Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 12(32)
Рубрика журнала: Технические науки
Секция: Радиотехника, Электроника
Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2, скачать журнал часть 3, скачать журнал часть 4, скачать журнал часть 5
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАЗОМЕТРА НА ОСНОВЕ МЕТОДА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
На сегодняшний день в отраслях человеческой деятельности, связанных с радиотехническими измерениями, а именно в локации, навигации, геофизике, радиодальномерии и радиоастраномии, существует потребность в измерении разности фаз электрических сигналов. В условиях повышения скорости работы, объёма вычислительных возможностей и появления новых стандартов передачи данных в цифровом виде, разработка измерителей угла сдвига фаз на основе наиболее быстрых, но при этом точных цифровых методов, не теряет своей актуальности. Параметрический метод реального времени оценивания разности фаз [3] позволяет добиться большей точности измерений при большей зашумленности сигналов, однако его применение ограничивает некоторые параметры используемых сигналов.
Метод, описанный в работе [3], позволяет оценивать разность фаз между двумя квазигармоническими сигналами с медленно меняющейся амплитудой и фазой:
, , (1)
которые должны соответствовать следующим физически обоснованным условиям:
- ограниченность амплитуды, мгновенной частоты и всех производных сигналов
(2)
где максимум частоты фазового спектра и амплитудного спектра обозначены как ωФ и ωА.
- амплитуда и мгновенная частота медленно изменяется в течение всего времени измерений
. (3)
Если данные ограничения выполняются, оценка разности фаз для продискретизированной аддитивной смеси данных сигналов с гауссовым шумом с нулевым средним с шагом дискретизации ∆t ≤ π / (2ωM) будет иметь вид:
(4)
где последовательности перекрестных произведений отсчетов сигналов представлены в виде:
(5)
и комбинированы в соответствии с:
(29)
а флуктуационная составляющая, осциллирующая на частоте ω со средним значением в интервале T = M∆t >> 2π/ω близка к нулю.
Среднеквадратичное отклонение оценки разности фаз данным методом можно оценить исходя из следующего соотношения:
. (6)
Программно-аппаратный комплекс разработанного фазометра, упрощенная схема которого показана на рис. 1, состоит из двухканального шестнадцатибитного АЦП модели AD9269 фирмы Analog Devices Inc. с максимальной частотой дискретизации до 20 MSPS и встроенной системой выборки-хранения, микропроцессора CYUSB3014 в составе отладочной платы CYUSB3KIT-001, который обеспечивает передачу данных на персональный компьютер по интерфейсу USB3.0, и программы для персонального компьютера, написанной на языке C++, входящим в состав пакета разработки приложений Microsoft Visual Studio 10.0 фирмы Microsoft Co. Микропроцессор CYUSB3014 содержит параллельный 32-х разрядный порт ввода-вывода, поддерживающий частоту передачи до 100 МГц, и 512 килобайт внутренней оперативной памяти. Тактирование АЦП производится от внешнего генератора с максимальной частотой тактового сигнала до 20 МГц. АЦП имеет широкополосную систему выборки-хранения, что позволяет обрабатывать входные сигналы с амплитудой от десятков милливольт и частотой до 2 ГГц. В экспериментах по исследованию разработанного фазометра тактирование производилось от внешнего генератора с двойным термостатированием модели ГК89А-ТС компании ОАО «Морион» с сигналом 10 МГц.
Для исследования характеристик оценки разности фаз на оба канала АЦП был подан сигнал с частотой 1001 МГц с высокочастотного генератора модели N5181A фирмы Keysight Technologies. Таким образом каждый следующий отсчет оцифрованного сигнала АЦП получает через сто периодов реального аналогового сигнала.
Рисунок 1. Структурная схема фазометра
График СКО Аллана [1] для разработанного фазометра, представленный на рис. 2, показывает, что СКО оценки разности фаз составляет порядка 200 мкрад, что примерно соответствует значениям, полученным при численном моделировании для классического метода ортогональной обработки [2], однако количество операций, необходимых для ортогонального метода не позволяет реализовать его в системах работающих в реальном масштабе времени, что позволяет судить о перспективности применения метода реального времени оценивания разности фаз для проектирования измерительной аппаратуры, в частности малобазовых радиоинтерферометров.
В дальнейших исследованиях будет организована система предусилителей, что позволит существенно уменьшить порог чувствительности к входным сигналам, а также система термокомпенсации предусилителей и каналов АЦП, что позволит увеличить точность измерений.
Рисунок 2. СКО Аллана для разработанного фазометра
Список литературы:
- Allan D. W., Shoaf J. H., Halford D. Statistics of Time and Frequency Data Analysis, NBS Monograph 140, pages 151–204, 1974.
- Ignat’ev V. K., Orlov A. A., Stankevich D. A. A Phase Method of Comparison of the Instantaneous Values of the Frequencies of Quasi-Harmonic Signals // Measurement Techniques, 2016. doi: 10.1007/s11018-016-1042-x
- Ignatjev V. K., Stankevich D. A. A Fast Estimation Method for the Phase Difference Between Two Quasi-harmonic Signals for Real-Time Systems // Syst Signal Process, 2017. doi:10.1007/s00034-016-0484-3
Оставить комментарий