Способ измерения частоты модуляции

Изобретение относится к области измерения параметров радиосигналов и может быть использовано в системах радиоконтроля за использованием радиочастотного спектра. Техническим результатом является обеспечение возможности определения частоты модуляции по спектру радиосигналов. Способ измерения частоты модуляции частотно-модулированного колебания включает приём частотно-модулированного радиосигнала и преобразование его в спектр мощности, спектр мощности фильтруют, исключая дискретные составляющие по уровню менее заданного порога, определяют, по мере увеличения, частоту каждого локального максимума отфильтрованного спектра и уточняют её путём усреднения частот локального максимума и соседних с ним дискретных составляющих с весом, равным значениям спектра мощности этих составляющих, затем по соседним уточнённым частотам определяют попарные разности и их среднее медианное значение. 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерения параметров радиосигналов и может быть использовано в системах радиоконтроля за использованием радиочастотного спектра.

Известен способ измерения частоты модуляции методом детектирования, в соответствии с которым частотно-модулированное колебание преобразуют с несущей на промежуточную частоту, детектируют и измеряют частоту продетектированного сигнала [1. Измерения в технике связи / под ред. М.А. Ракк. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». 2008, с. 492-495].

Измерения данным способом сопровождаются погрешностями, обусловленными нелинейностью частотного детектирования, при этом необходима информации о несущей частоте и девиации частоты, измерение этих параметров увеличивает трудоёмкость процесса радиоконтроля.

Из известных наиболее близким к предлагаемому является способ измерения частоты модуляции по спектру радиосигнала. Способ основан на свойствах энергетического спектра частотно модулированного тоном колебания. Спектр «состоит из бесконечного числа боковых частот, расположенных попарно симметрично относительно несущей частоты и отличающихся от последней» на величину кратную частоте модуляции [2. Гоноровский И.С. Радиотехнические спектры и сигналы. – М.: Радио и связь, 1986, с 86].

Учёт закономерностей энергетического спектра, как теоретического объекта, который определяется при бесконечном времени наблюдения на непрерывном и бесконечном множестве частот принципиально позволяет определять частоту модуляции. Например, как частотное расстояние от несущей частоты до ближайшей гармоники. Недостаток в том, что в этом случае необходима информация о несущей частоте или её необходимо дополнительно измерить с соответствующими затратами.

Однако главный недостаток способа-прототипа состоит в том, что в нём не определены конкретные операции над сигналом, которые необходимо выполнять в процессе измерений при практических ограничениях, в частности по частоте и времени.

Технической задачей настоящего изобретения является определение частоты модуляции по спектру радиосигналов.

Поставленная техническая задача решается за счёт того, что в известном способе измерения частоты модуляции, включающем приём частотно-модулированного радиосигнала и преобразование его в спектр мощности, новым является то, что спектр мощности фильтруют, исключая дискретные составляющие по уровню менее заданного порога, определяют, по мере увеличения, частоту каждого локального максимума отфильтрованного спектра и уточняют её путём усреднения частот локального максимума и соседних с ним дискретных составляющих с весом равным значениям спектра мощности этих составляющих, затем по соседним уточнённым частотам определяют попарные разности и их среднее медианное значение.

В настоящем изобретении выполнен переход от теоретического энергетического спектра к его оценке на ограниченном временном интервале наблюдения и в полосе частот приёма: спектру мощности.

Спектр мощности определяется на дискретном ограниченном множестве частот, например, в виде квадратов модулей коэффициентов дискретного преобразования Фурье. Ему присущи основные свойства энергетического спектра, однако есть и особенности.

Дискретный характер спектра мощности позволяет определять локальные максимумы гармоник с шагом, равным дискрете спектрального анализа, обратно пропорциональной времени наблюдения (длительности реализации) сигнала. При ограничении времени наблюдения происходит размывание гармоник, часть энергии просачивается в соседние частотные позиции, что снижает разрешающую способность по частоте, но позволяет уточнить положение локального максимума на континуальном множестве частот весовым усреднением.

Другая особенность состоит в том, что воздействие шумов сопровождается образованием значительного количества дополнительных локальных максимумов с нерегулярным положением. В обеспечение помехозащищённости выполняется пороговая фильтрация спектра мощности.

Из цитированного ранее свойства энергетического спектра следует, что расстояния между соседними гармониками равны частоте модуляции. Однако часть гармоник в энергетическом спектре отсутствует, например, на несущей частоте при индексе модуляции равном 2,4; 5,52; 8,65; 11,79 [3. Измерения в технике связи/ Под ред. М.А. Ракк. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». 2008, с. 490-491]. Поэтому применительно к фильтрованному спектру мощности можно утверждать, что расстояния между соседними, по мере увеличения частоты, гармониками кратны частоте модуляции.

Учёт свойства спектра в такой формулировке не предполагает знания несущей частоты сигнала, что упрощает процесс измерения, но возникает неопределённость кратности. Более детальный анализ показывает, что кратность имеет преимущественно единичное значение, что и позволяет преодолеть неопределённость путём медианной оценки попарных разностей частот локальных максимумов.

Учёт указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: обеспечить определение частоты модуляции по спектру радиосигналов.

Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.

На фиг.1 показана структурная схема аппаратуры радиоконтроля, реализующая предложенный способ;

на фиг.2 – спектр мощности сигнала с синусоидальной модуляцией;

на фиг.3 – зависимость относительной средней квадратичной погрешности измерений от истинного значения частоты модуляции.

Аппаратура радиоконтроля фиг.1 содержит последовательно соединённые антенну 1, радиоприёмное устройство 2, анализатор спектра 3, пороговый элемент 4, устройство определения максимума 5, через первый вход блок весовой обработки 6, устройство вычитания 7 и блок медианной оценки 8. Выход анализатора спектра 3 подключен ко второму входу блока весовой обработки 6. Выходом аппаратуры радиоконтроля является выход функционального преобразователя 7.

