Обзор существующих методов измерения центральной частоты в радиотехнике. Особенности расчета и проектирования измерителя центральной частоты частотно-манипулированных сигналов, функционирующего в составе панорамного приемного устройства "Катран".
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

содержание

измеритель частотный манипулированный сигнал радиотехника

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Анализ технического задания
• 1.1 Постановка задачи
• 1.2 Особенности измерения центральной частоты сигнала
• 1.3 Обзор существующих методов измерения центральной частоты
• 1.4 Выбор и обоснование корреляционного метода измерения центральной частоты
• 2. разработка измерителя частоты частотно-манипулированных сигналов
• 2.1 Разработка принципиальной структурной схемы
• 2.2 Разработка принципиальной функциональной схемы
• Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день в технике радиосвязи используется огромное многообразие радиотехнических систем. Освоен и используется диапазон от сверхдлинных до оптических длин волн. Широкое применение нашла и частотная манипуляция.

Но, не смотря на огромные возможности частотного диапазона - его ресурс уменьшается вследствие возникновения громадного количества передающих устройств различных мощностей и форм спектров.

Большое количество излучающих устройств приводит к взаимным помехам (более мощный сигнал может даже подавить «слабую» радиостанцию, и мы не услышим передаваемого сообщения), с которыми нужно вести борьбу, причем помехи могут быть и достаточно широкополосными, захватывая в свою полосу несколько полезных сигналов.

Возникает задача строгого распределения рабочих частот и уменьшения полос пропускания для увеличения числа передающих радиостанций. Измерение параметров таких сигналов - важная задача. Псевдонесущая или центральная частота является информативным параметром, точное определение которой позволит повысить качество принимаемого сигнала.

Реальное положение таково, что вследствие некоторой нестабильности генераторов передающих устройств, старения элементной базы передатчика, нестабильности передающих свойств тропосферной среды и многих других причин, необходимо проводить анализ частотного диапазона, наблюдая за работой нескольких радиостанций одновременно, исследовать их спектры и спектры других излучений.

Радиоконтроль является областью радиоэлектроники, связанной с исследованием физических объектов и явлений на основе использования их электромагнитных излучений.

Решение проблем радиоконтроля осуществляется на основе первичной, вторичной и третичной обработки информации. Наиболее важными этапами первичной обработки информации являются задачи обнаружения и оценивания параметров сигналов, которые должны решаться в условиях отсутствия априорной информации не только о параметрах, но и о виде сигналов, а также разнообразных помеховых ситуациях.

Специфика исходных данных радиоконтроля в большинстве случаев соответствует ситуациям, когда величина коэффициента фильтрации превышает единицу (f_nT >> 1), где f_n - полоса пропускания линейного входного тракта приемника, Т - постоянная усреднения выходного эффекта.

Таким образом, мы подошли к постановке задачи данной работы.

1. Анализ технического задания

1.1 Постановка задачи

Необходимо разработать измеритель центральной частоты частотно-манипулированных (ЧМн) сигналов, функционирующий в составе панорамного приемного устройства (ППУ) «Катран».

Входным сигналом является выходной сигнал тракта промежуточной частоты (ПЧ) панорамного приемника «Катран» со средней частотой f₀=2151 кГц и амплитудой U_m= 0,1…1 B. Такой сигнал имеет вид для ЧМн

, (1.1)

Где U_m - амплитуда сигнала;

f₀ - средняя частота сигнала;

f - девиация частоты сигнала;

₀ - начальная фаза сигнала;

b(t) - модулирующая функция.

Ширина спектра входных сигналов 0,1 … 1 кГц. Следовательно, полоса пропускания должна быть f = 2 кГц.

Информация о центральной частоте должна быть получена за время Т равное 1 с.

Среднеквадратичное отклонение оценки частоты ЧМн сигнала не должно превышать допустимое _доп

. (1.2)

Условия эксплуатации - лабораторные, то есть температура окружающей среды +20 5 ⁰С, относительная влажность воздуха 6515%, атмосферное давление 1004 кПа (75030 мм рт. ст.).

