстве; на фиг. 4 - структурная электрическая схема примера реализации заявляемого изобретения; на фиг. 5 - структурная электрическая схема примера реализации фазового дискриминатора; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу цепи подстройки генератора импульсов.

Для пояснения сущности изобретения, возможности его осуществления и достижения поставленной технической задачи рассмотрим пример его конкретного выполнения, представленный на фиг. 4.

Заявляемое устройство для контроля формы сигналов ИФРНС содержит (фиг. 4) генератор 1 импульсов, счетчик 2 тактов, блок 3 управления, счетчик 4 адреса, аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП), блок 6 памяти, элемент 7 ИЛИ, накопитель 8, блок 9 вычисления и индикации, коммутатор 10, делитель 11 частоты, фазовый дискриминатор 12, обнаружитель 13 пачки стробов, элемент 14 задержки, фильтр нижних частот (ФНЧ) 15. При этом выход генератора 1 импульсов подключен к счетному входу счетчика 2 тактов, вход установки в нуль которого подключен к выходу элемента 7 ИЛИ, а выход - к входу блока 3 управления, первый вход элемента 7 ИЛИ, являющийся стробирующим входом устройства, соединен с входом установки в нуль счетчика 4 адреса, выход переноса которого подключен к второму входу элемента 7 ИЛИ, а информационный выход - к первому сигнальному входу коммутатора 10, второй сигнальный вход которого соединен с адресным входом накопителя 8 и подключен к адресному выходу блока 9 вычисления и индикации, первый управляющий выход которого подключен к третьему входу элемента 7 ИЛИ и к управляющему входу коммутатора 10, выход которого подключен к адресному входу блока 6 памяти, первый выход блока 3 управления подключен к стробирующему входу АЦП 5, первый управляющий вход которого соединен с входом управления блока 6 памяти и подключен к второму выходу блока 3 управления, третий выход которого подключен к счетному входу счетчика 4 адреса, выход АЦП 5 соединен с информационным входом-выходом блока 6 памяти и информационным входом накопителя 8, вход-выход обмена данными которого подключен к входу-выходу обмена данными блока 9 вычисления и индикации, второй управляющий выход которого подключен к входу управления накопителя 8, второй управляющий вход АЦП 5 является управляющим входом устройства, а сигнальный вход АЦП 5 является сигнальным входом устройства, вход делителя 11 частоты соединен с выходом генератора 1 импульсов, выход делителя 11 частоты подключен к первому информационному входу фазового дискриминатора 12, выход которого подключен к входу ФНЧ 15, выход которого подключен к управляющему входу генератора 1 импульсов, выполненному перестраиваемым, выход обнаружителя 13 пачки стробов подключен к входу элемента 14 задержки, выход которого подключен к управляющему входу фазового дискриминатора 12, а вход обнаружителя 13 пачки стробов соединен с вторым информационным входом фазового дискриминатора 12 и со стробирующим входом устройства.

В рассматриваемых ниже примерах реализации блоков устройства показана возможность их выполнения с использованием стандартных или широко известных узлов.

Так, перестраиваемый генератор 1 импульсов может быть выполнен как генератор, управляемый напряжением, реализованный на микросхеме 531ГГ1 [5, с. 270 - 272], в котором в качестве управляющего входа используется вход "FC" (вывод "2") микросхемы.

Счетчики 2, 4 и делитель 11 частоты могут быть выполнены на основе синхронных двоичных счетчиков, реализованных на микросхемах 555ИЕ10 [5, с. 239] , причем в качестве входов установки в нулевое состояние и счетных входов используются соответствующие входы микросхем (выводы "1", "2").

Блок 3 управления может быть реализован на основе постоянного запоминающего устройства, например, на микросхеме 556РТ5 [5, с. 161], запрограммированного таким образом, что при последовательном возрастании адреса на его адресном входе (выводы "1" - "8", "23"), являющемся входом блока 3, на трех выходах данных (например, выводы "9", "10", "11") будет формироваться последовательность сигналов, соответствующая последовательности управляющих стробов на первом, втором и третьем выходах блока 3 управления (фиг. 3, б-г).