Проиллюстрируем предлагаемое решение на примере выполнения способа с представлением анализируемого сигнала с синусоидальной частотной модуляцией в виде дискретных отсчётов

, (1)

где – номер временного отсчёта при общем количестве , – амплитуда, – несущая (промежуточная) частота, – девиация частоты, – частота модуляции, – фаза модулирующей функции, – шум приёма.

Временные параметры выражены в единицах периода дискретизации по времени , частотные в бинах, единицах периода дискретизации по частоте .

Преобразование (1) может выполняться с помощью цифрового радиоприёмного устройства [4. Побережский Е.С. Цифровые радиоприёмные устройства. – М.: Радио и связь, 1987, с. 62-73], при этом частота дискретизации устанавливается в соответствии с теоремой Котельникова.

Возможен анализ сигнала радиопередатчика как при приёме его сигнала на антенну 1 (измерение по эфиру), так и при непосредственном подключении выхода радиопередатчика к входу радиоприемного устройства 2 (контактное измерение).

Полоса частот пропускания радиоприёмного устройства 2 и спектрального анализа анализатора спектра 3 должна включать полосу частот, занимаемых сигналом.

Дискретизированный сигнал (1) преобразуют в спектр мощности в анализаторе спектра 3, при этом его умножают на весовое окно, осуществляют дискретное преобразование Фурье и определяют квадраты модулей полученных коэффициентов Фурье [5. Херрис Ф. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье. ТИИР, 1978, т. 66 № 1, с. 60-96]

, (2)

где – весовое окно Блэкмана-Хэрриса, – номер спектральной составляющей при общем количестве .

Весовая обработка выполняется для снижения погрешностей, обусловленных эффектом Гиббса, взаимного просачивания спектральных составляющих непериодических процессов при ограничении времени приёма сигнала. С учётом этого необходимо соблюдать также следующее условие: на интервале наблюдения должно укладываться не менее трёх периодов модуляции, то есть .

Полученный спектр мощности (2) фильтруют, исключая спектральные составляющие по уровню менее заданного порога, с помощью порогового элемента 4:

(3)

Порог определяется прямо пропорционально дисперсии шума и обратно пропорционально числу отсчётов, рекомендуемое его значение

. (4)

На фиг.2 показан спектр мощности сигнала с частотой модуляцией.

Установлены следующие параметры: отношение амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шума 10, частота модуляции и девиация частоты 0,6 кГц, несущая (промежуточная) частота сигнала 50 кГц, частота дискретизации 200 кГц, соответственно период дискретизации по времени 5 мкс, число временных отсчётов 1024, соответственно время наблюдения 5,1 мс, а период дискретизации по частоте 195 Гц и на интервале наблюдения укладывается 3,1 периода модуляции.

Пунктиром отмечен порог фильтрации в соответствии с формулой (4). Значения спектра и порога нормированы на максимальное значение спектра.

В соответствии с фиг.2 при пороговой фильтрации устраняются шумовые спектральные элементы ниже порогового уровня.

В устройстве 5 определения максимума определяют частоту каждого локального максимума отфильтрованного спектра. На фиг.2 таких максимумов пять, их значения отмечены жирными точками. Частоты максимумов определяют в порядке возрастания: , где x – знак транспонирования. В общем случае фиксации максимумов определяют совокупность всех их частот: , где – номер максимума.

Полученные значения частот уточняют в блоке 6 весовой обработки путём усреднения частот каждого локального максимума и соседних с ним дискретных составляющих с весом равным значениям спектра мощности этих составляющих

. (5)

Частоты максимумов и весовые коэффициенты поступают соответственно с устройства 5 и анализатора спектра 3.

В устройстве вычитания 7 по соседним уточнённым частотам локальных максимумов определяют попарные разности , где , а в блоке медианной оценки 8 среднее медианное значение этих разностей с переводом измеренной частоты модуляции, выраженной в бинах, в систему единиц СИ умножением на величину бина: .

Точность измерения частоты модуляции предлагаемым способом иллюстрируется фиг.3, где приведена зависимость относительной средней квадратичной погрешности измерения частоты модуляции от её истинного значения. Сплошная линия для объёма выборки , пунктирная при увеличении её в два раза. Установлена девиация частоты 10 кГц, фаза модулирующей функции равновероятна в пределах области её определения , число статистических испытаний в каждой точке, выделенной на фиг.3 кружком, .

В соответствии с фиг.3 измерение частоты модуляции обеспечивается в достаточно широких пределах от 0,3 (0,6) кГц до 40 кГц с относительной погрешностью менее 1%. Ограничение верхнего измеряемого значения частоты модуляции обусловлено расширением спектра сигнала за пределы полосы частот спектрального анализа. Ограничение снизу вытекает из условия трёхкратного превышения интервала наблюдения периода модуляции. Пределы измерений могут быть расширены увеличением частоты дискретизации и времени наблюдения.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает определение частоты модуляции по спектру радиосигналов.

Способ измерения частоты модуляции, включающий приём частотно-модулированного радиосигнала и преобразование его в спектр мощности, отличающийся тем, что спектр мощности фильтруют, исключая дискретные составляющие по уровню менее заданного порога, определяют, по мере увеличения, частоту каждого локального максимума отфильтрованного спектра и уточняют её путём усреднения частот локального максимума и соседних с ним дискретных составляющих с весом, равным значениям спектра мощности этих составляющих, затем по соседним уточнённым частотам определяют попарные разности и их среднее медианное значение.