Информативным параметром сигнала в данном случае будем считать центральную частоту f₀, а неинформативными параметрами - U_m, f, ₀ и b(t), воздействие которых на измеритель приводит к дополнительной априорно неизвестной погрешности.

Необходимо разработать алгоритм оценки центральной частоты, инвариантный неинформативным параметрам сигнала, которые приводят к существенным погрешностям при измерении.

1.2 Особенности измерения центральной частоты сигнала

Рассмотрим сигнал

. (1.3)

Анализируя формулы, приведенные в /1/, можно выразить комплексный сигнал (t) следующим образом

, (1.4)

где - комплексная огибающая сигнала х(t), - аргумент узкополосного сигнала х(t), - центральная частота сигнала. Из соотношений, представленных в /1/, легко получить формулу для оценки центральной частоты

, (1.5)

где х - исходный сигнал, - первая производная сигнала, сопряженного по Гильберту.

Центральная частота ЧМн сигналов может быть определена как центр тяжести односторонней спектральной плотности мощности, то есть

, (1.6)

величину f₀ можно интерпретировать как среднее по времени значение мгновенной частоты сигнала, причем весовой функцией является огибающая сигнала.

Мгновенная частота f_i(t) произвольного сигнала выражается через комплексную огибающую

f_i(t) = f₀ +, (1.7)

где - производная по комплексной огибающей сигнала,

- комплексная огибающая сигнала.

Из 1.7 выразим оценку центральной частоты

, (1.8)

где f - смещенное значение центральной частоты f₀,

- взаимнокорреляционная функция (ВКФ);

- автокорреляционная функция (АКФ).

Отсюда получаем

, (1.9)

где - фиксированная задержка;

Х(t) - реализация входного процесса;

- сопряженный процесс, связанный с исходным процессом парой преобразования Гильберта.

Рассмотрим числитель и знаменатель тригонометрической функции в формуле 1.9.

Для того, чтобы получить оценку частоты необходимо, чтобы выполнялись следующие равенства

, (1.10)

, (1.11)

в таком случае выражение 1.9 принимает вид

, (1.12)

где tg(y) - результат от деления.

Из свойств тригонометрических функций ясно, что выражение .

Рассмотрение функции автокорреляции немедленно дает значение дискретных значений на рабочих частотах. Полное выражение спектра /2/ для целого индекса модуляции таково:

, (1.13)

здесь p - вероятность состояния, соответствующего частоте f₀+f,

q=1-p - вероятность состояния, соответствующего частоте f₀-f, Р - мощность сигнала, m - индекс модуляции (целое), Т - период. Возможные виды спектров приведены на рис. 1.

Спектр ЧМн сигналов

Рис. 1

На рис. 1 показан спектр ЧМн сигнала, зависящий от вероятности появления Р₁ и Р₂ компонент сигнала и соответственно, h = Р₁ - Р₂.

Если использовать определение центральной частоты в том виде, в котором оно дано в /1/, мы видим, что при Р₁ = Р₂ центральная частота определяется как

, (1.14)

тогда как при Р₁ Р₂ возникает смещение оценки центральной частоты, вследствие чего мы можем наблюдать спектры при h = 0,8, h = 0,4 (рис. 1).

Интерес представляет случай, когда спектр относительно центральной частоты несимметричен /3/. Погрешность вносит неодинаковый уровень элементарных посылок по амплитуде U_m, неравновероятность элементарных посылок Р₁ и Р₂, неизвестная девиация частоты f. Кроме того, спектр таких сигналов может вырождаться в «одногорбую» форму. Необходимо добиться инвариантности оценки частоты к приведенным параметрам

. (1.15)

Рассмотрим далее несколько методов оценки центральной частоты.

1.3 Обзор существующих методов измерения центральной частоты

Существуют методы измерения частоты, реализованных на основе спектроанализаторов и других специальных устройствах.

В книгах /4/ и /5/ представлены варианты устройств типа спектроанализаторов на основе различных схем построения: последовательные,...