RU2582907C1 - Method of determining power of quadrature components of radio signal - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for measuring power radio signal in channel, demodulating signal, measurement of AC voltage amplitude, in particular, to measurement of signal power by measuring voltage. Signal power P_Σ is measured simultaneously, which is total power of its quadrature components, as well as demodulation of signal. In demodulation is measurement of amplitude envelope of demodulated signals of quadrature components of U_I(p-p) and U_Q(p-p), then at subsequent additional treatment results demodulation by compensation of parasitic phase progression of signal by calculating inverse matrix of rotation. At final stage, when solving system of equations

powers of quadrature components of P_I and P_Q are calculated.

EFFECT: technical result consists in possibility of determining power of quadrature components of radio signal separately from each other.

1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения мощности радиосигнала в тракте, демодуляции сигнала, измерений амплитуды напряжения переменного тока, в частности к области измерений мощности сигнала путем измерений напряжения.The invention relates to the field of measuring technology and can be used to measure the power of a radio signal in the path, demodulate the signal, measure the amplitude of the AC voltage, in particular, to measure the signal power by measuring voltage.

Известен классический способ измерений мощности радиосигнала методом прямых измерений, с использованием ваттметров различной конструкции, состоящим в нагреве энергией электромагнитной волны чувствительного элемента ваттметра. Данный метод подходит для измерений суммарной мощности нескольких сигналов в тракте, но не позволяет измерить мощность двух квадратурных составляющих одного сигнала отдельно друг от друга.A known classical method of measuring the power of a radio signal by direct measurements, using power meters of various designs, consisting in heating the energy of an electromagnetic wave of a sensitive element of a power meter. This method is suitable for measuring the total power of several signals in a path, but does not allow measuring the power of two quadrature components of one signal separately from each other.

Другим способом является измерение проходящей СВЧ-мощности при помощи специализированного устройства (патент РФ №2071701 от 29.06.1994). Для уменьшения переменной составляющей погрешности рассогласования в полосе частот в предложенном устройстве, содержащем отрезок прямоугольного волновода, в его широкую и узкую стенки встроены две поглощающие пластины с установленными на них термодатчиками одинаковой длины, позволяющего измерять составляющие мощности сигнала. Однако так как предложенное устройство использует эффект нагрева чувствительного элемента, то также не позволяет проводить измерения мощности квадратурных составляющих сигнала по отдельности.Another way is to measure the passing microwave power using a specialized device (RF patent No. 2071701 from 06/29/1994). To reduce the variable component of the mismatch error in the frequency band in the proposed device containing a segment of a rectangular waveguide, two absorbing plates with temperature sensors of the same length mounted on them are integrated into its wide and narrow walls, which makes it possible to measure the signal power components. However, since the proposed device uses the heating effect of the sensitive element, it also does not allow to measure the power of the quadrature components of the signal separately.

Также известен способ определения составляющих мощности, основанный на измерении мгновенных значений тока и напряжения, формировании сигнала, ортогонального измеренному напряжению (с сохранением его нормы) по формулам преобразования Гильберта, вычислении действующего значения напряжения и пересчете норм полученных сигналов в активную и реактивную составляющие мощности (патент РФ 2191393 от 09.08.2000). Предложенный метод, хоть и позволяет оценить ортогональные составляющие мощности при работе на комплексную нагрузку, оценивает мощность только одного сигнала.A method for determining power components is also known, based on measuring instantaneous values of current and voltage, generating a signal orthogonal to the measured voltage (while maintaining its norm) using the Hilbert transform formulas, calculating the effective voltage value and converting the norms of the received signals into active and reactive power components (patent RF 2191393 dated 09/09/2000). The proposed method, although it allows us to estimate the orthogonal components of power when working on a complex load, estimates the power of only one signal.

Техническим результатом от внедрения изобретения является возможность определения мощности квадратурных составляющих радиосигнала отдельно друг от друга.The technical result from the implementation of the invention is the ability to determine the power of the quadrature components of the radio signal separately from each other.