Аналого-цифровой преобразователь 5 может быть выполнен на основе параллельного АЦП с конвейерной обработкой данных и реализован на микросхеме 11007ПВ2 [5, с. 196, 197], к выходу которой подключен повторитель с тремя состояниями выхода, например, на микросхеме 555АП5 [5, с. 53, 54], вход разрешения выхода которой (объединенные выводы "1", "19") является первым управляющим входом АЦП 5. Тактовый вход микросхемы 1107ПВ2 ("С") является стробирующим входом АЦП 5, а объединенные входы "Р1" и "Р2", предназначенные для инвертирования выходных кодов АЦП, являются вторым управляющим входом АЦП 5.

Блок 6 памяти может быть выполнен в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) с двунаправленной шиной данных и реализован, например, на микросхеме 537РУ10 [5, с. 220, 221]. При этом вход разрешения записи "WE" (вывод "21") является входом управления блока 6 памяти, а адресные входы ("A") и входы-выходы данных ("D") микросхемы являются соответственно адресным входом и информационным входом-выходом блока 6 памяти.

Элемент 7 ИЛИ может быть реализован на элементе 3ИЛИ-НЕ (555ЛЕ4) и подключенном к его выходу элементе НЕ (555ЛН1) [5, с. 38], совместно реализующим функцию 3ИЛИ.

Накопитель 8 и блок 9 вычисления и индикации могут быть реализованы в составе персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), например EC-1845 [6] , позволяющей реализовать обработку входных данных по алгоритму, приведенному ниже при описании принципа работы устройства.

При этом накопитель 8 реализуется на основе модуля электронного памяти [6, с. 17, 69] (ОЗУ) ПЭВМ, подключенного к внешней шине данных через системную шину ПЭВМ посредством адаптера ввода, вход которого является информационным входом накопителя 8. Адаптер ввода выполняет функцию сопряжения шины данных и системной шины ПЭВМ и может быть реализован на основе известных устройств программного обмена данных [7, с. 97 - 100], например по схеме блока сопряжения [4, приложение]. Адресный вход ОЗУ ПЭВМ является адресным входом накопителя 8 и подключен к внутренней магистрали адреса ПЭВМ. Информационный вход-выход ОЗУ является входом-выходом обмена данными накопителя 8 и подключен к магистрали данных ПЭВМ. Совокупность входов управления ОЗУ ПЭВМ является входом управления накопителя 8, который подключен к магистрали управления ПЭВМ.

Блок 9 вычисления и индикации объединяет основные блоки из состава минимальной конфигурации ПЭВМ [6, с. 17]: модуль электронный системный, модуль электронный памяти, клавиатура, видеомонитор, накопитель на магнитных дисках, связанных через соответствующие адаптеры по системной шине, которая содержит магистраль адреса, магистраль данных и магистраль линий управления. При этом магистраль адреса является адресным выходом блока 9 вычисления и индикации, магистраль данных является его входом-выходом обмена данными, а магистраль линий управления - вторым управляющим выходом. Дополнительно к системной шине подключен адаптер вывода, выход которого является первым управляющим выходом блока 9 вычисления и индикации. Адаптер вывода выполняет функцию формирования сигнала запроса на программный ввод данных и может быть выполнен на основе известных устройств программного обмена данных [7, с. 97 - 100], например, по схеме блока сопряжения [4, приложение].

Коммутатор 10 может быть выполнен на основе мультиплексоров, например 555КП11 [5, стр. 105, 106]. В качестве управляющего входа коммутатора 10 используется адресный вход мультиплексора.

Фазовый дискриминатор 12 может быть выполнен, например, по схеме, приведенной на фиг. 5, и содержит первый D-триггер 16, второй D-триггер 17, элемент 18 И, первый и второй диоды 19 и 20. При этом входы D-триггеров 16 и 17 соединены и являются управляющим входом фазового дискриминатора 12. Синхронизирующие входы триггеров 16 и 17 являются соответственно первым и вторым информационными входами фазового дискриминатора 12. Выход первого триггера 16 подключен к первому входу элемента 18 И и к аноду первого диода 19. Выход второго триггера 17 подключен к второму входу элемента 18 И, выход которого подключен к входам установки в нулевое состояние триггеров 16 и 17. Инверсный выход второго триггера 17 подключен к катоду второго диода 20, анод которого соединен с катодом первого диода 19 и является выходом фазового дискриминатора 12.

В качестве триггеров 16 и 17 могут быть применены, например, D-триггеры 555ТМ2 [5, с. 89] , в качестве элемента 18 И - элемент 2И на микросхеме 555ЛИ2 [5, с. 45], диоды 19 и 20, например КД522.

