Устройство для измерения временного положения импульсов

Устройство для измерения временного положения импульсов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 С 04 F 10/00

\

Л С,1 с i .с Ф, f !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I i (!

Ъ"

Риг. I

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4009110/24-21 (22) 07,01.86 (46) 23.11.87. Бюл. У 43 (71) Воронежский государственный университет им. Ленинского комсомола (72) А.П.Трифонов, А.В.Захаров и В.К.Маршаков (53) 681.317.77 (088.8) (56) Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах. /Под ред. В.Н.Казаринова. — М.: Советское радио, 1975, с. 193-195, рис. 7-3б. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ (57) Изобретение может быть использо,вано в радиотехнических устройствах измерения временного положения импульсов, входящих в состав радио- и

„„SU„„135415? A 1 гидролокационной аппаратуры, радионавигационных и других системах. Целью изобретения является повышение точности измерений временного интервала, измерения временного положения импульса известной полярности при совместном воздействии аддитивного широкополосного шума и модулирующей помехи путем оптического преобразования приходящего импульса. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее входную шину, усилитель !, первый согласованный фильтр 2,блок 12 определения экстремума, счетчик 13 времени измерения и ключ 14, дополнительно введены первый 2 и второй 6 9 согласованные фильтры, квадраторы 3 и 5, полосовой фильтр 4, инверторы 7 ГЛ

1 и 10, два сумматора 8 и 11 и логарифмический усилитель 9. 1 табл.,28 ил.

) 135415

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в радиотехнических устройствах измерения временных положений импульсов, В входящих в состав радиогидролокационной, радионавигационной и другой аппаратуры.

Цель изобретения — повышение точности измерения временного положения импульса неизвестной полярности при совместном воздействии аддитивного широкополосного шума и модулирующей помехи за счет оптимального преобразования приходящего импульса.

На фиг.l изображена структурная схема устройства; на фиг.2 — 27 временные диаграммы, показывающие вид преобразований, которым подвергаются импульс и модулирующая помеха при прохождении разных блоков в устройстве; на фиг.28 — зависимость минимального выигрыша в точности измерения временного положения импульса в предлагаемом устройстве по сравнению с 25 известным устройством от отношения мощности импульса, искаженного модулирующей помехой, к мощности неискаженной части импульса.

Устройство содержит входную шину, усилитель 1, первый согласованный фильтр 2, первь)й квадратор 3, полосовой фильтр 4, второй квадратор 5, второй согласованный фильтр 6, первый инвертор 7, первый сумматор 8, логарифмический усилитель 9, второй инвертор 10, второй сумматор 11, блок

12 определения экстремума, счетчик 13 времени измерения и ключ 14.

Входная шина устройства чеРез 4О ключ 14 соединена с входами усилителя 1 и полосового фильтра 4, выход усилителя 1 через согласованный фильтр 2 подключен к входу квадратора 3, выход которого через инвертор 7 45 соединен с одним из входов сумматора 8, другой вход сумматора 8 подключен к второму входу сумматора 11 и к выходу согласованного фильтра 6,вход которого соединен через квадратор 5 с выходом полосового фильтра 4, выход сумматора 8 через логарифмический усилитель 9 соединен с входом инвертора 10, выход которого подключен к первому входу сумматора ll выход сумматора ll через блок 12 определе55 ния экстремума соединен с входом счетчика 13 времени, который соединен с входной шиной.

7 2

Устройство работает следующим образом.

При замыкании ключа 14 с входной шины на вход устройства поступает аддитивная смесь к() = S(t †Г,) +

+ n(t) импульса S(t — ". ) и широкополосного шума n(t) и одновременно включается счетчик 13 времени. Импульс S(t — С ), временное положение которого необходимо измерить, искажен модулирующей помехой так, что его можно описать формулой

+U, + y (t), О (.„, (l)

О, t (О,с>7и, S(t) = где (. „- длительность импульса, неизвестная амплитуда неискаженной

11 II П 11 части импульса, знак + или — определяет полярность неискаженной части импульса, которая также неизвестна, ((t) характеризует модулирующую помеху, обладающую неизвестным постоянным спектром мощности, сосредоточенным в диапазоне частот (-Я/2;

Я/2j .

