RU2738602C1 - Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала - Google Patents
Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738602C1 RU2738602C1 RU2020109530A RU2020109530A RU2738602C1 RU 2738602 C1 RU2738602 C1 RU 2738602C1 RU 2020109530 A RU2020109530 A RU 2020109530A RU 2020109530 A RU2020109530 A RU 2020109530A RU 2738602 C1 RU2738602 C1 RU 2738602C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- phase
- frequency
- amplitude
- sample
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Abstract
Способ относится к измерительной технике и может быть использован для одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды непрерывного гармонического сигнала по набору исходных данных, заданных большим набором дискретных отсчетов. Технический результат заключается в повышении точности одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, при наличии погрешностей в измерении амплитуды в используемых отсчетах. Заявленный способ содержит дискретизацию аналогового сигнала, представление его фрагмента тройкой цифровых кодов S1, S2, S3, сформированных в моменты времени t1, t2, t3, отличается тем, что представление сигнала формируют большим набором цифровых кодов Si, сформированных в соответствующие моменты времени ti, где i - от 4 до N, где N - много больше четырех, представляет собой ряд натуральных чисел, ограниченный сформированным набором отсчетов цифровых кодов, с равным интервалом дискретизации отсчетов цифровых кодов Δt, используемых для одновременного определения частоты сигнала, начальной фазы сигнала, фазы сигнала, амплитуды сигнала. 2 ил.
Description
Способ относится к измерительной технике и может быть использован для одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды непрерывного гармонического сигнала по набору исходных данных, заданных большим набором дискретных отсчетов.
Известен способ определения частоты узкополосного сигнала (см. патент RU 2117306, опубликован 10.08.1998), заключающийся в дискретизации сигнала, вычислении его спектра, определении номера максимальной спектральной составляющей, измерении ее амплитуды, а также амплитуды и номера большей из смежных с ней составляющих, и использовании этих исходных данных для вычисления частоты.
Известен способ измерения амплитуд гармонических колебаний (см. патент RU 2060475, опубликован 15.04.1993), заключающийся в регистрации в спектре сигнала гармоники с максимальной амплитудой, определении ее частоты и использовании этой частоты в формуле вычисления амплитуды гармонических колебаний.
Известен способ совместного измерения частоты, амплитуды, фазы и начальной фазы гармонического сигнала (см. патент RU 2486529, опубликован 27.06.2013), который выбран в качестве прототипа, заключающийся в дискретизации аналогового сигнала, представлении его фрагмента тройкой цифровых кодов S1, S2, S3, сформированных в моменты времени t1, t2, t3 и используемых для вычисления частоты сигнала f. При этом фрагмент сигнала и соответствующую ему тройку кодов выбирают так, чтобы код S2 не равнялся нулю. При измерении частоты те же коды используют для вычисления амплитуды U, фазы ϕ и начальной фазы сигнала ϕ0.
Способ осуществляют следующим образом. Принятый аналоговый сигнал дискретизируют, а его фрагмент, представленный тройкой цифровых кодов S1, S2, S3, сформированных в моменты времени t1, t2, t3 используют для вычисления частоты сигнала по формуле , где τ - интервал дискретизации; при этом фрагмент сигнала и соответствующую ему тройку кодов выбирают так, чтобы код S2 не равнялся нулю, одновременно с измерением частоты, те же коды используют для вычисления амплитуды U, фазы ϕ и начальной фазы сигнала ϕ0 в соответствии с выражениями: где фаза ϕ соответствует моменту времени t2.
Недостатком указанного способа является низкая точность одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды непрерывного гармонического сигнала.
Техническая проблема заключается в недостаточной точности одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды непрерывного гармонического сигнала при наличии погрешностей в измерении амплитуды в используемых отсчетах.
Решаемая техническая задача (технический результат) способа одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала заключается в повышении точности измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, при наличии погрешностей в измерении амплитуды в используемых отсчетах.