Фазовый дискриминатор 12 работает следующим образом. При наличии сигнала с уровнем логической "1" на управляющем входе триггеры 16 и 17 устанавливаются в "единичное" состояние по фронтам сигналов, поступающих на первый и второй информационные входы фазового дискриминатора 12. В моменты принятия обоими триггерами 16 и 17, "единичного" состояния оба они возвращаются в исходное, нулевое состояние сигналов, сформированным элементом 18 И. На время существования "единичного" состояния одного из триггеров 16 или 17 включается в прямом направлении соответствующий диод 19 или 20, подключая на это время к выходу фазового дискриминатора положительное (через диод 19) или (принятое для наглядности изложения) условно отрицательное напряжение (через диод 20). Таким образом, фазовый дискриминатор 12 формирует на своем выходе импульсы, полярность которых зависит от знака разности фаз сигналов на его первом и втором информационных входах, а длительность пропорциональна величине разности фаз этих сигналов.

Если сигнал на управляющем входе фазового дискриминатора 12 принимает уровень логического нуля, то триггеры 16 и 17 находятся в нулевом состоянии, а диоды 19 и 20 - в закрытом состоянии. При этом выход фазового дискриминатора 12 принимает состояние высокого импеданса (отключен).

Обнаружитель 13 пачки стробов может быть реализован в простейшем случае, например, по схеме ждущего мультивибратора, приведенной в [5, с. 94, рис. 2.73б] . Обнаружитель 13 формирует одиночный импульс, по длительности равный длительности пачки стробов при поступлении на его вход строба запуска, причем длительность формируемого импульса не зависит от поступления последующих стробов запуска в пачке (работа без перезапуска).

Элемент 14 задержки может быть реализован на основе интегрирующей RC-цепи и порогового блока, например, по схеме, описанной в [8, с. 57 - 59].

Фильтр нижних частот 15 может быть выполнен в виде последовательно соединенных пропорционально-интегрирующего и интегрирующего звеньев [9, с. 74 - 75, рис. 3, 7].

Устройство работает следующим образом. После включения сигнал с первого управляющего выхода блока 9 вычисления и индикации устанавливает устройство в режим взятия выборок входного сигнала, при котором через коммутатор 10 шина адреса (ША) устройства, являющаяся адресным входом блока 6 памяти, подключается к информационному выходу счетчика 4 адреса.

На сигнальный вход устройства поступают радиоимпульсные сигналы ИФРНС, за формой которых осуществляется контроль.

На стробирующий вход устройства подают стробы запуска, жестко привязанные к началу каждого из радиоимпульсов во входной последовательности радиоимпульсов ИФРНС (фиг. 2, а, б), а на управляющий вход - сигнал кода фазовой манипуляции КОД ФАЗЫ (фиг. 2, в), представляющий собой двухуровневый сигнал, где уровень логического "0" соответствует проинвертированному значению фазы ВЧ-заполнения, а логической "1" - неинвертированному. Указанные сигналы подают, например, с приемоиндикатора ИФРНС [10, с. 39]. Например, при использовании приемоиндикатора А-720 эти сигналы поступают с его разъема "XS2" [11, с. 117, 137 - 139].

Стробы запуска поступают со стробирующего входа устройства на входы установки в нулевое состояние счетчика 4 адреса и через элемент 7 ИЛИ счетчика 2 тактов, приводя устройство в исходное состояние перед каждым поступающим с сигнального входа устройства радиоимпульсом. По окончании очередного строба запуска счетчик 2 тактов производит циклический с периодом Т_ц счет импульсов от генератора 1 импульсов. Информация о состоянии счетчика 2 тактов подается в блок 3 управления, который (в пределах одного цикла) формирует на трех выходах блока 3 управления группу последовательных во времени сигналов управления (стробов), повторяющихся в каждом новом цикле счета счетчика 2 тактов (фиг. 3, а-г). При этом строб на третьем выходе задержан относительно строба на втором выходе, а строб на втором выходе задержан относительно строба на первом выходе.