Данный технический результат достигается за счет того, что одновременно осуществляется измерение мощности сигнала P_Σ, являющейся суммарной мощностью его квадратурных составляющих, а также демодуляция сигнала. В процессе демодуляции происходит измерение амплитуд огибающих демодулированных сигналов квадратурных составляющих U_I(p-p) и U_Q(p-p), затем при последующей дополнительной обработке результатов демодуляции производится компенсация паразитного набега фазы сигнала путем расчета обратной матрицы поворота. На заключительном этапе, в процессе решения системы уравнений (1):This technical result is achieved due to the fact that at the same time the signal power P _Σ is measured, which is the total power of its quadrature components, as well as signal demodulation. In the process of demodulation, the amplitudes of the envelopes of the demodulated signals of the quadrature components U _{I (pp)} and U _{Q (pp)} are measured, then during the subsequent additional processing of the demodulation results, the parasitic incursion of the signal phase is compensated by calculating the inverse rotation matrix. At the final stage, in the process of solving the system of equations (1):

производится расчет мощностей квадратурных составляющих P_I и P_Q. Предложенный метод отличается от перечисленных тем, что оценка мощности производится после математической обработки результатов демодуляции, чего ранее не применялось. Именно такой подход позволяет измерить мощности составляющих сигнала даже при существенной разнице их мощностей, а также разнице несущей частоты сигнала и частоты демодуляции.the power of the quadrature components P _I and P _{Q is} calculated. The proposed method differs from those listed in that the power is estimated after mathematical processing of the demodulation results, which has not been previously applied. It is this approach that allows you to measure the power of the signal components even with a significant difference in their powers, as well as the difference in the carrier frequency of the signal and the frequency of demodulation.

Предложенный способ измерений состоит в том, что результаты измерений получаются в результате совместной обработки измеренных значений суммарной мощности сигналов и амплитуд огибающих квадратурных сигналов. Измерения проходят в три этапа.The proposed measurement method consists in the fact that the measurement results are obtained as a result of joint processing of the measured values of the total signal power and the amplitudes of the envelopes of the quadrature signals. Measurements take place in three stages.

На первом этапе методом прямых измерений при помощи ваттметра измеряется суммарная мощность сигнала (т.е. суммарная мощность его квадратурных составляющих), а также осуществляется демодуляция сигнала с выделением огибающих каждой из квадратурных составляющих. Демодуляция сигнала может проводиться аналоговыми, аналого-цифровыми или полностью цифровыми методами. Так как частота демодуляции и частота сигнала в тракте в большинстве случаев не совпадают в силу невозможности синхронизации источника сигнала и демодулятора, то фазы демодулированных сигналов могут получать дополнительные паразитные приращения, выражающиеся в эффекте «перетекания» мощности одной квадратуры в демодулированный сигнал другой, и наоборот. При этом значение амплитуды демодулированного сигнала перестает нести информацию только об одной квадратуре, поэтому требуется дополнительная обработка результатов демодуляции.At the first stage, the method of direct measurements using a wattmeter measures the total power of the signal (i.e., the total power of its quadrature components), and also demodulates the signal with the allocation of the envelopes of each of the quadrature components. The signal demodulation can be carried out by analog, analog-digital or fully digital methods. Since the demodulation frequency and the signal frequency in the path in most cases do not coincide due to the impossibility of synchronizing the signal source and the demodulator, the phases of the demodulated signals can receive additional spurious increments, expressed in the effect of the “flow” of the power of one quadrature into the demodulated signal of the other, and vice versa. In this case, the amplitude value of the demodulated signal ceases to carry information about only one quadrature, therefore, additional processing of the demodulation results is required.

На втором этапе осуществляется компенсация паразитного набега фазы. Паразитный набег фазы можно представить как поворот сигнального созвездия на комплексной плоскости относительно ее осей, причем абсцисса точек, образующих поворачивающуюся фигуру, - результат демодуляции одной квадратуры, ордината - другой квадратуры. Это можно описать матричным уравнением (2):At the second stage, the parasitic phase incursion is compensated. The parasitic phase incursion can be represented as the rotation of the signal constellation on the complex plane relative to its axes, and the abscissa of the points forming the rotating figure is the result of demodulation of one quadrature, the ordinate - another quadrature. This can be described by matrix equation (2):

здесь $$\overrightarrow{S}\left(t\right)$$

- комплексный вектор демодулированного сигнала, $$\overrightarrow{A}\left(t\right)$$

- комплексный вектор исходного сигнала, C(t) - матрица поворота на угол φ₀.here $$\overrightarrow{S}\left(t\right)$$

- complex vector demodulated signal, $$\overrightarrow{A}\left(t\right)$$

is the complex vector of the original signal, C (t) is the rotation matrix at an angle φ ₀ .