Через входную шину устройства и ключ 14 аддитивная смесь x(t) поступает на входы усилителя 1 и полосового фильтра 4. Выходные сигналы х (t) и х (t) первого квадратора 3 и сог1 ласованного фильтра 6 поступают на первый инвертор 7 и первый сумматор 8 соответственно. Сигнал x„„(t), снимаемый с сумматора 11, подается на блок

12 определения экстремума. Блок 12 выявляет положение наибольшего максимума сигнала х„„(t), а счетчик 13 времени производит его временной отсчет и размыкает ключ 14, после чего устройство готово к следующему циклу измерений.

Входной сигнал x(t) подается на вход широкополосного усилителя 1 (с коэффициентом усиления К,), выход которого подключен к входу согласованного фильтра 2. В результате на выходе последнего имеем сигнал

t х,(с)=К, J (х(Е)-х(Е-"„)gd" (2)

Далее сигнал х (с) поступает на вход квадратора 3, на выходе которого формируется сигнал х (t) "- х ((-) .

В отсутствии адцитивного шума п(t) и моеупирумщей помехи j(t) сигнал х (t) в момент времени р, +2„ имеет максимум при положительной полярности или минимум при отрицательЭ 13541 ной полярности неискаженной части импульса (1) ° Наличие аддитивного широкополосного шума n(t) приводит к смещению экстремума х (t) относительно точки + „ . Как следует из теории потенциальной помехоустойчивости,смещение экстремума x (t) относительно точки + и из-за наличия только аддитивного широкополосного шума п(Г) минимально возможно. Это обусловлено максимальным подавлением аддитивного широкополосного шума согласованным фильтром 2 за счет временного усреднения. При этом интервал корреляции сигнала х (С) равен длительности импульса 7 „. Поэтому сигнал х (t) в окрестности длиной 2 с „ точки c + имеет только один экстремум, который для сигнала х (Г) = x<(t) является максимумом вне зависимости от полярности неискаженной части импульса (1).

Смещение максимума х (t) относи J тельно точки Г + из-за наличия о И адцитивно го широкополосного шума n (t) 25 также является минимально возможным, как и смещение экстремума сигнала х (t). Поэтому при отсутствии модулирующей помехи f(t) или при достаточно малом ее уровне и неизвестной по- ЭО лярности импульса (1) измерение Вре менного положения импульса (1) можно было бы осуществлять на основе определения положения максимума сигнала х З(t) ° »«M случае измерения прово дились бы с минимально возможными ошибкаж . Однако наличие модулирующей помехи ((t) в (1) может смещать положение максимума сигнала х () относительно точки Я + ь и на достаточно большую величину, что приводит к большим ошибкам измерения. Выше сказанное иллюстрируются графиками, представленными на фиг.2-4, на фиг.2 условно изображена реализация z(t) при отсутствии адцитивного шума n(t),ò.å. импульс (I), искаженный модулирующей помехой ((t). На фиг.3 и 4 изображе.ны соответственно формы сигналов х (t) и х >(t), которые формируют пер50 вый согласованный фильтр 2 и первый квадратор 3. Как следует из фиг.4, положение максимума сигнала х (t) на3 ходится достаточно далеко от точки л И o + "и55

Сигнал, положение максимума которого не изменяется из-за наличия мо, дулирующей помехи ((t), формируется с помощью блоков 4-6. Импульс x(t) 57

4 поступает на вход полосового фильтра 4 с полосой пропускания -522;

Я/23, имеющего коэффициент передачи в этой полосе К . В результате на выходе фильтра 4 имеет сигнал

К4 f х(i) 07 (3)

sin (Й /2) (О

1Г

Этот сигнал, пройдя через квадратор 5, поступает на вход согласованного фильтра 6. Формируемый этим согласованным фильтром сигнал х (t) 1 (х (с)-х (и†г )),Ул (4) о при отсутствии адцитивного шума n(t) достйгает наибольшего максимума в момент времени Со+ ь и вне зависимости от полярности неискаженной части импульса (1) и реализации модулирующей помехи I (t). Действительно, если реализация x(t) имеет вид, изображенный на фиг.2, то сигнал х () = х (t) на выходе квадратора 5 с точностью до масштабного множителя можно представить графиком, изображенным на фиг.5, а сигнал x <(t) при этом имеет вид, изображенный на фиг. 6. Поскольку . входной сигнал согласованного фильтра 6 является знакопостоянным при любой полярности неискаженной части импульса (1) и любой реализации f(t) выходной сигнал этого согласованного фильтра всегда при отсутствии аддитивного шума n(t) имеет максимум в момент времени о+ С„ . Наличие адитивного широкополосного шума n(t) приводит к смещению этого максимума относительно точки 7ь + 7 . Это смео и щение может быть большим, чем смещение максимума выходного сигнала с выхода первого квадратора 3 х (t),из-эа появления на входе согласованного фильтра 6 перекрестных помех типа произведения сигнала на шум при возведении х <(t) в квадрат. Поэтому, если бы аддитивный шум на входе отсутствовал или имел бы достаточно малый .уровень, то измерения временного положения импульса (1) можно было бы проводить на основе определения максимума сигнала х (t).