В моменты поступления с первого выхода блока 3 управления строба выборки на стробирующий вход АЦП 5 последний производит выборку значения входного аналогового сигнала (фиг. 3, б, д) и преобразование этой выборки в соответствующий ей цифровой код. Преобразование происходит с учетом значения кода фазовой манипуляции поступившего радиоимпульса. Информация о коде фазовой манипуляции в виде логических уровней "0" и "1" (сигнал КОД ФАЗЫ) подается на второй управляющий вход АЦП 5 (фиг. 2, в). Таким образом, если поступивший радиоимпульс имеет инверсное (относительно условно принятого) значение фазы высокочастотного заполнения (см. фиг. 2, б, в), то по сигналу КОД ФАЗЫ цифровой код АЦП 5 инвертируется. Тем самым цифровые эквиваленты одноименных выборок сигнала, т.е. взятых в одни и те же моменты времени относительно строба запуска, приводятся к единому значению, независимому от кода фазовой манипуляции каждого радиоимпульса.

К моменту окончания аналого-цифрового преобразования по соответствующему сигналу с второго выхода блока 3 управления (фиг. 3, в) выход АЦП 5 подключается к шине данных (ШД) устройства, с которой цифровой код выборки записывается в ячейку блока 6 памяти, адрес которой установлен на шине адреса (ША) устройства счетчиком 4 адреса. Цикл взятия одной выборки завершается поступлением на счетный вход счетчика 4 адреса строба с третьего выхода блока 3 управления, устанавливающего адрес для записи следующей выборки. Счетчик 2 тактов после этого переполняется и устанавливается в нулевое состояние.

Далее, в последующих циклах устройство работает аналогичным образом, производя запись в блок 6 памяти N равностоящих во времени на величину Т_ц выборок входного радиоимпульса (фиг. 3, б-д). После записи последней N-ой выборки сигнал переполнения с выхода счетчика 4 адреса запрещает счет счетчику 2 тактов, устанавливая его в нулевое состояние через элемент 7 ИЛИ. При этом устройство переходит в состояние ожидания поступления следующего строба запуска и записи в блок 6 памяти следующей серии из N выборок.

Под управлением программы, хранящейся в блоке 9 вычисления и индикации, устройство периодически с заданным программой интервалом времени переводится в режим считывания отсчетов из блока 6 памяти в накопитель 8. При этом счетчик 2 тактов фиксируется в нулевом состоянии сигналом на его входе установки в нулевое состояние, поступившим через элемент 7 ИЛИ с первого управляющего выхода блока 9 вычисления и индикации, а коммутатор 10 по этому сигналу подключает шину адреса, являющуюся адресным входом блока 6 памяти, к магистрали адреса (МА) блока 9 вычисления и индикации. Блок 9 вычисления и индикации последовательно формирует на магистрали адреса коды адресов ячеек блока 6 памяти и считывает их содержимое по шине данных в накопитель 8, где под управлением сигналов, формируемых на втором управляющем выходе блока 9 вычисления и индикации, в соответствии с программой накопления осуществляется суммирование считанных кодов с результатами предыдущего накопления, хранящимися в соответствующих ячейках накопителя 8, т.е. осуществляется когерентное накопление. При этом программный обмен данными между блоком 9 вычисления и индикации и накопителем 8 производится по магистрали данных (МД), связывающей входы-выходы обмена данных этих блоков. Суммирование производится в соответствии с формулой (1).

Завершив считывание в накопитель 8 очередной серии выборок, по сигналу с первого управляющего выхода блока 9 вычисления и индикации устройство вновь переходит в режим взятия выборок входного сигнала, описанный выше.

При достижении заданного объема накопления отсчетов, каждый из которых содержит N выборок, блок 9 вычисления и индикации инициирует хранящуюся в нем программу вторичной обработки накопленных значений выборок сигнала, результатом работы которой является вычисление параметров входного сигнала: амплитудных значений и длительностей полуволн высокочастотного заполнения радиоимпульсов. Вычисление параметров производится по следующему алгоритму. В соответствии с формулами (2, 3, 4) определяется аналитическое выражение функции f(t), соответствующей исследуемому сигналу. Далее определяются значения t, при которых вторая производная f(t) равна нулю, и при этих значениях t вычисляются f(t), соответствующие амплитудным значениям полуволн исследуемого сигнала. Затем вычисляются значения t, при которых f(t) = 0, соответствующие моментами перехода через нуль высокочастотного заполнения сигнала, из которых определяются длительности полуволн. Вычисленные значения регистрируются в блоке 9 вычисления и индикации и выводятся на устройство отображения (монитор), входящее в состав блока 9 вычисления и индикации, для контроля параметров A_i, t_i формы обрабатываемых сигналов ИФРНС, тем самым обеспечивая возможность оперативного контроля за формой сигнала.