Решаемая техническая задача (технический результат) в способе одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, включающем дискретизацию аналогового сигнала, представление его фрагмента тройкой цифровых кодов S1, S2, S3, сформированных в моменты времени t1, t2, t3, достигается тем, что представление сигнала формируют большим набором цифровых кодов Si, сформированных в соответствующие моменты времени ti, где i от 4 до N, где N много больше четырех, представляет собой ряд натуральных чисел, ограниченный сформированным набором отсчетов цифровых кодов, с равным интервалом дискретизации отсчетов цифровых кодов Δt, используемых для одновременного определения частоты сигнала ω по формуле:
где k - порядок точности аппроксимации; N - количество отсчетов цифровых кодов; i - номер отсчета; - производная первого порядка значения цифрового кода i-го отсчета; - производная второго порядка значения цифрового кода i-го отсчета; avg - операция вычисления среднего арифметического набора значений, начальной фазы сигнала ϕ0 по формуле:
где k - порядок точности аппроксимации; N - количество отсчетов цифровых кодов; i - номер отсчета; ω - частота сигнала; Si - значение цифрового кода i-го отсчета; - производная второго порядка значения цифрового кода i-го отсчета; t1 - момент времени i-го отсчета; avg - операция вычисления среднего арифметического набора значений, фазы сигнала ϕi по формуле:
где i - номер отсчета; ω - частота сигнала; Si - значение цифрового кода i-го отсчета; - производная второго порядка значения цифрового кода i-го отсчета; ti - момент времени i-го отсчета, амплитуды сигнала U по формуле:
где k - порядок точности аппроксимации; N - количество отсчетов цифровых кодов; i - номер отсчета; ω - частота сигнала; ϕ - фаза сигнала ; - производная первого порядка значения цифрового кода i-го отсчета; ti - момент времени i-го отсчета; avg - операция вычисления среднего арифметического набора значений, с учетом шумовой составляющей сигнала, где оценки производных отсчетов значений цифровых кодов вычисляются в моменты времени ti (i=k, N-k) методом центральных конечных разностей с использованием формул аппроксимации k-го порядка точности при условии, что количество отсчетов цифровых кодов N много больше порядка точности аппроксимации k.
На фиг. 1 приведена блок схема устройства, реализующая предложенный способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала.
На фиг. 2 представлен алгоритм работы контроллера измерения параметров гармонического сигнала.
Устройство для осуществления предложенного способа одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, представленное на фиг. 1 содержит последовательно соединенные волоконными световодами источник узкополосного оптического сигнала 1, модулятор Маха-Цандера 2, при этом электрический порт модулятора Маха-Цандера 2 является входом устройства, фотоприемник 3, а также контроллер измерения параметров гармонического сигнала 4, при этом контроллер измерения параметров гармонического сигнала 4 имеет выход, который является выходом устройства.
Предварительно в блок контроллера измерения параметров гармонического сигнала 4 загружают программу, работающую согласно алгоритму, который приведен на фиг. 2.
Подключают систему электропитания для блоков источника узкополосного оптического сигнала 1, модулятора Маха-Цандера 2, контроллера измерения параметров гармонического сигнала 4.
Система электропитания необходимая для блоков источника узкополосного оптического сигнала 1, модулятора Маха-Цандера 2, контроллера измерения параметров гармонического сигнала 4 на фиг. 1 не показана.
Устройство работает следующим образом. На электрический порт модулятора Маха-Цандера 2, например, с принимающей антенны подают гармонический сигнал с измеряемыми параметрами.
Для одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала с помощью источника узкополосного оптического сигнала 1 генерируют сигнал с частотой ƒ1, который затем модулируют в модуляторе Маха-Цандера 2, работающем в нулевой рабочей точке модуляционной характеристики для подавления несущей, измеряемым гармоническим сигналом с неизвестными параметрами ƒm. Полученная таким образом пара гармоник с частотами ƒ1-ƒm и ƒ1+ƒm поступает на фотоприемник 3, где формируется биение этой пары гармоник S. Полученное биение поступает на контроллер измерения параметров гармонического сигнала 4, где проводится дискретизация сигнала и измерение частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, поступающего на электрический порт модулятора Маха-Цандера 2.
Рассмотрим осуществление способа одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала.
Осуществляется дискретизация аналогового сигнала. Полученный набор отсчетов цифровых кодов {Si} i=1,N (где N>>4) (амплитуды сигнала) измеренных в моменты времени ti используется для дальнейшего одновременного определения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала. Перед началом работы контроллера измерения параметров гармонического сигнала с заданным алгоритмом задаются требуемые погрешности вычисления частоты, начальной фазы и амплитуды - εω, εϕ, εU, соответственно. Устанавливается начальное значение k=0 порядка точности аппроксимации конечных разностей. Дальнейшие вычисления ведутся по следующему циклическому алгоритму.