Сигнал <>(t), пройдя через инвертор 7, суммйруется с сигналом х <(t) в сумматоре 8 и поступает на вход логарифмического усилителя 9 с коэффициентом усиления К>. Сигнал с выхода логарифмического усилителя 9 далее поступает на вход инвертора 1Î и в результате формируется сигнал вида

7 6 сигналов х (t) — x„(t), когда реализация x(t) имеет вйд, приведенный на фиг.7, изображены на фиг.13-17 сплошными линиями.

Процесс формирования сигнала х,„(t) аналогичен рассмотренному выше и в случае, когда импульс (1) с достаточно большой амплитудой U неискаженной части наблюдается на фоне аддитивного широкополосного шума n(t) и модулирующей помехи ((t) малой интенсивности. Это обусловлено тем, что при сделанных предположениях реализация x(t) на интервале времени (,;

, + „), как правило, знакопостоянна. В результате этого сигналы х >(t) и х (г.) вблизи точки, + 1.И имеют близкие по величине максимумы, а сигх () = х () х 3() минимум.

Рассмотрим теперь случай, когда интенсивность модулирующей помехи ((t) велика. При этом для простоты изложения положим, что аддитивный шум

n(t) в реализации x(i) отсутствует.

На фиг.18 условно изображена подобная реализация x(t). Поскольку сигнал

x(t) в данном случае является знакопеременным, то в результате его усреднения по времени в первом согласованном фильтре 2 на выходе этого фильтра имеем сигнал х (t), изображенный на фиг.19, уровень которого достаточно мал. Выходной сигнал квадратора 3 х () = х (t) показан на

2 фиг. 20 .. Сигнал после поло со во ro фильтра 4 (фиг.21) поступает на вход квадратора 5. В результате íà его выходе имеем уже знакопостоянный сигнал х <(t) (фиг ° 22), который затем поступает на вход второго согласованного . фильтра 6. Так как входной сигнал фильтра 6 знакопостоянен, то при отсутствии в x(t) аддитивного шума n(t) сигнал х (с) (фиг.23) на выходе фильтра 6 достигает максимума в момент времени P, + С . При этом его уровень значительно больше уровня сигнала

x>(t), так как при его формировании используется и энергия неискаженной части импульса (1) и энергия модулирующей помехи ((t). Поэтому уровень сигнала на выходе первого сумматора 8 х (с) = х <(t) — x >(t) (фиг. 24) в основном определяется уровнем сигнала х (В).

Достаточно большой по уровню сигнал х (1) затем поступает на логарифмический усилитель 9, который н результате.сжатия динамического диапа5 135415 х„,(t) = -К Хп (х (t) — х, (t)7 .

В сумматоре 11 сигнал х„,(С) суммируется с сигналом х (): х„л() - (С)-К Г ()- (t)t. 5

При отсутствии модулирующей помехи ((t) в реализации x (t) и достаточно большой амплитуде !! неискаженной части импульса сигналы х (г.) и х (1) имеют максимум вблизи точки + о Ф

Процесс формирования этих максимумов поясняют графики, приведенные на фиг.7-12. На фиг.7 сплошной линией условно изображена реализация x(t) когда в импульсе (1) модулирующая помеха ((t) отсутствует и имеется только аддитивный шум n(t), а на фиг.812 с точностью до масштабных множителей представлены сигналы, формируемые 0 при этом блоками 1-6. Следует заметить, что если бы в реализации x(t) не было также аддитивного шума n(t) то сигналы х з() и x<(t) достигали бы максимумов точно в момент времени Г, + iи вне зависимости от полярности неискаженной части импульса (1).