Как было указано выше, в устройстве обеспечивается когерентность накопления при обработке сигналов и определении параметров A_i, t_i, что повышает точность при контроле за формой сигналов ИФРНС. Для этого сигнал с выхода генератора 1 импульсов (фиг. 6, а) подается на вход делителя 11 частоты, который делит частоту поступающих импульсов до значения, равного частоте следования радиоимпульсов (фиг. 6 б, в), а значит и частоте следования стробов запуска в пачке (фиг. 6, б, г). Импульсы с выхода 11 частоты поступают на первый информационный вход фазового дискриминатора 12, на второй информационный вход которого поступают стробы запуска со стробирующего входа устройства. При поступлении пачки стробов запуска обнаружитель 13 пачки стробов формирует широкий селекторный строб, охватывающий всю пачку равноотстоящих друг от друга стробов запуска. Широкий селекторный строб, задержанный элементом 14 задержки на половину периода следования стробов запуска в пачке, поступает на управляющий вход фазового дискриминатора 12, разрешая его работу (фиг. 6, е). В этом интервале фазовый дискриминатор 12 формирует на своем выходе импульсный сигнал рассогласования, пропорциональный разности фаз сигналов на его первом и втором информационных входах (фиг. 6, д). Вне интервала разрешения фазовый дискриминатор 12 находится в отключенном состоянии, при котором сигнал рассогласования на его выходе принимает нулевое значение (фиг. 6, д, е). Стробирование фазового дискриминатора 12 широким селекторным стробом обусловлено тем обстоятельством, что при измерении разности фаз двух сигналов необходимо одновременное наличие этих сигналов на входах измерителя. Очевидно, что иначе результат измерения (в данном случае выходной сигнал фазового дискриминатора 12) будет неопределен. Импульсный сигнал рассогласования с выхода фазового дискриминатора 12, сглаженный в ФНЧ 15 (фиг. 6, ж), поступает на управляющий вход генератора 1 импульсов, изменяя частоту его выходного сигнала таким образом, что устанавливается равенство фаз сигналов на первом и втором информационных входах фазового дискриминатора 12. В результате осуществляется автоподстройка частоты и фазы и привязка выходного сигнала генератора 1 импульсов к моментам поступления стробов запуска, что обеспечивает когерентность накопления при обработке сигналов ИФРНС и определении параметров A_i, t_i, характеризующих форму радиоимпульсов. В интервале между пачками радиоимпульсов кольцо автоподстройки разрывается, т. к. фазовый дискриминатор 12 в этом интервале отключен. При этом за счет инерционности ФНЧ 15 обеспечивается сохранение установившегося значения его выходного сигнала и, следовательно, сохранение установившейся временной привязки выходного сигнала генератора 1 импульсов и стробов запуска.

Необходимость элемента 14 задержки обусловлена неоднозначностью фазовых измерений в пределах периода измеряемых сигналов. Действительно, результат измерения при одинаковых условиях разности фаз двух импульсных сигналов может восприниматься, например, как +10^o или для тех же сигналов как -350^o в зависимости от расположения на временной оси момента начала отсчета (момента включения измерителя) относительно моментов поступления измеряемых сигналов. В фазовом дискриминаторе 12 такая неоднозначность приводила бы к ошибке формирования сигнала рассогласования, нарушающей устойчивость работы кольца автоподстройки. Поскольку в установившемся режиме разность фаз сигналов на входах фазового дискриминатора 12 флюктуирует около нулевого значения, то для исключения указанной неоднозначности момент включения фазового дискриминатора 12 по фронту широкого селекторного строба на его управляющем входе не должен совпадать или быть близким к моменту поступления сигналов на его информационные входы. Эту функцию выполняет элемент 14 задержки, который задерживает широкий селекторный строб на половину периода следования стробов запуска в пачке, выводя момент включения фазового дискриминатора 12 в безопасную область между стробами запуска.