Задается значение k=k+1 для увеличения порядка точности аппроксимации конечных разностей. По формулам для центральных конечных разностей k-го порядка точности аппроксимации вычисляют численные значения производных цифровых кодов для всех значений номеров отсчетов i ∈ [k, N-k]. Вычисляют значение ωi для всех значений номеров отсчетов i ∈ [k, N-k]. По известным данным ωi вычисляются значения ϕi для всех значений номеров отсчетов i ∈ [k, N-k]. По известным данным ωi и ϕi вычисляются значения значение Ui для всех значений номеров отсчетов i ∈ [k, N-k], Вычисляются средние значения ωk i, ϕk i и Uk i. Для k>1 проверяется погрешность вычисления частоты, начальной фазы и амплитуды, в противном случае происходит переход к началу алгоритма. Если одновременно не выполняются условия требуемой точности для вычислений частоты, начальной фазы и амплитуды |ωk-ωk-1|<εω и |ϕ0 k-ϕ0 k-1|<εϕ и |Uk-Uk-1|<εU, то осуществляется переход на начало алгоритма. В случае выполнения требований необходимой точности вычислений, осуществляется выход из цикла с присвоением значений вычисленных частоты, начальной фазы, мгновенной фазы и амплитуды ω=ωk, ϕ0=ϕk 0, ϕi=ϕk i, U=Uk, соответственно. Производится расчет шумовой составляющей сигнала Si Noise=Ucos(ωt+ϕi)-Si для всех номеров отсчетов i ∈ [1,N]. Производится вывод полученных результатов, частоты, начальной фазы и амплитуды - ω, ϕ0, U соответственно, кроме того, выводятся значения мгновенной фазы ϕi и шумовой составляющей сигнала Si Noise для номеров отсчетов i ∈ [1,N].
Устройство для осуществления предложенного способа одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1300 нм (возможны и другие длины волн), например:
В качестве источника узкополосного оптического сигнала 1 может быть выбран лазерный диод IDL10S-1300 НИИ «Полюс» или ДМП0131-22 ООО НПФ «Дилаз»;
В качестве модулятора Маха-Цандера 2, может быть выбран модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера 500-х-13 компании Laser2000;
В качестве фотоприемника 3 может быть выбран высокоскоростной волоконно-оптический InGaAs микроволновый широкополосный PIN фотоприемник компании Optilab, например, PD-40-MM;
В качестве контроллера измерения параметров гармонического сигнала 4 может быть выбран микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;
В качестве волоконных световодов могут быть выбраны эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ».
Для построения устройства для осуществления предложенного способа одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.
Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи (технического результата) - одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, при наличии погрешностей в измерении амплитуды в используемых отсчетах.
Claims (33)
- Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала, включающий дискретизацию аналогового сигнала, представление его фрагмента тройкой цифровых кодов S1, S2, S3, сформированных в моменты времени t1, t2, t3, отличающийся тем, что представление сигнала формируют набором цифровых кодов Si, сформированных в соответствующие моменты времени ti, где i - от 4 до N, где N - много больше четырех, представляет собой ряд натуральных чисел, ограниченный сформированным набором отсчетов цифровых кодов, с равным интервалом дискретизации отсчетов цифровых кодов Δt, используемых для одновременного определения частоты сигнала ω по формуле:
- где k - порядок точности аппроксимации;
- N - количество отсчетов цифровых кодов;
- i - номер отсчета;
- avg - операция вычисления среднего арифметического набора значений, начальной фазы сигнала ϕ0 по формуле:
- где k - порядок точности аппроксимации;
- N - количество отсчетов цифровых кодов;
- i - номер отсчета;
- ω - частота сигнала;
- Si - значение цифрового кода i-го отсчета;
- ti - момент времени i-го отсчета;
- avg - операция вычисления среднего арифметического набора значений, фазы сигнала ϕi по формуле:
- где i - номер отсчета;
- ω - частота сигнала;
- Si - значение цифрового кода i-го отсчета;
- ti - момент времени i-го отсчета,
- амплитуды сигнала U по формуле:
- где k - порядок точности аппроксимации;
- N - количество отсчетов цифровых кодов;
- i - номер отсчета;
- ω - частота сигнала;
- ϕ - фаза сигнала;
- ti - момент времени i-го отсчета;