Подбирая коэффициенты усиления усилителя 1 — К„, и фильтра 4 — K, величины этих максимумов можно было бы сде- 3р лать одинаковыми. В результате выходной сигнал первого сумматора 8 х (t)=

В

= х () — x (t) в момент времени Я, +

6 3

+ „ имел бы минимум и нулевую амплитуду. Наличие же аддитивного шума

n(t) в реализации x(t) приводит к то35 му, что минимум сигнала х >(t) достигается в момент времени t,,отличный от + „, а амплитуда х (t) в этот момент времени не равна нулю, хотя и мала. Поэтому, проходя через логарафмический усилитель 9 и инвертор 10, сигнал х (t) преобразуется в сигнал х„(t), который в момент времени t имеет максимум. Причем логарифмичес- 45 кий усилитель в этом случае осуществляет обострение (подчеркивает") минимум сигнала х (),а инвертор 10 обращает минимум х (t) в максимум сигна9 ла х,(t) . В сумматоре 11 сигналы х„,(С) и x<(t), имеющие максимум в окрестности точки,+ i » складываются, в результате чего получается сигнал х (t), более ярко выраженный мак-, 11 симум которого также находится вблизи точки,+ i„ . Блок !О определения экстремума выявляет положение этого максимума, а счетчик 13 времени производит его временный отсчет. Формы

13541 зона входного сигнала в значительной степени исглаживаети его. Поэтому изменения выходного сигнала х >(t) (фиг. 25) логарифмического усилителя 9 и выходного сигнала x«(t ) (фиг . 26)

5 инвертора 10 в окрестности точки, +

+ малы. Сложение мало изменяющегося,сигнала x„(t) с сигналом x>(t), имеющего максимум в точке 8О+ п,во втором сумматоре 11 приводит к незна= чительному смещению максимума сигнала x„„(t) = х 6 с + х с относитель— но точки 7, + С ч (сплошная линия фиг.27). Блок 12 выявляет положение максимума сигнала х (t), а счетчик 13

11 времени производит его временной отсчет.

Следует отметить, что величина ошибок измерения в предлагаемом устройстве существенно зависит от значений коэффициентов усиления усилителя 1 — Е„, фильтра 4 — Кд и усилителя 9 — K . Анализ точности измерения

3 в этом устройстве, а также применение 25 методов теории потенциальной помехоустойчивости показали, что максимальная точность измерений достигается, когда К, = К/ „, К = К/Я, К

= К Б, где Г„ — длительность импуль- ЗО са, временное положение которого измеряется, 6 — средняя мощность (дисперсия ) адцитивного шума в полосе частот мультипликативной помехи

Я Л а величина К выбирает- 35

2 2 ся в зависимости от конкретных условий работы измерителя таким образом, чтобы согласовать динамические диапазоны входного сигнала и используемых 4 типовых блоков.

Рассмотрим теперь существенные отличия в работе предлагаемого устройства и известного, а также обусловленное этими отличиями повышение в

45 устройстве точности измерений. Пусть, например, в ре ализ ации х (t ) модулирующая помеха ((t) отсутствует, а неискаженная часть импульса. (1) имеет отрицательную полярность. Условный вид такой реализации x(t) изображен

50 на фиг.7 сплошной линией, а пунктиром на этой же фигуре изображена неискаженная часть импульса (1). На фиг.17 пунктиром и сплошной линиями изобра55 жены соответственно выходной сигнал

x >(t) согласованного фильтра 2 и выходной сигнал х„„(С), положения максимумов которых определяют измеряемые

57

"начения временного положения импульса (! в известном и предлагаемом.устройствах. Вследствие отрицательной полярности неискаженной части импульсН (1 ) (иГHBJId х (с) вблизи точки

Г + i находится не максимум, а минимум. Поэтому измерения в известном устройстве в данном случае производятся с большими ошибками. В то же время в предлагаемом устройстве сигнал (процесс его формирования рассмот. рен раиее) имеет максимум вблизи точки 8,+ „ и ошибки измерения минимально возможные. Положим теперь, что импульс (1) искажен только модулирующей помехой r(t) и реализацию x(t) можно условно изобразить графиком фиг.18. При этом сигналы х (с) и х (t), которые являются входными сигналами сумматора 11, изображены соответственно пунктиром и сплошной линией на фиг.27. В результате интегрирования знакопеременного импульса в согласованном фильтре известного устройства максимум сигнала x >(t) значительно смещается относительно точки + с „, и

0 что и вызывает большие ошибки в определении временного положения импульса (1).