Таким образом, за счет введения в устройство новых блоков и дополнительных взаимосвязей для синхронизации генератора 1 импульсов обеспечивается когерентность моментов взятия выборок при накоплении, что и повышает точность определения параметров A_i, t_i и, следовательно, точность при контроле за формой радиоимпульсных сигналов ИФРНС.

Из рассмотренного видно, что заявляемое изобретение реализует поставленную техническую задачу и может найти широкое применение в технике ИФРНС для решения задач контроля за формой сигналов ИФРНС как на передающих станциях, так и в рабочей зоне ИФРНС в составе аппаратуры контрольных пунктов системы.

Литература
1. Быков В. И. , Никитенко Ю.И. Импульсно-фазовые радионавигационные системы в судовождении. -М.: Транспорт, 1985.

2. Specification of the transmitted Loran-C Signal, IULY, 1981, comdtinst M16 562.4, Departament of transportation coast quard.

3. Авторское свидетельство 1061070 СССР, кл. G 01 R 29/00. Устройство для измерения формы сигналов. Ларин И.О., Гурьянов С.А., Исаев В.А., Шарапов П.В. 1983, бюл. N 46.

4. Отчет по НИР "Разработка анализатора сигналов ИФРНС, работающего в составе ПЭВМ типа IBM PC-XT/AT". Новгородский политехнический институт, Новгород, 1992, научный руководитель П.В.Шарапов./ Всероссийский научно-технический информационный центр, Москва. Государственный регистрационный номер 01.09.30 011008, 1993.

5. Пухальский Г.И., Новосельцова Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. -М.: Радио и связь, 1990.

6. Машина вычислительная электронная персональная ЕС1845. Техническое описание Е11.700.013ТО. Книга N1 ОКП 40 1370.1988.

7. Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катиков В.М. Микропроцессоры в радиотехнических системах. -М.: Радио и связь, 1982.

8. Лихачев В.Д. Практические схемы на операционных усилителях. М., ДОСААФ СССР, 1981.

9. Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. -М.: Радио и связь, 1989.

10. Маров А.Н., Ларин И.О., Шарапов П.В. Построение радионавигационных измерительных комплексов на базе микропроцессорных комплектов. УДК 621.396.96. Межвузовский сборник. Методы и средства обработки сигналов (с. 35 - 39). Новгород, 1990.

11. Изделие А-720. Руководство по технической эксплуатации. ОЦ1.400.216 РЭ.

Формула изобретения

Устройство для контроля формы сигналов импульсно-фазовой радионавигационной системы, содержащее генератор импульсов, счетчик тактов, блок управления, счетчик адреса, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок памяти, элемент ИЛИ, накопитель, блок вычисления и индикации, коммутатор, при этом выход генератора импульсов подключен к счетному входу счетчика тактов, вход установки в нуль которого подключен к выходу элемента ИЛИ, а выход - к входу блока управления, первый вход элемента ИЛИ, являющийся стробирующим входом устройства, соединен с входом установки в нуль счетчика адреса, выход переноса которого подключен к второму входу элемента ИЛИ, а информационный выход - к первому сигнальному входу коммутатора, второй сигнальный вход которого соединен с адресным входом накопителя и подключен к адресному выходу блока вычисления и индикации, первый управляющий выход которого подключен к третьему входу элемента ИЛИ и управляющему входу коммутатора, выход которого подключен к адресному входу блока памяти, первый выход блока управления подключен к стробирующему входу АЦП, первый управляющий вход которого соединен с входом управления блока памяти и подключен к второму выходу блока управления, третий выход которого подключен к счетному входу счетчика адреса, выход АЦП соединен с информационным входом-выходом блока памяти и информационным входом накопителя, вход-выход обмена данными которого подключен к входу-выходу обмена данными блока вычисления и индикации, второй управляющий выход которого подключен к входу управления накопителя, второй управляющий вход АЦП является управляющим входом устройства, а сигнальный вход АЦП является сигнальным входом устройства, отличающееся тем, что в устройство введены делитель частоты, фазовый дискриминатор, обнаружитель пачки стробов, элемент задержки и фильтр нижних частот, при этом вход делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов, выход делителя частоты соединен с первым информационным входом фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого подключен к управляющему входу генератора импульсов, выполненного перестраиваемым, выход обнаружителя пачки стробов соединен с входом элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом фазового дискриминатора, а вход обнаружителя пачки стробов подключен к второму информационному входу фазового дискриминатора и к стробирующему входу устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6