- avg - операция вычисления среднего арифметического набора значений, с учетом шумовой составляющей сигнала, где оценки производных отсчетов значений цифровых кодов вычисляются в моменты времени ti (i=k,N-k) методом центральных конечных разностей с использованием формул аппроксимации k-го порядка точности при условии, что количество отсчетов цифровых кодов N много больше порядка точности аппроксимации k.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020109530A RU2738602C1 (ru) | 2020-03-03 | 2020-03-03 | Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020109530A RU2738602C1 (ru) | 2020-03-03 | 2020-03-03 | Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2738602C1 true RU2738602C1 (ru) | 2020-12-14 |
Family
ID=73835132
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020109530A RU2738602C1 (ru) | 2020-03-03 | 2020-03-03 | Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2738602C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2111496C1 (ru) * | 1992-09-18 | 1998-05-20 | Дадочкин Сергей Васильевич | Способ измерения частоты гармонических колебаний |
RU2229139C1 (ru) * | 2002-12-10 | 2004-05-20 | Томский политехнический университет | Способ спектрального анализа сложных несинусоидальных периодических сигналов представленных цифровыми отсчетами |
US7053357B2 (en) * | 1996-09-05 | 2006-05-30 | Rudolf Schwarte | Method and apparatus for determining the phase and/or amplitude information of an electromagnetic wave for photomixing |
RU2435168C1 (ru) * | 2010-04-09 | 2011-11-27 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Способ гармонического анализа периодического многочастотного сигнала |
RU2486529C2 (ru) * | 2011-08-31 | 2013-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ совместного измерения частоты, амплитуды, фазы и начальной фазы гармонического сигнала |
-
2020
- 2020-03-03 RU RU2020109530A patent/RU2738602C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2111496C1 (ru) * | 1992-09-18 | 1998-05-20 | Дадочкин Сергей Васильевич | Способ измерения частоты гармонических колебаний |
US7053357B2 (en) * | 1996-09-05 | 2006-05-30 | Rudolf Schwarte | Method and apparatus for determining the phase and/or amplitude information of an electromagnetic wave for photomixing |
RU2229139C1 (ru) * | 2002-12-10 | 2004-05-20 | Томский политехнический университет | Способ спектрального анализа сложных несинусоидальных периодических сигналов представленных цифровыми отсчетами |
RU2435168C1 (ru) * | 2010-04-09 | 2011-11-27 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Способ гармонического анализа периодического многочастотного сигнала |
RU2486529C2 (ru) * | 2011-08-31 | 2013-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ совместного измерения частоты, амплитуды, фазы и начальной фазы гармонического сигнала |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105910797B (zh) | 基于双边带调制与受激布里渊散射效应的光器件光谱响应测量方法及测量装置 | |
CN102920464A (zh) | 血红蛋白浓度和血氧饱和度测定仪及测定方法 | |
CN102914423B (zh) | 一种色散光纤凹陷频率测量方法 | |
CN104243018B (zh) | 一种色散测量*** | |
CN108593110A (zh) | 基于pzt相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪 | |
CN108332877A (zh) | 一种光脉冲和光时域反射结合的光纤光栅测量装置及方法 | |
CN104296884B (zh) | 超高速光采样时钟的多通道失配测量方法及测量补偿装置 | |
CN106017533A (zh) | 一种快速调谐实时校准光纤光栅解调装置及工作方法 | |
RU2738602C1 (ru) | Способ одновременного измерения частоты, фазы, начальной фазы и амплитуды гармонического сигнала | |
CN102564573B (zh) | 多波长激光功率时分测量方法 | |
CN110470622A (zh) | 气体浓度检测方法、装置及*** | |
RU2721739C1 (ru) | Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов | |
CN209930266U (zh) | 一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置 | |
RU193095U1 (ru) | Волоконно-оптическое устройство измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов | |
CN105547648A (zh) | 一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的***及方法 | |
CN113607277B (zh) | 一种窄线宽激光器线宽测量***的解调方法 | |
CN206399454U (zh) | 一种小型化光纤光栅波长解调*** | |
CN110186500A (zh) | 一种采用绝对法的非平衡光纤干涉仪臂长差测量装置及测量方法 | |
CN102095498B (zh) | 一种扫描式高精度傅立叶变换测量光谱的方法 | |
CN112327035B (zh) | 一种射频半波电压的测量方法、装置及*** | |
CN208621185U (zh) | 一种全光纤干涉仪自由光谱范围测量*** | |
CN108007307A (zh) | 一种光纤的测量方法以及测量装置 | |
CN114696899A (zh) | 基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法 | |
CN210862726U (zh) | 一种多通道高速光纤光栅解调模块 | |
US6614511B1 (en) | Light wavelength dispersion measuring apparatus and light wavelength dispersion measuring method |