В предлагаемом устройстве смещение максимума сигнала x (t) относительно

11 точки. + i существенно меньше, так как это смещение обусловлено малоизменяющимся выходным сигналом x >(t) логарифмического усилителя 9. Кроме того, величина максимума сигнала х„(с) в этом устройстве существенно больше, чем величина максимума сигнала х (С) известного устройства. Это обусловлено тем, что для формирования максимума х (с) используется как энер11 гия неискаженной части импульса (!), имеющей произвольную полярность, так и энергия модулирующей помехи ((С).

Таким образом, для импульса (1) неизвестной полярности, искаженного модулирующей помехой и принимаемого на фоне аддитивного широкополосного шума, эффективность измерения его временного положения в предлагаемом устройстве существенно выше, чем в известном. Наличие выигрыша в точности подтверждается результатами теоретического анализа точности измерений временного положения импульса (1 ) в предлагаемом и известном устройствах.

Так минимальный выигрыш в точности измерений, обеспечиваемый предлагае1З54157 мым устройством, определяется соотно шением

17л 2 + с(° (2 + 4 н V 1211 + (l + q)>3+ q(f 1) 1 + (l + )Т1 г

01 02 05 08 1 2 8 !0

10 3,05 5,04 8„37 . 10,02 10,7 12,26 13,08 13,19 13,21

15 7,78 11,45 16,82 18,,96 19,92 22,20 23,35 23,6 23,65

20 15,1 1 19,91 25 99 28 61 29 66, 32 06 33 45 33,70 33,77 где V — минимальный средний квадрат ошибок измерений в устройстве-прототипе„ V — средний квадрат ошибок изме- 10 рений в предлагаемом устройстве, f = Р,„/Р, — отношение мощности Р имм пульса 1, 1 ), искаженно ro модулирующей помехой к мощности Р неискаженной части импульса, q — - отношение спект- 18 ральных плотностей модулирующей помехи и аддитивного широкополосного шума. Зависимость минимального / вы" мин игрыша в точности измерений (дБ) от отношения q приведены на фиг.28 для 20 различных значений параметра . Кривая I рассчитана при f--- 10 дБ, кривая II — при = 15 дБ, а. кривая III— при = 20 дБ. Как видно из графика фиг.28, минимальный выигрьпп в точности измерений временного положения импульса (1) может достигать больших значений. Например Фм„„ = 11 дБ при

q:= 1 и f-= -10 дБ и „. = 29 дБ при

1 и Е= 20 дБ. Для отдельных зна- 30 чении параметров f и о величина минимального выигрьппа 4 (дБ) B точносмин ти измерений временного положения импульса (1) приведена в таблице.

Следует отметить, что реальный выигрыш может быть значительно больше минимального d указанного на

МД Я9 фиг.28 и в таблице.

Формула изобретения

Устройство для измерения временно- 40 го положения импульсов, содержащее входную шину, усилитель, первый согласованный фильтр, блок определения экстремума, ключ, счетчик времени, вход усилителя соединен с выходом ключа, первый вход которого соединен с входной шиной устройства, а второй вход подключен к выходу счетчика времени, выход усилителя подключен к входу первого согласованного фильтра, выход блока определения экстремума подключен к счетному входу счетчика времени, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения временного положения импульсов, в него введены первый и второй квадраторы, первый и второй сумматоры, логарифмический усилитель, полосовой фильтр, второй согласованный фильтр, первый и второй инверторы, причем выход полосового фильтра через последовательно соединенные второй квадратор и второй согласованный фильтр соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, выход первого сумматора через последовательно соединенные логарифмйческий усилитель и второй инвертор подключен к второму входу второго сумматора,выход которого соединен с входом блока определения экстремума, выход первого согласованного фильтра через последовательно соединенные первый квадратор и первый инвертор подключен к второму входу первого сумматора, вход полосового фильтра соединен с выходом ключа.! 354157

1354157

13541 57

1354157

Составитель И.Мазуров

Техред Л. Сердюкова

Редактор E.Ïàïï

Корректор В.Гирняк

Заказ 5692/42 Тираж 371

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4