Очевидно, что в случае наличия набега фазы φ_dif(t) матрица поворота C(t) будет также изменяться вместе с набегом фазы и будет соответствовать матрице поворота на угол φ=(φ₀+φ_dif(t)). В результате отслеживания положения радиус-вектора $$\overrightarrow{S}$$

во времени рассчитывается угол его поворота относительно начального положения, угловая скорость его вращения и другие параметры, позволяющие получить зависимость паразитного набега фазы от времени. На основании полученных значений рассчитывается обратная матрица поворота созвездия сигналов C^-1, восстанавливаются неискаженные паразитным набегом фазы результаты демодуляции по формуле (3):Obviously, if there is a phase incursion φ _dif (t), the rotation matrix C (t) will also change along with the phase incursion and will correspond to the rotation matrix by the angle φ = (φ ₀ + φ _dif (t)). As a result of tracking the position of the radius vector $$\overrightarrow{S}$$

in time, the angle of its rotation relative to the initial position, the angular velocity of its rotation and other parameters are calculated, which allow to obtain the dependence of the parasitic phase incursion on time. Based on the obtained values, the inverse rotation matrix of the signal constellation C ^{-1 is} calculated, the results of demodulation, undistorted by the parasitic phase incursion, are restored by the formula (3):

Элементы вектора $$\overrightarrow{A}$$

: A_I и A_Q - временные зависимости модулирующих импульсных последовательностей. Из них рассчитываются амплитуды огибающих демодулированных сигналов U_I(p-p) и U_Q(p-p), также анализ временных зависимостей A_I и A_Q позволяет оценить погрешность рассчитанных значений амплитуд, обусловленных зашумленностью исходного сигнала.Vector elements $$\overrightarrow{A}$$

: A _I and A _Q are time dependences of modulating pulse sequences. From them, the amplitudes of the envelopes of the demodulated signals U _{I (pp)} and U _{Q (pp)} are calculated, and an analysis of the time dependences A _I and A _Q allows us to estimate the error of the calculated amplitudes due to the noise level of the original signal.

На третьем этапе производится расчет мощностей исходя из того, что их сумма и соотношение известны, т.е. решается система уравнений (1).At the third stage, the capacity is calculated based on the fact that their sum and ratio are known, i.e. the system of equations (1) is solved.

Применимость метода на практике подтверждается многочисленными лабораторными и натурными экспериментами. Результаты измерений приведены в таблице 1. Обозначения величин без штрихов приведены для параметров эталонного сигнала, используемого при апробации метода, обозначения величин со штрихами - результаты измерений величин при помощи ваттметра и аналого-цифрового демодулятора.The applicability of the method in practice is confirmed by numerous laboratory and field experiments. The measurement results are shown in Table 1. The designations of the values without strokes are given for the parameters of the reference signal used for testing the method, the designations of quantities with strokes are the results of measurements of quantities using a wattmeter and an analog-to-digital demodulator.

Таким образом, появилась возможность определения мощности квадратурных составляющих радиосигнала независимо друг от друга. Этим достигается технический результат.Thus, it became possible to determine the power of the quadrature components of the radio signal independently of each other. This achieves the technical result.

Claims (1)

Способ определения мощности квадратурных составляющих радиосигнала, заключающийся в одновременном измерении мощности сигнала

, являющейся суммарной мощностью его квадратурных составляющих, и демодуляции сигнала, измерении амплитуд огибающих демодулированных сигналов квадратурных составляющих

и

, последующей дополнительной обработке результатов демодуляции, включающей в себя компенсацию паразитного набега фазы сигнала путем расчета обратной матрицы поворота, и последующем расчете мощностей квадратурных составляющих

и

в процессе решения системы уравнений:

. A method for determining the power of quadrature components of a radio signal, which consists in simultaneously measuring the signal power

, which is the total power of its quadrature components, and signal demodulation, measuring the amplitudes of the envelopes of the demodulated signals of the quadrature components

and

, subsequent additional processing of the demodulation results, which includes compensation of the parasitic phase incursion of the signal by calculating the inverse rotation matrix, and subsequent calculation of the powers of the quadrature components

and

in the process of solving the system of equations:

.